第4章 電阻式傳感器

傳感器技術(shù)與應(yīng)用2第4章電阻式傳感器4.1電阻式傳感器概述4.2電阻應(yīng)變式傳感器4.3壓阻式傳感器第4章知識目標（1）掌握電阻應(yīng)變式傳感器的材料構(gòu)成、類型劃分與工作原理；（2）掌握壓阻式傳感器的材料構(gòu)成、類型劃分與工作原理；（3）掌握電阻式傳感器典型的電橋測量轉(zhuǎn)換電路的結(jié)構(gòu)構(gòu)成特點。3第4章能力目標（1）準確理解應(yīng)變效應(yīng)與壓阻效應(yīng)的區(qū)別；（2）掌握三種結(jié)構(gòu)直流電橋的工作原理及其特性分析方法，并且能夠根據(jù)實際工程測量需要，合理選擇電橋結(jié)構(gòu)；（3）理解并掌握電阻應(yīng)變式傳感器進行溫度補償?shù)谋匾约捌涑Ｓ醚a償方法。454.1電阻式傳感器概述

通過敏感元件感受被測非電量的變化，并將被測量的變化先轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，進而通過測量轉(zhuǎn)換電路，再轉(zhuǎn)換成電壓、電流、頻率等電參量的變化。后續(xù)可根據(jù)需要配置信號調(diào)理電路，送至微處理器進行數(shù)據(jù)的進一步分析處理。1.基本測量原理與結(jié)構(gòu)構(gòu)成：電阻式傳感器包括：金屬熱電阻、熱敏電阻、光敏電阻、磁敏電阻、濕敏電阻、電阻應(yīng)變式傳感器和壓阻式傳感器等。64.2電阻應(yīng)變式傳感器（1）應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體在力的作用下產(chǎn)生機械形變，材料的電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。2.應(yīng)變效應(yīng)及其相關(guān)名詞術(shù)語（2）應(yīng)變：即變形，物體在受到外力的作用下產(chǎn)生的形狀變化。

包括拉伸應(yīng)變、壓縮應(yīng)變、剪切應(yīng)變和彈性應(yīng)變等。（4）彈性元件：具有彈性應(yīng)變特性的物體。（3）彈性應(yīng)變：是指當外力去除后，受力物體能完全恢復(fù)到原有形態(tài)的應(yīng)變。與電阻應(yīng)變式傳感器配合的敏感元件即為彈性元件。73.應(yīng)變效應(yīng)解析——以金屬導(dǎo)體應(yīng)變效應(yīng)為理論分析對象8對電阻值的表達式進行全微分，可以得到各個參量相對變化率的關(guān)系式：金屬電阻絲的縱向應(yīng)變（軸向應(yīng)變）金屬電阻絲的橫向應(yīng)變（徑向應(yīng)變）金屬電阻絲電阻率的相對變化率9根據(jù)材料力學的知識，可知金屬電阻絲的橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變，以及泊松比之間存在如下關(guān)系：將此兩表達式代入各個參量相對變化率關(guān)系式，整理可得：104.電阻應(yīng)變片材料、結(jié)構(gòu)與類型

電阻應(yīng)變片是電阻應(yīng)變式傳感器的核心構(gòu)成元件，是傳感器的轉(zhuǎn)換元件，將敏感元件感受的被測非電量的變化轉(zhuǎn)換成電阻阻值的變化。

主要由金屬材料構(gòu)成。（2）電阻應(yīng)變片材料性能要求：①

電阻率高；②

電阻溫度系數(shù)小；③

靈敏系數(shù)大；

④

線膨脹系數(shù)高。（1）電阻應(yīng)變片基本特性常用的金屬應(yīng)變片材料有：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鉑和鉑鎢合金等。11（3）電阻應(yīng)變片一般結(jié)構(gòu)構(gòu)成

電阻應(yīng)變片不直接受力的作用，而是粘貼在彈性敏感元件表面。當測量力等非電量時，彈性敏感元件感受力的作用產(chǎn)生應(yīng)變，并通過粘合劑傳遞給電阻應(yīng)變片。12（4）電阻應(yīng)變片類型

根據(jù)制作工藝的不同，金屬電阻應(yīng)變片分為三種類型：

絲式電阻應(yīng)變片、箔式電阻應(yīng)變片、薄膜式電阻應(yīng)變片。金屬電阻絲被制作成柵狀，粘貼在絕緣基片上。金屬柵線的直徑通常為0.015mm~0.05mm。柵線形狀主要有U、V、H型三種。采用光刻腐蝕等制作工藝，將金屬箔制作成各種形狀的敏感柵（也稱為應(yīng)變花），金屬箔的厚度通常為0.003mm~0.01mm。采用真空蒸鍍、沉積等方法在絕緣基片上制作一定形狀、厚度小于0.1μm的金屬薄膜敏感柵。13

我國現(xiàn)行標準《金屬粘貼式電阻應(yīng)變計》（GB/T13992-2010）規(guī)定了金屬電阻應(yīng)變片在不受外力作用時對應(yīng)的標稱電阻阻值：60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω，其中以120Ω和350Ω最常見。（5）電阻應(yīng)變片標稱電阻阻值145.彈性敏感元件彈性敏感元件是電阻應(yīng)變片傳感器的重要構(gòu)成部分對彈性敏感元件的基本性能要求是：能夠準確傳遞受力信息，并保持在受力不變時的形變一致性好，復(fù)位性能好。彈性敏感元件在實際工程應(yīng)用中，大多數(shù)為鋁合金、合金鋼和不銹鋼等材質(zhì)。彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)與外形需要滿足實際應(yīng)用場景的安裝需要，結(jié)構(gòu)形狀豐富：15以懸臂梁為彈性敏感元件的電阻應(yīng)變式傳感器構(gòu)建示意圖166.測量轉(zhuǎn)換電橋電路17（1）直流單臂電橋向上的箭頭表示工作時，電阻應(yīng)變片的彈性敏感元件將受到拉力的作用（箭頭反向表示受到壓力的作用）①

結(jié)構(gòu)特點將一個電阻應(yīng)變片接入直流電橋的一個橋臂在電阻應(yīng)變片沒有外力施加作用時，直流電橋處于平衡狀態(tài)，UO=018②

工作原理分析金屬電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)電阻絲軸向應(yīng)變19

（2）直流雙臂電橋①

結(jié)構(gòu)特點半橋?qū)蓚€電阻應(yīng)變片接入電橋的相鄰橋臂中，并且令兩個電阻應(yīng)變片在測量過程中，一個受拉力、一個受壓力，阻值變化大小相等，方向相反。當兩個電阻應(yīng)變片不受外力作用時，直流雙臂電橋處于平衡狀態(tài)，UO=020②

工作原理分析當兩個電阻應(yīng)變片受到外力作用時，R1=R2=R3=R4=RΔR1=ΔR2=ΔR21（3）直流全橋①

結(jié)構(gòu)特點將電橋的四個橋臂電阻全部以電阻應(yīng)變片替代注意：◆保證電橋鄰臂位置上的電阻應(yīng)變片在測量的過程中一個受拉力、一個受壓力；◆對臂位置上的兩個電阻應(yīng)變片在測量的過程中同受拉力或同受壓力。22②

工作原理分析當四個電阻應(yīng)變片受到外力作用時，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔRR1=R2=R3=R4=R23思考：直流單臂電橋、雙臂電橋、全橋測量靈敏度對比？247.電阻應(yīng)變片的溫度補償

實際工程應(yīng)用中的電阻應(yīng)變片的阻值會受到環(huán)境溫度的影響，導(dǎo)致較大的數(shù)據(jù)測量誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差，需要進行溫度補償。

常用的溫度補償方法：雙絲組合式自補償應(yīng)變片法和橋式電路補償法。（1）

雙絲組合式自補償應(yīng)變片法

選擇溫度系數(shù)正、負相反的兩種電阻絲材料，將兩者串聯(lián)繞制成敏感柵。兩者處于相同的溫度場中，同樣的溫度變化，兩個電阻絲產(chǎn)生的電阻值變化一個是增量，一個是減量，從而實現(xiàn)了溫度補償。25（2）橋式電路補償法安裝在與被測對象材料相同的材料上（補償件），稱為補償應(yīng)變片，不承受應(yīng)力。安裝在被測對象的表面，承受應(yīng)力。26注意：

雙臂電橋、全橋電路本身就可以在一定程度上實現(xiàn)溫度補償，分析原因。274.3壓阻式傳感器1.壓阻效應(yīng)壓阻式傳感器的轉(zhuǎn)換元件由半導(dǎo)體材料構(gòu)成對力的測量基于壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)：當半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時，改變了材料的晶格結(jié)構(gòu)，使內(nèi)部電子運動受到阻礙，遷移率發(fā)生改變，從而導(dǎo)致電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片在實際工程應(yīng)用中，可以粘貼在被測對象上，直接感受應(yīng)力變化，也可以粘貼在彈性敏感元件上，間接感受應(yīng)力變化。282.壓阻效應(yīng)解析設(shè)半導(dǎo)體材料受到軸向外力作用，則：半導(dǎo)體材料的縱向壓阻系數(shù)半導(dǎo)體材料的彈性模量半導(dǎo)體材料的軸向應(yīng)變29借助金屬電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)解析思路：半導(dǎo)體材料的電阻率的相對變化率：半導(dǎo)體材料的靈敏系數(shù):303.半導(dǎo)體應(yīng)變片材料與類型應(yīng)用（1）半導(dǎo)體應(yīng)變片材料制作半導(dǎo)體應(yīng)變片的材料通常有單晶硅、擴散摻雜硅和多晶硅，其中以單晶硅為主。

半導(dǎo)體應(yīng)變片具有溫漂小，靈敏度高，工作穩(wěn)定，體積小巧，性價比高等優(yōu)勢，特別是靈敏度系數(shù)要比電阻應(yīng)變式約高50~100倍。31（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片類型根據(jù)敏感柵制造工藝的不同分為三類：①

體型半導(dǎo)體應(yīng)變片②

擴散型半導(dǎo)體應(yīng)變片③

薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片

將硅或鍺半導(dǎo)體材料按一定晶軸方向切成薄片，經(jīng)過研磨、腐蝕、壓焊引線，粘貼在基片上。利用固體擴散技術(shù)將某種雜質(zhì)元素擴散到半導(dǎo)體材料上制成。以真空蒸鍍、沉淀等方法制作硅、鍺等半導(dǎo)體材料的薄膜敏感柵。32（3）半導(dǎo)體應(yīng)變片典型應(yīng)用（1）測量高頻動態(tài)壓力：

典型應(yīng)用