電阻式傳感器課件

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。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(guò)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。電阻式傳感器電阻式傳感器電位計(jì)式電阻式傳感器應(yīng)變式電阻式傳感器線繞式非線繞式金屬應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片電位器是一種常用的機(jī)電元件，廣泛應(yīng)用于各種電器和電子設(shè)備中。它主要是一種把機(jī)械的線位移或角位移輸入量轉(zhuǎn)換為與它成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出的傳感元件來(lái)使用。它們主要用于測(cè)量壓力、高度、加速度、航面角等各種參數(shù)。電位器的種類很多，按其結(jié)構(gòu)形式不同，可分為線繞式、薄膜式、光電式等；按特性不同，可分為線性電位器和非線性電位器。目前常用的以單圈線繞電位器居多。第一節(jié)電位器式電阻傳感器1、工作原理（1）空載時(shí)RL→∞

對(duì)應(yīng)電阻的變化即一、線繞式電位器傳感器其中為線繞電位器的電阻靈敏度。它表示電刷單位位移所能引起的輸出電阻的變化量。其中為線繞電位器的電壓靈敏度。它表示電刷單位位移所能引起的輸出電壓的變化量。SR、SV均為常數(shù)。改變測(cè)量電阻值Rx所引起輸出電壓U0的變化為線性變化。（2）有載時(shí)RL≠∞RL≠0且設(shè)電阻的相對(duì)變化電位器負(fù)載系數(shù)的倒數(shù)電刷的相對(duì)行程電位器相對(duì)輸出電壓分子分母同除以R2得：負(fù)載電阻

RL≠0

，Y與r為非線性。

電位器式傳感器輸出與輸入的關(guān)系是非線性的，這是由于負(fù)載不是無(wú)窮大引起的，叫做有負(fù)載引起的非線性誤差Ef。其中由在輸出電壓，為空載輸出電壓。當(dāng)r=1/2時(shí)，有極大值：實(shí)際上，r=2/3時(shí)非線性誤差才達(dá)最大值。KL=RL/R251010.1Efmax1%2.4%20%71.4%（1）階梯特性電刷每移動(dòng)一匝線圈輸出電壓產(chǎn)生一次跳動(dòng)，其階躍值為：

當(dāng)電刷叢m-1匝移動(dòng)到匝m時(shí)，電刷瞬間使兩相鄰匝線短路，在每一個(gè)電壓階躍中產(chǎn)生一次小階躍，這個(gè)小階躍電壓為：2、線繞式電位器傳感器輸出特性將階梯特性曲線理想化為下列曲線：（2）電壓分辨率

線繞式電位器的電壓分辨率是指在電刷行程內(nèi)電位器輸出電壓階梯的最大值與最大輸出電壓之比的百分?jǐn)?shù)：行程分辨率：（3）階梯誤差階梯特性曲線圍繞理論特型直線上下波動(dòng)，從而產(chǎn)生偏差，這種偏差成為階梯誤差。用理想階梯特性曲線對(duì)理論特性曲線的最大偏差于最大輸出電壓值之比的百分?jǐn)?shù)表示：例：線繞式電位計(jì)：b=20mm，h=15mm，l=20mm。導(dǎo)線直徑為d=0.2mm，電阻率為ρ=13.5×10-7Ωm，電流為I=50mA，求：R,SV,SR,ei,Re。解：n=l/d=20/0.2=100匝

L=2(b+h)n=7mR=ρL/S=300ΩSR=R/l=300/20=15Ω/mmSV=ISR=750mV/mm

hbl3、非線性線繞電位器

為了控制過(guò)程需要，輸入量位移x和輸出電壓U0之間要求呈現(xiàn)某種特殊函數(shù)規(guī)律變化。非線性電位器是指在空載時(shí)其輸出電壓(或電阻)與電刷行程之間具有非線性函數(shù)關(guān)系的一種電位器，也稱函數(shù)電位器。常用的非線性線繞電位器有變骨架式(用曲線骨架繞制的非線性變阻器)、變節(jié)距式(三角函數(shù)變阻器)、分路電阻式(用分段法制成的非線性變阻器)及電位給定式四種。用曲線骨架繞制的非線性變阻器三角函數(shù)變阻器用分段法制成的非線性變阻器二、非線繞式電位器

線繞式電位器具有精度高、性能穩(wěn)定、易于實(shí)現(xiàn)線性變化等優(yōu)點(diǎn)，缺點(diǎn)為分辨率低、耐磨性差、壽命較短等。采用特種功能材料代替電阻絲而制成非線繞式電位器。1、膜式電位器（1）碳膜電位器：在絕緣架上噴涂一層均勻的電阻液，經(jīng)烘干聚合后而制成電阻膜。優(yōu)點(diǎn)是分辨率高、耐磨性好、工藝簡(jiǎn)單、成本較低、線性度較好，缺點(diǎn)是接觸電阻大、噪聲大。（2）金屬膜電位器：在基體上用高溫蒸鍍或電鍍的方法，涂敷一層金屬膜而制成。金屬膜一般用鍺銠、鉑銅、鉑銠等合金。優(yōu)點(diǎn)是溫度系數(shù)小，可工作在高溫下，缺點(diǎn)是耐磨性差、功率小、阻值不高。2、導(dǎo)電塑料電位器有塑料粉和導(dǎo)電材料粉壓制而成，稱為實(shí)心電位器。優(yōu)點(diǎn)是耐磨性較好、壽命較長(zhǎng)、電刷允許的接觸壓力較大，缺點(diǎn)是溫度影響較大、接觸電阻大、精度不高。3、光電電位器在基體上沉積一條金屬導(dǎo)電條作導(dǎo)電電極和一條薄膜電阻帶，兩者之間有一定間隙，在其上再沉積一層光電導(dǎo)層，電刷用窄光束代替，亮電阻在零點(diǎn)幾個(gè)歐姆，暗電阻為106~107Ω，有的可達(dá)108Ω。優(yōu)點(diǎn)：耐磨性好，精度、分辨率高，壽命長(zhǎng)。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，工作范圍窄。第二節(jié)應(yīng)變式電阻傳感器

電阻應(yīng)變片是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)原理制成的、應(yīng)用最為廣泛的電阻式傳感器，主要用于機(jī)械量的檢測(cè)中，如力、力矩、壓力、加速度、質(zhì)量等物理量的檢測(cè)。一、應(yīng)變效應(yīng)

當(dāng)金屬絲（或半導(dǎo)體）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，這種現(xiàn)象稱為金屬（或半導(dǎo)體）的電阻應(yīng)變效應(yīng)。二、電阻應(yīng)變片種類、結(jié)構(gòu)和工作原理1、種類與結(jié)構(gòu)按構(gòu)成的材料分為：金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片。

a、金屬應(yīng)變片：電阻絲應(yīng)變片由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成。這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能。因此，應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇。電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖34

21bl柵長(zhǎng)柵寬（1）

敏感柵由金屬細(xì)絲繞成柵形。電阻應(yīng)變片的電阻值為60Ω、120Ω、200Ω等多種規(guī)格，以120Ω最為常用。應(yīng)變片柵長(zhǎng)大小關(guān)系到所測(cè)應(yīng)變的準(zhǔn)確度，應(yīng)變片測(cè)得的應(yīng)變大小是應(yīng)變片柵長(zhǎng)和柵寬所在面積內(nèi)的平均軸向應(yīng)變量。（2）

基底和蓋片基底用于保持敏感柵、引線的幾何形狀和相對(duì)位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置，還可保護(hù)敏感柵?；椎娜L(zhǎng)稱為基底長(zhǎng)，其寬度稱為基底寬。（3）

引線

是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對(duì)引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。（4）

粘結(jié)劑

用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時(shí)，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵。常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹(shù)脂、有機(jī)硅樹(shù)脂，聚酰亞胺等。無(wú)機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。金屬箔式應(yīng)變片

金屬箔式應(yīng)變片工作原理基本和電阻絲式應(yīng)變片相同。它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過(guò)光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵，故稱箔式電阻應(yīng)變片，如圖。金屬箔的厚度—般為(0.003～0.010)mm，它的基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度一般為(0.03～0.05)mm。b、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片112233體型半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。對(duì)一塊半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)，它的電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種物理現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。

半導(dǎo)體應(yīng)變片有以下幾種類型：（1）體型半導(dǎo)體應(yīng)變片這是一種將半導(dǎo)體材料硅或鍺晶體按一定方向切割成的片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊粘貼在基片上而成的應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)如圖所示。

2）薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片這種應(yīng)變片是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成，其結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

3）擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅單晶基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，再通過(guò)超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。圖2為擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片示意圖。這是一種應(yīng)用很廣的半導(dǎo)體應(yīng)變片。1234圖1薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片1–鍺膜2--絕緣層3–金屬箔基底4--引線21345圖2擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片1--N型硅2--P型硅擴(kuò)散層3--二氧化硅絕緣層4–鋁電極5--引線型號(hào)的編排規(guī)則電阻應(yīng)變計(jì)型號(hào)的編排規(guī)則如下：類別、基底材料種類、標(biāo)準(zhǔn)電阻---敏感柵長(zhǎng)度、敏感柵結(jié)構(gòu)形式、極限工作溫度、自補(bǔ)償代號(hào)（溫度和蠕變補(bǔ)償）及接線方式。如BF350--3AA80（23）N6–X的含義是：

I.

B:表示應(yīng)變計(jì)類別(B:箔式;T:特殊用途;Z:專用(特指卡瑪箔))；

II.

F:表示基底材料種類(B:玻璃纖維增強(qiáng)合成樹(shù)脂;F:改性酚醛;A:聚酰亞胺;E:酚醛-縮醛;Q:紙浸膠;J:聚氨酯)；

III.

350:表示應(yīng)變計(jì)標(biāo)準(zhǔn)電阻；

IV.

3表示敏感柵長(zhǎng)度（mm）；

V.

AA表示敏感柵結(jié)構(gòu)形式；

VI.

80表示極限工作溫度（℃）；

VII.

23表示溫度自補(bǔ)償或彈性模量自補(bǔ)償代號(hào)(9:用于鈦合金;M23:用于鋁合金;11:用于合金鋼、馬氏體不銹鋼和沉淀硬化型不銹鋼;16:用于奧氏體不銹鋼和銅基材料;23:用于鋁合金;27:用于鎂合金;)；

VIII.

N6表示蠕變自補(bǔ)償標(biāo)號(hào)(蠕變標(biāo)號(hào):T8，T6，T4，T2，T0，T1,T3,T5,N2，N4，N6，N8，N0，N1，N3，N5，N7，N9)；

Ⅸ.X表示接線方式(X:標(biāo)準(zhǔn)引線焊接方式;D:點(diǎn)焊點(diǎn);C:焊端敞開(kāi)式;U:完全敞開(kāi)式，焊引線;F:完全敞開(kāi)式，不焊引線；X**:特殊要求焊圓引線，**表示引線長(zhǎng)度；BX**：特殊要求焊扁引線，**表示引線長(zhǎng)度；Q**:焊接漆包線，**表示引線長(zhǎng)度；G**:焊接高溫引線，**表示引線長(zhǎng)度)。

設(shè)有一根長(zhǎng)度為l、截面積為A、電阻率為ρ的金屬絲，其電阻R為

兩邊取對(duì)數(shù)，得等式兩邊取微分，得

——電阻的相對(duì)變化；——電阻率的相對(duì)變化；

——金屬絲長(zhǎng)度相對(duì)變化，用εx表示，εx

=稱為金屬絲長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變或軸向應(yīng)變；——截面積的相對(duì)變化。2、工作原理

(1)金屬絲式應(yīng)變片的工作原理dr/r為金屬絲半徑的相對(duì)變化，即徑向應(yīng)變?yōu)棣舮。A=πr2εy=–μεx由材料力學(xué)知

金屬絲電阻的相對(duì)變化與金屬絲的軸向應(yīng)變之間存在比例關(guān)系。比例系數(shù)KS稱為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù)。dA

/A=2·dr/rμ為材料的泊松系數(shù)KS物理意義：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻相對(duì)變化。

KS由兩部分組成：前一部分是（1+2μ），由材料的幾何尺寸變化引起，一般金屬μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6；后一部分為，電阻率隨應(yīng)變而引起的（稱“壓阻效應(yīng)”）。對(duì)金屬材料，以前者為主，則KS≈1+2μ；對(duì)半導(dǎo)體，KS值主要由電阻率相對(duì)變化所決定。實(shí)驗(yàn)表明，在金屬絲拉伸比例極限內(nèi)，電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。其它金屬或合金，KS在1.8～4.8范圍內(nèi)。(2)半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理

半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)是指材料的某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。其中Δρ/ρ與半導(dǎo)體敏感條在軸向所受的應(yīng)力σ之比為一常數(shù)。π——材料的壓阻系數(shù)E——材料的彈性模量半導(dǎo)體πE＞＞1+2μ所以半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度為半導(dǎo)體應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)范圍寬，輸出幅度大，可直接與記錄儀連接。半導(dǎo)體應(yīng)變片的缺點(diǎn)：溫度系數(shù)大，非線性嚴(yán)重。應(yīng)變片測(cè)應(yīng)力的原理：被測(cè)對(duì)象的形變引起應(yīng)變片的形變，同時(shí)應(yīng)變片阻值也發(fā)生變化，根據(jù)阻值的變化可得出應(yīng)力的大小。即應(yīng)力正比與應(yīng)變，應(yīng)變又正比于電阻值的變化量，所以應(yīng)力正比于阻值的變化。三、電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

應(yīng)變片將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換成電阻相對(duì)變化△R/R，還要把電阻的變化再轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，才能用電測(cè)儀表進(jìn)行測(cè)量。通常采用電橋電路實(shí)現(xiàn)微小阻值變化的轉(zhuǎn)換。

（一）直流電橋1、平衡條件R1R4=R2R3

或R1/R2=R3/R4電橋平衡,IL=0,UO=0,則

若將應(yīng)變片接入電橋一臂，應(yīng)變片的阻值變化量可以用檢流計(jì)轉(zhuǎn)換為電流IL的大小表示（稱偏轉(zhuǎn)法），也可以用改變相鄰橋臂阻值的方法，使IL恢復(fù)到零（稱零讀法）然后根據(jù)相鄰橋臂阻值的變化來(lái)確定應(yīng)變片的阻值變化。

2、電壓靈敏度

當(dāng)電橋后面接放大器時(shí)，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(kāi)路。

設(shè)R1為應(yīng)變片的阻值，工作時(shí)R1有一增量ΔR1，當(dāng)為拉伸應(yīng)變時(shí)，ΔR1為正；壓縮應(yīng)變時(shí)，ΔR1為負(fù)。在上式中以R1+ΔR1代替R1，則考慮電橋起始平衡條件R1R4=R2R3設(shè)，忽略電橋電壓靈敏度：

電壓靈敏度正比于電橋供電電壓，電壓越高，電橋靈敏度越高，但受應(yīng)變片功耗限制。電壓靈敏度還是橋臂電阻比值n的函數(shù)，下面分析n取何值SV最高。n=1時(shí)，SV有最大值。n=1，SV有最大值，把這個(gè)結(jié)論代入前面的式子3、非線性誤差及其補(bǔ)償?shù)姆椒ê雎允且环N理想情況，實(shí)際情況,是輸出電壓Uo與的關(guān)系是非線性的非線性誤差：例：一應(yīng)變片，應(yīng)變?chǔ)?5000μ，靈敏系數(shù)KS=2，非線性誤差一半導(dǎo)體應(yīng)變片，應(yīng)變?chǔ)?1000μ，靈敏系數(shù)KS=130非線性誤差其中，取

由一片半導(dǎo)體應(yīng)變片組成的電橋測(cè)量電路，其非線性誤差較大，對(duì)其作特殊處理：（1）提高橋臂比提高橋臂比，非線性誤差可以減少，但是電壓靈敏度將降低，這是一對(duì)矛盾，為了減少非線性誤差又不降低靈敏度，必須提高供電電壓，電源電壓又受應(yīng)變片功耗限制。（2）采用差動(dòng)電橋a)在試件上安裝兩個(gè)工作片，一個(gè)受拉、一個(gè)受壓，接在電橋的相鄰兩個(gè)臂，稱半橋差動(dòng)電路。設(shè)初始時(shí)為R1＝R2，R3＝R4，ΔR1＝ΔR2，則

這時(shí)輸出電壓U0與ΔR1/R1成嚴(yán)格的線性關(guān)系，而且電橋靈敏度，比單臂時(shí)提高一倍，此外還具有溫度補(bǔ)償作用。

Sv=E/2b)將四臂按對(duì)臂同性接四個(gè)工作片，稱全橋差動(dòng)電路。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4,