2010第2章_电阻式传感器

第2章电阻式传感器教材的本章内容包括：2.1电位器式传感器（自学，不作介绍）2.2应变式电阻传感器（重点）（原理、结构、特性、转换电路等）2.3压阻式传感器（简单介绍，与应变式比较）2.4电阻式传感器的应用这类传感器的基本工作原理是将被测物理量的变化转换成敏感元件电阻的变化，再通过变换电路转换为相应电压或电流信号输出。种类较多，有电位器式、应变式、压阻式、热阻、热敏、气敏、湿敏等多种。2.1电位器式传感器电位器作为传感器，可将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化。常用来测量位移、压力、加速度等物理量。由于结构简单、尺寸小、重量轻、价格便宜、精度较高、性能稳定、输出信号大、受环境（如温度、湿度、电磁场干扰等）影响较小，且可实现线性的或任意函数的变换，因而在自动检测和自动控制中有着广泛的用途。但由于存在滑动触头与线绕电阻或电阻膜的摩擦，存在磨损，缺点也是明显的；要求输入能量较大，可靠性较差，分辨率较低，动态特性不好，干扰（噪声）大，一般用于静态和缓变量的检测。线绕电位器是最常用的电位器式传感器，它由绕于骨架上的电阻丝线圈和沿电位器移动的滑臂以及其上的电刷组成。线绕电位器根据需要可制成线性的和非线性的，线性线绕电位器的骨架截面应处处相等，由材料和截面均匀的电阻丝等节距绕制而成。1、原理及空载特性电位器的输出端不接负载或负载为无穷大时的输出特性为空载特性。线性电位器的理想空载特性具有严格的线性关系。图2.1所示为电位器式传感器原理图。2.1.1线性电位器1—电阻丝；2—骨架；3—滑臂图2.1电位器式传感器原理图如果把它作为变阻器使用，假定全长为xmax的电位器其总电阻为Rmax，电阻沿长度均匀分布，则当滑臂由A向B移动x后，A点到电刷间的阻值为：maxmaxxxRRx(2-1)若把它当作分压器使用，假定加在电位器A、B之间的电压为Umax，则空载输出电压为：maxmaxxxUUx(2-2)图2.2所示为电位器式角度传感器。其中1为电阻丝；2为滑臂；3为骨架。作变阻器使用时，电阻Rα与角度α的关系为：maxmaxRR(2-3)图2.2电位器式角度传感器原理图作分压器使用时，空载输出电压Uα与角度α的关系为maxmaxUU(2-4)对于下图所示的位移传感器来说，因：Rmax=[2ρ(b+h)n]/A；xmax=nt（t为两线圈的距离），故其灵敏度为：图2.3线性线绕电位器示意图式中，KR、KU分别为电阻灵敏度、电压灵敏度；ρ为导线电阻率；A为导线横截面积；n为线绕电位器绕线总匝数。由此看出：线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度除与电阻率ρ有关外，还与骨架尺寸h和b、导线横截面积A（导线直径d）、绕线节距t等结构参数有关；电压灵敏度还与通过电位器的电流I的大小有关。(2.6))(2(2.5))(2maxmaxmaxmaxAthbIxUKAthbxRKUR2、阶梯特性、阶梯误差和分辨率图2.4所示为绕n匝金属电阻丝的线性电位器的局部剖面和阶梯特性曲线图。电刷在电位器的线圈上移动，电位器输出阻值随电刷移动并不是连续地改变：当电刷与某一匝金属丝接触，虽然有微小位移，但电位器阻值并无变化，因而输出电压也不改变，在输出特性曲线上对应地出现平直段；当电刷离开这一匝与下一匝接触时，电位器电阻突然增加一匝阻值，因此特性曲线出现阶跃段。图2.4局部剖面和阶梯特性图实际上，电刷从j匝到(j+1)匝的过程中，必然会使这两匝短路，于是电位器的总匝数从n匝减小到(n-1)匝，这样总阻值的变化就使得在每个电压阶跃中还产生一小阶跃。这个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲为max/UUn(2-7)这样，电刷每移过一匝，输出电压便阶跃一次，共产生n个电压阶梯，其阶跃值亦即视在分辨脉冲为max11()1nUUjnn(2-8)式中：为电刷短接第j和j+1匝时的输出电压；为电刷仅接触第j匝时的输出电压。因此，在大的阶跃中还有小的阶跃。这种小的阶跃应有(n-2)次，这是因为在绕线始端和终端的两次短路中，将不会因总匝数降低到(n-1)而影响输出电压，所以特性曲线将有个n+n-2个阶跃。这n+n-2个阶梯中，一般将大阶梯看作是主要分辨脉冲ΔUm，将小阶梯看作是次要分辨脉冲ΔUn，而视在分辨脉冲是二者之和，即（2-9）max1jUnmaxjUnmnUUU非线性电位器是指空载时电位器的输出电压（或电阻）与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其它任意函数。常见的有变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。变骨架式电位器如图2.6所示，其骨架高度h呈曲线变化。图2.6变骨架式非线性电位器2.1.2非线性电位器当电刷移动微小位移dx时，引起输出电阻变化dRx，则2()xdRbhdxAt(2-13)式中，b，h—骨架的宽度和高度；A—导线的横截面积；t—导线节距；ρ—导线电阻率。()2xdRAthbdx(2-14)由于A、t、ρ、b均为常数，而dRx/dx是x的函数，所以h是电刷位移x的函数。dRx/dx越大，则骨架高度越高。为了保证足够的强度及工艺性，必须使hmin3~4mm。一般情况下电位器接有负载，并且负载电阻和电位器电阻的比值为有限值，此时所得的特性为负载特性。负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差。对于线性电位器负载误差即是非线性误差。带负载的电位器电路如图2.7所示。负载电阻为Rf，此时电位器输出电压Uxf为max2maxmaxxfxffxxRRUURRRRR2.1.3负载特性与负载误差UmaxUxRmaxxmaxRfRx，X图2.7带负载的电位器电路2.2应变式电阻传感器应变式电阻传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。传感器由弹性敏感元件及粘贴在其上的电阻应变片构成。当弹性敏感元件受到外作用，将产生应变，使电阻应变片的电阻发生变化，最后通过转换电路变成电量输出，电量变化反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器有金属丝、金属箔式、薄膜式和半导体式等几种。应变式电阻传感器性能稳定、精度较高。可作为高精度测量传感器，前三种应变式电阻传感器的灵敏度较低。电阻应变片的工作原理是基于导体的电阻应变效应。如图2.10所示，一根圆形金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为LRS（2-25）rΔrFLΔL图2.10金属电阻应变效应2.2.1工作原理当受力F，则L、S、ρ均产生变化，用全微分表示为：2dSLdSSLdLSdR若用相对变化量表示，则有：(2.26)SSLLRR由材料力学知：ELL其中：---沿某晶向的压阻系数，与材料及晶向有关；E----弹性模量；---材料所受应力。若设金属应变丝为圆形截面：故有：该式为“应变效应”的理论表达式。其中k0为导体的灵敏系数。由上式可见，影响k0的因素有两部分：①----由材料的几何尺寸变化引起；②----由材料的电阻率ρ的变化引起。材料的泊松比其中：--22rrrrSSrS)21(20kEERR)21(E对于不同材料，两部分的权重是不同的：金属导体：第一部分为主，第二部分可忽略。（1+2μ）πE半导体材料则正好相反：（1+2μ）πE一般金属电阻应变片μ=0.3~0.5，所以k0≈1.6~2.0而半导体应变片的灵敏度可达50~100。0)21(kRR事实上，产生应变的因素很多，位移、力、力矩、加速度、压力等均可产生应变。因此，可用应变片做成各种应变式传感器。应变片测量应变的基本原理：当用金属应变片测量应变或应力时，将应变片粘贴于被测对象上，应变片随被测对象产生微小应变，使应变片产生△R。△R=k0Rε。而：σ=Eε，所以σ∝△R可通过△R测σ。应变片优点：①可测微应变1~2μm，且精度高、性能稳定；②尺寸小、重量轻、结构简单，响应快；③测量范围大；④环境要求不高；⑤便于多点测量。缺点：粘贴需要一定经验和技术；易松动脱落、断线等。1、应变片的结构：见下图。金属电阻应变片由敏感栅、基片（底）、覆盖层和引线等部分组成。敏感栅粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。2.2.2电阻应变片的结构、类型及基本特性应变片的规格以面积和阻值表示。如（l×b）mm2120Ω其中：l--应变片的基长；b—基宽。2、应变片的类型金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.003~0.01mm，其优点是：①可制成复杂形状、尺寸精确的敏感栅；②与被测试件接触面积大，粘结性能好；③散热条件好，允许电流大，提高输出灵敏度；④横向效应可以忽略。⑤蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长；缺点：电阻值的分散性，应用时需要作阻值调整。金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物，在薄的基片上形成极薄（0.1μm以下）的金属电阻薄膜敏感栅（采用真空蒸发或真空沉积技术），最后加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许通过的电流较大。问题：尚难控制电阻与温度，电阻与时间的变化关系。金属丝式应变片有回线式/短接式两种（制造工艺不同），敏感丝材料：康铜（55%Cu+45%Ni）、镍铬合金、镍铬铝合金等。敏感丝直径0.012~0.05mm，一般用0.025mm，引线用镀锡铜丝制作。基片：0.03mm左右的薄纸（纸基）；粘贴剂+有机树脂基膜（胶基）。3、金属应变片的基本特性①灵敏系数轴向单位应变所引起的应变片阻值相对变化量，即：k=(△R/R)/ε，△R=kεR。测定应变片的灵敏系数用实验方法，且在规定条件下测得：以5%的产品来测定，取平均值及允许公差值作为该批产品的灵敏系数----标称灵敏系数。需注意，不能与电阻丝的灵敏系数k0等同，一般情况kk0②横向效应将电阻丝绕成应变片后，其灵敏系数降低，该现象称为应变片的横向效应。横向效应产生机理：若应变片受力F作用而产生轴向应变εx时，则应变片各直线段的电阻将增加，但在半圆弧段则受到从+εx到-μεx之间变化的应变，圆弧段电阻的变化将小于沿轴向安放的同样长度电阻丝电阻的变化。因此，将直的电阻丝绕成敏感栅后，应变片敏感栅的电阻变化减小，因而其灵敏系数下降。为减小横向效应产生的测量误差，通常采用箔式应变片。l1lFF图2.12应变片轴向受力图③最大工作电流和绝缘电阻最大工作电流：指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。一般静态电流25mA左右。绝缘电阻：引线与被测试件间的电阻。通常在50~100MΩ。④应变片的电阻值已经规格化：60、120、200、350、500、1000Ω，其中120Ω最常用。⑤应变片的动态响应特性测量变化频率较高的动态应变时，应考虑此特性。一般的工业测量则可不考虑。⑥疲劳寿命恒定幅值交变力作用下，能连续工作（正常工作）的循环次数N。当出现以下三种情况之一，都认为是应变片已疲劳损坏：①应变片的敏感栅或引线断路；②应变片输出指示应变的幅值变化10%；③应变片输出信号波形出现穗状尖峰。4、应变片的温度误差及补偿（1）温度误差由于测量环境温度的变化所引起的电阻应变片电阻的变化，由此造成附加的测量误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要原因有：1）敏感材料电阻温度系数的影响敏感栅的电阻随温度变化的关系为：00(1)tRRt(2-34)式中，Rt——温度为t℃时的电阻值；R0——温度为t0℃时的电阻值；α0——金属丝的电阻温度系数；Δt——温度变化值，Δt=t–t0。当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：000ttRRRRt(2-35)2）试件材料和电阻丝材料线膨胀系数的影响当环境温度变化Δt时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻变化为40).(2)(00tRkRsg式中，k0——应变片灵敏系数；R