第3章電阻式傳感器講解學(xué)習(xí)

傳感器與測試技術(shù)任課教師:解曉光大連電視大學(xué)理工系1第3章電阻式傳感器主要內(nèi)容：1、介紹應(yīng)變式電阻傳感器的工作原理、金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、類型、主要特性、溫度補償、選擇與粘貼工藝、轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。2、介紹壓阻式傳感器的工作原理、半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與主要特性、壓阻式傳感器的溫度補償、轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。3、介紹熱阻式傳感器的工作原理、類型、轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。4、介紹電位計式傳感器的工作原理、類型、轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。2第3章電阻式傳感器3.1應(yīng)變式電阻傳感器：P53

3.1.1金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)：

電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這一現(xiàn)象就是電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)有一段長為l，截面為s，電阻率為ρ的金屬絲，則它的電阻為:3當(dāng)它受到軸向力F而被拉伸(或壓縮)時，其l、s、ρ均發(fā)生變化，如圖所示，如取金屬絲是半徑為r的圓形截面s=πr2，那么3.1應(yīng)變式電阻傳感器：

3.1.1金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)：

故電阻的相對變化為43.1應(yīng)變式電阻傳感器：

3.1.1金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng)：

k0物理意義：單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。此式表明：因應(yīng)變導(dǎo)致金屬電阻值的變化，由兩項組成：第一項（1+2μ）表示由于幾何尺寸改變引起的電阻變化；另一項(dρ/ρ)/ε表示單位軸向應(yīng)變引起電阻率的變化。對于大多數(shù)金屬電阻絲材料說,

則有

此式表明：加載后金屬絲電阻相對變化量與軸向應(yīng)變成正比。

K0是一個常數(shù)，不同的金屬材料，k0不同。由于k0為常數(shù)，可將靈敏系數(shù)表達(dá)式改寫為：63.1應(yīng)變式電阻傳感器：

3.1.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型（P55）

應(yīng)變片阻值尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，常用的有60Ω、120Ω、200Ω、320Ω、350Ω、500Ω、1000Ω，其中120Ω最為常用。★應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：應(yīng)變片主要是由金屬絲柵(敏感柵)、絕緣基片及覆蓋片三部分組成。7中央電大往屆試題

3.1.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型（P55）

1、填空題：（2分；04.1.P55）應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：應(yīng)變片主要是由

、

及覆蓋片三部分組成。

2、填空題：（2分；2004.1.P53）電阻絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值發(fā)生變化，這一現(xiàn)象就是電阻絲的

。83.1應(yīng)變式電阻傳感器：

3.1.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型（P55）

★電阻應(yīng)變片的種類：根據(jù)制作方法，一般可將金屬應(yīng)變片分為二類：①電阻絲應(yīng)變片：電阻絲應(yīng)變片有圓角線柵式和直角線柵式兩種。前者制造方便，為最常見形式，但它的橫向效應(yīng)較大。②金屬箔式應(yīng)變片：敏感柵由高阻值的金屬鉑片經(jīng)光刻腐蝕技術(shù)制成。93.1應(yīng)變式電阻傳感器：

3.1.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型（P55）

★電阻應(yīng)變片的種類：10

3.1.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型（P55）

3.1應(yīng)變式電阻傳感器：★電阻應(yīng)變片的種類：11★電阻應(yīng)變片的種類：中央電大往屆試題問答題：(6分；2008.1.；P56）金屬應(yīng)變片有哪些類型？根據(jù)制作方法，一般可將金屬應(yīng)變片分為二類：①電阻絲應(yīng)變片；②金屬箔式應(yīng)變片。123.1應(yīng)變式電阻傳感器：應(yīng)變式電阻傳感器是以電阻應(yīng)變片為轉(zhuǎn)換元件的傳感器，公式：★利用應(yīng)變片測量力的基本原理：力的變化→機械形變→電阻變化△R→應(yīng)變值ε→根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系：σ=Eεσ：應(yīng)力（單位面積受力）；E：彈性模量。應(yīng)變值ε→應(yīng)力值σ→力F標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品13第3章電阻式傳感器

3.1.3應(yīng)變片的主要特性（P56）

電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)為k=△R/(Rε)。電阻絲(半成品）靈敏系數(shù)為k0,k不等于k0且恒小于k0。應(yīng)變片靈敏系數(shù)k必須重新實驗測定。因粘貼式應(yīng)變片一經(jīng)粘貼測試就無法取下重用，一批產(chǎn)品只能采取抽樣(如5%)測定，取平均k值及允許的公差值標(biāo)注在該批的每個應(yīng)變片包裝袋上，也稱“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”。

應(yīng)變片靈敏系數(shù)測定是在某種特定實驗裝置上進(jìn)行的，如采用純彎梁(等應(yīng)力梁)或等強度懸臂梁。試件材料必須是泊松系數(shù)μ=0.285的鋼材，受單向應(yīng)力狀態(tài)且應(yīng)變力軸向與主應(yīng)力方向一致。由此可見，應(yīng)變片靈敏系數(shù)是在二維應(yīng)變場中進(jìn)行標(biāo)定的。實驗證明，在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)，應(yīng)變片靈敏系數(shù)是常數(shù)。(1)靈敏系數(shù)：

143.1應(yīng)變式電阻傳感器：

沿應(yīng)變片軸向的應(yīng)變εx必然引起應(yīng)變片電阻的相對變化，而沿垂直于應(yīng)變片軸向的橫向應(yīng)變εy也會引起其電阻的相對變化，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。

3.1.3應(yīng)變片的主要特性（P56）

(2)橫向效應(yīng)：

橫向效應(yīng)與應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)有關(guān)，敏感柵端部具有半圓形橫柵的絲繞應(yīng)變片橫向效應(yīng)較為嚴(yán)重。現(xiàn)在一般多采用箔式應(yīng)變片，其圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多，電阻值較小，因而電阻的變化量也就小得多。15

3.1.3應(yīng)變片的主要特性（P56）

3.1應(yīng)變式電阻傳感器：(3)溫度效應(yīng)：

粘貼到試件上的電阻應(yīng)變片，除感受機械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對變化外，在環(huán)境溫度變化時，也會引起電阻的相對變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。16中央電大往屆試題1、問答題：（07.1;08.7.）P56什么是金屬應(yīng)變片的橫向效應(yīng)？（6分）答：沿應(yīng)變片軸向的應(yīng)變εx必然引起應(yīng)變片電阻的相對變化，而沿垂直于應(yīng)變片軸向的橫向應(yīng)變εy也會引起其電阻的相對變化，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。2、問答題：（04.1.；04.7.P57）為什么用應(yīng)變片測量時必須采用溫度補償措施？答：粘貼到試件上的電阻應(yīng)變片，除感受機械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對變化外，在環(huán)境溫度變化時，也會引起電阻的相對變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，因此需采用溫度補償措施。

3.1.3應(yīng)變片的主要特性（P57）17(3)溫度效應(yīng)：P57①單絲自補償法：由式(3-9)可知，為使因溫度變化而產(chǎn)生的虛假應(yīng)變εt=0，只要滿足條件:αt=-k(βg-

βs)（3-10）在研制和選用應(yīng)變片時，若選擇敏感柵的合金材料，使其αt,βs能與試件材料的相匹配，即滿足式(3-10)，就能達(dá)到溫度自補償?shù)哪康?。這種溫度自補償方法的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，制造、使用方便。②雙絲自補償法：這種應(yīng)變片的敏感柵是由電阻溫度系數(shù)為一正一負(fù)的兩種合金絲串接而成。應(yīng)變片電阻由電阻Ra和Rb兩部分組成，即R=Ra+Rb。當(dāng)工作溫度變化時，若Ra柵產(chǎn)生正的虛假應(yīng)變（即附加應(yīng)變）εat與Rb柵產(chǎn)生負(fù)的虛假應(yīng)變εbt大小相等或相近，就可達(dá)到溫度誤差自補償?shù)哪康摹?/p>

絲繞式短接式3.1.3應(yīng)變片的主要特性（P58）

※為消除溫度誤差，采取如下溫度補償措施：③橋路補償法：利用電橋電路的和差原理來達(dá)到補償溫度誤差的目的。183.1應(yīng)變式電阻傳感器：中央電大往屆試題（04.1；04.7.）P58

為了消除應(yīng)變片的溫度誤差，可采用的溫度補償措施包括：

、

和

。A、雙絲自補償法B、溫度補償法C、單絲補償法D、電流補償法E、電壓補償法F、橋路補償法19中央電大往屆試題3.1.3應(yīng)變片的主要特性（P56）1、選擇題：（2分；05.1.P56）金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比應(yīng)變電阻材料本身的靈敏系數(shù)

。A、小B、大C、相等2、問答題：（10分；04.7.；07.7.；P57）粘貼到試件上的電阻應(yīng)變片，環(huán)境溫度變化會引起電阻的相對變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)，簡述產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。答：①環(huán)境溫度變化時，敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)存在，引起應(yīng)變片電阻的相對變化。②環(huán)境溫度變化時，敏感柵材料和試件材料的膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片產(chǎn)生附加的拉長（或壓縮），引起電阻的相對變化。203.1應(yīng)變式電阻傳感器：

3.1.3應(yīng)變片的主要特性（P58）

(5)零漂及蠕變：★粘貼在試件上的應(yīng)變片，在恒溫恒載條件下，指示應(yīng)變量隨時間單向變化的特性稱為蠕變。如圖中θ。★當(dāng)試件初始空載時，應(yīng)變片示值仍會隨時間變化的現(xiàn)象稱為零漂。如圖中P0。21

(6)應(yīng)變極限：3.1應(yīng)變式電阻傳感器：

3.1.3應(yīng)變片的主要特性（P59）

應(yīng)變片的線性特性（靈敏系數(shù)為常數(shù)）是在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才保持。當(dāng)試件輸入的真實應(yīng)變超過某一極限時，應(yīng)變片的輸出特性將出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性達(dá)到10%時的真實應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限。真實應(yīng)變（με）指示應(yīng)變（με）10%真實應(yīng)變22(7)絕緣電阻：3.1應(yīng)變式電阻傳感器：

3.1.3應(yīng)變片的主要特性（P59）

應(yīng)變片絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測試件之間的電阻值，通常要求在50～100MΩ以上。

應(yīng)變片安裝之后，其絕緣電阻下降將使測量系統(tǒng)靈敏度降低，使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。Rm的大小取決于粘合劑及基底材料的種類及固化工藝，在常溫使用條件下要采取必要的防潮措施，而在中溫或高溫條件下，要注意選取電絕緣性能良好的粘結(jié)劑和基底材料。

中央電大往屆試題（05.1、07.7;08.7./09.1.）P59應(yīng)變片的絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的

之間的電阻。A、覆蓋片與被測試件B、引線與被測試件C、基片與被測試件

D、敏感柵與被測試件

※R的范圍是（50~100MΩ以上）08.7.選擇題試題。23

3.1.4轉(zhuǎn)換電路（P60）

3.1應(yīng)變式電阻傳感器：(1)直流電橋：應(yīng)變片將試件應(yīng)變ε轉(zhuǎn)換成電阻相對變化△R/R，由于機械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測量出來，同時要把電阻相對變化ΔR/R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。因此，需要有專用測量電路用于測量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測量電路，通常采用直流電橋和交流電橋。電橋線路是由聯(lián)接成環(huán)形的四個電阻所組成。ac接電源，bd為電橋輸出可接后續(xù)放大器等。兩對角線將相對的兩個定點連通起來，就好像在它們之間架起了一座“橋”，故而得名。24(1)直流電橋：P61假設(shè)輸入端U是一個恒壓源，由于輸出端接高阻抗的指示表或放大器，近似看成開路：直流電橋特性公式：ACBD+-直流電橋直流電橋平衡條件：R1R3=R2R4輸出電壓為零稱為電橋處于平衡狀態(tài)25若R1R3=R2R4，則輸出電壓為零，稱為電橋處于平衡狀態(tài)，此等式稱為直流電橋平衡條件。下面分別討論橋臂電阻的變化與輸出電壓的關(guān)系：①一個橋臂電阻有變化（單臂電橋）：例如橋臂R1電阻有△R1的變化（只有一臂工作），成為R1+△R1則電橋的輸出電壓為:若取R1=R2=R3=R4=R0若電橋用于微電阻變化測量，有：ACBD+-單臂電橋直流電橋特性公式：(1)直流電橋：P6126

如橋臂電阻R1和鄰邊橋臂電阻R2的阻值都有電阻變化，即R1變?yōu)镽1+△R1，R2變?yōu)镽2-△R2，當(dāng)若取R1=R2=R3=R4=R0，且△R1=△R2=△R時，這稱為半橋雙臂工作電橋。

②兩個橋臂電阻有變化(雙臂電橋)：半橋差動：在試件上安裝兩個工作應(yīng)變片，一個受拉應(yīng)變，一個受壓應(yīng)變，接入電橋相鄰橋臂。（相鄰臂一拉一壓、相對臂同拉同壓）該電橋輸出電壓為ACBD+-雙臂電橋由直流電橋特性公式：(1)直流電橋：P6227③四個橋臂電阻均有變化(全橋):全橋差動：電橋四臂接入四片應(yīng)變片，即兩個（相對臂）受拉應(yīng)變，兩個（相對臂）受壓應(yīng)變，將兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4=R0，則其輸出電壓為：ACBD+-全橋直流電橋特性公式：結(jié)論：全橋電路電壓靈敏度為單片工作時的4倍。

(1)直流電橋：P6228電橋輸出電壓小結(jié)：①單臂電橋：②雙臂電橋：③全橋:(1)直流電橋：P6229(1)直流電橋：P62中央電大往屆試題

兩金屬應(yīng)變片R1和R2阻值均為120Ω，靈敏系數(shù)k=2；兩應(yīng)變片一受拉，另一受壓，應(yīng)變均為1000με.兩者接入直流電橋組成半橋雙臂工作電橋，電源電壓U=5V。求（1）ΔR和ΔR/R；（2）電橋的輸出電壓U0。(14分；2006.7.P80)答：

ε=1000με=0.001ACBD+-雙臂電橋30(2)交流電橋：3.1.4轉(zhuǎn)換電路（P63）

：oU&~

交流電橋電路的電路結(jié)構(gòu)形式與直流電橋相同。但在電路具體實現(xiàn)上與直流電橋有兩個不同點，一是其激勵電源是高頻交流電壓源或電流源(電源頻率一般是被測信號頻率的十倍以上)；二是交流電橋的橋臂可以是純電阻，但也可以是包含有電容、電感的交流阻抗。交流電橋的平衡條件是：其物理含義是交流電橋要達(dá)到平衡需使該電橋的四個橋臂中對邊阻抗的模乘積相等，對邊阻抗角之和相等。所以交流電橋的平衡較之直流電橋要復(fù)雜一些。

Zi—各橋臂的復(fù)數(shù)阻抗；zi--復(fù)數(shù)阻抗的模；φi–復(fù)數(shù)阻抗的阻抗角。交流電橋平衡條件還可表為：

若要此方程成立，須同時滿足下面兩個條件：31中央電大往屆試題（04.7、08.1）P61~633.1.4轉(zhuǎn)換電路（P63）

：※畫出直流電橋和交流電橋原理圖，并分別寫出電橋平衡條件。（12分）（04.7）※電橋是傳感器的常用變換電路，請畫出直流電橋和交流電橋原理圖，并說明兩者的平衡條件各是什么？（16分）（08.1）直流電橋平衡條件：R1R3=R2R4oU&~交流電橋的平衡條件：323.1.5應(yīng)變片選擇與粘貼工藝（P64）

：(1)應(yīng)變片的選擇：①類型的選擇（絲繞式、箔式…）

②材料的選用（基底材料：酚醛類、聚酯類…）

③阻值的選擇（標(biāo)稱阻值：120Ω、350Ω等）

④尺寸的選擇（應(yīng)變片柵長（mm)：3mm、12mm..應(yīng)變片型號代號7部分的含義：33中央電大往屆試題（05.1.；07.7.）P653.1.5應(yīng)變片選擇與粘貼工藝（P65）

：選擇題（每空2分）應(yīng)變片的選擇包括類型的選擇、材料的選用、

和

等。A、測量范圍的選擇B、電源的選擇C、阻值的選擇D、尺寸的選擇E、精度的選擇F、結(jié)構(gòu)的選擇343.1.5應(yīng)變片選擇與粘貼工藝（P65）

：①準(zhǔn)備工作:

a.試件的準(zhǔn)備：在粘貼部位的表面，用砂布在與軸向成45°的方向交叉打磨至粗糙度Ra為63μm→清洗凈打磨面→劃線即確定粘貼坐標(biāo)線→均勻涂一薄層粘接劑作底。

b.應(yīng)變片的準(zhǔn)備：外表和阻值檢查→劃線軸向標(biāo)記→清洗。

②涂膠:在準(zhǔn)備好的試件表面和應(yīng)變片的基底上均勻涂一薄層粘接劑。

③貼片：將涂好膠的應(yīng)變片與試件，按坐標(biāo)線對準(zhǔn)貼上→用手指順軸向滾壓，去除氣泡和多余膠液→按固化條件固化處理。

④復(fù)查：

A.貼片偏差應(yīng)在許可范圍內(nèi)；

B.阻值變化應(yīng)在測量儀器預(yù)調(diào)平范圍內(nèi)；

C.引線和試件間的絕緣電阻應(yīng)大于50MΩ。

⑤接線：根據(jù)工藝條件選擇好導(dǎo)線，然后通過中介接線片(柱)把應(yīng)變片引線和導(dǎo)線焊接在一起，并加以固定。

⑥防護(hù)：在安裝好的應(yīng)變片和引線上涂以中性凡士林油、石蠟(短期防潮)，或石蠟—松香—黃油的混合劑(長期防潮)，或環(huán)氧樹脂、氯丁橡膠、清漆等(防機械劃傷)作防護(hù)用，以保證應(yīng)變片工作性能穩(wěn)定可靠。(2)應(yīng)變片的粘貼35電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)

1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕.斷絲等缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值相差不得大于0.5歐姆.3.試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。4.應(yīng)變片粘貼:在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水，輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。3.1.5應(yīng)變片選擇與粘貼工藝（參考）

：363.2電阻式傳感器5.焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng)大于500M歐。7.應(yīng)變片保護(hù)：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止受潮。37中央電大往屆試題（04.7）P653.1.5應(yīng)變片選擇與粘貼工藝（P65）

：選擇題（每空2分）粘貼應(yīng)變片做好準(zhǔn)備工作后要進(jìn)行的工作是：

。A、涂膠→貼片→復(fù)查→接線→防護(hù)∨

B、涂膠→接線→復(fù)查→貼片→防護(hù)

C、涂膠→防護(hù)→貼片→復(fù)查→接線D、涂膠→接線→貼片→復(fù)查→防護(hù)

38

應(yīng)變式傳感器包括兩個主要部分：一個是彈性敏感元件亦稱彈性體，利用它把被測的物理量(如力、扭矩、壓力、加速度等)轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；另一個是應(yīng)變片，它作為傳感元件，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。按照用途不同，應(yīng)變式傳感器可以分為應(yīng)變式測力傳感器、應(yīng)變式壓力傳感器、應(yīng)變式加速度傳感器等。3.1.6電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（P66）

(1)應(yīng)變式測力傳感器

★被測物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器，統(tǒng)稱為應(yīng)變式力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱與材料試驗機的測力元件、發(fā)動機的推力測試等。測力傳感器的彈性元件就是力敏元件，它將被測力的大小的變化轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量的變化。彈性元件的形式有柱式、環(huán)式、懸臂梁式等。柱式、筒式力傳感器，應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分，對稱地粘貼多片，可承受很大載荷，最大可達(dá)107N，★環(huán)式彈性體一般用于測量500N以上的荷載與柱式相比，特點是應(yīng)力分布均勻，便于接成差動電橋?！飸冶哿菏綇椥栽Y(jié)構(gòu)簡單、加工容易、應(yīng)變片粘貼容易、靈敏度較高。它適用于小載荷的測量，約1—103N。392008-4-222008-4-22應(yīng)變式力傳感器：

3.1.6電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（P66）

40(2)應(yīng)變式加速度傳感器

3.1.6電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（P66）

應(yīng)變片式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，圖中2是懸臂梁，自由端安裝質(zhì)量塊1，另一端固定在基座4上。懸臂梁上粘貼四個電阻應(yīng)變片3。測量時，將傳感器基座與被測對象剛性連接，當(dāng)被測物體以加速度a運動時，質(zhì)量塊受到一個與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應(yīng)變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓，即可得出加速度a值的大小。413.1.6電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（P66）

(3)應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力a圖為筒式壓力傳感器，圓柱體內(nèi)有一盲孔，被測壓力進(jìn)入應(yīng)變筒腔內(nèi)，使筒發(fā)生變形，它將流體壓力的變化轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量的變化，因而得到壓力P。b圖盲孔外端實心部分貼一片應(yīng)變片R2，當(dāng)筒內(nèi)有壓力時，實心部分不變形，只用作溫度補償。c圖沒有端部，R1和R2垂直粘貼，R1沿圓周，R2沿筒長，沿筒長方向R2做溫度補償用。42案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。3.1.6電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（P66）

43案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測3.1.6電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用（P66）

443.2壓阻式傳感器P67

沿一塊半導(dǎo)體某一軸向施加一定應(yīng)力時，除了產(chǎn)生一定應(yīng)變外，材料的電阻率也要發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。3.2.1壓阻效應(yīng):壓阻式傳感器的電阻相對變化率：其中半導(dǎo)體電阻率的相對變化起主要作用，則有：π1為壓阻系數(shù)；σ為應(yīng)力；ε為應(yīng)變；E為彈性模量。半導(dǎo)體電阻的相對變化近似等于電阻率的相對變化與應(yīng)變成正比。兩邊同除ε有：0ε金屬絲和箔式電阻應(yīng)變片在應(yīng)變式傳感器中得到廣泛應(yīng)用，主要缺點是靈敏度系數(shù)小。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的傳感器（稱為固態(tài)壓阻式傳感器），固態(tài)壓阻式傳感器的突出優(yōu)點是靈敏度高(比金屬絲高50～80倍)，尺寸小，橫向效應(yīng)也小，滯后和蠕變都小，適用于動態(tài)測量。45中央電大往屆試題（05.7；06.7、07.1/09.1.）P65選擇題（每空2分）固態(tài)壓阻式傳感器靈敏度高，尺寸小，橫向效應(yīng)也小，滯后和蠕變都小，因此適用于

測量。A、靜態(tài)B、動態(tài)C、精確D、隨機3.2壓阻式傳感器P67463.2壓阻式傳感器P693.2.2結(jié)構(gòu)與特性a-單晶錠；b-按一定晶軸方向切成薄片；c-進(jìn)行研磨加工；d-切成細(xì)條經(jīng)過光刻腐蝕工序；e-安裝內(nèi)引線；f-粘貼在基底上并安裝外引線。敏感柵形狀有條形e圖；U型左圖；W型左圖。敏感柵長度一般為1~9mm.473.2壓阻式傳感器P703.2.3固態(tài)壓阻傳感器的測量電路

壓阻式應(yīng)變片（切片）的靈敏系數(shù)雖然比金屬高得多，但還覺得不夠高。為了進(jìn)一步增大靈敏度，首先選定基底（即硅膜片），利用半導(dǎo)體擴散技術(shù)，將P型雜質(zhì)擴散到N型硅膜片上，制成P型擴散電阻（壓敏電阻），裝上引線后，即形成擴散性半導(dǎo)體應(yīng)變片。使用時，外界的壓力作用先引起硅膜形變，形變使壓敏電阻承受應(yīng)力，該應(yīng)力比壓力直接作用在壓敏電阻上產(chǎn)生的應(yīng)力要大得多，好像硅膜起了放大作用。

若在圓形硅膜上擴散出4個P型電阻構(gòu)成電橋的4個橋臂，這樣的敏感器件稱為固態(tài)壓阻器件。R3R1R2R4R3R1R2R4固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料(單晶硅)的壓阻效應(yīng)原理制成的傳感器，就是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴散壓敏電阻，當(dāng)硅膜片受壓時，膜片的變形將使擴散電阻的阻值發(fā)生變化。硅平膜片上的擴散電阻通常構(gòu)成橋式測量電路，相對的橋臂電阻是對稱布置的，電阻變化時，電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應(yīng)關(guān)系。常采用的測量電路有：恒壓源供電、恒流源供電和放大電路。

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(1)壓阻式壓力傳感器

固態(tài)壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。傳感器硅膜片兩邊有兩個壓力腔。一個是和被測壓力相連接的高壓腔，另一個是低壓腔，通常和大氣相通。當(dāng)膜片兩邊存在壓力差時，膜片上各點存在應(yīng)力。膜片上的四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，其輸出的電壓與膜片兩邊壓力差成正比。這樣測得不平衡電橋的輸出電壓就能求得膜片所受的壓力差。3.2.4壓阻式傳感器應(yīng)用P7449(2)壓阻式加速度傳感器：

3.2.4壓阻式傳感器應(yīng)用P74

壓阻式加速度傳感器是利用單晶硅作懸臂梁，在其根部擴散出4個電阻（上下面各兩個等值電阻），當(dāng)懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受到外界加速度作用時，就將感受到的加速度轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性力，產(chǎn)生應(yīng)力，使4個電阻值發(fā)生變化。使電橋產(chǎn)生不平衡，從而輸出與外界的加速度成正比的電壓值。KuliteGAE813固態(tài)壓阻式加速度計的有關(guān)參數(shù)：量程10～100g；靈敏度：1～5V/g；非線性誤差：土1％；溫度范圍：-40一+200；固有頻率：1000～2000Hz。1-基座；2-擴散電阻；3-單晶硅懸臂梁；4-質(zhì)量塊。503.3熱電阻式傳感器P75

利用導(dǎo)電材料的電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度效應(yīng)制成的傳感器，稱為熱電阻式傳感器。3.3.1工作原理：實驗證明，導(dǎo)體材料的電阻率ρ隨溫度變化的關(guān)系為：ρt=ρ0(1+αt)當(dāng)溫度改變時，l、s可近似看作不變，導(dǎo)體材料的電阻隨溫度變化的關(guān)系為：Rt=R0(1+αt)①多數(shù)材料的電阻率隨溫度升高而增大；②康銅、錳銅等合金，電