第2章 電阻式傳感器與力的檢測(cè)

第2章電阻式傳感器與力的檢測(cè)【教學(xué)目標(biāo)】掌握電位器式傳感器的基本工作原理熟悉電阻應(yīng)變效應(yīng)的基本概念掌握電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理和測(cè)量電路了解電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)和特性【教學(xué)重點(diǎn)】電位器式傳感器的工作原理應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路【教學(xué)難點(diǎn)】應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用【主要內(nèi)容】電位器式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器第2章電阻式傳感器與力的檢測(cè)2.1電位器式傳感器電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)電位器式傳感器的工作原理電位器式傳感器的典型應(yīng)用1電位器式傳感器的結(jié)構(gòu)電位器式傳感器一般由電阻體、骨架和可移動(dòng)的電刷組成。（a）線性電位器式傳感器（線位移）

（b）非線性電位器式傳感器（角位移）2

電位器式傳感器的工作原理假定xm、Rm、Um分別表示電位器的全長(zhǎng)、總的電阻、總的電壓；x、Rx、Ux分別表示電刷的位移量、位移量對(duì)應(yīng)的電阻、電壓，根據(jù)分壓原理可得：式中，Ku—電壓靈敏度，KR—電阻靈敏度。

由上式可知：輸出電壓與電刷線位移之間的關(guān)系是線性的，

電阻值與電刷線位移之間的關(guān)系也是線性的。

2電位器式傳感器的工作原理對(duì)角位移式電位器來(lái)說(shuō)，Uа與滑動(dòng)臂的旋轉(zhuǎn)角度成正比，即：可知：輸出電壓與電刷角位移之間的關(guān)系是線性的，輸出電阻值與電刷角位移之間的關(guān)系也是線性的。3

電位器式傳感器的典型應(yīng)用電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器原理框圖電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器電位器式位移傳感器3

電位器式傳感器的典型應(yīng)用1-測(cè)桿；2-滑線電阻；3-電刷；4-彈簧；5-滑塊；6-導(dǎo)軌；7-外殼；8-無(wú)感電阻。2.2電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)變效應(yīng)金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片電阻應(yīng)變片的主要特性和性能指標(biāo)應(yīng)變式傳感器的溫度誤差和補(bǔ)償應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用1應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變是指結(jié)構(gòu)尺寸的相對(duì)變化量，一般用ε表示，比如長(zhǎng)度的相對(duì)變化量ΔL/L。應(yīng)變效應(yīng)是指導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料受到外力作用時(shí)，將產(chǎn)生機(jī)械變形，從而導(dǎo)致其電阻值發(fā)生改變的現(xiàn)象。電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片：金屬絲式、金屬箔式半導(dǎo)體應(yīng)變片：硅、鍺2金屬電阻應(yīng)變片

金屬單絲受到拉力時(shí)產(chǎn)生應(yīng)變的示意圖2金屬電阻應(yīng)變片

或：金屬電阻應(yīng)變片的工作原理由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，若金屬絲受到拉伸的力，則沿軸向（縱向）伸長(zhǎng)，沿徑向（橫向）縮短，縱向應(yīng)變與橫向應(yīng)變的關(guān)系可表示為：上式中，μ—電阻絲材料的泊松系數(shù)，又稱泊松比。它是一個(gè)常數(shù)，負(fù)號(hào)表示橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變的方向相反。可得電阻應(yīng)變效應(yīng)的表達(dá)式：2金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的工作原理單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量，稱為電阻絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)，用K表示：電阻絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素的影響：一是因電阻絲的幾何尺寸產(chǎn)生應(yīng)變而引起的，即（1+2μ）項(xiàng)，往往稱之為幾何效應(yīng)；二是因受力后電阻絲的電阻率發(fā)生變化而引起的，即后面的一項(xiàng)，往往稱之為壓阻效應(yīng)。2金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的工作原理對(duì)于金屬材料而言，產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)電阻值的相對(duì)變化量主要是由結(jié)構(gòu)尺寸的變化（長(zhǎng)度L和面積A）引起的，電阻率的變化很小，可以忽略不計(jì)，因此有：這就是金屬電阻應(yīng)變效應(yīng)的表達(dá)式。上中Ks稱為金屬電阻絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)：大多數(shù)金屬材料Ks的數(shù)值在1.6～3.6之間。2金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)由金屬電阻材料制成的敏感柵粘貼在絕緣的基底上，敏感柵的兩端焊接有引出導(dǎo)線，敏感柵上面粘貼有覆蓋層。2金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬電阻應(yīng)變片的類別2金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的類別金屬絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片的敏感柵由電阻絲繞制而成，是使用最早的應(yīng)變片。制造簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、價(jià)格便宜、易于粘貼。2金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的類別金屬箔式應(yīng)變片箔柵是金屬箔經(jīng)過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成的很薄的金屬薄柵（0.003～0.01mm）。散熱條件較好，扁平狀箔柵有利于形變的傳遞，橫向效應(yīng)小，一致性較好。2金屬電阻應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的類別金屬薄膜式應(yīng)變片薄膜式應(yīng)變片的敏感柵是由蒸鍍或?yàn)R射法沉積的金屬、合金薄膜制成的，其厚度一般在0.1μm以下。靈敏度高，工作溫度范圍廣，可以獲得更高的輸出和更佳的穩(wěn)定性。2金屬電阻應(yīng)變片3半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理半導(dǎo)體材料的電阻應(yīng)變效應(yīng)主要是基于壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體沿某一軸向施加壓力時(shí)，除了產(chǎn)生一定應(yīng)變外，材料的電阻率也要發(fā)生變化，從而導(dǎo)致阻值發(fā)生變化，稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。3半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：式中，E—半導(dǎo)體材料的彈性模數(shù)。（1+2μ）項(xiàng)是幾何形狀變化對(duì)電阻相對(duì)變化量的影響，其值約為1～2；后面一項(xiàng)即為壓阻效應(yīng)的影響，其值遠(yuǎn)大于前面一項(xiàng)，約為50～150。可略去（1+2μ）項(xiàng)，因此半導(dǎo)體材料的靈敏度系數(shù)可表示為：一般的半導(dǎo)體材料Ks＝50～150。半導(dǎo)體材料的應(yīng)變靈敏度系數(shù)遠(yuǎn)大于金屬材料的應(yīng)變度靈敏系數(shù)，約是它的50～80倍。由于πE不是常量，故半導(dǎo)體應(yīng)變片的應(yīng)變與輸出電阻值之間的關(guān)系是非線性的。3半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類型體型半導(dǎo)體應(yīng)變片外延型半導(dǎo)體應(yīng)變片擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)3半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片的特點(diǎn)金屬電阻應(yīng)變片相比，半導(dǎo)體應(yīng)變片最突出的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高，這為它的應(yīng)用提供了有利條件。另外，由于機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)極小以及體積小等特點(diǎn)，擴(kuò)大了半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用范圍。它最大的缺點(diǎn)是溫度穩(wěn)定性差、靈敏度離散程度大(由于晶向、雜質(zhì)等因素的影響)以及在較大應(yīng)變作用下非線性誤差大等，4電阻應(yīng)變片的主要特性和性能指標(biāo)電阻應(yīng)變片的特性橫向效應(yīng)溫度效應(yīng)蠕變和零漂機(jī)械滯后電阻應(yīng)變片的橫向效應(yīng)4電阻應(yīng)變片的主要特性和性能指標(biāo)電阻應(yīng)變片的性能指標(biāo)應(yīng)變片的電阻值允許電流絕緣電阻表中：PZ為紙質(zhì)絲式，

PJ為膠質(zhì)絲式；BX、BS、BB為箔式；PBD為半導(dǎo)體應(yīng)變片。5應(yīng)變式傳感器的溫度誤差和補(bǔ)償溫度誤差粘貼在測(cè)試件上的應(yīng)變片，由于環(huán)境溫度的變化，會(huì)引起應(yīng)變片的電阻值隨之發(fā)生變化，稱為溫度誤差。溫度誤差的產(chǎn)生有下面兩個(gè)主要原因：（1）電阻絲自身的溫度系數(shù)α的影響。（2）試件材料和金屬絲材料的線膨脹系數(shù)β不同的影響。5應(yīng)變式傳感器的溫度誤差和補(bǔ)償溫度誤差的補(bǔ)償（1）自補(bǔ)償法局限性很大，一般只用于高溫測(cè)量。（2）線路補(bǔ)償法使用補(bǔ)償應(yīng)變片補(bǔ)償，容易實(shí)現(xiàn)，且方法簡(jiǎn)單，在常溫下可得到較好的補(bǔ)償效果。6應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路常用的測(cè)量電路是電橋電路，這里主要介紹直流電橋電路：直流電橋電路6應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路電橋的工作方式有：?jiǎn)伪垭姌颉㈦p臂電橋（半橋）和全橋三種：7應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用應(yīng)變式傳感器需要借助彈性敏感元件，將力或壓力轉(zhuǎn)換為應(yīng)變或位移，再由傳感器將應(yīng)變或位移轉(zhuǎn)換為電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。應(yīng)變式傳感器的構(gòu)成金屬電阻應(yīng)變式力傳感器主要用作各種電子秤與測(cè)力儀表的測(cè)力元件。等截面柱7應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用等截面柱型力傳感器應(yīng)變片的粘貼方式等截面柱金屬電阻應(yīng)變式力傳感器懸臂梁7應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用（a）等截面梁

（b）等強(qiáng)度梁（a）雙孔梁型金屬電阻應(yīng)變式力傳感器

（b）S梁型金屬電阻應(yīng)變式力傳感器金屬電阻應(yīng)變式力傳感器薄壁圓環(huán)7應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用薄壁圓環(huán)應(yīng)變片的粘貼方法薄壁圓環(huán)金屬電阻應(yīng)變式壓力傳感器7應(yīng)變式傳感器的典型應(yīng)用（a）彈簧管