第3章 电阻式传感器原理及其应用

第3章电阻式传感器原理及其应用3.1电阻应变式传感器3.1.1传感器的工作原理3.1.2电阻应变片的结构和分类3.1.3电阻应变式传感器的测量电路3.1.4电阻应变式的粘贴3.1.5电阻应变式传感器的应用3.2压阻式传感器3.2.1压阻式传感器的结构3.2.2压阻式传感器的工作原理3.2.3压阻式传感器的应用电阻式传感器概述电阻式传感器是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻参数的变化，再通过电路转变成电压或电流信号的输出，从而实现非电量的测量。可用于各种机械量和热工量的检测，如用来测量力、压力、位移、应变、速度、加速度、温度和湿度等。它结构简单，性能稳定，成本低廉，在许多行业得到了广泛应用。由于构成电阻的材料及种类很多，引起电阻变化的物理原因也很多，这就构成了各种各样的电阻式传感元件以及由这些元件构成的电阻式传感器。3.1电阻应变式传感器3.1.1传感器的工作原理电阻应变式传感器是根据电阻应变效应的原理制成的，将测量物体的变形转换成电阻的变化。主要用于机械量的检测中，如力、压力等物理量的检测中，其应用最为广泛的形式是电阻应变片。（1）电阻应变效应电阻应变效应：导体或半导体材料在外力作用下会产生机械形变，其电阻值也发生相应改变，这种现象称为电阻应变效应。金属电阻应变片的工作原理就是电阻应变效应。金属导体的电阻值可表示为：对上式两边取对数再微分，求得电阻相应变化为：对圆形横截面积的电阻丝，若其半径为所以有：由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，令为金属电阻丝的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：所以：综上可得：3.1.2电阻应变片的结构和分类（1）电阻应变片的结构电阻应变片又称为电阻应变计，它的结构形式较多，但其主要组成部分基本相同，是由基底、敏感栅和覆盖层等组成。（1）敏感栅——实现应变到电阻转换的敏感元件。通常由直径为0.015～0.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。（2）基底——为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。基底必须很薄，一般为0.02～0.04mm。（3）引线——起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.1～0.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。（4）盖层——用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层，起着防潮、防蚀、防损等作用。（5）粘结剂——制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底，使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表面的被测部位，它也起着传递应变的作用。电阻应变片的要求：（1）应变灵敏度系数大，且线性范围宽；（2）电阻率值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；（3）电阻稳定性能好，温度系数小，其阻值随环境温度变化较小；（4）易于焊接，对引线材料的接触电势小；（5）抗氧化能力高、耐腐蚀、耐疲劳，机械强度高，具有优良的机械加工性能。常用金属电阻丝材料的性能：几种常用的国产应变片的技术数据：（2）电阻应变片的分类根据应变片的制作材料，可以把应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。按照电阻应变片的制造方法、工作温度以及用途，可以对电阻应变片进行不同的分类。金属丝式应变片由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。金属丝式应变片有回线式和短接式二种。回线式最为常用，制作简单，性能稳定，成本低，易粘贴，但横向效应较大。丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.01～0.05mm的电阻丝平行排列而成。应变片的阻值为几十欧至几十千欧左右。金属箔式电阻应变片的结构它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。将合金先轧成厚度为0.002mm~0.01mm的箔材，经过热处理后在一面图刷一层0.03~0.05mm厚的树脂胶，再经聚合固化形成基底。在另一面经照相制版、光刻、腐蚀等工艺制成敏感栅，焊上引线，并涂上与基底相同的树脂胶作为覆盖片。箔式应变计的主要特点：①工艺上，它能保证敏感栅尺寸准确，线条均匀。大批量生产时，电阻值一致性好，离散程度小。②箔式应变计的敏感栅的横截面积为矩形，表面积和截面积之比大，散热性能好，允许通过的电流较大，灵敏度系数较高。③箔式应变计比丝式应变计厚度薄，其厚度一般为0.003~0.01mm，由于它的厚度薄，具有较好的可绕性，因此可以根据需要制成任意形状的敏感栅（即应变花）和微型小基长（如基长为0.1mm），有利于传递变形。④由于箔式应变计的特殊工艺，适合批量生产，且生产效率高。金属薄膜应变片：薄膜，一般指厚度不超过0.1μm的膜。金属薄膜应变片是采用真空蒸镀、沉积或溅射式阴极扩散等方法按规定图形制成的掩膜版，在很薄的绝缘基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成敏感栅，再加上保护层而制成。金属薄膜应变片可以采用一些高温材料制成可在高温条件下工作的电阻应变片。例如，采用铂或铬等材料沉积在蓝宝石薄片上或覆有陶瓷绝缘层的钼条上，工作温度范围在600℃~800℃。若按照工作温度进行分类，可将电阻应变计分为低温（-30℃以下）、常温（-30℃～60℃）、中温（60℃～300℃）和高温（300℃以上）几种应变计。3.1.3电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器的测量电路按照工作电源分为直流电源测量电路和交流电源测量电路两种。（1）直流电桥电路直流电桥电路是由连接成环形的四个桥臂组成的，每个桥臂上是一个电阻，分别为R1、R2、R3及R4，他们可全部或部分是应变片。U为电源电压，给电桥供电，为负载电阻。当→∞时，可求得电桥输出电压为：当时，电桥处于平衡状态，此时电桥无输出，则有：当时，称为电桥的平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。不对称电桥不对称电桥满足电桥平衡条件：若接入桥臂的四个电阻均为应变片，且当受应力作用时，每个应变片电阻变化量分别为，此时电桥的输出电压变化为：假如接入桥臂的四个电阻只有一个为应变片。不妨设为应变片，且受力时产生的电阻增量为，其他三个为固定阻值电阻，即。1R01R0432RRR在单臂工作状态下，电桥的输出电压变化为：把电桥平衡条件代入上式化简，并忽略高阶无穷小量得：4231RRRR对称电桥：对称电桥在满足电桥平衡的条件下可分为两种。①桥路输出端对称电桥。满足条件当接入桥臂的四个电阻只有一个为应变片时，电桥的输出电压变化为：若当桥臂接入两个应变片，若接入的两个应变片关于桥路输出端对称，且这两个应变片在工作时所产生电阻增量大小相等符号相反，此时电桥输出电压变化为：桥路输出端对称电桥电路图。②电源输入端对称电桥。满足条件若接入的两个应变片对于电源输入端对称，且满足两个应变片在工作时所产生的电阻增量大小相等符号相反时，电桥的输出电压变化为：全等臂电桥当时，称之为全等臂电桥。其输出电压变化为：RRRRR4321接入一个应变片：接入两个应变片：UKU210KUU40接入四个应变片：UKU0（2）交流电桥电路由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。交流电桥的平衡条件：4231ZZZZ即：4231zzzz4231或))(())((44223311jXRjXRjXRjXR（3）电桥的调平衡在应变片工作之前必须对电桥进行平衡调节。对于直流电桥可采用串联或并联电位器法。常用的电桥调平衡电路如图所示。（a）为串联电阻调平衡法（b）为并联电阻调平衡法对于交流电桥一般采用阻容调平衡法，如图所示。（d）为阻容调平衡法（c）为差动电容调平衡法（4）温度补偿应变片的阻值受环境（包括被测试件的温度）的影响很大。由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。因环境温度改变而产生应变片温度误差的主要因素有两个方面：①环境温度变化时，敏感栅的电阻值会随温度变化而引起误差；②环境温度变化时，试件材料和应变片电阻丝材料的线膨胀系数不同而引起误差。电阻温度系数的影响：•敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：试件和电阻丝材料的线膨胀系数的影响：当试件（弹性元件）与电阻丝（敏感栅）材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形都和自由状态一样，不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻值变化。由于温度变化会引起应变片电阻阻值变化，对测量造成误差，因此要进行消除误差或对桥路输出进行补偿，叫温度补偿。电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。线路补偿法：电桥补偿法是最常用且效果较好的线路补偿法。利用电桥相邻相等两臂同时产生大小相等、符号相同的电阻增量不会破坏电桥平衡的特性来达到补偿的目的。电桥输出电压与桥臂电阻参数的关系为：全桥的温度补偿原理如图，当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可相互抵消，全桥的温漂较小。应变片自补偿：使用特殊的应变片，当温度发生变化时，应变片本身的电阻增量为零，该应变片称为温度自补偿片。①单丝自补偿应变片：根据温度自补偿应变片的工作原理，由温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量应为零。②双丝组合式自补偿应变片：由两种不同电阻系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联在一起形成一个应变片，只要满足两段电阻丝随温度变化使应变片产生的电阻增量大小相等、符号相反的条件，在一定的温度范围内即可实现温度补偿。3.1.4电阻应变式的粘贴应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的，粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能，不仅要求粘接力强，粘结后机械性能可靠，而且粘合层要有足够大的剪切弹性模量，良好的电绝缘性，蠕变和滞后小，耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等。（1）粘合剂的选取粘合剂主要是用来将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。在选用粘合剂时应综合考虑应变片的工作条件、工作温度、潮湿度、有无化学腐蚀、稳定性、加温加压固化的可能性以及粘贴时间长短等因素，选择合适的粘合剂。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。无机粘结剂用于高温。（2）粘贴工艺在粘贴时，操作人员必须遵循正确的粘贴工艺流程，进行正确操作，以保证粘贴质量。粘贴工艺包括被测件粘贴表面处理、贴片位置确定、涂底胶、贴片、干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。粘结剂的性能及应变片的粘贴质量直接影响应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数、线性以及它们受温度变化影响的程度。可见，选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。应变片的粘贴步骤一般可分为：（1）应变片的检查与选择（2）试件的表面处理（3）底层处理（4）贴片（5）固化（6）粘贴质量检查（7）引线焊接与组桥连线应变片的选用：（1）选择类型—使用目的、要求、对象、环境（2）材料考虑—使用温度、时间、最大应变量及精度。（3）阻值选择—根据测量电路和仪器选定标称电阻（4）尺寸考虑—试件表面、应力分布、粘贴面积（5）其他考虑—特殊用途、恶劣环境、高精度3.1.5电阻应变式传感器的应用电阻应变片的应用有两个方面：一是作为敏感元件，可直接用于被测试件的应变测量；另一方面作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，可用于对任何能转换成弹性元件应变的其他物理量的间接测量。应变片式传感器的特点：①应用和测量范围广；②分辨率和灵敏度高、精度较高；③结构轻小，对试件影响小，环境适应性强，频率响应好；④商品化，选用方便，便于实现远距离、自动化测量。金属应变计：（1）测力传感器：（2）压力传感器：（3）应变式位移传感器：应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变