电阻式传感器医用传感器教学课件

第3章电阻式传感器 广泛用于人体生理参数测量 呼吸的位移和力 血压 体重 浓度 速度等 电阻式传感器按材料不同分为两大类 金属电阻应变式传感器用金属丝或金属箔作敏感元件制成的片状传感器 半导体压阻传感器在半导体膜片上扩散成电阻的方法制成 第一节金属应变片式传感器 金属应变式传感器 由弹性元件 金属应变片和其他附件组成 当弹性元件变形时 粘贴其上的电阻应变片随之变形 并把变形转化为电阻值的变化 其机理是电阻应变片的电阻应变效应 一 金属应变效应 一 应力在一受力物体截面上一点A取一微小面积 A 若此时受力为 F 则 F与 A的比值则为面积 A上的平均应力 当 A 0时就为A点的应力 应力可分解为 为垂直截面的应力分量 为与截面相切的应力分量单位 牛顿 米2 或帕斯卡 二 应变物体在外力作用下 其几何形状将发生变化 围绕物体中任一点取一微小正六面体 其边长分别为 x y z 物体外力作用变形后 其边长和棱边夹角都将发生变化 变形前为 x的棱边变形后边长为 x l 其相对形变为 称为x方向的应变 其中 a为单位长度的平均伸长和缩短 称为平均应变 当x 0时极限 正应力引起材料的伸长或缩短 剪应力引起材料的畸变 并使材料发生转动 三 应变效应 拉伸金属导体产生应变 在拉伸比例极限内 金属导体电阻相对变化与轴向应变成正比 即R 无应变电阻值 dR 产生应变时电阻变化量 轴向应变 dL L k0 金属材料的灵敏系数 公式的推导 一段金属电阻丝 其截面积为A 电阻率为 长度为L 则其电阻为 金属丝受应力作用产生形变时 A L和 都随形变而改变 上式取自然对数 取全微分 电阻值的相对变化率取决于三个基本因素 电阻丝的电阻率相对变化量 d 电阻丝长度的相对变化量 dL L 电阻丝截面积的相对变化量 dA A 式中 dL L 长度相对变化量 用应变 表示为 dA A 圆形电阻丝的截面积相对变化量 设D为电阻丝的直径 材料力学 在弹性范围内 金属丝受拉力时 沿轴向伸长 沿径向缩短 轴向应变和径向应变的关系可表示为 为电阻丝材料的泊松比 负号表示应变方向相反 推得 因 则有 因形变引起 称尺寸效应 因应变使电阻率变化而引起 称压阻效应 受两个因素影响 受力后材料几何尺寸变化所引起 即 1 2 项 受力后材料电阻率变化所引起的 即 d 项 定义 电阻丝的灵敏系数 物理意义 单位应变所引起的电阻相对变化量 其表达式为 一般金属材料电阻丝在一定变形范围内 约0 3 0 5k0第一项约为1 6 2 0 第二项近似为0 灵敏系数k0为常数2第二项因电阻率而引起 可以忽略 金属材料 k0主要以第一项为主半导体 k0值主要是由电阻率相对变化所决定 二 金属应变片的结构种类 一 基本结构 主要有基片 金属丝 电阻丝 或金属箔 覆盖层以及引线组成 金属丝 箔 是应变片的敏感核心 覆盖层起到保护和定位作用 引出线作为测量的连接线 底基起绝缘保护作用 二 种类 1 丝式应变计回丝式 横向效应较大短接式 克服横向效应 是在绝缘基底上 将厚度为0 003 0 005mm电阻箔材 利用照相制版或光刻技术 制成各种需要的形状 2 箔式应变计 三 金属应变片的参数与特性 灵敏系数k是指在一维应力作用下 粘贴在试件表面应变片单位电阻变化率与试件上应变片沿灵敏轴线产生单位变形之比 数学式为 k又称为 标称灵敏系数 一 应变片的灵敏系数 电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0 粘结层传递变形失真存在横向效应 原因 敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段 沿x向拉应变 x 电阻圆弧段 除x向拉应变 x 还有y向压缩应变 y 使截面积电阻 K 箔式应变片 二 横向效应 应变极限是指一定温度下 室温或极限使用温度 应变片的指示值和真实应变的相对误差值不超过一定数值时的最大应变数值 三 应变片的应变极限 应变片的应变极限主要是由特性曲线的非线性来决定的 超过应变极限不再符合线性 四 机械滞后 对已安装好的应变片 在一定温度下 其 R R 指 与 真的加载特性与卸载特性不重合 如图所示 因此在同一真实应变值下 其对应的 R R 指 值不一致 这个加载差值称为应变片的滞后值 原因 敏感栅材料 基底和黏结剂在承受机械应变之后所留下的残余变形引起的 在动态测量时 应变是以应变波的形式在材料中传播的 它的传播速度与声波相同 对钢材V 500Om s 因此应变片要反映应变的变化是要一定时间的 应变片的最高工作频率与应变片线栅的长度 或称基长 有关 不同基长应变片的最高工作频率 五 最高工作频率 应变片在不受外力下 室温测得电阻值 目前国内应变片电阻习惯用60 120 200 350 500 1000 其中以120 的为最常用 电阻值大 可以加大承受的电压 输出信号也可以加大 允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值 过大电流使应变片本身过热 灵敏系数变化 甚至把应变片烧毁 约取25mA左右 六 应变片电阻值 七 最大工作电流 八 零漂和蠕变 对于已安装好的应变片 在一定温度下 不承受机械应变时 其指示应变随时间而变化的特性 称为应变片的零漂 如果在一定温度下 使其承受一恒定的机械应变 其指示应变随时间而变化的特性 称为应变片的蠕变 这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性 在长时间测量中其意义更为突出 应变片电阻随温度变化必造成误差 称这种误差为应变片的温度误差 温度改变引起电阻变化的原因有二个 应变片的金属敏感栅电阻本身随温度变化 因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同而造成应变片的附加变形使得电阻变化 九 电阻应变片的温度特性 温度补偿的两种方法 同步补偿 把受力应变片贴在受力件上 把补偿片贴在不受力但环境温度相同的材料上 接入电桥线路相邻的桥臂上 相互补偿 电桥输出只反映应变大小 与温度无关 b 差动补偿 差动补偿 将工作应变片贴在上表面 补偿片贴在对应下表面 弯曲时 工作应变片电阻值增加 补偿片电阻值减小 两个电阻接在电桥的相邻两臂 结果 电桥输出增加一倍 提高输出灵敏度 上下温度一致 补偿环境温度造成的误差 应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形 轴向变短 径向变长 应变片将试件应变 转换成电阻相对变化 R R 由于机械应变一般都很小 为了进一步处理 须把电阻相对变化 R R转换为电压或电流的变化 直流电桥是把电阻传感器的微弱电阻变化转换成电流或电压变化的变换电路 直流电桥是因为采用直流电源作为驱动电源而得名 第三节电阻传感器测量及接口电路 假设输入端U是一个恒压源 由于输出端接高阻抗的指示表或放大器 近似看成开路 一 直流电桥 当电桥平衡时 Uo 0 则有 R1R3 R2R4 或 电桥平衡条件 欲使电桥平衡 其相邻两臂电阻的比值应相等 或相对两臂电阻的乘积应相等 下面分别讨论桥臂电阻的变化与输出电压的关系 一个桥臂电阻有变化 单臂电桥 例如桥臂R1电阻有 R1的变化 只有一臂工作 成为R1 R1则电桥的输出电压为 若取R1 R2 R3 R4 R0 若电桥用于微电阻变化测量 有 如相邻桥臂电阻都有电阻变化 一个受拉应变 一个受压应变 即R1变为R1 R1 R2变为R2 R2 当若取R1 R2 R3 R4 R0 且 R1 R2 R时 这称为半桥双臂工作电桥 两个桥臂电阻有变化 双臂电桥 四个桥臂电阻均有变化 全桥 全桥差动 电桥四臂接入四片应变片 即两个 相对臂 受拉应变 两个 相对臂 受压应变 将两个应变符号相同的接入相对桥臂上 若 R1 R2 R3 R4 且R1 R2 R3 R4 R0 则其输出电压为 结论 全桥电路电压灵敏度为单片工作时的4倍 电桥输出电压小结 双臂电桥 全桥 非线性误差讨论 以单臂工作为例讨论非线性误差 上述公式推导的条件是基于 R1 R1 将公式分母中 R1 R1忽略 实际上 忽略 R1 R1将带来误差 假设未忽略 R1 R1的桥路输出电压为UL 忽略 R1 R1的桥路输出电压为UL 根据定义 非线性误差e为 对于非线性误差很大的情况 必须采用其它处理方法减少非线性误差 例如采用差动式结构 或者采用恒流源供电代替直流电压源等 两金属应变片R1和R2阻值均为120 灵敏系数k 2 两应变片一受拉 另一受压 应变均为1000 两者接入直流电桥组成半桥双臂工作电桥 电源电压U 5V 求 1 R和 R R 2 电桥的输出电压U0 答 1000 0 001 右图为等强度梁测力系统 R1为电阻应变片 应变片灵敏度系数K 2 05 未受应变时 R1 120 当试件受力F时 应变片承受平均应变 800um m 试求 1 应变片的电阻相对变化量 R1和电阻相对变化量 R1 R1 2 将电阻应变片R1置于单臂测量电桥 电桥电流电压为直流3V 求电桥输出电压及电桥非线性误差 3 若要减少非线性误差 应采取何种措施 分析其电桥输出电压及非线性误差的大小 解 若线性 则 非线性误差e 若要减小非线性误差 应采用差动电桥 使一个受拉 一个受压 则 输出电压为 在没有输入信号的状态下 具有尽可能小的输出信号 通常将此输出称为零位输出 如图 令 先测得 再计算出应增加的补偿电阻值 电桥产生的零位输出电压为 这种补偿方法适用于桥臂电阻小的直流电桥 优点 方法简便 电阻丝体积小 可以安放在传感器的壳体内 缺点 不能随时调节零位输出 传感器使用一段时间后 其阻值发生了一定的变化 直流电桥的零位补偿 图 b 中 电位器串接于桥臂R3和R4中间 电位器的滑动臂作为一个输出端 当改变电位器滑动触点的位置后 桥臂R3 R4的阻值同时变化 连续调节电位器并观察输出电压 直到零位输出达到理想后 调节结束 串联平衡调节 这种补偿方法适用于桥臂电阻较大的直流电桥 缺点 滑动触点容易接触不良 电位器体积较大 一般不能放入传感器内 传感器到电位器间的连线容易发生干扰或带来引线电阻的温度漂移影响 图 c 的接法相当于桥臂R2和R4上各并联了一个电阻 通过电位器的调节就可以同时改变R2和R4的并联电阻值 并观察零位输出使之达到理想的范围 并联平衡调节 这种补偿方法零位调节方便 稳定 但要注意连接线应该短而对称 电桥的温漂补偿 1 热敏补偿法在电桥的某一臂串接阻值较小的热敏元件 有时选用的热敏电阻的温度系数非常大 其阻值也比需要量大得多 因此常在热敏电阻上再并联一个非热敏的小电阻r1 使得r1与热敏电阻Rt并联后达到实际所需的补偿范围 如左图 温度漂移对于电桥长时间联系测量影响很大 温度漂移产生的原因与电桥元件的温度系数不一致 环境温度的变化 结构零件的热膨胀系数不一致 焊点及引出线的电阻值不对称或不稳定等都有关系 用热敏电阻的阻值变化去补偿桥臂电阻的温度变化 2 非热敏元件补偿法 通过选择Rs Rc的数值就可以达到补偿目的 二 典型接口电路 由恒流源供电如果传感器输出为60 80mV 要求放大器输出电压为1V 则放大电路的增益为5 5 17倍 RP1采用10 电势差计 当RP1最大时 增益最小 为5 5倍 可计算出R3 R4 22 5K 实际情况取R3 R4 20K 该电路仅放大差动电压 则 为补偿传感器桥路不平衡所产生的电压 将电势差计RP2所形成的电压经A4进行阻抗变换 再通过R8加到A5的同相输入端 半导体压阻传感器也称为固态压阻式传感器 solid statepiezoresistivesensor 原理是基于半导体材料压阻效应 也称为半导体应变式传感器 半导体材料在机械应力的作用下 使得材料本身的电阻率发生了较大的变化 这种现象叫做压阻效应 这与金属电阻的应变效应有根本的区别 第二节半导体固态压阻式传感器 原理 晶体在应力作用下 晶格间的载流子 空穴 电子 的相互作用发生了变化 从能量的角度来看 原子结构中的导带和价带之间的禁带宽度发生了变化 这就影响了导带中载流子数目 同时又使载流子的迁移率发生变化 因此晶体的电阻率变化 通常称为压阻式传感器 半导体应变片灵敏系数要比金属应变片大几十倍至一百多倍 半导体晶片压阻效应的方向性很强 一 体型半导体应变片 半导体应变片在轴向受力作用时 其电阻相对变化为 半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关 压阻系数y 杨氏模量 应变量 因此 实验证明 y比1 2 大上百倍 所以1 2 可以忽略 因而 kB为半导体应变片应变系数 半导体应变片应变系数50 200 而一般金属应变片应变系数只有1 4 用半导体应变元件制成传感器获得高灵敏度 低机械滞后 体积小等优点 缺点 温度系数较大 非线性比较大等 用P型或N型硅材料按其压阻效应最强的方向切割成薄片 将此硅条粘贴在带有引线焊接箔的底基上 焊接好后成为应变片 a 普通半导体应变片 b 补偿式半导体应变片 c 无底基半导体应变片 二 扩散式半导体应变片 将P型半导体扩散到N型硅基底上 形成一层极薄的导电P型层线条 连接引线后形成扩散式半导体应变片 通常称压敏电阻片 三 传感器电路 一 恒压源供电直流电桥 把扩散式压敏电阻接成惠斯通电桥 当有应力时 两个电阻增量为 R 另两个对接电阻减小量为 R 还由于温度的影响 每个电阻都有 RT的变化量 当 RT 0时 和温度非线性关系 恒压源供电不能消除温度的影响 二 恒流源供电直流电桥 恒流源供电时 假设电桥两个支路电阻RABC RADC 2 R RT 则有 输出和 R成正比 也和电流源电流成正比 电流源供电的优点是不受温度变化的影响 因此 输出为 三 温度补偿电路 为了补偿温度对测量带来的影响 需要采取温度补偿线路 办法 在电源回路中用串联二极管 负温度系数 进行补偿 温度升高传感器灵敏度降低使电源电压提高电桥输出变大 进行补偿 温度降低传感器灵敏度升高使电源电压降低电桥输出变小 进行补偿 四 非线性补偿电路 大部分电阻应变式传感器都存在应变极限带来的非线性 应变特性曲线呈现非线性特性 如图所示 使用时应该对变式传感器进行非线性补偿 一 金属应变式传感器的医学应用 用来测量脉搏 呼吸流量 血压等应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件 在压力p作用下 膜片产生径向应变 r和切向应变 t 表达式分别为 第四节电阻式传感器的医学应用 膜片式压力传感器 应变变化曲线的特点 当x 0时 rmax tmax 当x R时 t 0 r 2 rmax 特点的应用 一般在平膜片圆心处切向粘贴R1 R4两个应变片 承受较大的正切向应变 在边缘处沿径向粘贴R2 R3两个应变片 承受较大的负径向应变 然后接成全桥测量电路 r 径向应变 t 切向应变 高灵敏度的简支梁结构的血压传感器原理 a 弹簧片 简支梁 结构 b 传感器的作用原理 传感器高灵敏度的原因 膜片有较大面积 把均匀分布于膜片上血压