电阻式传感器

电阻式传感器第1页，课件共61页，创作于2023年2月非电量应变电阻应变片弹性原件电阻变化传感器§2-1电阻应变式传感器第2页，课件共61页，创作于2023年2月金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。应变原理演示第3页，课件共61页，创作于2023年2月已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：dlF金属丝的原始电阻金属丝的原始电阻率金属丝的原始长度金属丝的原始横截面积一、工作原理电阻应变效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸长或缩短）而发生变化的一种物理现象。第4页，课件共61页，创作于2023年2月相对变化：第5页，课件共61页，创作于2023年2月引入轴向相对变形（或称为应变），则有：或：应变灵敏系数K金属材料的电阻的相对变化与应变的关系第6页，课件共61页，创作于2023年2月讨论：1、应变的灵敏系数K受二个因素的影响：几何形状变化的影响电阻率发生变化的影响2、对于金属材料：对于半导体材料：第7页，课件共61页，创作于2023年2月二、结构、分类与特性1、结构电阻丝（2）-是应变片的转换元件；基底（1）-将传感器弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质并起到电阻丝与弹性体之间绝缘和保护的作用；覆盖层（4）-将电阻丝与基底粘贴起保护作用；引出线（3）-连接测量导线。第8页，课件共61页，创作于2023年2月金属丝式应变片的结构第9页，课件共61页，创作于2023年2月2、分类应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。金属片有丝式、箔式、薄膜式3种电阻应变片

第10页，课件共61页，创作于2023年2月第11页，课件共61页，创作于2023年2月箔式应变片的外形第12页，课件共61页，创作于2023年2月优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.第13页，课件共61页，创作于2023年2月应变片的粘贴：

1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。第14页，课件共61页，创作于2023年2月

2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。第15页，课件共61页，创作于2023年2月3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。第16页，课件共61页，创作于2023年2月4.焊接：

将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

第17页，课件共61页，创作于2023年2月5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。第18页，课件共61页，创作于2023年2月3、横向效应横向效应：轴向伸长和横向缩短。第19页，课件共61页，创作于2023年2月轴向伸长作用使电阻值增加横向缩短作用使电阻值减小电阻增量减小。应变片由于感受横向应变而使电阻变化率减小，并减低灵敏度的现象称为应变片的“横向效应”。第20页，课件共61页，创作于2023年2月4、电阻应变片温度误差及补偿

电阻应变片由于温度效应引起的误差为温度误差。原因有：电阻丝的电阻率随温度发生变化；电阻丝和试件的线膨胀系数不同使其产生附加形变。a.自补偿法b.线路补偿法第21页，课件共61页，创作于2023年2月三.测量电路机械应变一般在10µε～3000µε之间，而应变灵敏度k值较小，因此电阻相对变化是很小的，用一般测量电阻的仪表是很难直接测出来，必须用专门的电路来测量这种微弱的变化。第22页，课件共61页，创作于2023年2月2023/9/123直流电桥电路的4个桥臂是由R1、R2、R3、R4组成，其中a、c两端接直流电压Ui，而b、d两端为输出端，其输出电压为Uo。在测量前，取R1R3=R2R4，输出电压为Uo=0。

1.直流电桥电路第23页，课件共61页，创作于2023年2月2023/9/124当桥臂电阻发生变化，在电桥输出端的负载电阻为无限大时，电桥输出电压可近似表示为

第24页，课件共61页，创作于2023年2月测量前应使电桥平衡，使Uo=0，即：桥式电路中，四个电阻的任何一个都可以是应变片电阻

特点：相邻相减，相对相加

第25页，课件共61页，创作于2023年2月例题1：R1R2R3R4第26页，课件共61页，创作于2023年2月例题2：如图所示，测量一个悬臂梁受力情况，若测量电路已经确定试摆放4个应变片的位置R1R2R3R4第27页，课件共61页，创作于2023年2月2023/9/128一般采用全等臂形式，即R1=R2=R3=R4=R，第28页，课件共61页，创作于2023年2月2、应变片电桥的一般组成

1）单臂工作：

第29页，课件共61页，创作于2023年2月以上说明：单臂工作时，输出电压与应变片电阻变化率之间是近似的线性关系，实际上是非线性关系。这会带来非线性误差。

若将输出电压的式子用泰勒级数展开第30页，课件共61页，创作于2023年2月2）双臂工作（差动半桥）通过上式，说明双臂工作时，如果差动双臂应变大小一致（极性相反），则不存在（或很小的）非线性误差，并可起到温度补偿作用。

3）三臂工作（同理）4）四臂工作（同理）

第31页，课件共61页，创作于2023年2月2023/9/132①半桥单臂工作方式②半桥双臂工作方式③全桥4臂工作方式

第32页，课件共61页，创作于2023年2月33电桥的线路补偿

①零点补偿要求电桥的4个桥臂电阻值相同是不可能的，这样就使电桥不能满足初始平衡条件（即U0≠0）。为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中串联一个可调电阻进行调节补偿。

第33页，课件共61页，创作于2023年2月34

2.交流电桥由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性。第34页，课件共61页，创作于2023年2月35

2.交流电桥交流电桥平衡调节由于分布电容的存在，交流信号的频率会影响电桥的平衡，故在使用之前，要对电桥进行平衡调节。第35页，课件共61页，创作于2023年2月四.电阻应变式传感器应用测量范围广：精度高：线性好；工作性能稳定、可靠应变式传感器由弹性元件、应变片、附件等组成。主要用作各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。第36页，课件共61页，创作于2023年2月371.柱(筒)式传感器2.悬臂式传感器第37页，课件共61页，创作于2023年2月2023/9/138应变式力传感器

FFFF第38页，课件共61页，创作于2023年2月39各种悬臂梁

第39页，课件共61页，创作于2023年2月40各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆第40页，课件共61页，创作于2023年2月41应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2

R4第41页，课件共61页，创作于2023年2月42汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）第42页，课件共61页，创作于2023年2月例题：（3）试分别求非线性误差。第43页，课件共61页，创作于2023年2月§2-2固态压阻传感器（一）半导体压阻效应原理：对于一条半导体材料受到应力作用后，其电阻相对变化为：对半导体来说：当某一轴向施加一定应力，电阻率发生变化称为压阻效应，不同类半导体，不同加力方向，压阻效应不一样。金属电阻应变片的缺点是灵敏系数低（k一般为2.0~3.6），半导体应变片k比金属电阻高约50倍第44页，课件共61页，创作于2023年2月。即单晶体硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。第45页，课件共61页，创作于2023年2月半导体应变片的灵敏系数半导体应变片灵敏度高，K>100可不用放大器，但半导体应变片有明显缺点：阻值，灵敏度等随温度变化大，非线性大，所以使用时应采取温度补偿和非线性补偿措施。第46页，课件共61页，创作于2023年2月二、固态压阻式传感器的结构按照结构划分，压阻式传感器主要有三种不同类型。体型半导体、薄膜型半导体、扩散型半导体。1．体型半导体应变片体型半导体应变片是一种将半导体材料硅或锗晶体按—定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片，其结构如图。第47页，课件共61页，创作于2023年2月1-锗膜2-绝缘层3-金属箔基底4-引线3．扩散型半导体应变片

将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，形成四个阻值相等的电阻条。再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。1-N型硅2-P型硅扩散层3-二氧化硅绝缘层4-铝电极5-引线

薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术，将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图。

2．薄膜型半导体应变片第48页，课件共61页，创作于2023年2月1．恒流源供电电桥

输出电压：恒流源供电的全桥差动电路

电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。

三、固态压阻式传感器的测量电路

第49页，课件共61页，创作于2023年2月零漂产生的原因是扩散电阻的阻值随温度变化而变化。灵敏度漂移是因为压阻系数随温度的变化而变化。

2．零点与灵敏度温度补偿

零漂和灵敏度漂移补偿电路

并联电阻Rp//R2，串联电阻Rs、R1用于抑制零位温漂。串联电阻Rs起调零作用并联电阻RP起补偿作用。串联二极管VD，用于灵敏度的温漂补偿。

第50页，课件共61页，创作于2023年2月§2-3热电阻式传感器热电阻是中低温区常用的一种测温元件。热电阻利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。热电阻的受热部分（感温元件）是用细金属丝均匀的缠绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度最高。第51页，课件共61页，创作于2023年2月热电阻测温电桥的三线制接法工业用热电阻一般采用三线制G——检流计，R1，R2，R3——固定电阻，Ra——零位调节电阻，Rt——热电阻第52页，课件共61页，创作于2023年2月热电阻测温电桥的四线制接法精密测量中，采用四线制接法第53页，课件共61页，创作于2023年2月§2-4热敏电阻传感器第54页，课件共61页，创作于2023年2月正温度系数(PTC)负温度系数(NTC)临界温度系数(CTR)第55页，课件共61页，创作于2023年2月PTC热敏电阻－正温度系数用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。CTR热敏电阻－负温度系数 用途：温度开关。NTC热敏电阻－很高的负电阻温度系数 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路第56页，课件共61页，创作于2023年2月⑴温度测量⑵温度控制⑶温度补偿⑷流量测量上一页下一页返回2、热敏电阻传感器第57页，课件共61页，创作于2023年2月热敏电阻点