電阻傳感器課件

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。下頁返回圖庫

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。2.2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)用舉例下頁上頁返回圖庫

在幾何量和機(jī)械量測(cè)量中，最常用的傳感器是利用某些金屬和半導(dǎo)體材料制成的應(yīng)變式電阻傳感器。

這種傳感器是以電阻應(yīng)變片為敏感元件，電阻應(yīng)變片是一種能將被測(cè)試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化的敏感元件，與彈性元件及相應(yīng)部件組成了金屬應(yīng)變式傳感器。主要用于力、加速度、壓力等力學(xué)量的測(cè)量。

2.2.1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。圖2-17金屬絲伸長后幾何尺寸變化下頁上頁返回圖庫2.2.1電阻應(yīng)變片的工作原理定量分析金屬導(dǎo)體的電阻變化與變形之間的數(shù)學(xué)表達(dá)式。2.2.1電阻應(yīng)變片的工作原理

電阻絲靈敏系數(shù)k0由兩部分組成：

(1+2μ)表示受力后由材料的幾何尺寸變化引起的第2項(xiàng)表示由材料電阻率變化所引起的。對(duì)于金屬材料，第2項(xiàng)的值要比(1+2μ)小很多，可以忽略，故k0=1+2μ

。大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即k0=1.7～3.6。2.2.2金屬電阻應(yīng)變片主要特性

金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)：金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲式和箔式。下頁上頁返回圖庫圖2-18絲式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

它主要是由四個(gè)部分組成：一是敏感柵即金屬電阻絲，它是應(yīng)變片的主要核心部分，感受外界應(yīng)變并轉(zhuǎn)換為電阻的變化；

二是基底和覆蓋層，基底是將應(yīng)變傳遞到敏感柵的中間介質(zhì)并起到電阻絲與試件之間的絕緣作用，覆蓋層起著保護(hù)敏感柵的作用；

三是粘結(jié)劑，它將電阻絲與基底粘貼在一起；

四是引出線，作為連接測(cè)量的導(dǎo)線。

根據(jù)不同用途，柵長可為0.2～200mm

基底用以保持敏感柵及引線的幾何形狀和相對(duì)位置，并迅速準(zhǔn)確地傳遞應(yīng)變，因此基底做得很薄，一般為0.03～0.06mm?；缀蜕w層用專門的薄紙制成的稱為紙基，用各種粘結(jié)劑和有機(jī)樹脂薄膜制成的稱為膠基，膠膜比紙具有更好的柔性、耐濕性和耐久性，且使用溫度較高，可達(dá)300℃，因此現(xiàn)多采用后者。引線常用直徑為0.10～0.15mm的鍍錫銅線，并與敏感柵兩輸出端焊接。

圖2-19箔式應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)圖2-20各式箔式應(yīng)變花箔式與絲式應(yīng)變片相比有如下優(yōu)點(diǎn)：①用光刻技術(shù)能制成各種復(fù)雜形狀的敏感柵，即應(yīng)變花如圖2－20所示；從而擴(kuò)大了使用范圍；②由于箔柵很薄，能很好地與彈性體同步發(fā)生應(yīng)變，其次箔柵的端部可以制作的較寬，橫向效應(yīng)小，提高了測(cè)量精度；③允許電流大，散熱性好，允許通過較大電流?？商岣呦嗥ヅ涞碾姌螂妷?，從而提高輸出靈敏度；④生產(chǎn)效率高。但是制造箔式應(yīng)變片的電阻值的分散性要比絲式的為大，有的能相差幾十歐姆，需要作阻值的調(diào)整。由于箔式應(yīng)變片的一系列優(yōu)點(diǎn)，它將逐漸取代絲式應(yīng)變片而占主要的地位。

對(duì)金屬電阻應(yīng)變片敏感柵材料的基本要求是：①靈敏系數(shù)k0值要大，并且在較大應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)；②電阻溫度系數(shù)??；③電阻率大，即同樣長度、同樣截面積的電阻絲其電阻值大；④機(jī)械強(qiáng)度高，且易于拉絲或輾薄；⑤與銅絲的焊接性好，與其它金屬的接觸電勢(shì)小。目前常用的材料有康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金、鉑、鉑鎢合金等。箔式應(yīng)變片敏感柵材料常采用康銅、鎳鉻。康銅是應(yīng)用最廣泛的材料，其k0值對(duì)應(yīng)變的恒定性非常好，在彈性變形范圍內(nèi)保持為常數(shù)，康銅的電阻溫度系數(shù)較小而且穩(wěn)定，康銅的加工性能好；鎳鉻合金比康銅的電阻率高，抗氧化能力好，因此它使用的溫度較高，但是它的電阻溫度系數(shù)較大。鎳鉻鋁合金是在鎳鉻合金的基礎(chǔ)上添加鋁等金屬而制成。它既保持了高電阻率和抗氧化性能好的特點(diǎn)，而且電阻溫度系數(shù)得到很大的改善。缺點(diǎn)是加工工藝和焊接性能不好。貴金屬及其合金的特點(diǎn)是具有很強(qiáng)的抗氧化能力，適于制作高溫應(yīng)變片。缺點(diǎn)是電阻率小，電阻溫度系數(shù)較大，且價(jià)格貴。電阻應(yīng)變片主要特性靈敏系數(shù)前邊講了材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)k0，它是針對(duì)電阻應(yīng)變絲的，現(xiàn)在把電阻應(yīng)變絲制成電阻應(yīng)變片后，其電阻—應(yīng)變特性與金屬單絲是不同的，因此必須重新用實(shí)驗(yàn)測(cè)定。測(cè)定實(shí)驗(yàn)是有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。實(shí)驗(yàn)證明，兩者在很大范圍內(nèi)仍然有很好的線性關(guān)系。

因?yàn)閼?yīng)變片粘貼在試件上不能取下再用，所以每次只能從一批產(chǎn)品中抽取一定百分比的產(chǎn)品來測(cè)定，然后取其平均值作為這一批產(chǎn)品的靈敏系數(shù)，稱為“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”。

大量實(shí)驗(yàn)證明應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k恒小于線材的靈敏系數(shù)k0，原因是在應(yīng)變片中存在著所謂橫向效應(yīng)。電阻應(yīng)變片主要特性橫向效應(yīng)由于應(yīng)變片的線柵長度一般小于導(dǎo)線長度，所以在制成應(yīng)變片時(shí)，存在有橫向部分，它的存在使得在同樣應(yīng)力作用下，電阻變化量減小，即靈敏系數(shù)k0減小了，這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。電阻應(yīng)變片主要特性機(jī)械滯后、零漂及蠕變

機(jī)械滯后：對(duì)貼有應(yīng)變片的試件進(jìn)行循環(huán)加載或卸載時(shí)，發(fā)現(xiàn)兩種情況下的曲線不重合，稱為機(jī)械滯后。圖2-21機(jī)械滯后

產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因，主要是應(yīng)變片的各個(gè)部分有殘存的應(yīng)力。零漂：在一定溫度下，應(yīng)變片不承受載荷時(shí)，其電阻值隨時(shí)間增長而逐漸變化的特性稱為零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱零漂。蠕變：在一定溫度下，應(yīng)變片承載不變的作用力時(shí)，指示應(yīng)變會(huì)隨時(shí)間而變化，這種現(xiàn)象稱為蠕變。在應(yīng)變片工作時(shí)，零漂和蠕變是同時(shí)存在的。在蠕變值中包含著同一時(shí)間內(nèi)的零漂值。這兩項(xiàng)指標(biāo)都是用來衡量應(yīng)變片時(shí)間穩(wěn)定性的參數(shù)，它們直接影響長時(shí)間測(cè)量的結(jié)果是否準(zhǔn)確。

電阻應(yīng)變片主要特性應(yīng)變極限和線性度應(yīng)變極限：粘貼在試件上的應(yīng)變片所能測(cè)量的最大應(yīng)變值稱為應(yīng)變極限。在恒溫的試件上施加均勻而緩慢變化的拉伸載荷，當(dāng)應(yīng)變片的指示應(yīng)變低于真實(shí)應(yīng)變值的10％時(shí)，該真實(shí)應(yīng)變值作為應(yīng)變片的應(yīng)變極限。圖2-22應(yīng)變極限線性度

：應(yīng)變片粘貼在試件上后，對(duì)試件逐漸加載，應(yīng)變片的特性曲線嚴(yán)格地說不是一條直線，即在大應(yīng)變時(shí)出現(xiàn)了非線性。應(yīng)變片的非線性通常是很小的，一般要求在0.05％以內(nèi)。電阻應(yīng)變片主要特性絕緣電阻、允許工作電流絕緣電阻：指應(yīng)變片的引線與被測(cè)試件之間的絕緣電阻值。此值應(yīng)大于108歐姆，若此值太小，則基片會(huì)使金屬箔短路。允許工作電流：指允許通過應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大工作電流。顯然，工作電流大，應(yīng)變片輸出信號(hào)也大，靈敏度高。一般靜態(tài)測(cè)量時(shí)的允許工作電流為25mA左右，動(dòng)態(tài)測(cè)量可以高一些。箔式電阻應(yīng)變片的允許工作電流比金屬絲電阻應(yīng)變片的允許工作電流要大許多。

2.2.3溫度誤差及補(bǔ)償

粘貼在試件上的電阻應(yīng)變片，除感受機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對(duì)變化外，在環(huán)境溫度變化時(shí)，也會(huì)引起電阻的相對(duì)變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，甚至有時(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：下頁上頁返回圖庫自補(bǔ)償法

1．單絲自補(bǔ)償法：?jiǎn)谓z補(bǔ)償法是根據(jù)給定試件的材料和選定的敏感柵來適當(dāng)控制柵絲的溫度系數(shù)，以盡可能地減小虛假應(yīng)變輸出，這種方法只適用于特定材料，補(bǔ)償溫度范圍也比較窄。

2．組合式自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法組合式補(bǔ)償法又稱為雙金屬絲柵法。它的應(yīng)變片敏感柵絲是由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成的。一種形式是選用兩種具有正負(fù)溫度系數(shù)的電阻絲焊接而成，P38圖2－25

調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時(shí)產(chǎn)生的電阻變化數(shù)值相等，方向相反。

組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片的另一種形式是,兩種串接的電阻絲具有相同符號(hào)的溫度系數(shù)，兩者都為正或都為負(fù)，圖2-26組合式自動(dòng)補(bǔ)償法之二從電橋原理知道，由于溫度變化引起的相鄰橋臂電阻變化相等或很接近，此時(shí)的電橋輸出電壓為0或極小。

補(bǔ)償精度比較高，缺點(diǎn)是只適合特定試件材料。另外補(bǔ)償電阻R2總是會(huì)感受一定的應(yīng)變，在橋路中與工作柵R1敏感的應(yīng)變起抵消作用，從而使應(yīng)變片的靈敏度下降。電路補(bǔ)償法它同樣是利用電橋的原理，

圖2-27電橋補(bǔ)償法另外對(duì)于某些特殊的應(yīng)變測(cè)試條件，可以巧妙安裝應(yīng)變片而做到既不需要補(bǔ)償片又能提高靈敏度的“雙贏”效果。圖2-28差動(dòng)電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法簡(jiǎn)單易行，使用普通應(yīng)變片就可對(duì)各種試件材料在較大溫度范圍內(nèi)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，因而最為常用。

2.2.4應(yīng)變式電阻傳感器的測(cè)量電路

應(yīng)變式電阻傳感器通常是由彈性體、電阻應(yīng)變片、應(yīng)變膠和測(cè)量橋路組成。

彈性體將被測(cè)力成比例地轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，用應(yīng)變膠將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性體表面的適當(dāng)位置，這樣應(yīng)變片可以與彈性體同步發(fā)生應(yīng)變，應(yīng)變片進(jìn)一步將應(yīng)變成比例地轉(zhuǎn)換為電阻的相對(duì)變化量；

彈性體作用：承載被測(cè)力，將力轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)變。結(jié)構(gòu)形式：柱型、懸臂梁型、雙端固支梁型、薄壁環(huán)型、圓板型、框型等。圖2-32荷重傳感器彈性元件的形式圖2-33梁式力傳感器用途特點(diǎn)體重秤額定載荷

150Kg重復(fù)性0.03%F·S額定輸出2.5mV/V±10%;1.0mV/V±10%(半橋)蠕變30(min)0.1%F·S零點(diǎn)輸出±5%F·S使用溫度-10℃~+40℃輸入電阻1000±10Ω零點(diǎn)輸出溫度影響0.05%F·S/℃輸出電阻1000±10Ω額定輸出溫度影響0.01%F·S/℃激勵(lì)電壓5-15VDC絕緣電阻2000MΩ(100V)非線性0.05%F·S過載能力150%F·S滯后0.05%F·S材料

2.2.4應(yīng)變片式電阻傳感器的測(cè)量電路測(cè)量電路需要將電阻變化進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓，才便于用測(cè)量儀表進(jìn)行測(cè)量。

電阻變化量一般都采用電橋電路作為轉(zhuǎn)換電路，根據(jù)電橋電源的不同，可將電橋分為直流電橋和交流電橋。直流橋：容易獲得穩(wěn)定的直流電源，易于和顯示儀表連接，但直流放大器有零漂問題。交流橋：需要穩(wěn)頻、穩(wěn)幅的電源，交流放大器沒有零漂。直流電橋:圖2-29直流電橋電阻應(yīng)變片工作時(shí)，通常其電阻變化是很小的，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電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，所以為了提高電橋靈敏度或?yàn)檫M(jìn)行溫度補(bǔ)償，電橋結(jié)構(gòu)常采用差動(dòng)形式，即在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)變片，一片受壓，一片受拉，然后接入電橋相鄰橋臂；或者采用四臂電橋，粘貼四個(gè)工作應(yīng)變片作為不同的橋臂，下面以四臂電橋?yàn)槔治鲋绷麟姌虻墓ぷ髑闆r：直流電橋平衡條件直流電橋電壓靈敏度交流電橋交流電橋的平衡條件：需要滿足兩個(gè)條件，即相對(duì)兩個(gè)橋臂復(fù)阻抗的模之積相等，并且其輻角之和相等。圖2-30交流電橋?qū)@種交流電容電橋，除要滿足電阻平衡條件外，還要滿足電容平衡條件。為此在橋路上除設(shè)有電阻平衡調(diào)節(jié)外還設(shè)有電容平衡調(diào)節(jié)。圖2-31常見調(diào)平衡電路例：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

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。2.2.5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（荷重傳感器）圓柱式力傳感器梁式力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器：測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)動(dòng)態(tài)或靜態(tài)壓力應(yīng)變式扭矩傳感器：測(cè)量軸承的扭矩應(yīng)變式加速度傳感器補(bǔ)充內(nèi)容：半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器

半導(dǎo)體應(yīng)變傳感器是以半導(dǎo)體應(yīng)變片作為敏感元件，利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。它和金屬應(yīng)變片相比，具有靈敏系數(shù)高（比金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大50～100倍）、機(jī)械滯后小、體積小以及耗電量少等優(yōu)點(diǎn)；但半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)大，非線性也大，這些缺點(diǎn)不同程度地制約了它的應(yīng)用發(fā)展。不過，隨著近年來半導(dǎo)體集成電路工藝的迅速發(fā)展，相繼出現(xiàn)了擴(kuò)散型、外延型和薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片，使其缺陷得到了一些改善。補(bǔ)充內(nèi)容：薄膜應(yīng)變傳感器薄膜：通過物理方法或化學(xué)、電化學(xué)反應(yīng)，以原子、分子或離子顆粒形式受控地凝結(jié)于一固態(tài)支撐物（基底）上所形成的薄膜狀的固體材料，其厚度約在數(shù)十埃至數(shù)微