第二章電阻式傳感器

基本原理:被測的非電量

ΔR

電量輸出第二章電阻式傳感器特點(diǎn):

結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，動態(tài)測量電阻元件非電量電阻變化第一節(jié)應(yīng)變式傳感器第二節(jié)壓阻式傳感器第一節(jié)應(yīng)變式傳感器一、工作原理二、應(yīng)變片的類型和材料三、金屬應(yīng)變片的主要特性四、轉(zhuǎn)換電路五、溫度誤差及其補(bǔ)償六、應(yīng)變式傳感器應(yīng)用

L六六一、工作原理（一）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時其電阻值將發(fā)生變化電阻應(yīng)變效應(yīng)：電阻截面積電阻率測量原理：彈性元件受力

——應(yīng)變片應(yīng)變

——電阻值變化

——被測物理量大小

電阻變化電阻相對變化量

(2-2)軸向線應(yīng)變單位：“微應(yīng)變”橫向應(yīng)變電阻相對變化量因?yàn)椋娮杪师押苄。娮杞z的靈敏度系數(shù)★即電阻的相對變化dR/R與電阻絲的軸向應(yīng)變ε成正比，在電阻絲的比例極限內(nèi)，k0為常數(shù)(一般k0=1.7~3.6)泊淞比軸向線應(yīng)變電阻絲應(yīng)變靈敏系數(shù)(2-3)1+2u＞＞dρ/ρ

㈡應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測量原理應(yīng)變片貼在被測對象表面——被測對象受力變形——應(yīng)變片敏感

珊變形——電阻改變——電量變化應(yīng)變片結(jié)構(gòu)如圖，由敏感柵(金屬絲柵)、絕緣基片及覆蓋片三部分組成。結(jié)構(gòu)測量原理二、應(yīng)變片的類型和材料1、金屬絲式

分類：回線式和短接式。圖2-2。2、金屬箔式圖2-3，利用光刻技術(shù)將薄金屬箔制成任意形狀的敏感珊。3、金屬薄膜式在絕緣基片上利用薄膜技術(shù)沉淀金屬電阻材料薄膜敏感珊箔式應(yīng)變計的優(yōu)點(diǎn)◆減小橫向效應(yīng)◆接觸面大◆增大輸出電流強(qiáng)度三、金屬應(yīng)變片的主要特性

（二）橫向效應(yīng)

軸向正應(yīng)變ε——橫向的負(fù)應(yīng)變-uε——應(yīng)變片阻值變化R——靈敏系數(shù)k下降

（一）靈敏系數(shù)——應(yīng)變片標(biāo)稱靈敏系數(shù)因?yàn)樗郧?/p>

k<k0應(yīng)變片的靈敏系數(shù)電阻絲的靈敏系數(shù)雙向應(yīng)變比雙向靈敏系數(shù)比標(biāo)定條件下：橫向效應(yīng)影響如何減小橫向效應(yīng)——直角橫柵、箔式應(yīng)變計X方向靈敏度系數(shù)橫向效應(yīng)系數(shù)

（三）機(jī)械滯后(遲滯誤差）

試驗(yàn)時加載和卸載的應(yīng)變曲線誤差

（四）零漂和蠕變

零漂：溫度不變、不受力時，應(yīng)變片的阻值隨時間變化的特性蠕變：溫度和載荷不變時，應(yīng)變片的阻值隨時間變化的特性

（五）應(yīng)變極限和疲勞壽命

1、應(yīng)變極限應(yīng)變片指示應(yīng)變與真實(shí)應(yīng)變相對誤差為10%時的真實(shí)應(yīng)變。2、疲勞壽命應(yīng)變片在恒幅值交變力下連續(xù)工作而不疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N

（六）最大工作電流和絕緣電阻

1、絕緣電阻Rm——幾十～幾百兆歐（七）應(yīng)變片的電阻值R

應(yīng)變片在室溫且未安裝時的電阻值R——特性參數(shù)2、最大工作電流Imax

允許通過而不影響工作特性的最大電流（Imax↑—輸出信號↑—k↑—應(yīng)變片發(fā)熱↑—零漂和蠕動↑）引線與試件間的電阻值（Rm↓——k↓）（八）動態(tài)響應(yīng)特性

機(jī)械應(yīng)變波是以聲波的速度在試件和應(yīng)變片中傳播。圖2-7應(yīng)變波波長λ，應(yīng)變片長l應(yīng)變片端點(diǎn)坐標(biāo)x1、x2，中點(diǎn)坐標(biāo)x0，則

x1=x0-l/2,

x2=x0+l/2應(yīng)變波的變化為：

（1）對正弦應(yīng)變波的響應(yīng)應(yīng)變片在基片長l內(nèi)測的平均應(yīng)變?yōu)閯t應(yīng)變波幅測量的相對誤差γ為當(dāng)應(yīng)變沿應(yīng)變片的x方向傳播，則x=νt,ν=λf,t=x/λf

,

則應(yīng)用:可根據(jù)頻率范圍λ和誤差要求γ——選擇應(yīng)變片的長度l應(yīng)變片在x0點(diǎn)的真實(shí)應(yīng)變?yōu)椋?）對階躍應(yīng)變波的響應(yīng)上升時間：可測頻率：應(yīng)用:可根據(jù)f

和ν——選擇應(yīng)變片的長度l應(yīng)變波速度a)為階躍應(yīng)變波b)為應(yīng)變片理論輸出c)為應(yīng)變片實(shí)際輸出應(yīng)變片長度一般以tk作為上升時間四、轉(zhuǎn)換電路變化電阻應(yīng)變片轉(zhuǎn)換電路機(jī)械應(yīng)變U(I)變化電阻應(yīng)變儀放大、顯示（一）直流電橋圖2-81、直流電橋平衡條件（圖2-8a)RL、IL為負(fù)載及其電流對節(jié)點(diǎn)a:

I1+I3–I=0對節(jié)點(diǎn)b:

I1–I2+IL=0對節(jié)點(diǎn)d:

I4+IL–I3=0對回路abda:I1R1–I3R3–ILRL=0對回路bcdb:I2R2+ILRL–I4R4=0對回路adca:U=I3R3+I4R4電橋平衡——IL=0——平衡條件：R1R4=R2R3

ΔR1為應(yīng)變片電阻變化值，RL為放大器電阻，且RL→∞

Uab=UR1/(R1+R2)Uad=UR3/(R3+R4)2、直流電橋電壓靈敏度(圖2-8b)將R1→R1+ΔR1代入上式，且上下同除R1R3，則得式（2-6）

設(shè)橋臂比n=R2/R1

，根據(jù)平衡條件R1R4=R2R3，代入式（2-6），且略去分母中的ΔR1/R1，則得：

電橋靈敏度電橋輸出定義：電橋靈敏度

——

ku=U0/(ΔR1/R1)★對稱電橋——（常采用）→電橋輸出電壓U0和電壓靈敏度kμ與各橋臂阻值無關(guān)（2-7）（二）電橋的非線性誤差式（2-7）是（2-6）的近似值，設(shè)式（2-6）的值（實(shí)際值）為(2-10)★對稱電橋（n=1)則非線性誤差γL即對金屬絲應(yīng)變片——ΔR小——γL可忽略對半導(dǎo)體應(yīng)變片——ΔR大——γL不可忽略

（三）交流電橋

與直流電橋的區(qū)別：①R→Z；②直流電源→交流電源各臂阻抗：其電壓輸出交流電橋平衡條件（U0=0)比較：①直流電橋平衡容易調(diào)節(jié)——因?yàn)闆]有高次諧波；②直流電橋連接線分布影響小——沒有電容的影響；③直流電源容易獲得，但后續(xù)直流放大器較少；④直流電橋易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移。結(jié)論：應(yīng)變片多采用交流電橋。五、溫度誤差及其補(bǔ)償㈠溫度誤差1、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。3、溫度變化的電阻總變化量

所以相應(yīng)的虛假應(yīng)變

2、試件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同引起的誤差。電阻溫度系數(shù)試件膨脹系數(shù)應(yīng)變片靈敏系數(shù)敏感柵膨脹系數(shù)因?yàn)閼?yīng)變片靈敏系數(shù)㈡溫度補(bǔ)償溫度補(bǔ)償自補(bǔ)償法線路補(bǔ)償法（橋路補(bǔ)償法）單絲自補(bǔ)償法雙絲自補(bǔ)償法（組合式）▲單絲自補(bǔ)償法

▲雙絲自補(bǔ)償法

滿足條件:滿足條件:▲線路補(bǔ)償法

滿足條件:六、應(yīng)變式傳感器舉例包括兩個主要部分：

①彈性敏感元件亦稱彈性體，利用它把被測的物理量(如力、扭矩、壓力、加速度等)轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；②應(yīng)變片，它作為傳感元件，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。(1)應(yīng)變式測力傳感器徑向應(yīng)變切向應(yīng)變⑵應(yīng)變式壓力傳感器圖2-23膜片式壓力傳感器溫度補(bǔ)償測量應(yīng)變(3)應(yīng)變式加速度傳感器

(右圖）案例1：橋梁固有頻率測量原理：沖擊對橋梁進(jìn)行激勵，橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。案例2：電子稱原理：將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化為結(jié)構(gòu)變形，再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。第二節(jié)壓阻式傳感器一、工作原理二、類型與特點(diǎn)三、溫度誤差及其補(bǔ)償一、工作原理固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化的現(xiàn)象★應(yīng)變效應(yīng)的電阻變化主要是應(yīng)變片的敏感柵產(chǎn)生應(yīng)變ε作用，如下應(yīng)變片的公式

k0=1.7～3.6

★壓阻效應(yīng)的電阻變化主要是半導(dǎo)體材料的電阻率ρ作用，如下式：

1、壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。區(qū)別：根據(jù)半導(dǎo)體電阻理論因此，半導(dǎo)體應(yīng)變片應(yīng)變靈敏度k0為壓阻式傳感器分兩類：

①利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成的粘貼式應(yīng)變片；②在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻，稱擴(kuò)散型壓阻傳感器。2、類型：壓阻系數(shù)彈性模量二、溫度誤差及其補(bǔ)償

壓阻器件本身受到溫度影響后，要產(chǎn)生零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度溫度漂移1、零點(diǎn)溫度補(bǔ)償圖2-27，當(dāng)溫度℃↑→△R3↑→B點(diǎn)的電位高于D點(diǎn)的電位→兩點(diǎn)的電位差就是零漂。所以在R2上并聯(lián)一個負(fù)溫度系數(shù)的阻值較大的電阻Rp來平衡R3的變化，而實(shí)現(xiàn)補(bǔ)償?！妗蠰↓——k0↓(k0=πLE)補(bǔ)償措施：調(diào)零電阻補(bǔ)償