第3章 電阻式傳感器

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第3章

電阻式傳感器

3.1工作原理3.2電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償

3.3電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路

3.4電阻式傳感器的應(yīng)用

3.1

工作原理

應(yīng)變物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象

彈性應(yīng)變當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變

彈性元件具有彈性應(yīng)變特性的物體

應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器

工作原理：當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。

結(jié)構(gòu)：應(yīng)變式傳感器由彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片構(gòu)成應(yīng)用：廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測(cè)量

3.1.1應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)活力械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)〞。

一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為：

R

lA

當(dāng)電阻絲受到拉力F作用時(shí)，將伸長(zhǎng)Δl,橫截面

積相應(yīng)減小ΔA,電阻率因材料晶格發(fā)生變形等因素影響而改變了Δρ,從而引起電阻值變化量為：

LLdR=d+dL2dAAAA

dRddLdA電阻相對(duì)變化量：RLA式中：dL/L——長(zhǎng)度相對(duì)變化量，用應(yīng)變?chǔ)疟硎緸?/p>

dLL

dA/A——圓形電阻絲的截面積相對(duì)變化量，設(shè)r為電阻絲的半徑，微分后可得dA=2πrdr,則：

dAdr2Ar材料力學(xué)：在彈性范圍內(nèi)，金屬絲受拉力時(shí)，沿軸向伸長(zhǎng)，沿徑向縮短，軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系可表示為：

drdLrL

μ為電阻絲材料的泊松比，負(fù)號(hào)表示應(yīng)變方向相反。

推得：

ddRR(12)

定義：電阻絲的靈敏系數(shù)(物理意義):單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量。其表達(dá)式為ddRKR12

RK12R

靈敏度系數(shù)K受兩個(gè)因素影響

一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，即1+2μ二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即(ρ/ρ)/ε。對(duì)金屬材料：1+2μ(ρ/ρ)/ε對(duì)半導(dǎo)體材料：(ρ/ρ)/ε1+2μ大量試驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。

3.1.2電阻應(yīng)變片種類

常用的電阻應(yīng)變片有兩種：金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片

金屬電阻應(yīng)變片蝕刻箔片電阻絲襯底襯底

引出導(dǎo)線(a)絲式(b)箔式

1

2

K12

半導(dǎo)體應(yīng)變片12半導(dǎo)體敏感條

K

襯底

引線

分析：當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量與所受的應(yīng)變力有關(guān)：

E

式中：π——半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù);

σ——半導(dǎo)體材料的所受應(yīng)變力;E——半導(dǎo)體材料的彈性模量;ε——半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。

因此：

R(12E)R試驗(yàn)證明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，

因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為：

RKRE

測(cè)量原理：在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生一致的變化，同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量為ΔR時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值σ為：

RKR

σ=Eε

3.3測(cè)量電路3.3.1直流電橋R1ABR2CR3DRLIo+Uo-

1.直流電橋平衡條件

當(dāng)RL→∞時(shí)，電橋輸出電壓為：

R4

R1R3UoERRRR2341

E

圖3.5直流電橋

電橋平衡條件當(dāng)電橋平衡時(shí)，Uo=0,則有：

R1R4=R2R3或：

R1R3R2R4

電橋平衡條件：欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。

2.電壓靈敏度應(yīng)變片工作時(shí)：電阻值變化很小，電橋相應(yīng)輸出電壓也很小，一般需要參與放大器進(jìn)行放大。由于放大器的輸入阻抗比橋路輸出阻抗高好多，所以此時(shí)仍視電橋?yàn)殚_路狀況。

當(dāng)受應(yīng)變時(shí)：若應(yīng)變片電阻變化為ΔR,其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0,則電橋不平衡，輸出電壓為

R1R1R3UoERRRRR1