第3章 電阻傳感器

第3章電阻式傳感器電阻式傳感器的種類繁多，應(yīng)用廣泛，其基本原理是將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)相應(yīng)的測(cè)量電路而最后顯示被測(cè)量值的變化。電阻式傳感器與相應(yīng)的測(cè)量電路組成的測(cè)力、測(cè)壓、稱重、測(cè)位移、測(cè)加速度、測(cè)扭矩、測(cè)溫度等測(cè)試系統(tǒng)。目前已成為生產(chǎn)過程檢測(cè)以及實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化不可缺少的手段之一。

電位器式傳感器應(yīng)變片式傳感器電位器式傳感器電位器是一種常用的機(jī)電元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電子設(shè)備中。它主要是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件來使用。它們主要用于測(cè)量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)。電位器式傳感器具有一系列優(yōu)點(diǎn)，如結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、精度高、輸出信號(hào)大、性能穩(wěn)定并容易實(shí)現(xiàn)任意函數(shù)。其缺點(diǎn)是要求輸入能量大，電刷與電阻元件之間容易磨損。電位器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式等；按特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。目前常用的以單圈線繞電位器居多。電位器的結(jié)構(gòu)與材料由于測(cè)量領(lǐng)域的不同，電位器結(jié)構(gòu)及材料選擇有所不同。但是其基本結(jié)構(gòu)是相近的。電位器通常都是由骨架、電阻元件及活動(dòng)電刷組成。常用的線繞式電位器的電阻元件由金屬電阻絲繞成。

階梯誤差和分辨率的大小都是由線繞電位器本身工作原理所決定的,是一種原理性誤差,它決定了電位器可能達(dá)到的最高精度。在實(shí)際設(shè)計(jì)中,為改善階梯誤差和分辨率,需增加匝數(shù),即減小導(dǎo)線直徑（小型電位器通常選0.5mm或更細(xì)的導(dǎo)線）或增加骨架長(zhǎng)度（如采用多圈螺旋電位器)。變骨架式非線性電位器利用改變骨架高度或?qū)挾鹊姆椒▉韺?shí)現(xiàn)非線性函數(shù)特性。變骨架式非線性電位器理論上可以實(shí)現(xiàn)所要求的許多種函數(shù)特性,但由于結(jié)構(gòu)和工藝上的原因,對(duì)于所實(shí)現(xiàn)的特性有一定的限制,為保證強(qiáng)度,骨架的最小高度hmin>3～4mm,不能太小。特性曲線斜率也不能過大,否則骨架高度很大或骨架坡度太高,骨架型面坡度α應(yīng)小于20°～30°。坡度角太大,繞制時(shí)容易產(chǎn)生傾斜和打滑,從而產(chǎn)生誤差,減小坡度可采用對(duì)稱骨架。為減小具有連續(xù)變化特性的骨架的制造和繞制困難,也可對(duì)特性曲線采用折線逼近,從而將骨架設(shè)計(jì)成階梯形的。

（a)骨架坡度太高;（b)對(duì)稱骨架減少坡度

電位器式位移傳感器電位器式位移傳感器常用于測(cè)量幾毫米到幾十米的位移和幾度到360°的角度。應(yīng)變片式傳感器電阻應(yīng)變片的工作原理金屬電阻應(yīng)變片主要特性溫度誤差及補(bǔ)償應(yīng)變片式電阻傳感器的測(cè)量電路應(yīng)變片式電阻傳感器的應(yīng)用舉例電阻應(yīng)變片的工作原理電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)，即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。

金屬電阻應(yīng)變片主要特性金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及材料

電阻絲較細(xì),一般在0.015~0.06mm,其兩端焊有較粗的低阻鍍錫銅絲（0.1~0.2mm）4作為引線,以便與測(cè)量電路連接。

l稱為應(yīng)變片的標(biāo)距,也稱（基）柵長(zhǎng),a稱為（基）柵寬,l×a稱為應(yīng)變計(jì)的使用面積。

電阻應(yīng)變效應(yīng)

長(zhǎng)為l、截面積為A、電阻率為ρ的金屬或半導(dǎo)體絲,電阻

若導(dǎo)電絲在軸向受到應(yīng)力的作用,其長(zhǎng)度變化Δl,截面積變化ΔA,電阻率變化Δρ,而引起電阻變化ΔR,則設(shè)電阻絲為圓形截面,直徑為d,因則：

對(duì)金屬來說,πE很小,可忽略不計(jì),μ=0.25～0.5,故k0=1+2μ≈1.5～2。對(duì)半導(dǎo)體而言,πE比1+2μ大得多,壓阻系數(shù)π=(40-50)×10-11m2/N,楊氏模量E=1.67×1011Pa,則πE≈50～100,故（1+2μ）可以忽略不計(jì)?？梢?半導(dǎo)體靈敏度要比金屬大50~100倍。

應(yīng)變片的分類應(yīng)變片有很多品種系列:

從尺寸上講,長(zhǎng)的有幾百mm,短的僅0.2mm;

由結(jié)構(gòu)形式上看,有單片、雙片、應(yīng)變花和各種特殊形狀的圖案;就使用環(huán)境上說,有高溫、低溫、水、核輻射、高壓、磁場(chǎng)等;而安裝形式,有粘貼、非粘貼、焊接、火焰噴涂等。主要的分類方法是根據(jù)敏感元件材料的不同,將應(yīng)變計(jì)分為金屬式和半導(dǎo)體式兩大類。金屬電阻應(yīng)變片主要特性電阻應(yīng)變片主要特性靈敏系數(shù)橫向效應(yīng)機(jī)械滯后，零漂及蠕變溫度效應(yīng)應(yīng)變極限、疲勞壽命動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性線性度試件的應(yīng)變?chǔ)藕碗娮璧南鄬?duì)變化ΔR/R,在理論上呈線性關(guān)系。但實(shí)際上,在大應(yīng)變時(shí),會(huì)出現(xiàn)非線性關(guān)系。應(yīng)變計(jì)的非線性度一般要求在0.05%或1%以內(nèi)。應(yīng)變極限

粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)所能測(cè)量的最大應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。在一定的溫度(室溫或極限使用溫度)下,對(duì)試件緩慢地施加均勻的拉伸載荷,當(dāng)應(yīng)變計(jì)的指示應(yīng)變值對(duì)真實(shí)應(yīng)變值的相對(duì)誤差大于10%時(shí),就認(rèn)為應(yīng)變計(jì)已達(dá)到破壞狀態(tài),此時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值就作為該批應(yīng)變計(jì)的應(yīng)變極限。

機(jī)械滯后和熱滯后

貼有應(yīng)變計(jì)的試件進(jìn)行加載和卸載時(shí),其ΔR/R-ε特性曲線不重合。把加載和卸載特性曲線的最大差值δ稱為應(yīng)變計(jì)的機(jī)械滯后值。

零漂和蠕變恒定溫度下,粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì),在不承受載荷的條件下,電阻隨時(shí)間變化的特性稱為應(yīng)變計(jì)的零漂。零漂的主要原因是,敏感柵通過工作電流后的溫度效應(yīng),應(yīng)變計(jì)的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化,粘接劑固化不充分等。

疲勞壽命已安裝的應(yīng)變片,在恒定幅值的交變應(yīng)力作用下,可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)。所謂疲勞損壞是指應(yīng)變片指示應(yīng)變的變化超過規(guī)定誤差,或者應(yīng)變片的輸出波形上出現(xiàn)毛刺,或者應(yīng)變片完全損壞而無(wú)法工作。疲勞壽命反映應(yīng)變片對(duì)動(dòng)態(tài)應(yīng)變的適應(yīng)能力。應(yīng)變片的疲勞壽命的循環(huán)次數(shù)一般可達(dá)106次。

最大工作電流最大工作電流是指允許通過應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。工作電流大,應(yīng)變片輸出信號(hào)就大,因而靈敏度高。但過大的工作電流會(huì)使應(yīng)變片本身過熱,使靈敏系數(shù)變化,零漂、蠕變?cè)黾?甚至燒壞應(yīng)變片。工作電流的選取,要根據(jù)散熱條件而定,主要取決于敏感柵的幾何形狀和尺寸、截面的形狀和大小、基底的尺寸和材料、粘合劑的材料和厚度以及試件的散熱性能等。通常允許電流值在靜態(tài)測(cè)量時(shí)約取25mA左右,動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)可高一些,箔式應(yīng)變片可取更大些。在測(cè)量塑料、玻璃、陶瓷等導(dǎo)熱性差的材料時(shí),工作電流要取小些。

絕緣電阻絕緣電阻是指應(yīng)變片的引線與被測(cè)試件之間的電阻值,一般以兆歐計(jì)。絕緣電阻過低,會(huì)造成應(yīng)變片與試件之間漏電而產(chǎn)生測(cè)量誤差。

應(yīng)變片電阻值R

應(yīng)變片在未安裝也不受外力的情況下,于室溫時(shí)測(cè)得的電阻值。這是使用應(yīng)變片時(shí)應(yīng)知道的一個(gè)參數(shù)。國(guó)內(nèi)應(yīng)變片系列習(xí)慣上選用120、175、350、500、1000、1500Ω。

幾何尺寸

圓弧敏感柵應(yīng)變片敏感柵基長(zhǎng)L從圓弧頂部算起,箔式應(yīng)變片則從橫向粗線的內(nèi)沿算起。通常應(yīng)變片L約為2~30mm,箔式應(yīng)變片最小可達(dá)0.2mm,長(zhǎng)的達(dá)100mm或更長(zhǎng)。溫度誤差及補(bǔ)償“溫度視應(yīng)變”

1、電阻絲的電阻率會(huì)因溫度變化而變化。

2、在外界溫度變化的條件下，由于敏感柵溫度系數(shù)αt及柵絲與試件膨脹系數(shù)(βg及βs)之差異性而產(chǎn)生虛假應(yīng)變輸出有時(shí)會(huì)產(chǎn)生與真實(shí)應(yīng)變同數(shù)量級(jí)的誤差。必須采取補(bǔ)償溫度誤差的措施。通常溫度誤差補(bǔ)償方法有兩類：自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法（1）單絲自補(bǔ)償法（2）組合式自補(bǔ)償法

應(yīng)變片實(shí)際測(cè)量結(jié)果包括二部分，即：真實(shí)應(yīng)變值虛假應(yīng)變值線路補(bǔ)償法——電橋補(bǔ)償法

R1、R2采用同型號(hào)且同批次出廠的產(chǎn)品；

R1貼在試件上、R2貼在與試件相同的材料上（不受應(yīng)力），并放在試件旁，使二者處于相同的溫度場(chǎng)中，具有相同的“溫度視應(yīng)變”。應(yīng)變片式電阻傳感器的測(cè)量電路

直流電橋直流電橋平衡條件直流電橋電壓靈敏度電橋的非線性誤差

交流電橋交流電橋的平衡條件交流應(yīng)變電橋的輸出特性及平衡調(diào)節(jié)

應(yīng)變片式電阻傳感器的測(cè)量電路例：已知公式：初始電阻R=120

靈敏度系數(shù)K=2

縱向應(yīng)變=1000=1‰時(shí)

求：該應(yīng)變片電阻的絕對(duì)變化量

R=0.24應(yīng)變片式電阻傳感器的測(cè)量電路上述一例中各參數(shù)均為產(chǎn)品較有代表性的參數(shù)。而縱向應(yīng)變量也取得十分大（通常應(yīng)變片的線性工作范圍僅有600

）。由上例中可以得出以下結(jié)論：應(yīng)變片式傳感器對(duì)應(yīng)變產(chǎn)生的電阻變化量很小，通常是在幾個(gè)歐姆以下。要求測(cè)量電路必須能夠測(cè)量微小電阻的變化。電橋電路是最常用的測(cè)量微小電阻變化的電路。電橋?qū)㈦娮?、電容、電感等參?shù)變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的輸出。電橋的輸出一般需要送入放大電路進(jìn)行放大，有時(shí)也直接與指示儀器相接。加在電橋上的供電電壓可以是直流，也可以是交流——

直流電橋交流電橋電橋的工作方式偏差工作方式（電橋輸出正比于偏差量）調(diào)零工作方式（電橋調(diào)零量正比于偏差量）偏差工作方式——

由于橋臂阻抗的變化而使得電橋失去平衡，產(chǎn)生電壓或電流輸出，輸出值與橋臂阻抗的變化成確定的關(guān)系。調(diào)零工作方式——

當(dāng)電橋的某一橋臂阻抗發(fā)生變化而使電橋失去平衡時(shí)，通過手動(dòng)或自動(dòng)的辦法對(duì)電橋的某一調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)進(jìn)行調(diào)整，并恢復(fù)電橋的平衡狀態(tài)，其阻抗的變化可以從調(diào)節(jié)中獲得。偏差工作方式——?jiǎng)討B(tài)響應(yīng)特性好，但電橋的輸出要受到供電電源電壓波動(dòng)的影響。調(diào)零工作方式——可避免受供電電源電壓波動(dòng)的影響，測(cè)量精度較高，但動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性差，測(cè)量速度較慢。在供橋電壓確定后，當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí)，電橋電壓靈敏度最高，此時(shí)有:單臂電橋?yàn)榱藴p小和克服非線性誤差，常采用差動(dòng)電橋，在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一個(gè)受拉應(yīng)變，一個(gè)受壓應(yīng)變，接入電橋相鄰橋臂，稱為半橋差動(dòng)電路（雙臂電橋）。該電橋輸出電壓為：若將電橋四臂接入四片應(yīng)變片，即兩個(gè)受拉應(yīng)變，兩個(gè)受壓應(yīng)變，將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上，構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，則：

全橋差動(dòng)電路不僅沒有非線性誤差，而且電壓靈敏度為單片工作時(shí)的

4倍，同時(shí)仍具有溫度補(bǔ)償作用。應(yīng)變片式電阻傳感器的應(yīng)用舉例應(yīng)變式測(cè)力傳感器圓柱式力傳感器梁式力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式扭矩傳感器應(yīng)變式加速度傳感器

圓柱（筒）式力傳感器（a）柱式；（b）筒式；（c