電阻應(yīng)變傳感器

§3電阻應(yīng)變傳感器電阻應(yīng)變式傳感器由電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路組成。電阻應(yīng)變片的電阻隨著機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的大小而變化，再通過(guò)測(cè)量電路，把電阻應(yīng)變片的電阻的變化轉(zhuǎn)換成反映機(jī)械變形大小的電信號(hào)。用于測(cè)量力和與力有關(guān)的一些非電參數(shù)（如壓力、荷重、扭力、加速度等）。

3.1應(yīng)變片的工作原理；3.2應(yīng)變片的種類；

3.3應(yīng)變平的技術(shù)參數(shù)；3.4應(yīng)變片的粘貼；

3.5測(cè)量轉(zhuǎn)換電路；3.6集成與應(yīng)用

3.1應(yīng)變片的工作原理

長(zhǎng)度為l，截面為A，電阻率為ρ的導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻為

設(shè)導(dǎo)體在拉力的作用下，l、A、ρ分別變化dl、dA、

dρ，R的變化dR，可對(duì)上式兩邊取對(duì)數(shù)再微分求得，即

右邊第一項(xiàng)反映導(dǎo)體長(zhǎng)度變化引起的電阻變化，第二項(xiàng)反映導(dǎo)體截面變化引起的電阻變化，第三項(xiàng)反映導(dǎo)體電阻率變化引起的電阻變化。3.2應(yīng)變片的種類

1、金屬電阻應(yīng)變片⑴結(jié)構(gòu)

基本結(jié)構(gòu)見(jiàn)右圖。圖中，l

稱為應(yīng)變片的標(biāo)距或稱為工作基長(zhǎng)；b稱為應(yīng)變片的工作寬度。導(dǎo)體的電阻隨著它所受機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)。這是電阻應(yīng)變片工作的基礎(chǔ)。3.2應(yīng)變片的種類

1、金屬電阻應(yīng)變片⑵種類和性能

絲式：常采用直徑0.025mm的高電阻率金屬絲制成。精度高，測(cè)量范圍大，性能穩(wěn)定。

箔式：采用光刻、腐蝕等工藝成，箔柵厚度0.003~0.01mm。散熱好，蠕變小，額定電流大，可制成各種所需的形狀，便于批量生產(chǎn)。薄膜式：采用蒸鍍、沉淀等方法在絕緣基片上形成金屬薄膜而制成。靈敏度高，額定電流大，工作范圍廣，便于工業(yè)化生產(chǎn)。3.2應(yīng)變片的種類

1、金屬電阻應(yīng)變片⑶基本關(guān)系式

直徑為D的材料，由A=πD2/4可得

由材料力學(xué)可知式中：為縱向應(yīng)變；

為橫向應(yīng)變；μ為材料的泊松系數(shù)

由上述關(guān)系可得令ε=dl/l，則右邊第一項(xiàng)反映導(dǎo)體長(zhǎng)度變化引起的電阻變化，第二項(xiàng)反映導(dǎo)體截面變化引起的電阻變化，第三項(xiàng)反映導(dǎo)體電阻率變化引起的電阻變化。金屬應(yīng)變片應(yīng)變后電阻率變化很小，故式中：k稱為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。大多數(shù)金屬的μ值在0.3~0.5之間，故k值在1.6~2.0之間。3.2應(yīng)變片的種類2、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片根據(jù)壓電效應(yīng)原理工作。結(jié)構(gòu)見(jiàn)右圖。應(yīng)變后阻值的變化主要由電阻率的變化所引起，故式中：πr為半導(dǎo)體的壓阻系數(shù)；E為半導(dǎo)體的彈性模量；k=πrE稱為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù),很高，可達(dá)100多。⑴結(jié)構(gòu)3.2應(yīng)變片的種類3.2應(yīng)變片的種類2、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片⑵性能最大的優(yōu)點(diǎn)是靈敏度高。缺點(diǎn)是非線性嚴(yán)重，熱穩(wěn)定性差。但目前采用集成電路工藝制成的半導(dǎo)體應(yīng)變片，內(nèi)設(shè)非線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償電路，具有廣泛的應(yīng)用前景。3.3應(yīng)變片的主要技術(shù)參數(shù)

標(biāo)稱阻值R0：未受應(yīng)力時(shí)的阻值。60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω幾種。絕緣電阻RC：敏感柵與基片之間的電阻值，一般應(yīng)大于10MΩ。靈敏系數(shù)(k):在其軸線方向上的應(yīng)力作用下，應(yīng)變片電阻值相對(duì)變化dR/R與應(yīng)變?比。應(yīng)變極限?m:dR/R最大允許值，一般規(guī)定為10%。允許電流(IN):應(yīng)變片允許通過(guò)的最大電流。由此可求得UN=INR0，PN=IN2R0。機(jī)械滯后：溫度一定時(shí)，在增加或減少機(jī)械應(yīng)變過(guò)程中約定應(yīng)變之間的差值。蠕變：粘貼好的應(yīng)變片，在溫度一定時(shí)，阻值隨時(shí)間變化的變化量。零漂：溫度一定，且無(wú)機(jī)械應(yīng)變時(shí)，阻值隨時(shí)間在R0左右變化的變化量。3.4應(yīng)變片的粘貼具體要求如下：1.試件的表面處理2.確定貼片位置在應(yīng)變片上標(biāo)出敏感柵的縱、橫向中心線上。3.粘貼應(yīng)變片4.固化處理5.引出線的固定與保護(hù)6.粘貼質(zhì)量檢查檢查步驟如下：(1)對(duì)應(yīng)變片粘貼的位置是否正確等外觀檢查。(2)對(duì)粘貼前后的應(yīng)變片電阻值進(jìn)行檢查。(3)對(duì)應(yīng)變片與被測(cè)物體之間的絕緣電阻進(jìn)行檢查，一般應(yīng)大于200MΩ。3.5測(cè)量轉(zhuǎn)換電路圖4-11橋式測(cè)量電路由于電阻應(yīng)變片工作時(shí)其電阻變化很微小，例如，一片k=2、初始電阻120Ω的應(yīng)變片，受1000微應(yīng)變時(shí)，其電阻變化僅0.24Ω。測(cè)量轉(zhuǎn)換電路的任務(wù)是把微弱的電阻變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，因此常用直流電橋和交流電橋作為測(cè)量電路。電阻式傳感器大都采用右圖所示的直流電橋；對(duì)于電感和電容傳感器，則需采用交流電橋。3.5測(cè)量轉(zhuǎn)換電路1.電橋測(cè)量電路分析當(dāng)電橋的負(fù)載電阻為無(wú)窮大時(shí)，橋路的輸出電壓為：電橋的平衡條件為。設(shè)R1=R2=R3=R4=R，并設(shè)各臂電阻均有增量△R

i，且△R

i<<R，則有忽略高價(jià)無(wú)窮小得3.5測(cè)量轉(zhuǎn)換電路1.電橋測(cè)量電路分析

單臂橋：R1為應(yīng)變片，其余為固定電阻，則輸出電壓和電壓靈敏度分別為

雙臂橋：R1、R3

為應(yīng)變片，其余為固定電阻，且?1=?3，則輸出電壓和電壓靈敏度分別為

全橋：

R1、R2

、R3、R4均為應(yīng)變片，且?1=?3=-?2=-?4，則輸出電壓和電壓靈敏度分別為3.5測(cè)量轉(zhuǎn)換電路2.組橋原則為了獲得較高的輸出電壓（即獲得較大的電壓靈敏度），組橋原則見(jiàn)下圖。3.5測(cè)量轉(zhuǎn)換電路3.調(diào)零直流電橋調(diào)零3.5測(cè)量轉(zhuǎn)換電路3.調(diào)零交流流電橋調(diào)零3.5測(cè)量轉(zhuǎn)換電路4.溫度補(bǔ)償溫度變化對(duì)應(yīng)變片本身引起的誤差，可采用相同型號(hào)的應(yīng)變片通過(guò)電橋進(jìn)行補(bǔ)償。注意，組橋時(shí)，補(bǔ)償應(yīng)變片應(yīng)與工作應(yīng)變片相鄰。溫度變化引起測(cè)試件（確切地說(shuō)，應(yīng)稱為彈性部件）彈性模量E變化，從而引起應(yīng)變片阻值發(fā)生變化所引起的誤差，可采用改變拱橋電壓的方法進(jìn)行補(bǔ)償，如右圖所示。設(shè)R1為應(yīng)變片（設(shè)為單臂橋），補(bǔ)償過(guò)程如下：3.6集成與應(yīng)用1.集成應(yīng)變片傳感器利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)，以單晶硅膜片作敏感元件，在膜片上采用集成工藝制作成電阻網(wǎng)絡(luò)，組成惠斯通電橋，與雙極運(yùn)算放大器集成在一塊芯片上。當(dāng)膜片受力后，4個(gè)電阻阻值發(fā)生變化，集成塊輸出高精度、帶溫度補(bǔ)償，且與壓力成正比的模擬信號(hào)。集體應(yīng)變片式傳感器MPXH6300系列的外形圖，內(nèi)部結(jié)構(gòu)和應(yīng)用電路如下圖所示。3.6集成與應(yīng)用

2.應(yīng)用

（1）測(cè)力傳感器右圖為柱式結(jié)構(gòu)，可測(cè)大的拉力或壓力，量程上限可達(dá)107N。在小荷（103~105N）時(shí)，可用空心筒式結(jié)構(gòu)。當(dāng)力與軸向一致時(shí)，應(yīng)變片感受的縱向應(yīng)變?yōu)椋貉貓A周方向粘貼的應(yīng)變片感受模向應(yīng)變?yōu)椋菏街校篎為被測(cè)力（N）；A為受力面積（m2）；E為材料的彈性模量（N/m2）。3.6集成與應(yīng)用

2.應(yīng)用

（1）測(cè)力傳感器右圖為單端懸臂梁式測(cè)力傳感器。，其靈敏度高，測(cè)量范圍小，約1~103N。粘貼于梁上方和下方相同位置上感受的應(yīng)變絕對(duì)值相等符號(hào)相反，可用下式計(jì)算：式中，l為受力點(diǎn)到應(yīng)變片中心的距離（m）；b為寬度；h為寬度。3.6集成與應(yīng)用

2.應(yīng)用

（2）壓力傳感器右圖為筒式壓力傳惑器它被測(cè)壓力p作用于筒內(nèi)腔，使筒發(fā)生形變，工作應(yīng)變片1貼在空心的筒壁外感受應(yīng)變.補(bǔ)償應(yīng)變片2貼在不發(fā)生形變的實(shí)心端作為溫度補(bǔ)償用。一般可用來(lái)測(cè)量機(jī)床液壓系統(tǒng)壓力和槍、炮筒腔內(nèi)壓力等。例題1、采用四片相同的金屬絲應(yīng)變片（K=1.6），將其貼在實(shí)心圓柱形測(cè)力彈性元件上。如圖所示，力F=1000kg。圓柱斷面半徑r=1cm,楊氏模量E=2×107N/cm2，泊松比μ=0.3。求：（1）畫(huà)出應(yīng)變片在圓柱上粘帖位置及相應(yīng)測(cè)量橋路原理圖；（2）各應(yīng)變片的應(yīng)變=?電阻相對(duì)變化量ΔR/R=？（3）若供電橋壓U=6V，求橋路輸出電壓UO=？（4）此種測(cè)量方式能否補(bǔ)償環(huán)境溫度對(duì)測(cè)量的影響？說(shuō)明原因。例題（1）R1、R3沿軸向在力F作用下產(chǎn)生正應(yīng)變?chǔ)?>0ε3>0；R2、R4沿圓周方向貼則產(chǎn)生負(fù)應(yīng)變?chǔ)?<0,ε4<0。（2）解例題（3）例題（4）可以補(bǔ)償環(huán)境溫度變化的影響因素。因?yàn)樗膫€(gè)相同電阻應(yīng)變?cè)谕瑯迎h(huán)境條件下，感受溫度變化產(chǎn)生電阻相對(duì)變化量相同，在全橋電路中不影響輸出電壓值，即例題

2、一臺(tái)用等強(qiáng)度梁作為彈性元件的電子秤，在梁的上、下