《傳感器與信號(hào)調(diào)理技術(shù)》課件第2章

第2章電阻式傳感器2.1電位器式電阻傳感器2.2應(yīng)變式電阻傳感器2.3電阻式傳感器的應(yīng)用

2.1電位器式電阻傳感器

2.1.1基本工作原理

電位器式傳感器由電阻器和電刷兩部分組成，如圖2-1(a)、(b)所示。當(dāng)電刷觸點(diǎn)C在電阻器RAB(電阻值為R)上移動(dòng)時(shí)，AC間的電阻就會(huì)發(fā)生變化，而且阻值RAC與觸點(diǎn)的直線位移或角位移x成一定的函數(shù)關(guān)系。圖2-1電位器式傳感器工作原理如果把CB短接如圖2-1(c)所示，則電位器便作為變阻器使用，其電阻值為位移x的函數(shù)，即

Rx=RAB=RAC=f(x)

(2-1)

如果把電位器作為分壓器使用，如圖2-1(d)所示，則輸出電壓為位移x的函數(shù)，即

(2-2)2.1.2輸出—輸入特性

按輸出—輸入特性，電位器式傳感器可以分為線性電位器和非線性電位器兩類。

空載時(shí)其輸出電壓(電阻)與電刷位移之間具有線性關(guān)系的電位器稱為線性電位器，其輸出電壓(電阻)與電刷位移成正比

(2-3)

(2-4)2.1.3結(jié)構(gòu)形式

按結(jié)構(gòu)形式，電位器式傳感器可分為線繞式電位器和非線繞式電位器。

1.線繞式電位器

線繞式電位器是由電阻系數(shù)很高且極細(xì)的絕緣導(dǎo)線，按照一定的規(guī)律整齊地繞在一個(gè)絕緣骨架上制成的。

2.非線繞式電位器

1)膜式電位器

膜式電位器通常有兩種：一種是碳膜電位器，另外一種為金屬膜電位器。

2)導(dǎo)電塑料電位器

這種電位器由塑料粉及導(dǎo)電材料粉(合金、石墨、碳黑等)壓制而成，它又稱為實(shí)心電位器。其優(yōu)點(diǎn)是耐磨性較好、壽命較長(zhǎng)(可達(dá)上千萬(wàn)次)、電刷允許的接觸壓力較大(幾十至幾百克)，適用于振動(dòng)、沖擊等惡劣條件下工作；阻值范圍大，能承受較大的功率。其缺點(diǎn)是受溫度影響較大、接觸電阻大、精度不高。

3)光電電位器

上述幾種電位器均是接觸式電位器，共同的缺點(diǎn)除了耐磨性較差、壽命較短和對(duì)溫度和濕度變化比較敏感外且要求接觸壓力大，只能用于推動(dòng)力大的敏感元件。光電電位器是一種非接觸式電位器，它以光束代替常規(guī)電刷，克服了接觸式電位器共有的耐磨性差、壽命短等缺點(diǎn)。其結(jié)構(gòu)如圖2-2

所示。圖2-2光電電位器原理結(jié)構(gòu)圖1—基體；2—光電導(dǎo)層；3—薄膜電阻帶；4—電刷的窄光束；5—導(dǎo)電電極

2.2應(yīng)變式電阻傳感器

2.2.1應(yīng)變式電阻傳感器的工作原理

1.應(yīng)變效應(yīng)

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力(拉力或壓力)作用時(shí)，產(chǎn)生機(jī)械形變，機(jī)械形變導(dǎo)致其阻值變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

2.靈敏系數(shù)

所謂應(yīng)變片的靈敏系數(shù)就是單位應(yīng)變所能引起的電阻的相對(duì)變化。下面研究對(duì)靈敏系數(shù)的影響因素。

金屬導(dǎo)體的電阻R為

(2-5)如果對(duì)電阻絲長(zhǎng)度作用均勻應(yīng)力，則ρ、L、A的變化(dρ、dL、dA)將引起電阻dR的變化，dR可通過(guò)對(duì)式(2-5)的

全微分求得:

相對(duì)變化量為

(2-6)若電阻絲截面為圓形，則A=πr2，r為電阻絲的半徑，對(duì)

r微分得dA=2πrdr，則

(2-7)

令為金屬絲的軸向應(yīng)變，為金屬絲徑向應(yīng)變。由材料力學(xué)理論得知，在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，若沿軸向伸長(zhǎng)，則沿徑向縮短，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為

εy=－μεx

(2-8)

式中μ為金屬材料的泊松系數(shù)。將式(2-7)和式(2-8)代入式(2-6)得

或

(2-9)

令

(2-10)實(shí)驗(yàn)證明dρ/ρεx也是一個(gè)常數(shù)。所以應(yīng)變材料確定后ks為確定的常數(shù)，則式(2-10)可變?yōu)?/p>

(2-11)

式(2-11)表明金屬電阻絲的電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比

關(guān)系。

3.應(yīng)變測(cè)量原理

用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，根據(jù)上述結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象使應(yīng)變片產(chǎn)生微小機(jī)械變形，同時(shí)，應(yīng)變片電阻發(fā)生相應(yīng)的變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量ΔR時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值ε，根據(jù)應(yīng)力和應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值σ為

σ=Eε

(2-12)

式中:σ為試件的應(yīng)力；ε為試件的應(yīng)變；E為試件材料的彈性模量(kg/mm2)。2.2.2電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片種類繁多，但基本結(jié)構(gòu)大體相似，現(xiàn)以金屬絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)為例加以說(shuō)明，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2-3所示。圖2-3回線式金屬絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖1—基片；2—直徑為0.025mm左右的高電阻率的合金電阻絲；3—覆蓋層；4—引線(用以和外導(dǎo)線連接)；L—敏感柵長(zhǎng)度；b—敏感柵的寬度2.2.3電阻應(yīng)變片的種類

1.金屬電阻應(yīng)變片

按敏感柵的形狀和制造工藝不同，金屬電阻應(yīng)變片可以分為絲式、箔式和薄膜式3種。

金屬絲式應(yīng)變片的敏感柵一般由直徑0.015~0.05mm的金屬絲繞成，圖2-3所示為回線式金屬絲應(yīng)變片，為了克服回線式應(yīng)變片的橫向效應(yīng)，又常用短接方式做成如圖2-4(a)所示的應(yīng)變片。圖2-4金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖

2.半導(dǎo)體應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片是用半導(dǎo)體材料，采用一定的工藝方式制成的。半導(dǎo)體應(yīng)變片的敏感柵一般為單根狀，其結(jié)構(gòu)有以下

3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2-5所示。圖2-5體型半導(dǎo)體應(yīng)變片1—引線；2—硅片；3—基片

(2)薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片。這種應(yīng)變片利用真空沉積技

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)如圖2-6所示。圖2-6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

(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，形成一種極薄的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，其結(jié)構(gòu)如圖

2-7所示。

圖2-7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—SiO2絕緣層；4—鋁電極；5—引線半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻相對(duì)變化為

為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化，其值與半導(dǎo)體敏感條在軸向所受的應(yīng)變力之比為一常數(shù)，即

(2-13)

式中,π為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)。將式(2-13)代入式中得

式中(1+2μ)項(xiàng)隨幾何形狀而變化，πE項(xiàng)為壓阻效應(yīng)，隨電阻率而變化。實(shí)驗(yàn)證明：πE比(1+2μ)大近百倍，所以(1+2μ)可忽略不計(jì)，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為

(2-14)

2.2.4應(yīng)變片的選擇與安裝

應(yīng)變片的種類很多，選擇何種應(yīng)變片是測(cè)試前應(yīng)確定的問(wèn)題。一般根據(jù)試驗(yàn)環(huán)境、應(yīng)變性質(zhì)、試件狀況及測(cè)試精度選擇合適的應(yīng)變片。2.2.5溫度誤差及其補(bǔ)償

1.造成溫度誤差的原因

1)敏感柵電阻本身溫度變化

Rt=R0(1+αΔt)

ΔRtα=Rt－R0=R0αΔt(2-15)

2)試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同

試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同時(shí)使敏感柵產(chǎn)生附加變形，從而造成電阻變化。圖2-8應(yīng)變片的溫度誤差若設(shè)敏感柵材料和試件材料的線膨脹系數(shù)分別為βs和βg，溫度t0時(shí)長(zhǎng)度為l0的敏感柵材料和試件材料如果不粘接在一起的話，在溫度改變到t時(shí)，其長(zhǎng)度將分別膨脹為

lst=l0(1+βsΔt)

lgt=l0(1+βgΔt)

當(dāng)應(yīng)變片粘接到試件表面上后，應(yīng)變片被迫從lst拉長(zhǎng)到lgt，由圖2-8可見產(chǎn)生的附加變形為

Δl=lgt－lst=(βg－βs)·l0Δt

(2-16)附加應(yīng)變?yōu)?/p>

(2-17)

從而產(chǎn)生電阻變化為

(2-18)由上面兩式和式(2-15)可得，溫度變化引起的總的電阻變化為

(2-19)

折合成虛假視應(yīng)變?yōu)?/p>

(2-20)

2.補(bǔ)償溫度誤差的方法

1)單絲自補(bǔ)償法

對(duì)于給定的試件材料，選定合適的敏感柵材料及熱處理工藝，使其滿足

(2-21)

根據(jù)式(2-20)，可使εt=0。

2)雙絲自補(bǔ)償法

選用電阻溫度系數(shù)一正一負(fù)的兩種電阻絲R1和R2串聯(lián)繞制成敏感柵，通過(guò)調(diào)節(jié)兩段敏感柵的長(zhǎng)度，使兩者電阻比值為

(2-22)

則溫度變化時(shí)產(chǎn)生的電阻變化便可以相互抵消，即

ΔR1t+ΔR2t=0

3)雙絲半橋補(bǔ)償法

選用電阻溫度系數(shù)符號(hào)相同的兩種電阻絲R1和R2串聯(lián)成敏感柵，R1和R2分別接入電橋的相鄰兩臂：R1單獨(dú)作一臂，R2與外接串聯(lián)電阻RB組成另一臂，另兩臂照例接入平衡電阻R3和R4，如圖2-9所示。RB的溫度系數(shù)應(yīng)很小，并通過(guò)調(diào)整RB，使其滿足

(2-23)便可補(bǔ)償溫度變化引起的測(cè)量誤差。也就是說(shuō)，在沒有應(yīng)變的情況下，如果溫度變化前電橋輸出電壓為0，即

(2-24)

由式(2-23)和式(2-24)可得

(2-25)這種方法的缺點(diǎn)是，當(dāng)有應(yīng)變時(shí)，R1和R2均隨之變化，使應(yīng)變電橋的輸出靈敏度降低。為此，R1必須選用電阻率ρ較大而溫度系數(shù)α較小的材料，R2則須選擇ρ較小而溫度系數(shù)α較大的材料。R1主要起感受應(yīng)變的作用，故稱為工作柵，R2主要起溫度補(bǔ)償?shù)淖饔?，故稱為補(bǔ)償柵。圖2-9雙絲半橋補(bǔ)償法

4)補(bǔ)償塊法

兩個(gè)參數(shù)相同的應(yīng)變片R1、R2，R1貼在試件上，接入電橋作工作臂，R2貼在材料與試件相同的補(bǔ)償塊上，環(huán)境溫度與試件相同，但不承受機(jī)械應(yīng)變，接入電橋相鄰臂作補(bǔ)償臂，如圖2-10所示。圖2-10補(bǔ)償塊法原理2.2.6電阻應(yīng)變片測(cè)量電路

由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小的應(yīng)變引起的微小電阻值的變化測(cè)出來(lái)，同時(shí)能把電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓或電流的變化，則需要設(shè)計(jì)專用的測(cè)量電路。測(cè)量電路的基本原理框圖如圖2-11所示，它由轉(zhuǎn)換電路、放大電路和指示電路

3部分構(gòu)成。圖2-11電阻應(yīng)變片測(cè)量電路原理框圖

2.3電阻式傳感器的應(yīng)用

2.3.1電位器式壓力傳感器

圖2-12所示為國(guó)產(chǎn)YCD—150型壓力傳感器原理圖，它由彈簧管和電位器組成。電位器被固定在殼體上，電刷與彈簧管的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)相連。當(dāng)被測(cè)壓力P變化時(shí)，彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，帶動(dòng)指針偏轉(zhuǎn)，同時(shí)帶動(dòng)電刷在線繞電位器上滑動(dòng)，從而輸出與被測(cè)壓力成正比的電壓信號(hào)。圖2-12

YCD—150型壓力傳感器原理圖2.3.2應(yīng)變式測(cè)力與荷重傳感器

傳感器由彈性元件、應(yīng)變片和外殼所組成。彈性元件是傳感器的基礎(chǔ)，它把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量的