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1、电阻式传感器,基本原理,应变式传感器,将被测的非电量转换成电阻值的变化，再由转换电路变成电量输出。,按非电量参数分类： 电阻式力传感器 电阻式压力传感器 电阻式位移传感器 电阻式应变传感器 电阻式加速度传感器 电阻式温度传感器,+R,I,R,E,+I,被测量x,电阻式传感器,电阻式传感器图解,电阻式力传感器,一种重力（荷重）传感器的结构,电阻式压力传感器,接触式压力盒,埋入式压力盒,电阻式位移传感器,直线位移传感器（电子尺）,双悬臂式位移传感器,电阻式加速度传感器,一、工作原理：,横截面：S 长 度：l 半 径：r 电阻率：,横截面：S+S 长 度：l+l 半 径：r+r 电阻率：+,当金属丝
2、在外力作用下发生变形时，其电阻值将发生变化，这种现象叫做金属的电阻应变效应,应变式传感器,例：如图1所示，一根长l，截面积为A的金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：,图1 导体受拉伸后的参数变化,当电阻丝受到拉力F 作用时，将伸长dl，横截面积相应减小dA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d，从而引起电阻值相对变化量为：,式中：dl/l长度相对变化量，用应变表示为：,A/A为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即：,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, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为：,式中:电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。
3、 1=110-6 mm/mm,前面四式联立得：,或,通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为：,因此：,灵敏度系数受两个因素影响: 受力后材料几何尺寸的变化, 即（1+2）; 受力后材料的电阻率发生的变化, 即/。,对金属材料电阻丝来说, 灵敏度系数表达式中（1+2）的值要比（/）/）大得多, 而半导体材料的（/）/）项的值比（1+2）大得多。 大量实验证明, 在电阻丝拉伸极限内, 电阻的相对变化与应变成正比, 即K0为常数。,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
4、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 式中 : 试件的应力; 试件的应变; E试件材料的弹性模量。 由此可知, 应力值正比于应变, 而试件应变正比于电阻值的变化, 所以应力正比于电阻值的变化, 这就是利用应变片测量应变的基本原理。,下面是构造简图。排列成网状的高阻金属丝、栅状金属箔或半导体片构成的敏感栅1,用粘合剂贴在绝缘的基片2上。敏感栅上贴有盖片（即保护片）3。,1、金属材料的应变电阻效应 对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比(d/)/大得多，显然金属丝材的应
5、变电阻效应以结构尺寸变化为主。金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。对金属或合金, 一般Km=1.84.8。 2、半导体材料的压阻效应 而半导体材料的(d/)/项的值比1+2大得多。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。,式中：半导体材料的压阻系数；半导体材料的所受应变力；E半导体材料的弹性模量；半导体材料的应变。,因此有：,由于E(1+2)，因此半导体丝材的KsE。可见，半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。通常Ks=(5080)Km。,优点 灵敏度高，精确度高 尺寸小，重量轻，响应速度快 测量范围大 适应性强 便于多点测
6、量、远距离测量和遥测,二、应变片的类型和材料 （一）应变片的类型和材料 1.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。 2.金属箔式应变片 利用照相制版或光刻技术将厚约0.0030.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。 3.金属薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1m以下的金属电阻薄膜的敏感栅, 最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏度系数大, 允许电流密度大, 工作范围广。 4.厚膜应变片 厚膜技术不只是指膜层厚度，更重要的是指采用丝网掩模以接触式或非接触式方法在厚膜基片上漏印厚膜电
7、子浆料，经干燥和烧结成膜的工艺技术。采用厚膜技术制作的厚膜电子材料大都用作信号传输的载体，称为“电子取向” 电子材料，简称EO (electronic oriented)。EO已广泛应用于混合微电子技术领域。此外，还有些厚膜电子材料,它们具有传感、识别等功能，可将物理量等信息转变为电子信号，称为“传感取向” (sensor oriented)电子材料，简称SO。SO通常分为压阻效应、磁阻效应、温度效应、压电效应、离子效应等材料。,金属丝式应变片,金属箔式应变片,（二）粘结剂和粘贴工艺,（1）粘结剂的选择 通常在室温工作的应变片多采用常温、指压固化条件的粘结剂如聚脂树脂、环氧树脂类。 适合应变片
8、材料和被测试件材料及环境。 要求： 粘接强度准确传递特性蠕变、机械滞后小稳定性能 耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳等 （2）应变计的粘贴工艺 检查应变片，阻值； 表面处理打磨、清污（油、氧化层、锈斑） ； 定位划线； 粘贴、压合 尽量将厚度减薄； 固化； 防护与屏蔽。,应变计的选用 （1）选择类型使用目的、要求、对象、环 境等 （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,三、金属应变片的主要特性 应变计多为一次性使用，应变计的特性是按规定的条件，从大批量生产
9、中按比例抽样实测而得。 静态特性 （一）灵敏系数： 安装于试件表面上的应变片在其轴线方向的单项应力作用下，阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。 实验表明：,（二）横向效应及横向效应系数H 由于传感器是多线的，线与线之间连接部分不在测量方向上，引起横向效应。电阻丝绕成敏感栅后改变了应变状态，其灵敏系数降低。,直线段：轴向拉应变 ，电阻值增大 圆弧段：各微段轴向拉应变 ，电阻值减小计算公式：,标定情况下： 可见，横向效应使传感器的灵敏度系数下降 非标定情况下： 相对误差为： 可见，要减小误差，必须使H减小 对横向效应分析结果的应用结果之一是箔式应变计。 另外，应变计的长度要长、横
10、栅要小。,（三）机械滞后 加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值 原因：敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形。 通常要求：,（四）零漂 和蠕变 零漂：粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，电阻值随时间而变化。 蠕变：在一定温度下，粘贴在试件上的应变片承受恒定的机械应变时，电阻值随时间而变化。,零漂和蠕变反映传感器的长期稳定性,（五）应变极限和疲劳寿命 应变极限：在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。 疲劳寿命：在恒定幅值交变力 的作用下，可以连续工作而不 产生疲劳损坏的循环次数N。,（六）最大
11、工作电流和绝缘电阻 最大工作电流：允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值，静态测量约取25mA，动态时可高一些。 绝缘电阻：应变片引线和被测试件之间的电阻值。 要求：50100M 以上 （七）应变片的电阻R 应变片未经安装也不受外力情况时，在室温下测得的电阻值 （八）动态响应特性 测量变化频率较高的动态应变时， 应变以应变波的形式在材料中传 播，速度与声波相同；应考虑其 动态响应曲线。 应变按正弦规律变化 测量误差,电阻应变计把机械应变信号转换成R/R后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路或仪器，把应变计的R/R变化转换成电压或
12、电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。,应变片测量转换原理,四、转换电路 （一）直流电桥 1.直流电桥的工作原理 电桥平衡： Uo=0 条件：R1/R2 =R3/R4 2.不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度,电桥灵敏度定义为 n桥臂比， n=R2/R1 n=1时，称对称电桥，kuUi /4 （二）直流电桥的非线性误差 实际值,非线性误差 对于对称电桥， 差动电桥 要求 R1 =R2 = R3 = R4 =R,消除了非线性误差，灵敏度增加1倍，还具有温度补偿。,kuU/2,四臂差动电桥 恒流源电桥 非线性误差减半,kuU,根据直流电桥分析可知, 由于应变
13、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。当采用交流供桥载波放大时, 应变电桥也需交流电源供电。 应变电桥各臂一般是由应变计或无感精密电阻组成, 是纯电阻电桥。 但在交流电源供电时, 需要考虑分布电容的影响, 这相当于应变计并联一个电容(如图(a)所示)。 此时桥臂已不是纯电阻性的, 这就需要分析各桥臂均为复阻抗时一般形式的交流电桥。 交流电桥的一般形式如图 (b)所示, 其中Z1, Z2, Z3, Z4为复阻抗。其电源电压, 输出电压均应用复数表示。 输出电压的特性方程为：,（三）交流电桥的平衡条件和电压输出,所以平衡条件为 或 设电桥臂
14、阻抗为,将复数表达式代入, 可得另一种表达式为： r1r4+ r2r3 =X1X4-X2X3 r1X4+r4X1=r2X3+r3X2 上列各式说明: 交流电桥的平衡条件与直流电桥的不同, 需要满足两个方程式, 即必须不仅各桥臂复阻抗的模满足一定的比例关系, 而且相对桥臂的幅角和必须相等。现在来讨论图(b)中所示电桥的输出电压。 设电桥起始处于平衡状态, 有 。 由于工作应变计变化了R1后使Z1变化了Z1, 则特性方程得：,考虑到电桥的起始平衡条件并略去分母中含Z1项, 得：,由于一般情况下, 分布电容很小, 电源频率也不太高, 满足r1c11。例如, 电源频率为1000Hz, R1=120,C
15、1=1000pF,则R1C17.510-4l, 因此Z1R1,Z1R1, 则上式成为 电桥输出电压为与供桥电压同频同相的交流电压, 其幅值关系为 对图(a)中所示交流应变电桥, 应满足下列平衡条件:,R1R4=R2R3 或,如果采用第一种对称形式, 平衡条件为： R1=R2, R3=R4, C1=C2,R2C2=R1C1 或,五、温度误差及其补偿 （一）温度误差 温度引起应变片电阻变化的主要因素： （1）敏感栅电阻随温度的变化 （2）试件材料的线膨胀 总电阻相对变化 相应的热输出,温度引起的电阻变化与应变造成的电阻变化几乎有同样的量级,（二）温度补偿 1.应变片自补偿法 （1）单丝自补偿法 在研制和选用应变计时，选择敏感栅的合金材料，调整栅丝温度系数。如改变栅丝合金成分，或用不同的热处理规范来控制。 优点：容易加工，成本低； 缺点：只适用于特定试件材料，温度补偿范围窄。,（2）组合式自补偿法：双金属线栅法 1、选用两者具有相反符号的电阻温度系数：敏感栅由电阻温度系数一正一负的两种合金丝串接而成。当工作温度变化时，若Ra栅产生正的热输出a与Rb栅产生负的热输出b相等或相近，就可达到自补偿的目的。 2、串接的电阻丝具有相同符号的电阻温度系数：敏感栅由同符号电阻温度系数的两种合金丝串接而成，工作栅R1接入工作臂，补偿栅R2外接串接电阻RB(不敏感温度影响)接入补偿臂，当温度变化时，只要
