电阻式传感器

第2章电阻式传感器第2章电阻式传感器电阻式传感器是将非电量的变化量，变换成与之有一定关系的电阻值的变化量，通过对电阻值的测量达到对上述非电量测量的目的。电阻式传感器主要分为：应变式电阻传感器（金属、半导体）和电位计（器）式电阻传感器以及热敏式电阻传感器、光敏式电阻传感器、磁敏式电阻传感器、气敏式电阻传感器等。前两种属于力敏传感器。2.1金属电阻应变式传感器2.2半导体应变片及压阻式传感器2.3电位计（器）式传感器第2章电阻式传感器2.1金属电阻应变式传感器电阻应变式传感器是目前最广泛用于测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度、重量等参数的传感器之一。它具有悠久的历史，但新型应变片仍在不断出现。主要用于测量变化量相对较小的情况，其灵敏度较高。工作原理：基于材料的应变效应。一、应变效应二、电阻应变片的工作原理三、电阻应变片的结构四、测量电路五、电阻应变式传感器的应用第2章电阻式传感器一、应变效应导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。导体或半导体的电阻导体或半导体在受外力作用时会产生机械变形，从而使电阻率ρ、长度l和截面积S这三者都发生变化，所以会引起电阻的变化。通过测量阻值的变化，就可以反映外界作用力的大小。SlR当受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔS，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ，故引起电阻值相对变化量为SSllRR第2章电阻式传感器式中，l/l=ε为金属导体电阻丝的轴向应变，常用单位（1=1×10-6mm/mm）。由于S=d2/4，则S/S=2d/d,其中d/d为径向应变；且由材料力学知，d/d=，式中为金属材料的泊松比。/21RRSSllRR/21/RRK其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。灵敏系数受两个因素影响，一个是受力后材料几何尺寸的变化，即（1+2μ）；另一个是受力后材料的电阻率发生的变化，即//。应变灵敏系数：第2章电阻式传感器对于金属材料，/较小，可以略去；且=0.2～0.4（弹性范围），K≈1+2=1.4～1.8，实际测得K≈2.0，说明//项对K还是有一定影响。一般情况下，在应变极限内（弹性范围），金属材料电阻的相对变化与轴向应变成正比/21/RRKKRR第2章电阻式传感器在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，粘贴在被测对象上的应变片随其发生相同的机械变形，同时，应变片电阻也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量ΔR时，便可得到被测对象的应变值ε，根据应力和应变的关系，得到应力值σ式中σ——试件的应力；ε——试件的应变；E——试件材料的弹性模量（kg/mm2）。由此可知，应力值σ正比于应变ε，而试件应变又正比于电阻值的变化ΔR，所以应力正比于电阻值的变化。这就是利用应变片测量应变的基本原理。外力→变形→应力→应变→电阻值变化→电压变化E二、电阻应变片的工作原理第2章电阻式传感器三、金属电阻应变片的结构基本结构金属电阻应变片种类繁多，但其基本结构大体相似，现以金属丝绕式应变片结构为例加以说明。将金属电阻丝粘贴在基片上，上面覆一层薄膜，使它们变成一个整体，这就是电阻丝应变片的基本结构。1－基底2－敏感栅3－覆盖层4－引线，用以和外接导线连接L－敏感栅长度b－敏感栅的宽度第2章电阻式传感器敏感栅是应变片最重要的组成部分根据敏感栅形状和制造工艺的不同，金属应变片主要分为丝式、箔式和膜式三种类型。它们根据需要可以制作成各种形状。（1）丝式应变片：丝式应变片有回线式和短接式两种。丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大；短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。缺点是焊点多，在冲击或振动条件下，易在焊点处出现疲劳，制造工艺要求高。目前大都采用箔式应变片。a)回线式丝式应变片b)短接式丝式应变片1.敏感栅第2章电阻式传感器箔式应变片是利用照相制版或光刻腐蚀等技术将厚度为0.003~0.01mm的金属箔片制成所需的各种图形的敏感栅。有时称为应变花。（2）箔式应变片：第2章电阻式传感器优点：制造技术能保证敏感栅尺寸准确，线条均匀和适应各种不同测量要求的形状，其栅长可做到0.2mm；敏感栅薄而宽，与被测试件粘贴面积大，黏结牢靠，传递试件应变性能好；散热条件好，允许通过较大的工作电流，从而提高了输出灵敏度；横向效应小；蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。由于上述优点，有逐渐取代丝式应变片的趋势。（3）金属薄膜应变片金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空淀积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下各种形状的金属材料薄膜敏感栅。它的优点是应变灵敏系数大，允许工作电流密度大，工作温度范围宽，可达－197～317℃。第2章电阻式传感器2.基底和盖片基底和盖片的作用是保持敏感栅和引线的几何形状和相对位置，并且有绝缘作用。一般为厚度0.02～0.05mm的环氧树脂，酚醛树脂等胶基材料。对基底和盖片材料的性能要求：机械强度好，挠性好；粘贴性能好；电绝缘性好；热稳定性和高温性好；无滞后和蠕变。3.引线作用：连接敏感栅和外接导线。一般采用=0.05～0.1mm的银铜线、铬镍线、卡马线、铁铬铅丝等，与敏感栅点焊相接。4.黏结剂作用：将敏感栅固定于基片上，并将盖片与基底粘结在一起；使用金属电阻应变片时，也需用黏结剂将应变片粘贴在试件表面某一方向和位置上，以便感受试件的应变。黏结剂材料：有机和无机两大类。第2章电阻式传感器四、测量电路由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，同时要把电阻相对变化转换为电压或电流的变化，因此需要设计专用的测量电路。用于测量电阻变化最常用的测量电路是电桥电路。电桥电路通常有直流电桥和交流电桥两种。电桥电路的主要指标是桥路灵敏度、非线性和负载特性。1.直流电桥2.交流电桥第2章电阻式传感器1.直流电桥(1)平衡条件直流电桥的基本形式如图所示。R1、R2、R3、R4称为电桥的桥臂，RL为其负载（可以是测量仪表内阻、放大器输入阻抗或其它负载）。当RL→∞时，电桥的输出电压Uo应为433211oRRRRRREU当电桥平衡时，Uo=0，Io=0由上式可得到或3241RRRR4321RRRR称为电桥平衡条件。平衡电桥就是桥路中相邻两臂阻值之比应相等，（对臂阻值之积相等、邻臂阻值之比相等），此时流过负载电阻的电流为0。第2章电阻式传感器(2)电压灵敏度A.单臂电桥：如果在实际测量中，使第一桥臂R1由应变片来替代，微小应变引起微小电阻的变化，电桥则输出不平衡电压的微小变化。一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗可以比桥路输出电阻高得多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时，若应变片电阻变化为ΔR1，其它桥臂固定不变，则电桥输出电压Uo≠0。设桥臂比电桥电压灵敏度定义为12RRn211o1nnERRUSV①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供桥电压愈高，电桥电压灵敏度愈高。但是供桥电压的提高，受到应变片允许功耗的限制，所以一般供桥电压应适当选择（3~6V）。E（供桥电压）第2章电阻式传感器②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，因此必须恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。当n=1，（R1=R2，R3=R4），电桥电压灵敏度最大。此时电桥电压灵敏度ESV411111o211141RRRREU当电源电压E和电阻相对变化率一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。此时非线性误差较大，减小或消除非线性误差的方法有如下几种：采用差动电桥提高桥臂比采用高内阻的恒流源电桥11RR第2章电阻式传感器B.半桥差动：根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉，一个受压，则应变符号相反；测试时，将两个应变片接入电桥的相邻臂上。称为半桥差动电路。433221111oRRRRRRRRREU半桥差动电路若ΔR1=ΔR2，（ΔR=ΔR1＋ΔR2=2ΔR1），R1=R2，R3=R4，则得11o21RREU半桥差动电路由上式可知，Uo与成线性关系，此时电桥电压灵敏度半桥差动电桥的灵敏度比使用一只应变片的单臂电桥提高了一倍，同时可以起到温度补偿的作用，线性误差大大减小。11RRESV21第2章电阻式传感器C.全桥差动：为进一步提高电压灵敏度或进行温度补偿，可采用全桥差动电路。将电桥四臂接入四片应变片。两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同的接入相对臂上，构成全桥差动电路。若满足ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，R1=R2=R3=R4则输出电压为全桥差动电桥11oRREU此时电桥电压灵敏度全桥差动的灵敏度是单臂的四倍，半桥差动的两倍。还可抑制干扰信号，因为四臂或相邻两臂同时有某一增量，对全桥差动电桥电桥输出无影响。ESV第2章电阻式传感器（3）减小或消除非线性误差的其它方法①提高桥臂比：提高桥臂比，非线性误差可以减小；但从电压灵敏度考虑，电桥电压灵敏度将降低，这是一种矛盾，因此，为了达到既减小非线性误差，又不降低其灵敏度，必须适当提高供桥电压E。②采用高内阻的恒流源电桥：通过电桥各臂的电流如果不恒定，也是产生非线性误差的重要原因。所以供给半导体应变电桥的电源一般采用恒流源，如图所示。供桥电流为I，通过各臂的电流为I1和I2，若测量电路输入阻抗较高，则输出电压为IRRRRRRRRRIRIUo432132413211若电桥初始处于平衡状态（R1R4=R2R3），而且R1=R2=R3=R4=R，当第一桥臂电阻R1变为R1＋ΔR1时，电桥输出电压为RRRIIRRRRUo411414比前面的单臂供压电桥的非线性误差减少了50%。第2章电阻式传感器2.交流电桥(1)交流电桥平衡条件应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器。采用直流电桥的优点是高稳定性电源易于获得，电桥平衡的调节简单，连接导线分布参数影响小。但输出电压需采用直流放大器，易于产生零点漂移，因此目前也常用交流电桥。交流电桥采用交流放大器、供桥电源为交流电源，交流电桥连接导线分布参数影响、平衡调节、信号放大电路等均与直流电桥有明显不同。连接导线分布电容（忽略引线电感）使得桥臂的四只应变片均呈现复阻抗特性，即相当于四只应变片各并联了一只电容。但分析电桥平衡和输出电压方法仍与直流电桥相同。故输出电压为第2章电阻式传感器设各桥臂阻抗为11111jexpjzxrZ22222jexpjzxrZ33333jexpjzxrZ44444jexpjzxrZ式中r1~r2和x1~x2分别为各桥臂的电阻和电抗；z1~z4和φ1~φ4为各复阻抗的模值和幅角，由此可得到交流电桥的平衡条件的另一形式为43213241433211oZZZZZZZZEZZZZZZEU式中Z1，Z2，Z3，Z4为电阻、电感、电容任意组合的复阻抗。桥路平衡条件为3241ZZZZ4321ZZZZ或第2章电阻式传感器(2)交流电桥的调平方法利用交流电桥测量应变时，由于引线产生的分布电容的容抗（引线电感忽略），供桥电源的频率以及被测应变片的性能差异，将严重地影响着交流电桥的初始平衡条件和输出特性，因此必须对电桥预调平衡。由于式中的Z阻抗应包括电阻和电容等参数，此处交流电桥的平衡，应包含着电阻和电容两个平衡条件，因此，交流电桥的平衡可用电阻调整和电容调整的方法实现。E3241ZZZZ32413241zzzz2332144132413241xrxrxrxrxxxxrrrr或第2章电阻式传感器C