《傳感器與信號調理技術》課件第2章

第2章電阻式傳感器2.1電位器式電阻傳感器2.2應變式電阻傳感器2.3電阻式傳感器的應用

2.1電位器式電阻傳感器

2.1.1基本工作原理

電位器式傳感器由電阻器和電刷兩部分組成，如圖2-1(a)、(b)所示。當電刷觸點C在電阻器RAB(電阻值為R)上移動時，AC間的電阻就會發(fā)生變化，而且阻值RAC與觸點的直線位移或角位移x成一定的函數關系。圖2-1電位器式傳感器工作原理如果把CB短接如圖2-1(c)所示，則電位器便作為變阻器使用，其電阻值為位移x的函數，即

Rx=RAB=RAC=f(x)

(2-1)

如果把電位器作為分壓器使用，如圖2-1(d)所示，則輸出電壓為位移x的函數，即

(2-2)2.1.2輸出—輸入特性

按輸出—輸入特性，電位器式傳感器可以分為線性電位器和非線性電位器兩類。

空載時其輸出電壓(電阻)與電刷位移之間具有線性關系的電位器稱為線性電位器，其輸出電壓(電阻)與電刷位移成正比

(2-3)

(2-4)2.1.3結構形式

按結構形式，電位器式傳感器可分為線繞式電位器和非線繞式電位器。

1.線繞式電位器

線繞式電位器是由電阻系數很高且極細的絕緣導線，按照一定的規(guī)律整齊地繞在一個絕緣骨架上制成的。

2.非線繞式電位器

1)膜式電位器

膜式電位器通常有兩種：一種是碳膜電位器，另外一種為金屬膜電位器。

2)導電塑料電位器

這種電位器由塑料粉及導電材料粉(合金、石墨、碳黑等)壓制而成，它又稱為實心電位器。其優(yōu)點是耐磨性較好、壽命較長(可達上千萬次)、電刷允許的接觸壓力較大(幾十至幾百克)，適用于振動、沖擊等惡劣條件下工作；阻值范圍大，能承受較大的功率。其缺點是受溫度影響較大、接觸電阻大、精度不高。

3)光電電位器

上述幾種電位器均是接觸式電位器，共同的缺點除了耐磨性較差、壽命較短和對溫度和濕度變化比較敏感外且要求接觸壓力大，只能用于推動力大的敏感元件。光電電位器是一種非接觸式電位器，它以光束代替常規(guī)電刷，克服了接觸式電位器共有的耐磨性差、壽命短等缺點。其結構如圖2-2

所示。圖2-2光電電位器原理結構圖1—基體；2—光電導層；3—薄膜電阻帶；4—電刷的窄光束；5—導電電極

2.2應變式電阻傳感器

2.2.1應變式電阻傳感器的工作原理

1.應變效應

導體或半導體材料在受到外界力(拉力或壓力)作用時，產生機械形變，機械形變導致其阻值變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應變效應”。

2.靈敏系數

所謂應變片的靈敏系數就是單位應變所能引起的電阻的相對變化。下面研究對靈敏系數的影響因素。

金屬導體的電阻R為

(2-5)如果對電阻絲長度作用均勻應力，則ρ、L、A的變化(dρ、dL、dA)將引起電阻dR的變化，dR可通過對式(2-5)的

全微分求得:

相對變化量為

(2-6)若電阻絲截面為圓形，則A=πr2，r為電阻絲的半徑，對

r微分得dA=2πrdr，則

(2-7)

令為金屬絲的軸向應變，為金屬絲徑向應變。由材料力學理論得知，在彈性范圍內，金屬絲受拉力時，若沿軸向伸長，則沿徑向縮短，軸向應變和徑向應變的關系可表示為

εy=－μεx

(2-8)

式中μ為金屬材料的泊松系數。將式(2-7)和式(2-8)代入式(2-6)得

或

(2-9)

令

(2-10)實驗證明dρ/ρεx也是一個常數。所以應變材料確定后ks為確定的常數，則式(2-10)可變?yōu)?/p>

(2-11)

式(2-11)表明金屬電阻絲的電阻相對變化與軸向應變成正比

關系。

3.應變測量原理

用應變片測量應變或應力時，根據上述結構特點，在外力作用下，被測對象使應變片產生微小機械變形，同時，應變片電阻發(fā)生相應的變化。當測得應變片電阻值變化量ΔR時，便可得到被測對象的應變值ε，根據應力和應變的關系，得到應力值σ為

σ=Eε

(2-12)

式中:σ為試件的應力；ε為試件的應變；E為試件材料的彈性模量(kg/mm2)。2.2.2電阻應變片的基本結構

電阻應變片種類繁多，但基本結構大體相似，現(xiàn)以金屬絲應變片結構為例加以說明，其結構示意圖如圖2-3所示。圖2-3回線式金屬絲應變片結構示意圖1—基片；2—直徑為0.025mm左右的高電阻率的合金電阻絲；3—覆蓋層；4—引線(用以和外導線連接)；L—敏感柵長度；b—敏感柵的寬度2.2.3電阻應變片的種類

1.金屬電阻應變片

按敏感柵的形狀和制造工藝不同，金屬電阻應變片可以分為絲式、箔式和薄膜式3種。

金屬絲式應變片的敏感柵一般由直徑0.015~0.05mm的金屬絲繞成，圖2-3所示為回線式金屬絲應變片，為了克服回線式應變片的橫向效應，又常用短接方式做成如圖2-4(a)所示的應變片。圖2-4金屬電阻應變片結構示意圖

2.半導體應變片

半導體應變片是用半導體材料，采用一定的工藝方式制成的。半導體應變片的敏感柵一般為單根狀，其結構有以下

3種類型。

(1)體型半導體應變片。這是一種將半導體材料硅或鍺晶體按一定方向切割成片狀小條，經腐蝕壓焊粘貼在基片上而成的應變片，其結構如圖2-5所示。圖2-5體型半導體應變片1—引線；2—硅片；3—基片

(2)薄膜型半導體應變片。這種應變片利用真空沉積技

術將半導體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成，其結構如圖2-6所示。圖2-6薄膜型半導體應變片1—鍺膜；2—絕緣層；3—金屬箔基底；4—引線

(3)擴散型半導體應變片。將P型雜質擴散到N型硅單晶基底上，形成一種極薄的P型導電層，再通過超聲波和熱壓

焊法接上引出線就形成了擴散型半導體應變片，其結構如圖

2-7所示。

圖2-7擴散型半導體應變片1—N型硅；2—P型硅擴散層;3—SiO2絕緣層；4—鋁電極；5—引線半導體應變片受軸向力作用時，其電阻相對變化為

為半導體應變片的電阻率相對變化，其值與半導體敏感條在軸向所受的應變力之比為一常數，即

(2-13)

式中,π為半導體材料的壓阻系數。將式(2-13)代入式中得

式中(1+2μ)項隨幾何形狀而變化，πE項為壓阻效應，隨電阻率而變化。實驗證明：πE比(1+2μ)大近百倍，所以(1+2μ)可忽略不計，因而半導體應變片的靈敏系數為

(2-14)

2.2.4應變片的選擇與安裝

應變片的種類很多，選擇何種應變片是測試前應確定的問題。一般根據試驗環(huán)境、應變性質、試件狀況及測試精度選擇合適的應變片。2.2.5溫度誤差及其補償

1.造成溫度誤差的原因

1)敏感柵電阻本身溫度變化

Rt=R0(1+αΔt)

ΔRtα=Rt－R0=R0αΔt(2-15)

2)試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數不同

試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數不同時使敏感柵產生附加變形，從而造成電阻變化。圖2-8應變片的溫度誤差若設敏感柵材料和試件材料的線膨脹系數分別為βs和βg，溫度t0時長度為l0的敏感柵材料和試件材料如果不粘接在一起的話，在溫度改變到t時，其長度將分別膨脹為

lst=l0(1+βsΔt)

lgt=l0(1+βgΔt)

當應變片粘接到試件表面上后，應變片被迫從lst拉長到lgt，由圖2-8可見產生的附加變形為

Δl=lgt－lst=(βg－βs)·l0Δt

(2-16)附加應變?yōu)?/p>

(2-17)

從而產生電阻變化為

(2-18)由上面兩式和式(2-15)可得，溫度變化引起的總的電阻變化為

(2-19)

折合成虛假視應變?yōu)?/p>

(2-20)

2.補償溫度誤差的方法

1)單絲自補償法

對于給定的試件材料，選定合適的敏感柵材料及熱處理工藝，使其滿足

(2-21)

根據式(2-20)，可使εt=0。

2)雙絲自補償法

選用電阻溫度系數一正一負的兩種電阻絲R1和R2串聯(lián)繞制成敏感柵，通過調節(jié)兩段敏感柵的長度，使兩者電阻比值為

(2-22)

則溫度變化時產生的電阻變化便可以相互抵消，即

ΔR1t+ΔR2t=0

3)雙絲半橋補償法

選用電阻溫度系數符號相同的兩種電阻絲R1和R2串聯(lián)成敏感柵，R1和R2分別接入電橋的相鄰兩臂：R1單獨作一臂，R2與外接串聯(lián)電阻RB組成另一臂，另兩臂照例接入平衡電阻R3和R4，如圖2-9所示。RB的溫度系數應很小，并通過調整RB，使其滿足

(2-23)便可補償溫度變化引起的測量誤差。也就是說，在沒有應變的情況下，如果溫度變化前電橋輸出電壓為0，即

(2-24)

由式(2-23)和式(2-24)可得

(2-25)這種方法的缺點是，當有應變時，R1和R2均隨之變化，使應變電橋的輸出靈敏度降低。為此，R1必須選用電阻率ρ較大而溫度系數α較小的材料，R2則須選擇ρ較小而溫度系數α較大的材料。R1主要起感受應變的作用，故稱為工作柵，R2主要起溫度補償的作用，故稱為補償柵。圖2-9雙絲半橋補償法

4)補償塊法

兩個參數相同的應變片R1、R2，R1貼在試件上，接入電橋作工作臂，R2貼在材料與試件相同的補償塊上，環(huán)境溫度與試件相同，但不承受機械應變，接入電橋相鄰臂作補償臂，如圖2-10所示。圖2-10補償塊法原理2.2.6電阻應變片測量電路

由于機械應變一般都很小，要把微小的應變引起的微小電阻值的變化測出來，同時能把電阻的變化轉化為電壓或電流的變化，則需要設計專用的測量電路。測量電路的基本原理框圖如圖2-11所示，它由轉換電路、放大電路和指示電路

3部分構成。圖2-11電阻應變片測量電路原理框圖

2.3電阻式傳感器的應用

2.3.1電位器式壓力傳感器

圖2-12所示為國產YCD—150型壓力傳感器原理圖，它由彈簧管和電位器組成。電位器被固定在殼體上，電刷與彈簧管的傳動機構相連。當被測壓力P變化時，彈簧管的自由端產生位移，帶動指針偏轉，同時帶動電刷在線繞電位器上滑動，從而輸出與被測壓力成正比的電壓信號。圖2-12

YCD—150型壓力傳感器原理圖2.3.2應變式測力與荷重傳感器

傳感器由彈性元件、應變片和外殼所組成。彈性元件是傳感器的基礎，它把被測量轉換成應變量的