第2單元電阻式傳感器

1、第2單元 電阻式傳感器2.1 2.1 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器2.2 2.2 應(yīng)變片的靜態(tài)特性應(yīng)變片的靜態(tài)特性2.3 2.3 應(yīng)變片的動態(tài)特性應(yīng)變片的動態(tài)特性2.4 2.4 測量電路測量電路2.5 2.5 應(yīng)變片的溫度效應(yīng)和補償應(yīng)變片的溫度效應(yīng)和補償2.6 2.6 應(yīng)變式傳感器的種類應(yīng)變式傳感器的種類習(xí)題習(xí)題應(yīng)變片的特點：（1）靈敏度高，性能穩(wěn)定可靠，常用于測量（12）mm的應(yīng)變，誤差小于。（2）應(yīng)變片尺寸小，重量輕，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，測量速度快，可用于動態(tài)測量。（3）適應(yīng)性強，可以在高溫、低溫、高壓、水下、強磁場、強輻射下工作（有溫度補償措施）。（4）適于遠距離測量。溫濕度傳感器

2、電阻式傳感器的基本原理是將被測的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出。 我們先來看一個例子，通過這個例子來體會一下將非電量轉(zhuǎn)化為電阻值的變化。 如圖： 由于構(gòu)成電阻的材料種類很多，如導(dǎo)體、半導(dǎo)體、電解質(zhì)溶液等。而引起電阻變化的物理原因也很多，如導(dǎo)體、半導(dǎo)體的長度變化或內(nèi)應(yīng)力變化、溫度變化、載流子數(shù)量等，根據(jù)這些不同的物理原理，就產(chǎn)生了各種各樣的電阻式傳感器。 下面看兩個由改變半導(dǎo)體導(dǎo)電特性而引起電阻變化的的例子。（思考其屬于結(jié)構(gòu)型還是物性型） 以上看到的例子都屬于電阻傳感器，但本章的重點內(nèi)容是介紹基于電阻應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)變式電阻傳感器。 下面來看一個利用應(yīng)變式電阻傳感器測量大壓力載

3、荷的例子：n電阻式傳感器可以測量力、壓力、位移、應(yīng)變、加速度、溫度等非電量參數(shù)。一般來說，電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的還使用于動態(tài)測量。2.1 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器，傳感器由彈性元件和其上粘貼的電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成。當(dāng)被測物理量作用在彈性元件上時，彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化，通過轉(zhuǎn)換電路將其轉(zhuǎn)變成電量輸出，電量變化的大小反映了被測物理量的大小。 則在未受力時的原始電阻為 LRSLS金屬導(dǎo)體金屬導(dǎo)體 R金屬絲的電阻值金屬絲的電阻值()； 金屬絲的電阻率金屬絲的電阻率(mm2/m)；L金屬

4、絲的長度金屬絲的長度(m)；S金屬絲的截面積金屬絲的截面積(mm2)。 如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形，其長度 L 變化L，截面積 S 變化S，電阻率變化 ，因而引起電阻 R 變化R。將上式微分，整理有 RLSRLS 0(12 )(12)/RLLLkRLL LLL 通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電阻絲的靈敏度系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化量，其表達式為一部分是（1+2），由材料幾何尺寸的變化引起的; 另一部分是（/）/，受力后材料的電阻率發(fā)生的變化。12K 對于金屬材料電阻絲，靈敏度系數(shù)表達式中（1+2）的值要比（/）/大得多，而半導(dǎo)體材料的（/）/項的值比（1+2）大

5、得多。大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，即 K 為常數(shù)。 K=1+2=常數(shù) 通常金屬電阻絲的 K =1.7 3.6 之間。2.1.1 應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測量原理 我們先看一下電阻應(yīng)變計的組成：31-敏感元件；敏感元件；2、4-基基底；底；3-引線。引線。2.1.2 應(yīng)變片的類型和材料應(yīng)變片的類型和材料 金屬電阻應(yīng)變片分為絲式、箔式和薄膜式三種。上例中為絲式。金屬箔式應(yīng)變片的敏感柵，則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲。金屬箔柵采用光刻技術(shù)制造，適用于大批量生產(chǎn)。由于金屬箔式應(yīng)變片具有線條均勻、尺寸準確、阻值一致性好、傳遞試件應(yīng)變性能好等優(yōu)點，因此，目前使用的多為金屬箔式

6、應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)見圖。 使用高電壓低電流的離子鍍膜機，使離子撞擊靶材，并植入靶材內(nèi)(自由行程短，能量高)，此方法稱為濺射。金屬膜式多采用濺射或蒸鍍的制作工藝金屬膜式多采用濺射或蒸鍍的制作工藝PVD鍍膜原理是把個別的原子氣化成離子,再以電場加速撞擊在基材上形成薄膜。最簡單的PVD方法就是把欲鍍的材料加熱成蒸汽使其熏基材并黏附在表面。這種鍍膜方法稱為蒸鍍。2.2 應(yīng)變片的參數(shù)1. 靈敏系數(shù)靈敏系數(shù) 靈敏系數(shù)系指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。 實驗表明，電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù) k 恒小于電阻絲的靈敏系數(shù)k0，其原因除了粘

7、結(jié)層傳遞變形失真外，還存在有橫向效應(yīng)。 R Rk2. 橫向效應(yīng)橫向效應(yīng) 3 3. .幾何尺寸幾何尺寸 應(yīng)變片的工作寬度（基寬）應(yīng)變片的工作寬度（基寬）b b是在應(yīng)變片軸線相垂直的方向上，是在應(yīng)變片軸線相垂直的方向上，敏感柵最外側(cè)之間的距離；應(yīng)變片的工作基長（標距）敏感柵最外側(cè)之間的距離；應(yīng)變片的工作基長（標距）L L是應(yīng)變片敏是應(yīng)變片敏感柵在其軸線方向的長度，對于帶有圓弧端的敏感柵，就是指兩端圓感柵在其軸線方向的長度，對于帶有圓弧端的敏感柵，就是指兩端圓弧之間的距離弧之間的距離; ;應(yīng)變片敏感柵的有效工作面積應(yīng)變片敏感柵的有效工作面積b bL L。 目前應(yīng)變片最小基長為目前應(yīng)變片最小基長為0.

8、2mm0.2mm，最長達，最長達300mm300mm。一般生產(chǎn)廠家都。一般生產(chǎn)廠家都有一個應(yīng)變片基長系列供選用。有一個應(yīng)變片基長系列供選用。4.電阻值電阻值R 應(yīng)變片沒有粘貼也不受力時，在室溫下測定的電阻值。應(yīng)變片沒有粘貼也不受力時，在室溫下測定的電阻值。.應(yīng)變片應(yīng)變片阻值有一個系列，如阻值有一個系列，如60W W、120W W、350W W、600W W和和1000W W，其中以，其中以120W W最為常用。最為常用。 5.最大工作電流最大工作電流 允許通過應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流。允許通過應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流。 工作電流大，應(yīng)變片輸出信號大，靈敏度高，但過大的電流會

9、把工作電流大，應(yīng)變片輸出信號大，靈敏度高，但過大的電流會把應(yīng)變片燒毀。應(yīng)變片燒毀。6.絕緣電阻絕緣電阻 應(yīng)變片引線與被測試件之間的電阻值，它取決于粘合劑及基底應(yīng)變片引線與被測試件之間的電阻值，它取決于粘合劑及基底材料的種類。絕緣電阻過低，會造成應(yīng)變片與試件之間漏電，產(chǎn)生材料的種類。絕緣電阻過低，會造成應(yīng)變片與試件之間漏電，產(chǎn)生測量誤差。測量誤差。 7 7. . 應(yīng)變極限和疲勞壽命應(yīng)變極限和疲勞壽命 應(yīng)變片的敏感柵或引線發(fā)生斷路應(yīng)變片的敏感柵或引線發(fā)生斷路 應(yīng)變片輸出指示應(yīng)變的幅值變化應(yīng)變片輸出指示應(yīng)變的幅值變化10% 10% 應(yīng)變片輸出信號波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。應(yīng)變片輸出信號波形上出現(xiàn)穗狀尖峰。

10、 2. 4 轉(zhuǎn)換電路 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R/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。 1. 直流電橋直流電橋 直流電橋的工作原理是什么呢？ 我們先看看直流電橋的示意圖。R1R2R3R4RLILU1423123412343412LLR RR RIURRRRRR RRRR RRR 不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度 當(dāng)電橋后面接放大器時，放大器的輸入阻抗都很高，比電橋輸出電阻大很多，可以把電橋輸出端看成開路，如圖 電橋的輸出式為 電橋的平衡條件亦為 142

11、3R RR R R1+R R1 1R2 R3R4UU0142301234R RR RUURRRR應(yīng)變片工作時，其電阻變化為R，此時有不平衡電壓輸出。 設(shè)橋臂比n=R2/R1，由于電橋初始平衡時有R2/R1=R4/R3，略去分母中的R1/R1。 可得電橋靈敏度定義為4131032111411RRRRUURRRRRR 10211RnUURn011uUkR R 可得單臂工作應(yīng)變片的電橋電壓靈敏度為 n當(dāng)n =1 時，得21unkUn 表明表明, ,當(dāng)電源電壓當(dāng)電源電壓U U及電阻相對及電阻相對值一定時值一定時, ,電橋的輸出電壓及電電橋的輸出電壓及電壓靈敏度將與各臂阻值的大小壓靈敏度將與各臂阻值的大

12、小無無關(guān)關(guān).n=1 .n=1 時的電橋時的電橋, ,稱對稱電稱對稱電橋橋, ,常采用這種電橋的形式常采用這種電橋的形式. . 1014RUUR4uUk 2. 電橋的非線性誤差電橋的非線性誤差 由11011U(1) (1)RnRURnnR 非線性誤差為 10011011RUURRUnR10211RnUURn 對于對稱電橋，n=1時 11L11212RRRRn為了減小非線性誤差，常采用的措施為（1）差動電橋 R1+R1R2-R2U0UR3R43110112234()RRRUURRRRRR 0RUURR1+R1R2-R2U0UR3-R3R4+R4采用電橋結(jié)構(gòu)的電阻式傳感器采用電橋結(jié)構(gòu)的電阻式傳感器采

13、用差動結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式傳感器采用差動結(jié)構(gòu)的應(yīng)變式傳感器 (2)采用恒流源電橋 產(chǎn)生非線性的原因之一是在工作過程中，由于產(chǎn)生R變化，使通過橋臂的電流不恒定，若用恒流源供電，如圖： 供電電流為I，通過各 臂的電流為I1和I2，R1=0時： 3411234RRIIRRRRR1+R1R2U0R3R4I1I2I1221234RRIIRRRR1221234RRIIRRRRn 若電橋初始處于平衡狀態(tài)，而且R1=R2=R3=R4=R，當(dāng)?shù)谝槐垭娮鑂1變?yōu)镽+R時，電橋輸出電壓為： 01441(/ 4)RRRUIIRRRR 例例1 1在上圖（a）的等截面軸做成的拉力傳感器上，對稱地貼上R1R4四個標稱阻值為120W

14、的應(yīng)變片，R1，R3沿軸向粘貼（如圖中的1），R2，R4沿徑向粘貼（如圖中的e2）。軸的彈性模量E=2.01011N/m2，泊松比=0.3，軸的截面積A=0.00196m2，應(yīng)變片應(yīng)變靈敏系數(shù)K=2。用全橋測量，電橋的Ui=6V，測得Uo=7.8mV。計算F=？解：根據(jù)分析，應(yīng)變片R1，R3的阻值變化是由軸的軸向應(yīng)變引起的，R2，R4的阻值變化是由軸的橫向應(yīng)變引起的，因此軸的軸向應(yīng)變和橫向應(yīng)變分別為AEFxAEFy3311RRAEFKKRRx4422RRAEFKRR44332211io4RRRRRRRRUU例例2 2 應(yīng)變片應(yīng)變片溫度補償溫度補償 單絲自補償法 應(yīng)變片傳感器實物梁式力傳感器梁式

15、力傳感器請你思考n試舉出采用應(yīng)變片的力、扭矩傳感器，觀察產(chǎn)品銘牌或說明書上的靜態(tài)指標。n應(yīng)變片測力傳感器的輸出量是什么形式？上述你舉出的例子中，轉(zhuǎn)換電路在何處？n與應(yīng)變片配合的彈性元件有哪些？什么是單軸應(yīng)變片和多軸應(yīng)變片？分別在什么場合下選用？n你身邊是否用MEMS加工實驗室，考慮MEMS應(yīng)變片的制作方法與優(yōu)點。 習(xí)題n哪些因素引起應(yīng)變片的溫度誤差？表達式？線路補償法原理。n如何減小應(yīng)變片電橋轉(zhuǎn)換電路的非線性誤差？n何為金屬的應(yīng)變效應(yīng)？怎樣利用這種應(yīng)變效應(yīng)制成應(yīng)變片？n什么是應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)？它與電阻絲的靈敏度系數(shù)有何不同？為什么？n對于箔式應(yīng)變片，為什么增加兩端各電阻條的橫截面積便能減小橫向靈敏度？n一應(yīng)變片