第二章 電阻式傳感器原理與應(yīng)用

任課教師：2015－2016學(xué)年第一學(xué)期第二章電阻式傳感器原理與應(yīng)用2本章教學(xué):一、教學(xué)要求：理解電阻式傳感器的基本原理；了解電阻式傳感器的常用類型；掌握應(yīng)變片式、壓阻式傳感器的形式、特點(diǎn)、應(yīng)用方法和轉(zhuǎn)換電路。3

電阻式傳感器的基本原理是將被測的非電量轉(zhuǎn)變成電阻值，通過測量電阻值達(dá)到測量非電量的目的。這類傳感器種類很多，大致可以分為電阻應(yīng)變式、壓阻式和熱電阻式傳感器。利用電阻式傳感器可以測量形變、壓力、力、位移、加速度和溫度等非電量參數(shù)。本章主要介紹電阻應(yīng)變片和壓阻式傳感器的原理和應(yīng)用。4二、教學(xué)時(shí)間安排：4學(xué)時(shí)

三、主要內(nèi)容：第一節(jié)應(yīng)變式傳感器第二節(jié)壓阻式傳感器本章重點(diǎn)：應(yīng)變片電橋測量電路誤差分析；本章難點(diǎn)：應(yīng)變片電橋測量電路誤差分析。四、教學(xué)過程：本章教學(xué):5第一節(jié)應(yīng)變式傳感器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、體積小、使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快、適合靜態(tài)及動(dòng)態(tài)測量、測量精度高等構(gòu)成：彈性元件和電阻應(yīng)變片適用領(lǐng)域：冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和國防等部門，是進(jìn)行自動(dòng)稱重、過程檢測和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過程自動(dòng)化不可缺少的工具之一。6第一節(jié)應(yīng)變式傳感器GX-1型懸臂梁稱重傳感器結(jié)構(gòu)尺寸與外形1、工作原理第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(1)金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)其電阻值將發(fā)生變化F

Δl、ΔA、ΔρΔR81、工作原理第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(1)金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)對(duì)于半徑為r的圓導(dǎo)體，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，

ε為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量；μ為電阻絲材料的泊松比，一般金屬μ=0.3~0.5；λ為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；σ為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量；

91、工作原理第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(1)金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率ρ隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)）金屬材料：k0以前者為主，則k0≈1+2μ=1.7～3.6半導(dǎo)體：k0值主要是由電阻率相對(duì)變化所決定101、工作原理第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(2)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類111、工作原理第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(2)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類根據(jù)應(yīng)變片的類型和材料進(jìn)行分類金屬絲式

金屬箔式

金屬薄膜式回線式短接式：敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大5～10倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點(diǎn)是克服了橫向效應(yīng)。121、工作原理第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(2)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類1)金屬絲式應(yīng)變片

金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線

絲式應(yīng)變片敏感柵常用的材料有:康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金，以及鉑、鉑鎢合金等。131、工作原理第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(2)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類1)金屬絲式應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比，并且對(duì)同一電阻材料，

K0=1+2μ是常數(shù)。其靈敏度系數(shù)多在1.7～3.6之間。

141、工作原理第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(2)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類2)金屬箔式應(yīng)變片在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀

151、工作原理第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(2)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類2)金屬箔式應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：（1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測量要求，（2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵（3）與被測試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（4）橫向效應(yīng)可以忽略。（5）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長。（6）生產(chǎn)效率高，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)。金屬箔的材料常用康銅和鎳鉻合金等。缺點(diǎn)：電阻值的分散性大阻值調(diào)整

161、工作原理第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(2)應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類3)薄膜應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)問題：難控制電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系

172、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器實(shí)際應(yīng)用中，選擇應(yīng)變片時(shí)，要考慮應(yīng)變片應(yīng)變片的性能參數(shù)主要有：電阻值、靈敏度、允許電流和應(yīng)變極限等。應(yīng)變片的電阻值R是指應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值電阻系列：60、120、200、350、600、1000Ω

可以加大應(yīng)變片承受電壓，電阻值大輸出信號(hào)大，敏感柵尺寸也增大182、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(1)靈敏系數(shù)“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”：一批產(chǎn)品中只能抽樣5％的產(chǎn)品來測定，取平均值及允許公差值。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k<電阻絲的靈敏系數(shù)k0

粘結(jié)層傳遞變形失真還存在有橫向效應(yīng)原因：192、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(2)橫向效應(yīng)敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應(yīng)變?chǔ)舩，電阻圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度εy

電阻

K(箔式應(yīng)變片)lεyεxεy202、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(2)橫向效應(yīng)

應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個(gè)電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來測量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。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。212、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(3)溫度誤差及其補(bǔ)償1）試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化△t時(shí)，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對(duì)變化。222、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(3)溫度誤差及其補(bǔ)償2）敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化△T時(shí)，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為，則引起的電阻相對(duì)變化為。其中232、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(3)溫度誤差及其補(bǔ)償相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出為可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為242、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(3)溫度誤差及其補(bǔ)償

單絲自補(bǔ)償法自補(bǔ)償法組合式自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法〔電橋補(bǔ)償法、熱敏電阻〕溫度補(bǔ)償252、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(3)溫度誤差及其補(bǔ)償

①電橋補(bǔ)償法U0R1R4R3URbFFR1Rb262、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(3)溫度誤差及其補(bǔ)償

①電橋補(bǔ)償法優(yōu)點(diǎn)：

簡單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好缺點(diǎn)：

在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補(bǔ)償效果。272、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(3)溫度誤差及其補(bǔ)償

②應(yīng)變片的自補(bǔ)償法粘貼在被測部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒?，這種應(yīng)變片稱為溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補(bǔ)償法。a.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片b.雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片

282、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(3)溫度誤差及其補(bǔ)償

②應(yīng)變片的自補(bǔ)償法--選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片

優(yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低，缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件為當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)βg已知時(shí)，通過選擇敏感柵材料，使下式成立即可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?92、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(3)溫度誤差及其補(bǔ)償

②應(yīng)變片的自補(bǔ)償法--雙金屬敏感柵自補(bǔ)償應(yīng)變片R1R2組合自補(bǔ)償法敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成選用兩者具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時(shí)產(chǎn)生的電阻變化滿足通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償，可達(dá)±0.45μm/℃的高精度。302、電阻應(yīng)變片的特性第一節(jié)應(yīng)變式傳感器(3)溫度誤差及其補(bǔ)償

③熱敏電阻補(bǔ)償TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流電阻UU=Ui-URtK313、電阻應(yīng)變片的測量電路第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（1）直流電橋直流電橋的工作原理

時(shí)電橋平衡平衡條件

:R1R4=R2R3

R1/R2=R3/R4

R1+⊿R1R2R4R3UILRL323、電阻應(yīng)變片的測量電路第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（1）直流電橋采用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R

。此時(shí)式(2.1.24)可寫為當(dāng)ΔRi<<R(i=1,2,3,4)時(shí)，略去上式中的高階微量，則333、電阻應(yīng)變片的測量電路第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（1）直流電橋①ΔRi<<R時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。②若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時(shí)，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性不同，則輸出電壓為兩者之和。③若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。④電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。但是，當(dāng)U大時(shí)，電阻應(yīng)變片通過的電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會(huì)出現(xiàn)蠕變和零漂。⑤增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的輸出電壓。上式表明：343、電阻應(yīng)變片的測量電路第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（2）非線性誤差及其補(bǔ)償單臂電橋，即R1橋臂變化ΔR，理想的線性關(guān)系實(shí)際輸出電壓353、電阻應(yīng)變片的測量電路第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（2）非線性誤差及其補(bǔ)償減小非線性誤差采用的措施為：（1）采用半橋差動(dòng)電橋R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2363、電阻應(yīng)變片的測量電路第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（2）非線性誤差及其補(bǔ)償減小非線性誤差采用的措施為：R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR

嚴(yán)格的線性關(guān)系電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一倍溫度補(bǔ)償作用373、電阻應(yīng)變片的測量電路第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（2）非線性誤差及其補(bǔ)償減小非線性誤差采用的措施為：全橋差動(dòng)電路輸出電壓為：U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3384、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器應(yīng)變式加速度傳感器394、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（1）

應(yīng)變式力傳感器1）柱式力傳感器（a）實(shí)心圓柱；（b）空心圓筒；404、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器1）

應(yīng)變式力傳感器R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF414、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器2)梁式力傳感器等截面梁結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高適合于測5000N以下的載荷b0R1R2l0lFbh①等截面懸臂梁424、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器2)梁式力傳感器b0R1R2XlFbh②等強(qiáng)度懸臂梁434、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器2)梁式力傳感器③雙端固定梁444、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器3)薄壁圓環(huán)式力傳感器在外力作用下，各點(diǎn)的應(yīng)力差別較大

454、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（2）應(yīng)變式壓力傳感器膜片式壓力傳感器εtεrR4R3R1R2

UU0膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt464、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（2）應(yīng)變式壓力傳感器機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（106～107Pa），槍炮的膛內(nèi)壓力（108Pa），動(dòng)態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定筒式壓力傳感器474、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（2）應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等通常用于測量小壓力。其缺點(diǎn)是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。組合式壓力傳感器484、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（3）容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器494、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（3）容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器式中A1

、A2——傳感器的傳輸系數(shù)；

g——重力加速度(m/s2)；

ρ——被測溶液的密度(Kg/m3)。溶液重量式中G——容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量(N)；S——柱形容器的截面積(m2)。504、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用第一節(jié)應(yīng)變式傳感器（4）

應(yīng)變式加速度傳感器在低頻（10～60Hz）振動(dòng)測量中得到廣泛的應(yīng)用,但不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊。

應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1-等強(qiáng)度梁2-質(zhì)量塊3-殼體4-電阻應(yīng)變片51第二節(jié)壓阻式傳感器20世紀(jì)50年代中期中期出現(xiàn)的半導(dǎo)體應(yīng)變片，靈敏系數(shù)比金屬應(yīng)變片約高50倍，主要由體型半導(dǎo)體應(yīng)變片和擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。用半導(dǎo)體應(yīng)變片制作的傳感器稱為壓阻式傳感器，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。52第二節(jié)壓阻式傳感器1、半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。金屬材料

半導(dǎo)體材料

半導(dǎo)體電阻率53第二節(jié)壓阻式傳感器1、半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)πl(wèi)為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。對(duì)半導(dǎo)體材料而言，πl(wèi)E>>(1+μ)，故(1+μ)項(xiàng)可以忽略54第二節(jié)壓阻式傳感器1、半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率ρ的變化是由應(yīng)變引起的半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小55第二節(jié)壓阻式傳感器2、體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片1.結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多56第二節(jié)壓阻式傳感器2、體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片（2）測量電路恒壓源電橋輸出電壓與ΔR/R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。恒流源電橋輸出電壓與ΔR成正比，環(huán)境溫度的變化對(duì)其沒有影響。57第二節(jié)壓阻式傳感器3、擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖1—低壓腔2—高壓腔3—硅杯4—引線5—硅膜片采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜。58第二節(jié)壓阻式傳感器3、擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器工作原理：膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。四個(gè)電阻的配置位置：按膜片上