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:

結構簡單，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)應變式傳感器第二節(jié)壓阻式傳感器第一節(jié)應變式傳感器一、工作原理二、應變片的類型和材料三、金屬應變片的主要特性四、轉換電路五、溫度誤差及其補償六、應變式傳感器應用

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

——應變片應變

——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)軸向線應變單位：“微應變”橫向應變電阻相對變化量因為（電阻率ρ很小）——電阻絲的靈敏度系數(shù)★即電阻的相對變化dR/R與電阻絲的軸向應變ε成正比，在電阻絲的比例極限內，k0為常數(shù)(一般k0=1.7~3.6)泊淞比軸向線應變電阻絲應變靈敏系數(shù)(2-3)1+2u＞＞dρ/ρ

㈡應變片的基本結構及測量原理應變片貼在被測對象表面——被測對象受力變形——應變片敏感

珊變形——電阻改變——電量變化應變片結構如圖，由敏感柵(金屬絲柵)、絕緣基片及覆蓋片三部分組成。結構測量原理二、應變片的類型和材料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沉淀金屬電阻材料薄膜敏感珊箔式應變計的優(yōu)點◆減小橫向效應◆接觸面大◆增大輸出電流強度三、金屬應變片的主要特性

（二）橫向效應

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

（一）靈敏系數(shù)——應變片標稱靈敏系數(shù)因為所以且

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

（三）機械滯后(遲滯誤差）

試驗時加載和卸載的應變曲線誤差

（四）零漂和蠕變

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

（五）應變極限和疲勞壽命

1、應變極限應變片指示應變與真實應變相對誤差為10%時的真實應變。2、疲勞壽命應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）應變片的電阻值R

應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)響應特性

機械應變波是以聲波的速度在試件和應變片中傳播。圖2-7應變波波長λ，應變片長l應變片端點坐標x1、x2，中點坐標x0，則

x1=x0-l/2,

x2=x0+l/2應變波的變化為：

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

,

則應用:可根據(jù)頻率范圍λ和誤差要求γ——選擇應變片的長度l應變片在x0點的真實應變?yōu)椋?）對階躍應變波的響應上升時間：可測頻率：應用:可根據(jù)f

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

I1+I3–I=0對節(jié)點b:

I1–I2+IL=0對節(jié)點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（2-7）（二）電橋的非線性誤差式（2-7）是（2-6）的近似值，設式（2-6）的值（實際值）為(2-10)★對稱電橋（n=1)則非線性誤差γL即對金屬絲應變片——ΔR小——γL可忽略對半導體應變片——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節(jié)——因為沒有高次諧波；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)生零點漂移。結論：應變片多采用交流電橋。五、溫度誤差及其補償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

所以相應的虛假應變

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)應變片靈敏系數(shù)敏感柵膨脹系數(shù)因為應變片靈敏系數(shù)㈡溫度補償溫度補償自補償法線路補償法（橋路補償法）單絲自補償法雙絲自補償法（組合式）▲單絲自補償法

▲雙絲自補償法

滿足條件:滿足條件:▲線路補償法

滿足條件:六、應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)轉換為彈性體的應變值；②應變片，它作為傳感元件，將應變轉換為電阻值的變化。(1)應變式測力傳感器徑向應變切向應變⑵應變式壓力傳感器圖2-23膜片式壓力傳感器溫度補償測量應變(3)應變式加速度傳感器

(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化為結構變形，再通過應變片轉化為電量輸出。第二節(jié)壓阻式傳感器一、工作原理二、類型與特點三、溫度誤差及其補償一、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★應變效應的電阻變化主要是應變片的敏感柵產(chǎn)生應變ε作用，如下應變片的公式

k0=1.7～3.6

★壓阻效應的電阻變化主要是半導體材料的電阻率ρ作用，如下式：

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

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

壓阻器件本身受到溫度影響后，要產(chǎn)生零點溫度漂移和靈敏度溫度漂移1、零點溫度補償圖2-27，當溫度℃↑→△R3↑→B點的電位高于D點的電位→兩點的電位差就是零漂。所以在R2上并聯(lián)一個負溫度系數(shù)的阻值較大的電阻Rp來平衡R3的變化，而實現(xiàn)補償?！妗蠰↓——k0↓(k0=πLE)補償措施：調零電阻補償