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1、 本章介绍各种电阻式传感器的原理及应用 ，包括：应变效应、电阻应变片、非平衡电桥、 压阻传感器、测温热电阻、气敏电阻、湿敏电阻 、防爆传感器等。 应变效应工作原理 应变片种类、结构与粘贴 应变片的测量转换电路 应变效应的应用 导体或半导体材料在外界力的作用下，会产 生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这 种现象称为应变效应。 电阻应变传感器主要由电阻应变片、弹性元 件及测量转换电桥电路等组成。 介绍应变效应、应变片的基本原理和分类， 非平衡电桥的特点、调零及温度补偿，荷重传 感器、汽车衡称重、力矩传感器，压阻式固态 压力传感器，投入式液位计等。 1引出线 2覆盖层 3基底 4电阻丝 l ：应
2、变片的工作基长， b ：应变片基宽， bl：应变片的有效使用面积。 金属丝受拉时，l 变长、r 变小，导致R变大 。 电阻丝受拉后，长度增加，直径变小，电 阻变大。 设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为 的金属单丝，它的电阻值R及相对变化可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时, 上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生 变化。 当金属丝受拉时,l 将增加、r 变小，均导致R变大。 对于不同的金属材料，K (灵敏度)略有不同，一 般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变 时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属 材料大50200倍。 在材料力学中，
3、x=l/l称为电阻丝的轴向应 变，也称纵向应变。 x通常很小。例如，当x为 0.000001（10-6）时，在工程中常表示为1m/m 或 1微应变(1 )。 对金属材料而言，受力之后所产生的轴向应变 最好不要大于110-3，即应小于1000m/m（ 1000 ），否则有可能超过材料的极限强度而导 致非线性或断裂。 应变片中的电阻丝的电阻相对变化量R/R，与材料力 学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即 x =F/(AE），设K为灵敏度，金属材料的面积为A，弹 性模量 为E，则 R/R又可表示为 设应变片牢固粘贴在被测试件上，与试件有相同的 轴向应变及径向应变，应变片的灵敏度K、试件的横
4、 截面积A以及材料的弹性模量E均为已知，则只要设法 测出应变片的R/R值，即可获知试件受力的大小 。依此原理，可用于测量拉力和物体的称重等。 应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大 类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式等。 a）金属丝式 b）金属箔式 c）金属箔式外形 d）半导体应变片 1电阻丝 2金属箔 3半导体 4基片 5引脚 6定位标记 7金丝 金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶， 逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便 宜，多用于大批量、一次性试验。 箔式应变应变 片中的箔栅栅是金属箔 通过过光刻、腐蚀蚀等工艺艺制成的。 箔式应变应变 片与片基的接触面积积大 得多，散热热条件较较
5、好，在长时间长时间 测测量时时的蠕变较变较 小，一致性较好 ，目前广泛用于电子秤等各种应 变式传感器中。 焊接温度250 . 以N型和P型硅为基底，利用扩散、外延和薄膜工艺制 成的。主要优点是灵敏度比金属应变片高很多。 缺点是：灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间 非线性严重。 在使用时，需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补偿 措施。 上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据 是什么？ 粘贴、焊接 后，用胶布将 引线和被测对 象固定在一起 ，防止拉动引 线和应变片。 将应变片粘贴在受力的斜拉桥上的斜拉绳端部的圆柱 上，测量每一根斜拉绳的应变，从而计算出所受的拉力 ，检验拉力是否超过设计值。 预应
6、力管桩的受力预测： 工作人员正在贴应变片 应变片粘贴在管桩上， 四片应变片可组成全桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接 用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且 误差很大。 例：金属箔式应变片的标称阻值R0为100， 灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质 圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受 拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变化量 仅为0.2。 所以必须使用非平衡电桥来测量这一微小的 变化量，将R /R转换为输出电压Uo。 用计算机直接测应变片电阻的变化量是很困难。这是 因为测量一个在几百欧的基值上附加一个零点几欧的变化 的分辨力很低。 用电桥可以把被
7、测量的本底去掉，转换成一个在零值 附近变化的毫伏级的输出电压，这样就可以通过“电桥放 大电路”来放大这个微小的变化电压，使之达到几伏数量 级的有效输出信号,接到A/D转换器。 在非平衡电阻电桥中，可以用电阻传感器来代替某一 桥臂电阻，或某几个桥臂的电阻。当电阻传感器的阻值有 所变化时，电桥失去平衡，计算机就可以依据电桥的输出 电压来计算出被测值。 非平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成一个四边形的 回路，每一边称作电桥的“桥臂”。有4个结点a、b、c、d 。在a、c结点之间接入电源Ui，而另一对结点（b、d）之 间的电压差作为输出电压Uo端。 b、d点对负极（a点） 的电压相等时称作
8、“电桥 平衡”；反之，称作“电桥 不平衡”。 电桥平衡的条件是： 上下两个桥臂的左右桥 臂的电阻比例相等。 若桥路的4个桥臂 相邻电阻的电阻值变 化趋势相同，桥路的 输出电压为零。 若相邻电阻的电阻 值变化趋势相反，桥 路就产生输出电压： 4个桥路电阻的比例通常不 可能完全相同,因此必须设置 “调零电位器” RP ,调节RP, 最终可以使 R1/R2=R4/R3 （ R1、R2是R1、R2并联RP 后的等效电阻），电桥趋于 平衡，Uo被预调到零位，这 一过程称为调零。 图中的R5的作用是减小调节 范围，也称限流电阻。 单臂半桥: 四个桥臂中，只有一 个电阻的电阻可变， R1 为应变片，R2、R
9、3、R4 为固定电阻（低温漂的 锰合金电阻）桥路的输 出电压为： 单臂半桥的灵敏度最低，温漂最大。 . R1、 R2为应变片， R3 、R4为固定电阻（低温漂 的锰合金电阻） 。应变 片R1 、R2 感受到的应变1 、2相反，产生的电阻增 量正负号相反，可以使输 出电压Uo成倍地增大： 全桥的四个桥臂都为 应变片，如果设法使试件 受力后，应变片R1 R4产 生的电阻增量（或感受到 的应变14）正负号相间 ，就可以使输出电压Uo成 倍地增大。 输出电压： 单臂、双臂半桥、全桥工作方式中，哪一种灵敏 度最高? 哪一种灵敏度最低? 当环境温度升高时， 四个桥臂上的应变片温度 同时升高，假设温度引起
10、的电阻值漂移数值一致， 就可以相互抵消，所以全 桥能实现温度自补偿： 温度升高，R1、R2同 时增大( R3、R4不变)则: 又由于热胀冷缩，温度升高时，被测物的长度增加 ，应变片被拉长，引起测量误差，必须另外增加一个 补偿块。 单臂半桥无法实现温 度自补偿。 . A =Rf / R11 =Uo2 /Uo =100/2.5=40 倍 R11为桥臂电阻 的100倍左右， 取10k。 解：桥路输出电压Uo为： 电阻应变片的应用可分为两大类。第一类： 将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测 量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用 应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般 为各种弹性体。 第二
11、类：将应变片贴于被测试件上，然后将其 接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件 的应变量。 以下重点介绍第一类“专用应变传感器”。 S型力传感器 F F F F 托盘固定 螺孔 F端部固定 螺孔 电缆 a)实心轴 b)空心轴 c、d)等截面圆环 e、f、g)变形圆环 h)等截面悬臂梁 i)等强度悬臂梁 j)变形的悬臂梁 k)扭转轴 当力F垂直向下作用于悬臂梁的末端时，梁的上表面产 生拉应变，下表面产生压应变。对于任一指定点，上下表 面的应变大小相等、符号相反。设等截面梁的截面厚度为 ，宽度为b，总长为L，则在距离固定端l处沿长度方向的 应变与离根部的距离成正比: 等截面悬臂梁的 最大应变产生
12、在梁的根部， 该部位也是结构最薄弱处。等强度悬臂梁 F R 1 R 2 R 4 设轴的横截面积为A，轴材料的弹性模量为E，材料的 泊松比为，当等截面轴承受轴向拉力或压力F时，轴向 应变(有时也称为纵向应变)x为： 与轴向垂直方向上的径向应变( 有时也称横向应变)y为 钢的弹性模量约为21011Nm2 。当被测力较小时，可用铝合金 。铝的弹性模量约为0.71011 N m2。材料越软，弹性模量也越小 ，其灵敏度也越高。 F F F 扭转轴是专门用于测量力矩和力矩的弹性敏感元件。力 矩T 等于作用力F 和力臂L的乘积，即：T =FL。下图中的 力臂为轴的半径，L=D/2。力矩的单位为Nm，在小力矩
13、 测量时,也用mNm为单位。 使机械部件转动的力矩称 为“转矩”。任何部件在力矩 的作用下，必定产生某种程 度的扭转变形。因此，过去 也常把力矩叫做“扭矩”。 1电动机 2联轴器 3扭转轴 4信号引出滑环 5电刷 6减速器 7转鼓（卷扬机） 8重物 Ti输入力矩 ToG输出力矩 i减速比 在扭矩T的作用下，扭转轴的表面将产生拉伸或压缩 应变。在轴表面上与轴线成45方向（如下图中的ab方向 ）的应变与图中的cb方向上的应变数值相等，但符号相反 ，R1、R2与粘贴在力矩扭转轴的背面的R3、R4可以组成全 桥。桥路的4个结点a、b、c、d分别通过4个信号滑环和电 刷引出，为了克服集电环接触电阻造成的
14、误差，也可以利 用无线电模块，将旋转轴的应变测量值传送到扭转轴外面 的接收器电路。应变片测量得到的轴表面与轴线成45的 方向上的应变关系： 数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机 械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺栓的装配扭 矩。量程2500Nm，耗电量10mA，有公制/英制单位 转换、峰值保持、自动断电等功能。 贴在荷重 传感器表面的 应变片在向下 力的作用下， 产生变形。轴 向变短，径向 变粗。 用一个桥路激励源来激励4个圆柱状荷重传感器的桥路 ，由4路A/D转换器将4个桥路的输出转换为4个数字量， 由单片机进行加法运算。 测量汽车毛重， 再扣除已知该型 号汽车的自重， 就可以
15、判断超载 当KF 为常数时，桥 路所加的激励源电压 Ui 越高，满量程输出 电压Uom也越高。 思考：综合考虑灵敏度与功耗、发热等因 数， Ui 的取值范围多少为好？ 解：从该荷重传感器铭牌上得到F m=100103N，KF= 2mV/V， 可计算得到Uom=12mV。根据上述公式计算 得被测荷重： 例：用某荷重传感器称重。当桥路电压Ui 为6V时，测得桥路的输出电压Uo为8mV ，求被测荷重为多少吨？ 荷重传感器 （共 3个,120度分布,以达到 均衡目的,另两个未拍进） 底座 垫块 电缆 磅秤 超市打印秤 远距离 显示 由单片机扣除温漂和毛重 电子天平的准确度 可达十万分之一 电子人体秤中
16、 有四个角都装 了电阻应变片（各2片，串联） ，四角接成全桥，由单片机测 量桥路电压，并换算出被称量 的体重。 怎样才能节电？ 怎样才能适合 盲人使用？ 便携式 如何将重量信号 传送到总控室中 的计算机上？ 是利用半导体 材料的压阻效应和 集成电路工艺制成 的集成传感器。没 有可动部分，有时 也称为固态传感器 。它在工业中多用 于与应变有关的力 、重力、压力、差 压、真空度等物理 量的测量。 利用扩散工艺制作的四个半导体 应变电阻处于同一硅片上，组成4臂 全桥，称为硅微机械加工技术 。工 艺一致性好,灵敏度相等,漂移抵消, 迟滞、蠕变非常小,动态响应快。 硅片的表面用SiO2薄膜加以保护，并用超声波焊 上金质细丝，作全桥的引线。硅膜片底部被加工成中 间薄（用于产生应变）、周边厚（起支撑作用，所以 也称为硅杯。硅杯在高温下用玻璃粘接剂粘接在热胀 冷缩系数相近的玻璃基板上。将硅杯和玻璃基板
