電阻式傳感器課件

1、電阻式電阻式傳感器傳感器 1 應變片式傳感器應變片式傳感器 2 壓阻式傳感器壓阻式傳感器下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫第二章第二章 電阻式傳感器電阻式傳感器 紐 克西 歐米克隆 派 柔 西格瑪 陶 玉普西隆 弗愛 凱 普賽 奧米伽 A 阿爾法 B 貝塔 伽瑪 德爾塔 伊普西隆 澤塔 伊塔 西塔 約塔 卡帕 蘭姆達 米歐 電阻式傳感器的種類繁多，應用廣泛，電阻式傳感器的種類繁多，應用廣泛，其基本原理是將被測其基本原理是將被測物理量物理量的變化轉(zhuǎn)換成的變化轉(zhuǎn)換成電電阻值阻值的變化，再經(jīng)相應的的變化，再經(jīng)相應的測量電路測量電路最后顯示最后顯示被測量值的變化。被測量值的變化。 下頁下頁返回返回圖庫圖

2、庫電阻式傳感器與相應的測量電路組成的電阻式傳感器與相應的測量電路組成的測力、測測力、測壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫壓、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度度等測試系統(tǒng)等測試系統(tǒng)-目前已成為目前已成為生產(chǎn)過程檢測生產(chǎn)過程檢測以及實現(xiàn)以及實現(xiàn)生產(chǎn)自動化生產(chǎn)自動化不不可缺少的手段之一?？扇鄙俚氖侄沃?。輸入量（被測量）：位移等輸入量（被測量）：位移等輸出量：阻值的變化輸出量：阻值的變化應變式壓力、測力、稱重傳感器應變式壓力、測力、稱重傳感器下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫 第一節(jié)第一節(jié) 應變式傳感器應變式傳感器 電阻應變片的工作原理是基于電阻應變片的工作原理是基于電阻應變效電阻應變效應

3、應，即在導體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相，即在導體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應發(fā)生變化。應發(fā)生變化。 應變片的主要優(yōu)點是應變片的主要優(yōu)點是精度高、頻響寬、體精度高、頻響寬、體積小、重量輕積小、重量輕； 缺點：缺點：產(chǎn)生漂移產(chǎn)生漂移一、工作原理一、工作原理下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫退出退出圖圖 金屬絲伸長后幾何尺寸金屬絲伸長后幾何尺寸下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫由于箔片的應用較為廣泛，常采用由于箔片的應用較為廣泛，常采用光刻技術(shù)光刻技術(shù)來制作。來制作。在此以箔片為例來研究應變片的工作原理。在此以箔片為例來研究應變片的工作原理。bh長為長為LbhLALR dhhRdbbRdLLRdRd

4、R hdhbhLbdbbhLLdLbhLdbhL 下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫hdhbhLbdbbhLLdLbhLdbhLdR hdhbdbLdLdRdR 式中式中d/為應變片的為應變片的電阻率相對變化量電阻率相對變化量，其值與半導體敏感元，其值與半導體敏感元件在件在軸向所受的應變力軸向所受的應變力有關(guān)，其關(guān)系為有關(guān)，其關(guān)系為 Ed 半導體材料的壓阻系數(shù)半導體材料的壓阻系數(shù); 半導體材料的所受應變力半導體材料的所受應變力; E半導體材料的彈性模量半導體材料的彈性模量; 半導體材料的應變。半導體材料的應變。LdLLL bbbdb hhhdh由壓阻效應由壓阻效應 Ed )21( ERdRhdh

5、bdbLdLdRdR 下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫 )21( ERdR由上式可見，電阻的相對變化量由兩部分組成：由上式可見，電阻的相對變化量由兩部分組成：第一項，第一項，電阻率變化電阻率變化所引起的；所引起的；第二項，材料受力后產(chǎn)生的第二項，材料受力后產(chǎn)生的幾何變形（形變）幾何變形（形變）。分兩種情況：分兩種情況：v 金屬材料，第一項很小可忽略，主要第二項起作金屬材料，第一項很小可忽略，主要第二項起作用，此時有用，此時有v 半導體材料，第二項相對于第一項很小，可忽略半導體材料，第二項相對于第一項很小，可忽略6 . 37 . 1)21( kkRdR 100值值大大于于kkERdR （50-7

6、0倍）倍） 半導體應變片是用半導體材料制成的，其工半導體應變片是用半導體材料制成的，其工作原理是基于半導體材料的作原理是基于半導體材料的壓阻效應壓阻效應。 壓阻效應是指半導體材料，當壓阻效應是指半導體材料，當某一軸向受某一軸向受外力作用時，外力作用時， 其電阻率其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象發(fā)生變化的現(xiàn)象。 引線覆蓋層基片電阻絲式敏感柵lb二、應變片種類、材料、粘貼二、應變片種類、材料、粘貼圖圖3-2 金屬電阻應變片的結(jié)構(gòu)金屬電阻應變片的結(jié)構(gòu) 1金屬電阻應變片的種類金屬電阻應變片的種類敏感柵敏感柵(核心核心)絲式絲式:絲式金屬電阻應變片的敏感柵由直徑絲式金屬電阻應變片的敏感柵由直徑0.010.05mm

7、的電阻絲平行排列而成。的電阻絲平行排列而成。箔式箔式:光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，屬箔柵， 其厚度一般為其厚度一般為0.0030.01mm，可制，可制成各種形狀的敏感柵（即應變花），其優(yōu)點是成各種形狀的敏感柵（即應變花），其優(yōu)點是表面積和截面積之比大，表面積和截面積之比大， 散熱性能好，允許散熱性能好，允許通過的電流較大，可制成各種所需的形狀，通過的電流較大，可制成各種所需的形狀， 便于批量生產(chǎn)。便于批量生產(chǎn)。 覆蓋層覆蓋層與與基片基片將敏感柵緊密地粘貼在中間，將敏感柵緊密地粘貼在中間，對敏感柵起幾何形狀對敏感柵起幾何形狀固定和絕緣、保護固定和絕

8、緣、保護作用，作用， 基片要將被測體的應變準確地傳遞到敏感柵基片要將被測體的應變準確地傳遞到敏感柵上，因此它很薄，一般為上，因此它很薄，一般為0.030.06mm, 使它與被測體及敏感柵能牢固地粘合在一起，使它與被測體及敏感柵能牢固地粘合在一起，此外它還應有良好的此外它還應有良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能性能?；透采w層的材料有膠膜、紙、玻璃纖?；透采w層的材料有膠膜、紙、玻璃纖維布等。維布等。 圖圖3-3 常用應變片的形式常用應變片的形式2 金屬電阻應變片的材料金屬電阻應變片的材料 對電阻絲材料應有如下要求：對電阻絲材料應有如下要求： 靈敏系數(shù)大靈敏系數(shù)大，

9、且在相當大的應變范圍內(nèi)保持常數(shù)；且在相當大的應變范圍內(nèi)保持常數(shù)； 值大值大，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較，即在同樣長度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；大的電阻值； 電阻溫度系數(shù)小電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值；，否則因環(huán)境溫度變化也會改變其阻值； 與銅線的與銅線的焊接性能好焊接性能好， 與其它金屬的接觸電勢小；與其它金屬的接觸電勢小； 機械強度高機械強度高， 具有優(yōu)良的機械加工性能。具有優(yōu)良的機械加工性能。 康銅康銅是目前應用最廣泛的應變絲材料：是目前應用最廣泛的應變絲材料：靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)穩(wěn)定性好，不但在穩(wěn)定性好，不但在彈性變形彈性變形范圍內(nèi)能保持為

10、常數(shù)，范圍內(nèi)能保持為常數(shù)， 進進入入塑性變形塑性變形范圍內(nèi)也基本上能保持為常數(shù)；范圍內(nèi)也基本上能保持為常數(shù)；康銅的電阻康銅的電阻溫度系數(shù)溫度系數(shù)較小且穩(wěn)定，當采用合適的熱處理工藝時，較小且穩(wěn)定，當采用合適的熱處理工藝時，可使電阻溫度系數(shù)在可使電阻溫度系數(shù)在5010-6/的范圍內(nèi)；的范圍內(nèi)；康銅的康銅的加工性能加工性能好，易于焊接，好，易于焊接， 因而國內(nèi)外多以康銅作為應變因而國內(nèi)外多以康銅作為應變絲材料。絲材料。 3應變片粘貼（應變片粘貼（鏈接到應變片粘貼圖片鏈接到應變片粘貼圖片） 1、工件表面清理、工件表面清理 除銹（砂紙打）、去油（脫脂棉蘸丙酮）、除銹（砂紙打）、去油（脫脂棉蘸丙酮）、 涼

11、干（不可摸）；涼干（不可摸）； 2、劃線，找正貼片位置方向劃線、劃線，找正貼片位置方向劃線 3、貼片，、貼片， 貼片前檢查阻值是否符合要求；貼片前檢查阻值是否符合要求； 在貼片位置涂一薄層膠，一定要薄，厚了會造成誤差；在貼片位置涂一薄層膠，一定要薄，厚了會造成誤差； 將應變片貼上，加一薄層塑料輕輕擠壓，擠壓方向從將應變片貼上，加一薄層塑料輕輕擠壓，擠壓方向從 中心向四周以除氣泡；中心向四周以除氣泡； 加溫使之聚合。加溫使之聚合。4、檢查、連線、檢查、連線 肉眼看：正、牢，邊有沒有翹曲；肉眼看：正、牢，邊有沒有翹曲； 檢查阻值有無變化，絕緣性能；檢查阻值有無變化，絕緣性能； 連線，焊在工件上，以

12、保護根部連線，焊在工件上，以保護根部下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫5、檢查，涂防護層（密封、檢查，涂防護層（密封防水、防氧化、防塵）防水、防氧化、防塵） 914環(huán)氧樹脂膠、丁腈橡膠環(huán)氧樹脂膠、丁腈橡膠 簡易方法簡易方法：40%臘臘+ 50%松香松香+ 10%潤滑干油潤滑干油 檢查并用布帶纏繞好。檢查并用布帶纏繞好。 應變片粘貼時應加壓擠出氣泡及多余膠，因為膠層厚薄對應變片粘貼時應加壓擠出氣泡及多余膠，因為膠層厚薄對測試有影響，例如試件厚測試有影響，例如試件厚12.7mm，當膠層厚，當膠層厚76m時誤差時誤差1.2，膠層厚，膠層厚20m時誤差時誤差0.4；試件厚；試件厚6.4mm，當膠層厚，當

13、膠層厚0.76mm時誤差時誤差2.8，總之膠層越薄越好。另外，零件應變，總之膠層越薄越好。另外，零件應變通過膠層以剪應變方式使敏感柵產(chǎn)生拉壓變形，因此，必須通過膠層以剪應變方式使敏感柵產(chǎn)生拉壓變形，因此，必須使兩端及中間各部分全面粘貼牢固。使兩端及中間各部分全面粘貼牢固。下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫1.選點及工件表面清理。選點及工件表面清理。 采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等2.打磨。打磨。 用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力3.清洗清洗 用浸有酒精（或丙酮）的紗布片或脫脂棉球擦洗用浸有酒精（或丙

14、酮）的紗布片或脫脂棉球擦洗 干燥、劃線、量阻值干燥、劃線、量阻值4.貼片。貼片。 在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠在應變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠5.排氣。排氣。 用鑷子將應變片放上并調(diào)好位置，然后蓋上薄膜，用手指揉和滾壓，用鑷子將應變片放上并調(diào)好位置，然后蓋上薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡排出下面的氣泡 6.分開端子分開端子 把應變片的端子用手輕輕的分開，以免和應變片脫離把應變片的端子用手輕輕的分開，以免和應變片脫離 7.測量電阻。測量電阻。 從分開的端子處用萬用表測量應變片的電阻，防止端子折斷和壞從分開的端子處用萬用表測量應變片的電阻，

15、防止端子折斷和壞的應變片的應變片8.焊接。焊接。 把引線和端子的用點焊的方式焊接，要小心端子折斷把引線和端子的用點焊的方式焊接，要小心端子折斷 9.固定。固定。 焊接后用膠布將引線和測量對象固定在一起，防止引線和應變片脫離焊接后用膠布將引線和測量對象固定在一起，防止引線和應變片脫離靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)靈敏系數(shù)是指電阻的相對變化量與軸向應變的比值。靈敏系數(shù)是指電阻的相對變化量與軸向應變的比值。 dRdRK 21影響影響K的因素：敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑、的因素：敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑、基地性能、柵端圓弧部分橫向效應基地性能、柵端圓弧部分橫向效應 KK0三、金屬應變片主要特性三、金屬

16、應變片主要特性下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫橫向效應橫向效應： 縱向應變會使應變片的阻值發(fā)生變化，而沿垂直縱向應變會使應變片的阻值發(fā)生變化，而沿垂直于應變片軸向的橫向應變也會引起其電阻的相對變化，于應變片軸向的橫向應變也會引起其電阻的相對變化，這種現(xiàn)象稱為這種現(xiàn)象稱為橫向效應橫向效應。 橫向效應使得實際的靈敏系數(shù)與標稱值不等，這橫向效應使得實際的靈敏系數(shù)與標稱值不等，這將造成誤差。解決的辦法，廠家通過實驗測定將造成誤差。解決的辦法，廠家通過實驗測定H值值（橫向效應系數(shù)），利用（橫向效應系數(shù)），利用H值對測量結(jié)果進行修正。值對測量結(jié)果進行修正。一般按抽樣一般按抽樣0.1%測量，測量，F(xiàn)ll1F

17、rxyar(a)(b)下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫機械滯后機械滯后加載特性與卸載特性不重合的現(xiàn)象。加載特性與卸載特性不重合的現(xiàn)象。原因：殘余變形原因：殘余變形措施：合適的粘合劑、三次加載循環(huán)措施：合適的粘合劑、三次加載循環(huán)零漂和蠕變的定義零漂和蠕變的定義：在恒定溫度，無機械應：在恒定溫度，無機械應變時，應變片阻值隨時間變化的特性，稱為變時，應變片阻值隨時間變化的特性，稱為零漂零漂；在恒定溫度、恒定應變時，應變片阻；在恒定溫度、恒定應變時，應變片阻值隨時間變化的特性，稱為值隨時間變化的特性，稱為蠕變?nèi)渥?。零漂和蠕變的原因零漂和蠕變的原因：應變片制造過程中產(chǎn)生：應變片制造過程中產(chǎn)生的內(nèi)應力；在

18、一定溫度和載荷條件下電阻絲的內(nèi)應力；在一定溫度和載荷條件下電阻絲材料、膠粘劑和底基內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。材料、膠粘劑和底基內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化。 下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫零漂和蠕變零漂和蠕變絕緣電阻和最大工作電流絕緣電阻和最大工作電流 應變片絕緣電阻是指已粘貼的應變片的引線與被測件之間的電阻值Rm。通常要求Rm在50100 M以上。絕緣電阻下降將使測量系統(tǒng)的靈敏度降低，使應變片的指示應變產(chǎn)生誤差。Rm取決于粘結(jié)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。 最大工作電流是指已安裝的應變片允許通過敏感柵而不影響其

19、工作特性的最大電流Imax。工作電流大，輸出信號也大，靈敏度就高。但工作電流過大會使應變片過熱，靈敏系數(shù)產(chǎn)生變化，零漂及蠕變增加，甚至燒毀應變片。工作電流的選取要根據(jù)試件的導熱性能及敏感柵形狀和尺寸來決定。通常靜態(tài)測量時取25mA左右。 動態(tài)測量時可取75100mA。箔式應變片散熱條件好，電流可取得更大一些。在測量塑料、玻璃、陶瓷等導熱性差的材料時，電流可取得小一些。 應變極限和疲勞壽命應變極限是指溫度恒定指示應變和真實應變相應變極限是指溫度恒定指示應變和真實應變相對誤差不超過對誤差不超過90%時候的最大真實應變值時候的最大真實應變值疲勞壽命是指恒定幅值的交變力作用下，可以疲勞壽命是指恒定幅值

20、的交變力作用下，可以聯(lián)系工作而不出現(xiàn)疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)聯(lián)系工作而不出現(xiàn)疲勞損壞的循環(huán)次數(shù) 例：例： 初始電阻初始電阻R=120 靈敏度系數(shù)靈敏度系數(shù)K=2 縱向應變縱向應變 =1000時時 求：該應變片電阻的絕對變化量求：該應變片電阻的絕對變化量 解：解： KLLKRR下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫 R=0.24 RkR 四、測量電路四、測量電路 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)。而縱向應變量也取得十分大（通常應變片的線性工作范向應變量也取得十分大（通常應變片的線性工作范圍僅有圍僅有600 ）。由上例中可以

21、得出以下結(jié)論：）。由上例中可以得出以下結(jié)論：v應變片式傳感器對應變產(chǎn)生的電阻變化量很小，通應變片式傳感器對應變產(chǎn)生的電阻變化量很小，通常是在幾個歐姆以下。常是在幾個歐姆以下。v要求測量電路必須能夠要求測量電路必須能夠測量微小電阻測量微小電阻的變化。電橋的變化。電橋電路是最常用的測量微小電阻變化的電路。電路是最常用的測量微小電阻變化的電路。下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫1 直流電橋直流電橋 直流電橋平衡條件直流電橋平衡條件 電橋電路如圖電橋電路如圖3-9所示，圖中所示，圖中E為電源電壓，為電源電壓，R1、R2、R3及及R4為橋臂電阻，為橋臂電阻，RL為負載電阻。為負載電阻。 當當RL時，電橋輸

22、出電壓為時，電橋輸出電壓為 433211RRRRRREUo（3-34） 圖圖3-9 直流電橋直流電橋 R1R2R4R3ACBEDIoRLUo當電橋平衡時，當電橋平衡時，Uo=0，則有，則有 R1R4=R2R3或或 4321RRRR （3-35） 相鄰兩臂電阻的相鄰兩臂電阻的比值應相等比值應相等， 或相對兩臂電阻的乘積或相對兩臂電阻的乘積應相等。應相等。 電壓靈敏度電壓靈敏度 應變片工作時，其應變片工作時，其電阻值變化很小電阻值變化很小，電橋相應，電橋相應輸出輸出電壓電壓也很小，一般需要加入放大器進行放大。也很小，一般需要加入放大器進行放大。 由于由于放大器的輸入阻抗放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻

23、抗比橋路輸出阻抗高高很多，很多，所以此時仍視電橋為所以此時仍視電橋為開路開路情況。情況。 當受應變時，若應變片電阻變化為當受應變時，若應變片電阻變化為R，其它橋，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓臂固定不變，電橋輸出電壓Uo0，則電橋不平衡，則電橋不平衡，輸出電壓為輸出電壓為: 341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRERRRRRRRERRRRRRRREUo（3-36） 設橋臂比設橋臂比n=R2/R1，由于，由于R15的小曲率圓環(huán)，可用下式計算出的小曲率圓環(huán)，可用下式計算出A、B兩點兩點的應變。的應變。 EbhFREbhFRA2291. 109. 1式中：式中

24、： h圓環(huán)厚度；圓環(huán)厚度； b圓環(huán)寬度；圓環(huán)寬度； E材料彈性模量。材料彈性模量。這樣，這樣， 測出測出A、 B處的應變，處的應變， 即可得到載荷即可得到載荷F。 （3-56） （3-57） 下頁下頁上頁上頁返回返回圖庫圖庫 3. 梁式力傳感器梁式力傳感器等強度：粘貼要求不高等強度：粘貼要求不高等面積：加工簡單、粘貼要求高等面積：加工簡單、粘貼要求高二、二、 應變式壓力傳感器應變式壓力傳感器 主要用來主要用來測量流動介質(zhì)測量流動介質(zhì)的的動態(tài)或靜態(tài)壓力動態(tài)或靜態(tài)壓力, 如如動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動力管道設備的進出口氣體或液體的壓力、發(fā)動機內(nèi)部的壓力、動機內(nèi)部的壓力、 槍管及炮管

25、內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃槍管及炮管內(nèi)部的壓力、內(nèi)燃機管道的壓力機管道的壓力等。等。圖圖3-15 膜片式壓力傳感器膜片式壓力傳感器（a） 應變變化圖應變變化圖; （b） 應變片粘貼應變片粘貼 根據(jù)以上特點，一般在平膜片圓心處根據(jù)以上特點，一般在平膜片圓心處切向粘貼切向粘貼R1、R4兩個應兩個應變片變片，在邊緣處沿，在邊緣處沿徑向粘貼徑向粘貼R2、R3兩個應變片兩個應變片，然后接成全橋測，然后接成全橋測量電路。量電路。 trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b) 應變片壓力傳感器大多采用應變片壓力傳感器大多采用膜片式膜片式或或筒式筒式彈性元件。彈性元件。 圖圖3-15為膜片式壓力傳感器，應變片貼在膜片內(nèi)壁，為膜片式壓力傳感器，應變片貼在膜片內(nèi)壁，在壓力在壓力p作用下，膜片產(chǎn)生作用下，膜片產(chǎn)生徑向應變徑向應變r和切向應變和切向