[工学]3电阻式传感器

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1、第3章 电阻式传感器n电阻式传感器是一种把被测参 量转换为电阻变化的传感器q电位器式传感器q电阻应变式传感器q热电阻式传感器Date1第3章 电阻式传感器 1电位器式传感器电位器主要是把机械位移转换为与其 成一定函数关系的电阻或电压的输出。基本工作原理 电位器式传感器由电阻器和电刷组成 ，电刷触点的移动导致输出电阻的变化 。Date2电位器式传感器图 1Date3电位器的结构图 2Date4输出输入特性线性电位器： （1-1-1）（1-1-2） 其中： L-电位器触点行程； x -电位器电刷位移; U -输入电压; Ux-输出电压; Rx-输出电阻;Date5电位器传感器的应用 电位器式传感器

2、常用来测量位移、压力、加速 度等参量。 下图是电位器式位移传感器的结构图。被测位 移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑 线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的 输出电阻。图 3Date62 应变式传感器和压阻式传感器一：工作原理 导体或半导体材料受到外界力作用时（拉力或 压力），产生机械形变，导致输出电阻的变化。 一根金属电阻丝, 在其未受力时, 原始电阻值为其中： 电阻丝的电阻率;l电阻丝的长度; A电阻丝的截面积Date7当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长L, 横截面积相应减小A,电阻率将因晶格发 生变形等因素而改变, 故引起电阻值变 化。导体受拉力后的变化：LrFFDate8LrF

3、FrL当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长L, 横截面积相应减小A,电阻率将因晶格发 生变形等因素而改变, 故引起电阻值变 化。导体受拉力后的变化：Date9其变化量为：（1-1-6）其中： dl/l长度相对变化量，用轴向 应变表示为：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， dA = 2r dr, 则Date10所以：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，为电阻丝材料的泊松比，那么轴向应变和径向应变的关系：Date11又因为 ，体积应变：Date12（C由材料和加工方式决定）。金属导体材料的电阻率相对变化

4、与其体应 变的关系：Date13半导体材料受到应力作用时，电阻率会发 生变化，这种现象称为“压阻效应。其电阻 率相对变化与 材料的轴向应力s 的关系：E : 半导体材料的弹性模量 : 半导体材料在受力方向的压力系数 : 轴向线应变Date14由 ：对于金属材料:金属材料的应变灵敏系数Km ：对于金属材料存在 ：对于金属材料的应变电阻以结构尺寸变化为主Date15同样由 ：对于半导体材料:半导体材料的应变灵敏系数Ks ：对于半导体材料存在 ：对于半导体材料的应变电阻主要基于压阻效应Date16总结: 电阻相对变化有两部分引起，一部分是 材料受力后的几何尺寸变化（应变）；一部分 是材料受力后电阻率

5、发生的改变。金属材料的应变电阻以结构尺寸变化为主； 半导体材料的应变电阻主要基于压阻效应。半导体应变片突出优点是灵敏度高, 比金属 丝式高5080倍, 尺寸小, 横向效应小, 动态响 应好。但它有温度系数大, 应变时非线性比较 严重等缺点。Date17电阻应变式传感器n电阻应变式传感器是基于应变电阻效应的电阻 式传感器。n其基本组成部件包括：应变片，测量电路，弹 性敏感元件等。n应变片是由金属或半导体制成的应变-电阻元件 。n当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的 变形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电 路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了 被测物理量的大小。Date18A

6、 拉力传感器 B 压力传感器 图4电阻应变式传感器（照片）Date19二、应变片的基本结构电阻应变片的结构：Date20敏感栅是应变片的核心部分, 它粘贴在绝 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。金属电阻应变 片的敏感栅有三种:n金属丝式应变片n箔式应变片n薄膜应变片Date21Date22Date23Date24当应变片安装于试件表面时，只受轴线方 向的单位应力作用，灵敏系数k为：电阻应变片的灵敏系数Date25敏感栅通常有多条轴向纵栅和圆弧横栅 组成，当试件承受单向应力时，其表面处 于平面应变状态，即轴向拉伸 ex,和横向收 缩ey ，会引起的总电阻的变化。D

7、ate26由轴向拉伸 ex,和横向收缩ey ，引起的总 电阻的变化为：纵向灵敏系数； ：横向灵敏系数：双向应变比 ：横向灵敏度Date27温度误差及补偿a) 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： Rt=R0（1+a0t） 式中: Rt温度为 t 时的电阻值; R0温度为t0时的电阻值; a0金属丝的电阻温度系数; t温度变化值, t=t t0。当温度变化t时, 电阻丝电阻的变化值为 Rt=Rt- R0= R0a0t Date28b) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的 影响n当试件与电阻丝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 形仍和自由状

8、态一样, 不会产生附加变形 。 n当试件和电阻丝线膨胀系数不同时, 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。 Date29n设电阻丝和试件在温度为 0 时的长度均 为L0，它们的线膨胀系数分别为s和g, 若两者不粘贴, 则它们的长度分别为: Ls= L0（1+st） Lg= L0（1+gt） Date30当二者粘贴在一起时, 电阻丝产生的附加变形L, 附加应变e和附加电阻变化R分别为 L= Lg - Ls =（g-s）L0te=L/L0=（g-s）t R= K0 R0e= K0 R0(g-s)t Date31可得温度变化引起的总电阻的变化：Date32折合成附加应变

9、量或虚假的应变et , 有et是因为温度变化引起的测量误差。消除这种误差的温度补偿的办法有：Date33（1）应变片的自补偿法：令Date34（2）线路补偿法 ：将两个参数相同 的应变片贴在试件 上，温度没变化之 前满足电桥平衡条 件 R1=R2, R3=R4; 温度变化后仍满足 电桥平衡条件:R1BR2R3R4U0UR1FF补偿块试件Date35电阻应变片的测量电路n由于机械应变一般都很小, 要把微小应变引 起的微小电阻变化测量出来, 需要有专用测 量电路, 通常采用直流电桥和交流电桥。直流电桥直流电桥开路输出电压Date36当电桥平衡时, Uo=0, 则有：设电桥为开路情况， 当产生应变时

10、, 若应变片电阻变 化为R, 其它桥臂固定不变, 电桥输出电压Uo0, 则电 桥不平衡输出电压为：设桥臂比n = R2/R1, 并忽略分母中R1/R1电压灵敏度Date37分析n电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压, 供电 电压越高, 电桥电压灵敏度越高, 但供电电 压的提高受到应变片允许功耗的限制, 所以 要作适当选择; n电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数, 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。电桥电压灵敏度Date38由dKU /dn = 0 求KU的最大值, 得求得n=1时, KU为最大值。这就是说, 在电桥电 压确定后, 当R1=R2=R3=R4时, 电桥电压灵

11、敏度 最高, 此时有Date39非线性误差及其补偿方法输出电压因略去分母中的R1/R1项而得出的是理想 值, 而实际值计算应为非线性误差为 L=Date40如果是四等臂电桥, R1=R2=R3=R4, 则对于一般应变片来说, 所受应变通常在510-3 以下 , 若取KU=2, 则R1/R1=KU=0.01, 计算得非线性误差为 0.5%; 若KU=130, =10-3时, R1/R1=0.130, 则得到非线 性误差为6%, 故当非线性误差不能满足测量要求时, 必 须予以消除。 Date41采用差动电桥减小和克服非线性误差拉应变 R1+R1 压应变 R2-R2线性灵敏度提高一倍具有温度补偿半桥

12、Date42灵敏度是单片的4倍具有温度补偿 全桥Date43交流电桥n根据直流电桥分析 可知, 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。n由于供桥电源为交 流电源, 引线分布 电容使得二桥臂应 变片呈现复阻抗特 性。Date44Date45要满足电桥平衡条件, 则有 Z1 Z4 = Z2 Z3取Z1= Z2 = Z3 = Z4， 可得 整理得交流电桥的平衡条件为: 当被测应力变化引起Z1= Z0+Z, Z2=Z0-Z变化时, 则电桥输出为Date46对交流电桥, 除要满足电阻平衡条件外, 还必须满足电容平衡条件。为此在桥路

13、上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。Date47（6）应用应变片压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静 态压力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、 发动机内部的压力变化等。 如下图所示为膜片式压力传感器, 应变片贴在膜片内 壁, 在压力p作用下, 膜片产生径向应变r和切向应变t, 表达式分别为: Date48应变变化图应变片粘贴Date49式中: p膜片上均匀分布的压力; R, h膜片的半径和厚度; x离圆心的径向距离。由应力分布图可知, 膜片弹性元件承受压力p时, 其应变变化曲线的特点为: 当x=0时, rmax=tmax；当x = R时, t= 0, r=-

14、2rmax。 Date50三、固态压阻式传感器根据压阻效应制成的传感器为压阻式传感器。 一种粘贴式应变片 一种利用工艺在半导体材料上制成扩散电阻 其优点：（1）灵敏度高；（2）分辨力高；（3）频率响应很高；（4）可测量低频加速度和直线加速度Date513 热电阻和热敏电阻利用电阻随温度变化而制成的传感器 称为电阻式温度传感器。 分为：金属热电阻和半导体热敏电阻Date52一：金属热电阻电阻温度系数大而稳定；电阻率要大；微小的温度传感器 电阻温度系数保持单值,最好为常数；金属的物理、化学性能稳定；电阻 材料 条件目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。Date53(a)铂电阻 ：n铂热电阻的特点

15、是精度高、稳定性好、性 能可靠, 所以在温度传感器中得到了广泛应 用。按IEC标准, 铂热电阻的使用温度范围 为-200+850。Date54Date55（b）铜电阻精度要求不高，温度较低的场合 易氧化，体积大，但便宜Date56热电阻的结构n它由电阻体、 绝缘管、保护套管、引线和 接线盒等部分组成。 n电阻体由电阻丝和电阻支架组成。 电阻丝 采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的 云母、石英或陶瓷塑料支架上, 支架起支 撑和绝缘作用, 引出线通常采用直径1mm 的银丝或镀银铜丝, 它与接线盒柱相接, 以 便与外接线路相连而测量显示温度。Date57Date58n用热电阻传感器进行测温时, 测量电路经常 采用电桥电路。 而热电阻与检测仪表相隔 一段距离, 因此热电阻的引线对测量结果有 较大的影响。n热电阻引线方式有两线制、 三线制和四线 制三种。 q二线制中引线电阻对测量影响大, 用 于测温精度不高场合。q三线制可以减小热电阻与测量仪表之 间连接导线的电阻因环境温度变化所引 起的测量误差。 q四线制可以完全消除引线电阻对测量 的影响, 用于高精度温度检测Da