传感器第二章电阻式传感器讲义资料

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1、传感器原理及应用,第二章 电阻式传感器,电阻式传感器是将非电量(如力、位移、形变、速度和加速度等）的变化量，变换成与之有一定关系的电阻值的变化，通过对电阻值的测量达到对上述非电量测量的目的。,第二章 电阻式传感器,一、电位计(器)式电阻传感器,二、应变式电阻传感器,三、测量电路及电阻应变仪,四、电阻应变片式式传感器应用举例,五、第三次作业,一、电位计(器)式电阻传感器,一、线绕电位器式传感器,1、线绕电位器结构和工作原理, 空载特性,电压的灵敏度,电阻的灵敏度,2、线绕电位器的输出特性,电阻灵敏度,电压灵敏度,（1）空载下, 有载特性, 有载特性,结论：K L不能太小！,负载误差,相对负载误差

2、,一定，对K求一阶导数，并令其= 0，得：,例 设电位器总电阻 ，要求负载误差 0.1%，确定负载电阻 。,3.线绕式电位器的阶梯特性及其分辨率, 阶梯特性及产生原因,图 13 阶梯特性,阶梯特性是由滑动触点(电刷)在移动过程中, 从一匝滑到另一匝时电阻值产生突变所引起的。其阶梯值U为：,N 绕线总匝数, 分辨率及阶梯误差 分辨率：,阶梯误差：,在理想情况下，工作曲线均匀穿过实际曲线的阶梯，此时的阶梯误差为：,阶梯误差,电压分辨率,行程分辨率,4、线绕电位器结构,二、非线绕电位器式传感器,1、薄膜电位器,2、导电塑料电位器,基体、电阻膜带、电刷、转轴、导电环,合成膜电位器 金属膜电位器,3、光

3、电电位器,无接触式电位器,优点：精度、寿命、分辨率、可靠性高、阻值范围宽,缺点：温度范围窄、输出电流小、输出阻抗较高 结构复杂、体积和重量大,三、电位器式传感器的应用,1、航空飞行高度传感器,2、液面高度测试仪,3、电位器式位移传感器,返回,二、应变式电阻传感器,一、电阻应变计的结构,：栅状,应变计工作的物理基础 电阻应变效应,用途：测量位移、加速度、力、力矩、压力 应用领域：航空、机械、电力、化工、建筑、医学等。,除了外界压力外，是否还存在使金属丝发生形变的其他因素？,金属电阻应变片的材料 对电阻丝材料应有如下要求： 灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数； 值大，即在同样长度、同样横截

4、面积的电阻丝中具有较大的电阻值； 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值； 与铜线的焊接性能好， 与其它金属的接触电势小； 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。,金属电阻应变片的粘贴 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。 还要考虑到应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。,二、应变效应,导体或

5、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”,定义：,1、导电材料的应变电阻效应,图 应变片轴向受力及横向效应 （a） 应变片及轴向受力图； （b） 应变片的横向效应图,dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则,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dl/l=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,式中,为电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。,轴向 线应变,（1）金属材料的应变电阻效应,（2）半导体

6、材料的应变电阻效应, 金属材料的电阻相对变化与线应变成正比, 半导体材料的电阻相对变化与线应变成正比,（3）导电丝材的应变电阻效应,金属,半导体,金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主， Km=1.8 4.8,半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应,用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值为,=E,三、应变片测量原理,- 试件的应力 - 试件的应变 E-试件材料的弹性模量(kg/mm2),四、 应变片

7、的分类 应变片有很多品种系列: 从尺寸上讲, 长的有几百mm, 短的仅0.2 mm; 由结构形式上看, 有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案; 就使用环境上说, 有高温、低温、水、核辐射、 高压、磁场等; 而安装形式, 有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。 主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同, 将应变片分为金属式和半导体式两大类。从敏感元件的形态又可进一步分类如下:,应变片,金属属性,半导体式,体形,薄膜型,丝式,箔式,纸基,胶基,体型 薄模型 扩散型 外延型 Pn结及其它形式,半导体式体型薄膜型、扩散型、外延型、PN结及其他形式 金属电阻应变片常见的形式有丝式、 箔式、 薄膜式等。 丝

8、式应变计是最早应用的品种。 金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角, 如图所示。 弯曲部分作成圆弧（U）形是最早常用的一种形式, 制作简单但横向效应较大。 直角（H）形两端用较粗的镀银铜线焊接, 横向效应相对较小, 但制作工艺复杂, 将逐渐被横向效应小、 其他方面性能更优越的箔式应变片所代替。,图 丝式应变计,箔式应变计的线栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属薄栅（厚度一般在0.0030.01mm）。与丝式应变计相比有如下优点: ,(1) 工艺上能保证线栅的尺寸正确、 线条均匀, 大批量生产时, 阻值离散程度小。 (2) 可根据需要制成任意形状的箔式应变片和微型小基长（如基长为0.1 mm）的

9、应变片。 (3) 敏感栅截面积为矩形, 表面积大, 散热好, 在相同截面情况下能通过较大电流。 (4) 厚度薄, 因此具有较好的可挠性, 它的扁平状箔栅有利于形变的传递。 (5) 蠕变小, 疲劳寿命高。 (6) 横向效应小。 (7) 便于批量生产, 生产效率高。,图 几种箔式应变片,图中画出了几种箔式应变片。 ,薄膜式应变片是采用真空溅射或真空沉积技术, 在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻薄膜（厚度在零点几纳米到几百纳米）, 再加上保护层制成。 其优点是灵敏度高, 允许通过的电流密度大, 工作温度范围广, 可工作于-197317C, 也可用于核辐射等特殊情况下。 制作应变计敏感元件的金属材料应有如下

10、要求: (1) k0大, 并在尽可能大的范围内保持常数。,(2) 电阻率大。 这样, 在一定电阻值要求下, 同样线径, 所需电阻丝长度短。 (3) 电阻温度系数小。高温使用时, 还要求耐高温氧化性能好。 (4) 具有良好的加工焊接性能。 常用的敏感元件材料是康铜（铜镍合金）、镍铬合金、铁铬铝合金、 铁镍铬合金等。 常温下使用的应变片多由康铜制成。,半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。体型半导体应变计是将晶片按一定取向切片、研磨、再切割成细条, 粘贴于基片上制作而成。几种体型半导体应变计示意图如图所示。,体型半导体应变计示意图,半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应,半导

11、体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料，当某一轴向受外力作用时， 其电阻率发生变化的现象。当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为,式中d/为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为,将上式计算可得,实验证明，E比1+2大上百倍，所以1+2可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为,-半导休材料的压阻系数,半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍， 但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 使它的应用范围受到一定的限制。 用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用下，被测对象

12、产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的关系，得到应力值为,=E,薄膜型半导体应变计是利用真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成的。 扩散型半导体应变计是将P型杂质扩散到高阻的N型硅基片上, 形成一层极薄的敏感层制成的。 外延型半导体应变计是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。 半导体应变计有如下优点:,(1) 灵敏度高。 比金属应变计的灵敏度约大50100倍。 工作时, 可不必用放大器就可用电压表或示波器等简单仪器记录测量结果。 (2) 体积小, 耗电省。

13、 (3) 由于具有正、 负两种符号的应力效应（即在拉伸时P型硅应变计的灵敏度系数为正值; 而N型硅应变计的灵敏度系数为负值。 (4) 机械滞后小, 可测量静态应变、 低频应变等。 ,五、电阻应变计的特性,应变计是一种重要的敏感元件。首先, 它在实验应力分析中是测量应变和应力的主要传感元件; 其次, 某些其他类型的传感器, 如膜片式压力传感器、 加速度计、线位移传感器等, 也经常使用应变计作为机电转换元件或敏感元件, 广泛地应用于工程测量和科学实验中。 应变计之所以成为重要的敏感元件, 主要由于具有如下优点:,(1) 测量应变的灵敏度和精确度高。能测12微应变（110-6 mm/mm）的应变。

14、误差一般可小于1%。精度可达 0.015%FS（普通精度可达 0.05%FS）。 (2) 测量范围大。 从弹性变形一直可测至塑性变形。 变形范围从1%20%。 (3) 尺寸小（超小型应变计的敏感栅尺寸为 0.2mm2.5 mm）, 重量轻, 对试件工作状态和应力分布影响很小。既可用于静态测量, 又可用于动态测量, 且具有良好的动态响应（可测几十甚至上百赫的动态过程）。,(4) 能适应各种环境。可以在高温、超低压、高压、水下、 强磁场以及辐射等恶劣环境下使用。 (5) 价格低廉、 品种多样, 便于选择和大量使用。 应变计有如下缺点: 在大应变下具有较大的非线性, 半导体应变计的非线性更为明显;

15、输出信号较微弱, 故抗干扰能力较差。 应变式传感器的性能在很大程度上取决于应变计的性能。下面就来讨论应变计的主要特性。,1、静态特性,灵敏度系数 金属电阻丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系, 用灵敏度系数k0表示这种关系。金属丝做成应变计后, 由于基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应, 电阻应变特性与单根金属丝将有所不同, 必须重新用实验来测定。 实验是按规定的统一标准进行的。电阻应变计贴在一维力作用下的试件上, 例如受轴向拉压的直杆、纯弯梁等。,试件材料用泊松系数 =0.285的钢。用精密电阻电桥或其他仪器测出应变计相对电阻变化, 再用其他测应变的仪器测定试件的应变, 得出电阻应变

16、计的电阻应变特性。实验证明, 电阻应变计的电阻相对变化R/R与应变l/l=之间在很大范围内是线性的, 即,式中, 为电阻应变计的灵敏度系数。 因一般应变计粘贴到试件上后不能取下再用, 只能在每批产品中提取一定百分比（如 5%）的产品进行测定, 取其平均值作为这一批产品的灵敏度系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏度系数, 或称“标称灵敏度系数”。,横向效应 实验表明, 应变计的灵敏度k恒小于金属线材的灵敏度系数k0。其原因除了粘合剂、基片传递变形失真外, 主要是由于存在横向效应。 敏感栅由许多直线及圆角组成, 如图所示。 拉伸被测试件时, 粘贴在试件上的应变计, 被沿应变计长度方向拉伸, 产生纵向拉伸应变x, 应变计直线段电阻将增加。 但是在圆弧段上, 沿各微段（圆弧的切向）的应变并不是x, 与直线段上同样长的微段所产生的电阻变化不同。,图,最明显的是在=/2 垂直方向的微段, 按泊松比关系产生压应变-y。该微段电阻不仅不增加, 反而