電阻式傳感器及應(yīng)用-電阻應(yīng)變片傳感器（傳感技術(shù)課件）

任務(wù)2.1電阻應(yīng)變片傳感器任務(wù)2.2電位器式傳感器任務(wù)2.3熱電阻式傳感器項(xiàng)目2電阻式傳感器及應(yīng)用2.1電阻應(yīng)變片傳感器

電阻式傳感器電阻式傳感器是一種能把非電量（如力、壓力、位移、濕度等）轉(zhuǎn)換成與之有對(duì)應(yīng)關(guān)系的電阻值，再經(jīng)過(guò)測(cè)量電橋把電阻值轉(zhuǎn)換成便于傳送和記錄的電壓（電流）信號(hào)的裝置。電阻式傳感器的種類很多，主要有電阻應(yīng)變式、電位器式、熱電阻式、氣敏、濕敏等類型。應(yīng)力和應(yīng)變工程上將單位截面積（S)上的內(nèi)力（N）稱為應(yīng)力（σ）。將單位長(zhǎng)度的變形稱為相對(duì)變形或應(yīng)變（ε）。應(yīng)變與應(yīng)力的關(guān)系:（在彈性范圍內(nèi)成正比）

σ表示應(yīng)力，ε表示應(yīng)變。應(yīng)力：?jiǎn)挝唤孛娣e上所受的內(nèi)力（牛頓/米2)應(yīng)變：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度的變形(米)σ和ε之間存在正比例關(guān)系

(系數(shù)E，稱為材料的彈性模量)應(yīng)力和應(yīng)變導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)對(duì)象上的。在外力作用下，被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形，粘貼在其表面上的應(yīng)變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因此應(yīng)變片的電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。根據(jù)應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系可以得到應(yīng)力值σ。應(yīng)變?cè)硌菔?/p>

把金屬絲拉長(zhǎng)，萬(wàn)用表所測(cè)的電阻值有什么變化？實(shí)驗(yàn)應(yīng)變片的工作原理

1－拉伸前2－拉伸后電阻絲受拉后，長(zhǎng)度增加，直徑（半徑）變小，電阻變大。L為長(zhǎng)度，r為截面半徑，電阻率為ρ

應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

1－引出線2－覆蓋層3－基底4－電阻絲l：應(yīng)變片的工作基長(zhǎng)，b：應(yīng)變片基寬，b×l：應(yīng)變片的有效使用面積。應(yīng)變片的分類

應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式等。

a）金屬絲式b）金屬箔式c）金屬箔式外形d）半導(dǎo)體應(yīng)變片1－電阻絲2－金屬箔3－半導(dǎo)體4－基片5－引腳6－定位標(biāo)記7－金絲金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)金屬絲式與箔式應(yīng)變片的區(qū)別金屬絲式應(yīng)變片蠕變（固體材料在保持應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象）較大，金屬絲易脫膠，逐漸被箔式所取代。但金屬絲式應(yīng)變片價(jià)格便宜，多用于大批量、一次性試驗(yàn)。箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成的。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)的蠕變較小，一致性較好，目前廣泛用于電子秤等各種應(yīng)變式傳感器中。焊接溫度250℃不同測(cè)量方向的金屬箔式應(yīng)變片圖形半導(dǎo)體應(yīng)變片以半導(dǎo)體材料（N型和P型硅）為基底，利用擴(kuò)散、外延和薄膜工藝制成的。主要優(yōu)點(diǎn)是靈敏度比金屬應(yīng)變片高很多。缺點(diǎn)是：靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應(yīng)變間非線性嚴(yán)重。在使用時(shí)，需采用半橋、全橋溫度補(bǔ)償及非線性補(bǔ)償措施。某系列應(yīng)變片主要性能指標(biāo)上表中，哪幾個(gè)型號(hào)是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？？應(yīng)變片的粘貼方法

1）檢查阻值2）在選定貼應(yīng)變片的位置劃出十字線

3）再用細(xì)砂紙精磨（45度交叉紋）

4）用棉紗或脫脂棉花沾丙酮清潔結(jié)構(gòu)表面，擦幾遍后，不可再用手接觸表面。

5）用透明膠帶將應(yīng)變片與構(gòu)件在引腳處臨時(shí)固定，移動(dòng)膠帶位置使應(yīng)變片達(dá)到正確定位。

6）在應(yīng)變片的反面涂上一滴快干膠水，視應(yīng)變片面積而定，膠水量不宜過(guò)多。7）將塑料薄膜蓋在應(yīng)變片上，用大拇指按壓擠出多余膠水,按壓時(shí)間一般1分鐘，室溫低時(shí)適當(dāng)延長(zhǎng)。

8）為了使膠水可靠固化，可用電吹風(fēng)微加熱處理（注意距離和均勻），用萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片絕緣電阻值，應(yīng)大于20MΩ。9）將應(yīng)變片引線焊接在接線片上，焊點(diǎn)要光滑牢固。引線不能繃緊，需形成弧線與接線片相連。

10）將連接應(yīng)變儀的導(dǎo)線焊接在接線片上（焊接時(shí)間盡量短）,把導(dǎo)線用絕緣膠帶固定在構(gòu)件上，再一次檢查應(yīng)變片質(zhì)量。

11）在應(yīng)變片周圍涂上軟硅膠(防潮、防損傷）。

12）硅膠固化后,應(yīng)變片粘貼工作完畢。但要再次檢查應(yīng)變片的阻值和絕緣情況。

13）固定粘貼、焊接后，用膠布將引線和被測(cè)對(duì)象固定在一起，防止拉動(dòng)引線和應(yīng)變片。測(cè)量轉(zhuǎn)換電路

金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。例：金屬箔式應(yīng)變片的標(biāo)稱阻值R0為100

，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R的變化量?jī)H為0.2

。所以必須使用非平衡電橋來(lái)測(cè)量這一微小的變化量，將R/R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo。

非平衡電橋的結(jié)構(gòu)非平衡電橋由四個(gè)電阻R1、R2、R3、R4組成一個(gè)四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”。有4個(gè)結(jié)點(diǎn)a、b、c、d。在a、c結(jié)點(diǎn)之間接入電源Ui，而另一對(duì)結(jié)點(diǎn)（b、d）之間的電壓差作為輸出電壓Uo端。b、d點(diǎn)對(duì)負(fù)極（a點(diǎn)）的電壓相等時(shí)稱作“電橋平衡”；反之，b、d兩點(diǎn)電位差不為零時(shí)稱作“電橋不平衡”。非平衡電橋的輸出電壓

若橋路的4個(gè)橋臂相鄰電阻的電阻值變化趨勢(shì)相同，橋路的輸出電壓為零。若相鄰電阻的電阻值變化趨勢(shì)相反，橋路就產(chǎn)生輸出電壓：電橋平衡的條件(R1/R2=R4/R3或R1?R3=R4?R2)4個(gè)橋路電阻的比例通常不可能完全相同,因此必須設(shè)置“調(diào)零電位器”RP,調(diào)節(jié)RP,最終可以使R1

?R3=R2

?R4（R1

、R2

是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過(guò)程稱為調(diào)零。圖中的R5的作用是減小調(diào)節(jié)范圍，也稱限流電阻。非平衡電橋可以分為單臂、雙臂、全橋單臂半橋:四個(gè)橋臂中，只有一個(gè)電阻的電阻可變，R1為應(yīng)變片，R2、R3、R4為固定電阻（低溫漂的錳合金電阻）橋路的輸出電壓為：?jiǎn)伪垭姌蚴疽鈭D電橋放大電路（差動(dòng)減法電路）.雙臂半橋R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻（低溫漂的錳合金電阻）。應(yīng)變片R1、R2感受到的應(yīng)變

1、

2相反，產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號(hào)相反，可以使輸出電壓Uo成倍地增大：四臂全橋全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1~

R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變

1~

4）正負(fù)號(hào)相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。輸出電壓：?jiǎn)伪邸㈦p臂半橋、全橋工作方式中，哪一種靈敏度最高?哪一種靈敏度最低?？應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償

溫度誤差因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素是：1.應(yīng)變片的電阻絲具有一定的溫度系數(shù)；即敏感柵的電阻絲本身的阻值會(huì)隨溫度發(fā)生變化。應(yīng)變片的溫度誤差及其補(bǔ)償

2.電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)相同時(shí)：環(huán)境溫度變化不會(huì)產(chǎn)生附加變形。當(dāng)試件與電阻絲材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)：環(huán)境溫度變化，電阻絲會(huì)產(chǎn)生附加變形，從而產(chǎn)生附加電阻變化。溫度補(bǔ)償方法電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。1)線路補(bǔ)償法

電橋補(bǔ)償是最常用且效果較好的線路補(bǔ)償。電橋補(bǔ)償法電路分析A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由上式可知，當(dāng)R3和R4為常數(shù)時(shí)，R1和RB對(duì)電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。利用這一基本關(guān)系可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。故補(bǔ)償片應(yīng)與應(yīng)變片完全相同：包括材料、相同的溫度場(chǎng)合、以及接入在電橋的相鄰橋臂。應(yīng)變片的自補(bǔ)償法利用自身具有溫度補(bǔ)償作用的應(yīng)變片來(lái)補(bǔ)償。由溫度變化形成的總電阻變化為電阻的相對(duì)變化量為要實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償，必須有上式表明，當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)βg已知時(shí)，如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)α、靈敏系數(shù)K0以及線膨脹系數(shù)βe，滿足上式，則不論溫度如何變化，均有ΔRt/R0=0，從而達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。?yīng)變片的自補(bǔ)償法自補(bǔ)償應(yīng)變片的特點(diǎn)：制造簡(jiǎn)單，成本較低。但必須用在特定的構(gòu)件材料上，不同的材料試件必須使用不同的應(yīng)變片（導(dǎo)致了其并不通用）。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用：

電子秤磅秤超市打印秤人體秤電子人體秤中，四個(gè)角都裝了電阻應(yīng)變片，四角接成全橋，由單片機(jī)測(cè)量橋路電壓，并換算出被稱量的體重。吊鉤秤便攜式應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形演示案秤的原理框圖應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置FFF激光焊接全密封荷重傳感器原理演示貼在荷重傳感器表面的應(yīng)變片在向下力的作用下，產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。應(yīng)變式加速度傳感器

L應(yīng)變片質(zhì)量塊m彈簧片外殼基座a在加速度變化時(shí)，質(zhì)量塊受力F=ma。梁產(chǎn)生變形，質(zhì)量一定，梁的變形（基應(yīng)變片變形）正比于加速度。從而通過(guò)應(yīng)變測(cè)得加速度。應(yīng)變式加速度傳感器

習(xí)題1如圖所示，設(shè)負(fù)載電阻為無(wú)窮大（開路），E=6V，R1=R2=R3=R4=100Ω。