工业机器人视觉与传感技术 课件 ch02 电阻式传感器

高等院校公共课系列精品教材工业机器人视觉与传感技术第二章电阻式传感器内容摘要电阻应变式传感器定义电阻应变式传感器的工作原理电阻应变片是一种敏感元件，将应变转换成电阻变化，若将其粘贴在弹性元件上，就构成了电阻应变式传感器。当被测物理量作用于弹性元件时，弹性元件的变形引起敏感元件发生应变而转变为电阻变化，通过转换电路输出电量，电量的大小反映了被测物理量的大小。这种传感器可以用来测量力、力矩、压力、重量、加速度等。在弹性范围内，导体或半导体在外力作用下产生机械变形时，其阻值相应地发生变化，这种现象称为“应变效应”。有一根电阻丝，长度为l，面积为A，电阻率为ρ，则其阻值R可以用式(2-1)表示。电阻丝横向受到应力σ时，电阻率增加△ρ，长度伸长△l，横截面积减小△A，则其阻值的相对变化量可以用式（2一2）表示。电阻应变式传感器对于直径为d的电阻丝，由于，等式两边取微分后，可以得到式（2-3）。力学中，横向收缩和纵向伸长的关系用泊松比μ表示，如式（2-4）。所以，将式（2-2）、（2-3）和（2-4）综合后可得式（2-5）。电阻应变式传感器对于金属材料，其电阻的相对变化量主要取决于

，其中，，称为应变。所以，金属材料电阻的相对变化量可以用式（2-6）近似表示。对于半导体材料，其电阻的相对变化量主要取决于

，所以半导体材料电阻的相对变化量可以用式（2-7）近似表示。其中，为半导体材料的压阻数。σ为半导体材料所受的应变力，E为半导体材料的弹性模量，ε为半导体材料的应变。电阻应变式传感器电阻应变片的分类132丝式电阻应变片一般由直径0.01-0.05mm的电阻丝制成。箔式电阻应变片是用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般为0.003-0.01mm。薄膜式电阻应变片的厚度在0.1μm以下的金属箔，采用真空沉积或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成薄膜。(1)金属电阻应变片,有丝式、箔式及薄膜式等结构形式，如图2-1所示。电阻应变式传感器电阻应变片的分类132体型半导体应变片，将半导体材料按一定方向切割成片状小条，经腐蚀压焊后粘贴在基片上而形成的应变片。薄膜型半导体应变片，利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的基片上制成。扩散型半导体应变片，将p型杂质扩散到N型单晶硅基片上，形成极薄的p型导电层，再通过特殊方法焊接引出线制作而成。这种应变片应用广泛。(2)半导体应变片，是利用其压阻效应制成的一种电阻性元件。半导体应变片半导体材料的轴向受力产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。半导体应变片主要有以下几种类型：电阻应变式传感器转换电路（1）直流电桥当应变片R1没受到外力作用时，输出电压U0可用式（2-8）表示。当应变片R1尽受到外力作用时，阻值变成，输出电压U0可用式（2-9）表示。由于R1=R2=R3=R4,所以式（2-9）可以转变为式（2-10）。当其中，就是单桥臂电桥电路输出电压的灵敏度。由上可知，在单桥臂电桥电路中，电源电压方与电阻的相对变化量是一个非线性关系，线性化后又存在一定的误差，此误差必须消除。电阻应变式传感器转换电路（1）直流电桥图2-5中，E为电源电压，R1、R2为应变片，R3、R4为电阻。设R1=R2=R3=R4，在应变片发生应变后，电阻变化量△RI=△R2。此时输出电压U0可用式(2-11)表示。由式（2-11）可知，双桥臂电桥电路的输出电压U0与电阻的相对变化量成正比关系，其中为双桥臂电桥电路输出电压的灵敏度。可见，一方面，双桥臂电桥电路解决了单桥臂电桥电路的输出非线性误差；另一方面，其灵敏度是单桥臂电桥电路灵敏度的2倍。电阻应变式传感器转换电路（1）直流电桥图2-6中，E为电源电压，R1、R2、R3、R4为应变片。设R1=R2=R3=R4，在应变片发生应变后，电阻变化量△RI=△R2=△R3=△R4。此时输出电压U0可用式（2-12）表示。由式（2-12）可知，四桥臂电桥电路的输出电压U0与电阻的相对变化量

成正比关系，其中E为四桥臂电桥电路输出电压的灵敏度。电阻应变式传感器转换电路（2）交流电桥如图2-7所示，其中U为电源电压，Z1为应变片，Z2、Z3、Z4为与等值的阻抗。当时，输出电压可用式（2-13）表示。电阻应变式传感器转换电路（2）交流电桥如图2-7所示，其中U为电源电压，Z1、Z2为应变片，Z3、Z4为阻抗，设Z1=Z2=Z3=Z4,△Z1=△Z2时，输出电压可用式（2-14）表示。如图2-7所示，其中U为电源电压，Z1、Z2、Z3、Z4为应变片，设Z1=Z2=Z3=Z4,△Z1=△Z2=△Z3=△Z4时，输出电压可用式（2-15）表示。电阻应变式传感器电桥电路的补偿电桥电路的补偿零点补偿，电桥电路中的电阻应变片虽然精度高，但是四个应变片的阻值也是不可能完全相等。即使能挑选到四个阻值相等的应变片，在经过贴片后，其阻值也会发生变化，这样电桥在初始时就不平衡了，即初始时U0不等于0。一般在对角阻值乘积小的一个桥臂上，串接可调电阻进行补偿，这样能保证在初始时的输出电压U0=0。温度补偿，环境温度的变化，引起桥臂阻值的变化，由于其温度系数与测试材料的线膨胀系数不同，就会导致在初始状态下U0不等于0。补偿片补偿，用一个应变片作为工作片粘贴在试件上测应力，并接入电桥电路的一个桥臂：另一块应变片接在相邻的桥臂上。让电桥处于同一温度下。由于工作片和补偿片所受温度相同，因此温度对电桥的无影响。弹性模量补偿（又称为杨氏模量补偿），补偿方法是在电桥的输入端接入补偿电阻RE。为了保证电桥对称，通常将RE/2分别接入电桥的输入端。电阻应变式传感器电阻应变片的应用测力或荷重测量力或荷重的传感器统称为应变式力传感器。其主要用在各种电子秤上，还可用于用于发动机推力测试，水坝的承重监测等。测压力电阻压变片用于测量压力时，主要是测量流动介质的动态或静态压力。如管道进出口的压力、发动机缸内压力、枪和炮管内压力、内燃机管道的压力等。测量加速度测量加速度的基本工作原理是物体运动的加速度与作用于它的力成正比，与物体的质量成反比，即。热电阻式传感器热电阻铂热电阻铂热电阻值与温度的关系可表示为：铜热电阻在一些测量精度要求不高、温度范围不大的场合，可以采用铜热电阻测温。其测温范围为-50——150℃。关系式可近似表示为：热电阻式传感器热电阻热电阻的结构和测量工业用热电阻实物图如图2一11所示。它由电阻体、绝缘管、保护套、引线和接线盒等部分组成。热电阻内部引线方式有二线制、三线制和四线制。二线制：两根线既是电源线又同时是信号线，一般用于4-20mA信号传输。其优点是接线简单，只适用一般功率小的一次传感器，传感器本身用电由二线制中得到，是必影响其带载能力。二线制接线中，引线电阻对测量的影响大，用于测量温精度不高的场合。三线制：一根线为电源正线，一根线为信号正线，一根线为电源负线和信号负线的公共线；一般用于1-5V信号传输。三线制接线可以减小热电阻与信号处理单元之间连接导线的电阻，因环境温度变化所引起的测量误差。四线制：电源两根线，信号两根线。电源和信号是分开工作的，即在三线制的基础上，信号线有自己的地，不和电源线共地。信号线的电流是总电流的一部分，且因为信号线不和电源线共地而相比三线制它的电流可能难于计算。四线制适用于大功率的传感器。四线制接线可以消除引线电阻对测量结果的影响，用于高精度测量。热电阻式传感器热敏电阻热敏电阻的工作原理及特性热敏电阻是利用半导体的电阻随温度变化的特性制成的测温元件。其电阻率温度系数大，是金属材料的10、100