《电阻传感器》PPT课件.ppt

1、第二章 电阻式传感器原理与应用,电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。 （1）电阻式应变片 （2）压阻式 （3）热电阻式 测量参数：形变、压力、力、位移、加速度、温度,自动测力或称重中应用最普遍的是电阻应变式传感器，应变式传感器有下列优点： 1.精确度，线性度好，灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小，寿命高 3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测 4.结构较简单，体积较小应用灵活 5.工作稳定、保养方便 应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量位移、加速度，振幅等其他物理量,2.1 应变式传感器,应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被

2、测量转换为电量输出的一种传感器。 一、金属的应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。 取一根长度为L，截面积为S，电阻率为 的金属丝，未受力时其电阻R为,2.1.1金属电阻 应变片的工作原理,当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长L, 横截面积相应减小A（取负号）, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变, 故引起电阻值相对变化量为,式中L/L是长度相对变化量, 用应变表示,A/A为电阻丝的截面积相对变化量, 因,轴向应变,径向应变,由材料力学, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,式中: 材料的泊松比, 负号表示

3、应变方向相反。 材料的纵向应变,以取代 和 ，由材料力学可知,应力,金属电阻的灵敏系数,材料的几何尺寸变化引起的（应变效应） 材料的电阻率随应变引起的（压阻效应,金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6 半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定,二、电阻应变片的结构与种类,金属丝式：直径d=0.02mm0.05mm,允许电流I=10mA12mA,电阻R=501000欧姆. 铂等 金属箔式：厚度0.0030.01mm，康铜、镍铬 光刻腐蚀技术 金属薄膜式：厚度0.1微米。真空蒸镀、沉积、溅射,用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片也随同变形，其电阻

4、值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化,金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线,三、应变片的粘贴技术,应变片的检查与选择 试件的表面处理 底层处理 贴片 固化 粘贴质量检查 引线焊接与组桥连接,应变片的敏感栅是由金属或半导体材料制成的，因此工作时既能感受应变，又是温度的敏感元件。因为应变引起的电阻值变化很小，所以要提高测量精度，就必须消除或减小温度的影响,2.1.2 应变片的温度误差补偿,1. 应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有以下两方面。 电阻温度系数的影响 2

5、) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,2. 电阻应变片的温度补偿方法,补偿片补偿,1)电桥补偿,当被测试件不承受应变时，R1 和RB 又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数，使之达到平衡，有,工程上，一般按R1=RB=R3=R4 选取桥臂电阻。 温度升高或降低时，引起的两个应变片的电阻变化量相同 电桥仍处于平衡状态,由上式可知，电桥的输出电压Uo 仅与被测试件的应变 有关，而与环境温度无关。 若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足四个条件： (1) 在应变片工作过程中，必须保证R3 =R4。 (2) R1 和RB 两个应变片应具有相同的电阻温度系数，线膨胀系数，应变灵敏度系数K

6、和初始电阻值Ro。 (3) 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 (4) 两应变片应处于同一温度场,若此时被测试件有应变 的作用，则工作应变片电阻R1 又产生新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量。此时电桥输出电压为: Uo = AR1R4K,2)热敏电阻补偿,T K,Rt,URt,U = Ui - URt,K,2.1.3 电阻应变片的测量电路,作用：将电阻的变化转换为电压输出。 一、 直流电桥 空载电压：,直流电源U,输 出 电 压,R,等效电阻,直流电桥,交流电桥,直流电桥平衡条件,当 时,电桥处于平衡状态，输出电压 ， 电桥

7、各臂均有电阻增量 得,采用等臂电桥时,当 时,1)当 时,电桥的输出电压与应变成线性关系。 （2）若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不一致，输出电压为两者之和。 （3）若相对两桥臂的应变极性一致，输出电压为两者之和，反之为两者之差。 （4）电桥的供电电压U越高，输出电压越大，但太大则电流也大，传感器会出现蠕变和零飘。 （5）增大灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。 *合理利用上述特性，可进行温度补偿和提高传感器的测量灵敏度,二、非线性误差及其补偿,当 时,电桥的输出电压与应变成线性关系， 否则成非线性关系,当电桥单臂工作时，理想的线性关

8、系是,实际的线性关系是,相对非线性误差是,可知： 越大，则 越大，为了消除非线性 误差，实际应用中，采用半桥差动或全桥差动电路， 改善非线性误差和提高输出灵敏度,半桥差动电路：(一个受拉，一个受压,全桥差动电路,半桥差动电路不仅消除非线性误差，使输出灵敏度 提高一倍，同时起温度补偿作用,与单臂应变相比，灵敏度扩大4倍,2.1.4、电阻应变式传感器的应用,一）测力与称重传感器,测量参数：形变、压力、力、位移、加速度、温度,二、压力传感器,补偿片,工作片,膜片,应变片,插座,三、加速度传感器（低频1060HZ应用广泛,四、位移传感器,第二节 压阻式传感器 -半导体传感器,压阻效应：固体受到作用力后

9、，电阻率就要发生变化，这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。 半导体压阻式传感器分类,粘贴式应变片,扩散硅型压阻传感器,特点：灵敏系数大，分辨率高，动态响应快，体积小，温度范围宽，便于批量生产，易于集成化、智能化。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。 因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿,设半导体材料的压阻系数为 ，材料受到的应力为，有,工作原理与结构,对于半导体材料，其电阻率的变化为,在弹性变形限度内，压阻效应是可逆的，当应力消失时，硅片的电阻会恢复原来数值。 注意：晶体在不同的方向上，压阻效应数值不同,2.2.1 半导体压阻效应,压阻效应传感器的核心-硅膜片,2.2.2 体型半导体电阻应变片（粘贴式,采用从单晶硅切下薄片为应变片 粘贴在弹性元件上 长期稳定性差,2.2.3 扩散型压阻式压力传感器,采用N型单晶硅为传感器的弹性元件， 在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜,2.2.4 压阻式加速度传感器,压阻式传感器的应用,因为压阻式传感器具有灵敏度高、动态响应快、体积小、温度范围宽、便于批量生产、易于集成化、智能化的优点。在航空