《電阻式傳感器》課件

第三章電阻式傳感器第一節(jié)金屬應(yīng)變片式傳感器應(yīng)力和應(yīng)變金屬應(yīng)變效應(yīng)金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和種類金屬應(yīng)變片的特性參數(shù)第二節(jié)半導(dǎo)體固態(tài)壓阻式傳感器半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)擴(kuò)散式半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)例題1已知一熱電偶的時(shí)間常數(shù)

=10s，如果用它來(lái)測(cè)量一臺(tái)爐子的溫度，爐內(nèi)溫度在540℃至500℃之間接近正弦曲線波動(dòng)，周期為80s，靜態(tài)靈敏度K=1。試求該熱電偶輸出的最大值和最小值。以及輸入與輸出之間的相位差和滯后時(shí)間。(已知熱電偶為一階傳感器)1.1金屬應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)力1.1金屬應(yīng)變效應(yīng)§1.1金屬應(yīng)變效應(yīng)

6金屬導(dǎo)體的電阻值隨其機(jī)械變形而發(fā)生變化的現(xiàn)象。FFLL+dL2r2(r-dr)ρ:電阻系數(shù)L:金屬導(dǎo)線長(zhǎng)度S:金屬導(dǎo)線截面積

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81.2金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)種類L和b分別稱為應(yīng)變片的基長(zhǎng)和寬度1.2金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)種類

111.3金屬應(yīng)變片的參數(shù)和特性靈敏系數(shù)橫向效應(yīng)和橫向靈敏度溫度特性最高工作頻率零漂與蠕變機(jī)械滯后電阻值最大工作電流應(yīng)變極限靈敏系數(shù)靈敏軸線靈敏系數(shù) 一維應(yīng)力作用下粘貼在試件表面上的應(yīng)變片的單位電阻變化率與試件上應(yīng)變片沿靈敏軸線方向所產(chǎn)生的單位形變之比§1.3應(yīng)變片的主要參數(shù)§1.3.1應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k

15原因：基底傳遞衰減；存在橫向效應(yīng)；金屬應(yīng)變絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)K0表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻—應(yīng)變特性與金屬單絲情況不同。測(cè)量結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)K0

。原因主要是膠層傳遞變形失真及橫向效應(yīng)。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻—應(yīng)變特性重新測(cè)定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變?chǔ)旁诤軐挼姆秶鷥?nèi)均為線性關(guān)系?！?.3.2橫向靈敏度及橫向效應(yīng)

17FFbOlεydldθθε0εx敏感柵半圓弧形部分r若敏感柵有n根縱柵，每根長(zhǎng)為L(zhǎng)1，在軸向應(yīng)變?chǔ)舩作用下，全部縱柵的相對(duì)變化量視為ΔL1半圓弧橫柵同時(shí)受到εx和εy的作用，在任一微小段長(zhǎng)度dl=rdθ上的應(yīng)變?chǔ)纽瓤捎刹牧狭W(xué)公式求得

縱柵為n根的應(yīng)變片共有n-1個(gè)半圓弧橫柵，全部橫柵的變形量為每個(gè)圓弧形橫柵的變形量Δl為yOxεydldθθε0εx敏感柵半圓弧形部分r應(yīng)變片敏感柵的總變形為敏感柵柵絲的總長(zhǎng)為L(zhǎng)，靈敏系數(shù)為KS，則電阻相對(duì)變化軸向靈敏度系數(shù)橫向靈敏度系數(shù)電阻相對(duì)變化的理論計(jì)算

21l:應(yīng)變片縱柵長(zhǎng)度；L：電阻絲總長(zhǎng)度R:園弧部分半徑；n：敏感柵縱柵數(shù)所以，橫向效應(yīng)總是起著抵消縱向應(yīng)變的作用。

r↓、l↑→c↓→橫向效應(yīng)小橫向靈敏系數(shù)與軸向靈敏系數(shù)之比值，稱為橫向系數(shù)Kk可見(jiàn)，r愈小、l愈大，則Kk愈小。即敏感柵越窄、基長(zhǎng)越長(zhǎng)的應(yīng)變片，其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。應(yīng)變片的標(biāo)定靈敏度系數(shù)由此可見(jiàn)，標(biāo)定靈敏度系數(shù)要比軸向靈敏度系數(shù)小1.2金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)種類§1.3.3應(yīng)變極限

24在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變下降到真實(shí)應(yīng)變的90%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變。原因：膠層太厚、膠不完全固化。ε真實(shí)ε指示

25§1.3.4機(jī)械滯后εε指示原因：殘余變形。

26§1.3.5最高工作頻率一、應(yīng)變波的傳播過(guò)程機(jī)械應(yīng)變以相同于聲波速度的應(yīng)變波形式在材料中傳播垂直方向傳播：可忽略。在敏感柵長(zhǎng)度方向傳播：應(yīng)變片反映應(yīng)變片長(zhǎng)度內(nèi)應(yīng)變量的平均值。

271、正弦應(yīng)變波：

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30§1.3.6應(yīng)變片的阻值和允許電流標(biāo)準(zhǔn)化的阻值：60Ω、120Ω、350Ω、600Ω、1000Ω等允許電流：靜態(tài)測(cè)量時(shí)：25mA

。動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)：75mA、100mA

。

31§1.3.7零漂和蠕變零漂：ε指示隨時(shí)間的漂移（未加載、溫度恒定）。原因：敏感柵通電流后的溫度效應(yīng)應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力固化不充分蠕變：在某一恒定溫度下，對(duì)試件加一恒定應(yīng)變，這時(shí)指示應(yīng)變隨時(shí)間變化的特性。500ε指示t0

32§1.3.8溫度誤差及其補(bǔ)償一、產(chǎn)生原因：⑴敏感柵的金屬電阻本身隨溫度發(fā)生變化：Rt=R0（1+α△t)△Rt

α=R0α△tRt：溫度為t時(shí)的電阻值；R0：溫度為t0時(shí)的電阻值；α：電阻溫度系數(shù)

33⑵試件材料與應(yīng)變材料的線膨脹系數(shù)不同引起應(yīng)變片附加形變：應(yīng)變片形變：△lg=βg·l0·△tβg:應(yīng)變片線膨脹系數(shù)試件形變：△ls=βs·l0·△t

βs:試件線膨脹系數(shù)l0△lg△ls

34總的電阻變化：△Rt=△Rt

α+△Rt

β

=R0·α·△t+R0·κ·(βs-βg)·△t△Rt/R0=α·△t+κ·(βs-βg)·△t附加形變：△l=△ls-△lg=(βs-βg)·l·△t附加應(yīng)變：ε=△l/l=(βs-βg)·△t附加電阻變化：△Rt

β=R0·κ·ε=R0·κ·(βs-βg)△t第二節(jié)半導(dǎo)體固態(tài)壓阻式傳感器基于半導(dǎo)體材料壓阻效應(yīng)制成的傳感器壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體材料在機(jī)械應(yīng)力的作用下，材料本身的電阻率會(huì)發(fā)生較大的變化當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻相對(duì)變化為:式中為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率的相對(duì)變化，其值與半導(dǎo)體敏感條在軸向所受的應(yīng)力之比為一常數(shù)（壓阻系數(shù)）。即上式中1+2μ項(xiàng)隨幾何形狀而變化，πLE項(xiàng)為壓阻效應(yīng)，隨電阻率而變化。實(shí)驗(yàn)證明πLE比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：

由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小,那么考慮通常采用惠斯頓電橋提出問(wèn)題？第三節(jié)電阻應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測(cè)量出來(lái)；

同時(shí)要把電阻相對(duì)變化ΔR/R轉(zhuǎn)換為電壓或

電流的變化。

應(yīng)該采用什么測(cè)量轉(zhuǎn)換電路？回答1.惠斯頓電橋由四個(gè)橋臂R1、R2、R3及R4和一個(gè)供橋電源U組成。R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋

電路特點(diǎn)：

當(dāng)被測(cè)量無(wú)變化，四橋臂滿足一定的關(guān)系，輸出為零；當(dāng)被測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，測(cè)量電橋平衡被破壞，有電壓輸出。

電路組成其中，RL為負(fù)載電阻

Uo為電橋輸出電壓。A.直流電橋a.電橋平衡條件R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋當(dāng)電橋平衡時(shí),Uo=0,則有：R1R4=R2R3欲使電橋平衡,其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等,或相對(duì)兩臂電阻的乘積相等。——電橋平衡條件結(jié)論：或直流電橋的輸入電阻負(fù)載開路時(shí)的輸入電阻Rab負(fù)載電阻為Rf時(shí)的輸入電阻Rab直流電橋的輸出電阻內(nèi)阻為零時(shí)的輸出電阻Rcd內(nèi)阻為RO時(shí)的輸出電阻Rcd橋臂電流電流方程電流方程的矩陣形式R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋分析：b.電壓靈敏度（1）R2,R3,R4為電橋固定電阻這就構(gòu)成了單臂電橋。R1為電阻應(yīng)變片（2）當(dāng)R1產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),若應(yīng)變片電阻變化為ΔR1，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋分析：b.電壓靈敏度電橋不平衡輸出電壓為:設(shè)橋臂比n=R2/R1考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3且ΔR1/R1很小可忽略電橋電壓靈敏度定義為：R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋分析：b.電壓靈敏度電橋不平衡輸出電壓為:②電橋電壓靈敏度Ku=Ku(n)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。分析可知：——電橋電壓靈敏度①電橋電壓靈敏度Ku正比于電橋供電電壓U

提出問(wèn)題？當(dāng)U值確定后,n值取何值時(shí)使Ku最高？

但供電電壓U的提高受到應(yīng)變片允許功耗的限制，所以要作適當(dāng)選擇;U↑→Ku↑當(dāng)dKu/dn=0時(shí)，求Ku的最大值。即：在電橋電壓確定后,當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí),電橋電壓靈敏度最高,此時(shí)有解決辦法：求得n=1時(shí),

Ku為最大值

當(dāng)電橋電壓U和電阻相對(duì)變化量ΔR1/R1一定時(shí),電橋的輸出電壓及其靈敏度也是定值,且與各橋臂電阻阻值大小無(wú)關(guān)。結(jié)論：c.非線性誤差及其補(bǔ)償方法理想值實(shí)際值——非線性誤差如果是四等臂電橋,R1=R2=R3=R4,則提出問(wèn)題？非線性誤差是否能滿足測(cè)量要求？討論：非線性誤差是否能滿足測(cè)量要求？

對(duì)于一般應(yīng)變片來(lái)說(shuō)，所受應(yīng)變?chǔ)磐ǔＴ?×10-3以下。（1）若取K=2,則ΔR1/R1=Kε=0.01,代入上式計(jì)算得非線性誤差為0.5%;（2）若K=130,ε=1×１0-3時(shí),ΔR1/R1=0.130,則得到非線性誤差為6%。結(jié)論：K較小時(shí)，非線性誤差能滿足測(cè)量要求；當(dāng)K↑到某值時(shí)，非線性誤差已不能滿足測(cè)量要求。利用和兩式，有：必須予以減小和克服非線性誤差。如何解決？解決辦法：——（1）差動(dòng)電橋即：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。R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋R1RBR3R4BDUoUACRLIL－＋解決辦法：——（1）差動(dòng)電橋該電橋輸出電壓為若則得R1R2R3R4BDUoUACRLIL－＋解決辦法：——（1）差動(dòng)電橋☆呈線性關(guān)系；☆無(wú)非線性誤差；☆電橋電壓靈敏度K=U

/2,比單臂工作時(shí)提高一倍。結(jié)論：解決辦法：——（2）恒流源電橋非線性誤差減少，但不能消除，一般用于半導(dǎo)體應(yīng)變片中。解決辦法：——（2）恒流源電橋IR2R4R1R3USC←I1I2I1(R1+R2)=I2(R3+R4)I=I1+I2

56解決辦法：——（2）恒流源電橋

57R1+△R1R2-△R2USCUsrR3-△R3R4+△R4四臂都是應(yīng)變片，且相鄰電阻變化相反全橋電路

58一般地：

溫度變化引起電阻變化的原因主要有兩點(diǎn)：（1）電阻絲電阻本身就是溫度的函數(shù)。（2）試件材料與應(yīng)變片材料熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生附加變形而引起電阻的變化，其電阻增量表達(dá)式為：——由熱膨脹系數(shù)不同產(chǎn)生的電阻增量；——分別為試件、電阻絲的熱膨脹系數(shù)。、

60①工作應(yīng)變片貼在試件上，補(bǔ)償片貼在補(bǔ)償件上，補(bǔ)償件不受力，并接入電橋相鄰臂。溫度補(bǔ)償——橋路補(bǔ)償法補(bǔ)償應(yīng)變片粘貼示意圖RwRc補(bǔ)償塊試件

61③工作片、補(bǔ)償片貼在同一試件上，但兩者感受的應(yīng)變符號(hào)相反。②工作片、補(bǔ)償片貼在同一試件上，但補(bǔ)償片不受力作用。PR2R1R1R2RWRCR3R4URWRC半橋連接