第2章電阻傳感器

第二章電阻式傳感器原理與應用

電阻式傳感器的基本原理是將被測量的變化轉換成傳感元件電阻值的變化，再經過轉換電路變成電信號輸出。（1）電阻式應變片（2）壓阻式（3）熱電阻式測量參數：形變、壓力、力、位移、加速度、溫度測量電路自動測力或稱重中應用最普遍的是電阻應變式傳感器，應變式傳感器有下列優(yōu)點：

1.精確度，線性度好，靈敏度高

2.滯后和蠕變都較小，壽命高

3.容易與二次儀表相匹配實現自動檢測

4.結構較簡單，體積較小應用靈活

5.工作穩(wěn)定、保養(yǎng)方便應變式傳感器除可用于測量力參數外，還可用于測量位移、加速度，振幅等其他物理量。2.1應變式傳感器

應變式傳感器是利用金屬的電阻應變效應，將被測量轉換為電量輸出的一種傳感器。

一、金屬的應變效應

當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化。取一根長度為L，截面積為S，電阻率為ρ

的金屬絲，未受力時其電阻R為2.1.1金屬電阻應變片的工作原理F

Δl、ΔA、Δρ

ΔR當電阻絲受到拉力F作用時,將伸長ΔL,橫截面積相應減小ΔA（取負號）,電阻率將因晶格發(fā)生變形等因素而改變Δρ,故引起電阻值相對變化量為式中ΔL/L是長度相對變化量,用應變ε表示ΔA/A為電阻絲的截面積相對變化量,因軸向應變徑向應變由材料力學,在彈性范圍內,金屬絲受拉力時,沿軸向伸長,沿徑向縮短,那么軸向應變和徑向應變的關系可表示為式中:μ——材料的泊松比,負號表示應變方向相反。

ε——材料的縱向應變

以ε取代和，由材料力學可知：應力金屬電阻的靈敏系數材料的幾何尺寸變化引起的（應變效應）材料的電阻率ρ隨應變引起的（壓阻效應）金屬材料：k0以前者為主，則k0≈1+2μ=1.7~3.6半導體：k0值主要是由電阻率相對變化所決定二、電阻應變片的結構與種類金屬絲式：直徑d=0.02mm~0.05mm,允許電流I=10mA~12mA,電阻R=50~1000歐姆.鉑等金屬箔式：厚度0.003~0.01mm，康銅、鎳鉻光刻腐蝕技術金屬薄膜式：厚度0.1微米。真空蒸鍍、沉積、濺射

散熱好傳感好疲勞壽命長用應變片測量時，將其貼在被測對象表面上。當被測對象受力變形時，應變片也隨同變形，其電阻值發(fā)生相應變化，通過轉換電路轉換為電壓或電流的變化。

金屬電阻絲應變片的基本結構1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線三、應變片的粘貼技術應變片的檢查與選擇試件的表面處理底層處理貼片固化粘貼質量檢查引線焊接與組橋連接應變片的敏感柵是由金屬或半導體材料制成的，因此工作時既能感受應變，又是溫度的敏感元件。因為應變引起的電阻值變化很小，所以要提高測量精度，就必須消除或減小溫度的影響。2.1.2應變片的溫度誤差補償1.應變片的溫度誤差

由于測量現場環(huán)境溫度的改變而給測量帶來的附加誤差，稱為應變片的溫度誤差。產生應變片溫度誤差的主要因素有以下兩方面。電阻溫度系數的影響2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數的影響2.電阻應變片的溫度補償方法補償片補償補償應變片置于相同現場溫度不受力受力工作應變片1)電橋補償當被測試件不承受應變時，R1和RB又處于同一環(huán)境溫度為t℃的溫度場中，調整電橋參數，使之達到平衡，有工程上，一般按R1=RB=R3=R4選取橋臂電阻。溫度升高或降低時，引起的兩個應變片的電阻變化量相同電橋仍處于平衡狀態(tài)：=0由上式可知，電橋的輸出電壓Uo

僅與被測試件的應變ε有關，而與環(huán)境溫度無關。若要實現完全補償，上述分析過程必須滿足四個條件：(1)在應變片工作過程中，必須保證R3=R4。(2)R1和RB兩個應變片應具有相同的電阻溫度系數α，線膨脹系數β，應變靈敏度系數K和初始電阻值Ro。(3)粘貼補償片的補償塊材料和粘貼工作片的被測試件材料必須一樣，兩者線膨脹系數相同。(4)兩應變片應處于同一溫度場。若此時被測試件有應變ε的作用，則工作應變片電阻R1又產生新的增量ΔR1=R1Kε，而補償片因不承受應變，故不產生新的增量。此時電橋輸出電壓為:

Uo=AR1R4Kε2)熱敏電阻補償UiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流電阻U溫度上升，應變片阻值增加，輸出電壓減??；溫度上升，熱敏電阻阻值減小，輸出電壓增加應變片、熱敏電阻、R5選擇適當

2.1.3電阻應變片的測量電路作用：將電阻的變化轉換為電壓輸出。

一、

直流電橋空載電壓：

直流電源U輸出電壓R’直流電橋交流電橋直流電橋平衡條件：當時,電橋處于平衡狀態(tài)，輸出電壓，若電橋各臂均有電阻增量得采用等臂電橋時當時(1)當時,電橋的輸出電壓與應變成線性關系。（2）若相鄰兩橋臂的應變極性一致，即同為拉應變或壓應變時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應變極性不一致，輸出電壓為兩者之和。（3）若相對兩橋臂的應變極性一致，輸出電壓為兩者之和，反之為兩者之差。（4）電橋的供電電壓U越高，輸出電壓越大，但太大則電流也大，傳感器會出現蠕變和零飄。（5）增大靈敏系數K，可提高電橋的輸出電壓。**合理利用上述特性，可進行溫度補償和提高傳感器的測量靈敏度。二、非線性誤差及其補償當時,電橋的輸出電壓與應變成線性關系，否則成非線性關系。當電橋單臂工作時，理想的線性關系是：實際的線性關系是：相對非線性誤差是：可知：越大，則越大，為了消除非線性誤差，實際應用中，采用半橋差動或全橋差動電路，改善非線性誤差和提高輸出靈敏度。半橋差動電路：(一個受拉，一個受壓）全橋差動電路：半橋差動電路不僅消除非線性誤差，使輸出靈敏度提高一倍，同時起溫度補償作用與單臂應變相比，靈敏度擴大4倍！R1R2F

2.1.4、電阻應變式傳感器的應用（一）測力與稱重傳感器測量參數：形變、壓力、力、位移、加速度、溫度地磅秤：柱式傳感器R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF圓柱傳感器展開圖及橋路圖二、壓力傳感器補償片工作片膜片應變片插座壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等三、加速度傳感器（低頻10~60HZ應用廣泛）質量塊應變梁應變片阻尼液密封墊接線板底座四、位移傳感器彈簧插頭座應變片等寬懸臂梁調整螺釘頂桿第二節(jié)壓阻式傳感器

--------半導體傳感器壓阻效應：固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種現象叫壓阻效應。半導體材料的壓阻效應特別強。半導體壓阻式傳感器分類①粘貼式應變片②擴散硅型壓阻傳感器特點：靈敏系數大，分辨率高，動態(tài)響應快，體積小，溫度范圍寬，便于批量生產，易于集成化、智能化。它主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數。因為半導體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補償。設半導體材料的壓阻系數為，材料受到的應力為σ，有工作原理與結構對于半導體材料，其電阻率的變化為：在彈性變形限度內，壓阻效應是可逆的，當應力消失時，硅片的電阻會恢復原來數值。

注意：晶體在不同的方向上，壓阻效應數值不同。2.2.1半導體壓阻效應壓阻效應傳感器的核心-----------硅膜片2.2.2體型半導體電阻應變片（粘貼式）采用從單晶硅切下薄片為應變片粘貼在彈性元件上長期穩(wěn)定性差2.2.3擴散型壓阻式壓力傳感器硅杯高壓腔低壓腔硅膜片引線引線采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導體電阻應變薄膜2.2.4壓阻式加速度傳感器基座擴散電阻質量塊梁壓阻式傳感器的應用因為壓阻式傳感器具有靈敏度高、動態(tài)響應快、體