传感器技术_第三章

1、第三章第三章 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器3.1 电阻应变片电阻应变片3.1.1 应变电阻效应应变电阻效应电阻式传感器电阻式传感器 导体或半导体材料在外界力（拉力或压力）的导体或半导体材料在外界力（拉力或压力）的作用下产生机械变形，机械变形会导致其电阻值变作用下产生机械变形，机械变形会导致其电阻值变化，这种因化，这种因形变形变而使其阻值发生变化的现象称为而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应应变效应”。电阻式传感器电阻式传感器 当材料受到轴向力而被拉伸（或压缩）时，其当材料受到轴向力而被拉伸（或压缩）时，其l、A和和 均发生变化，因而电阻随之发生变化。对上式取对数后再作均发

2、生变化，因而电阻随之发生变化。对上式取对数后再作微分，即微分，即dAdAldlRdR式中，式中， 材料的轴向线应变，材料的轴向线应变， 常用单位常用单位（1 = 1 10-6 mm/mm） /）（ldl2-/2 /）（）（rdrAdA（3.2）其中，其中，r 导体的半径；导体的半径； 导体材料的泊松比。导体材料的泊松比。dRdR)2(1所以，所以， 对于金属导体或半导体，上式中对于金属导体或半导体，上式中电阻率相对变化电阻率相对变化的受力的受力效应是不一样的，分别讨论如下：效应是不一样的，分别讨论如下：（3.3）电阻式传感器电阻式传感器 金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应 通过实验研

3、究发现，金属材料的电阻率相对变化与通过实验研究发现，金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有如下关系其体积相对变化之间有如下关系VdVCd 式中，式中，C 由一定的材料和加工方式决定的常数。由一定的材料和加工方式决定的常数。)2(1AAdldlVdV（3.4）（3.5） 代入代入式式(3.3)，并考虑实际上，并考虑实际上 R R，故可得，故可得m)2(1)21(KCRR 式中，式中， 金属丝材料的应变灵敏系数金属丝材料的应变灵敏系数)2(1)21 (mCK电阻式传感器电阻式传感器上式表明：金属材料的电阻相对变化与其线性上式表明：金属材料的电阻相对变化与其线性应变应变成正比。成正比。这就是

4、金属材料的应变电阻效应。这就是金属材料的应变电阻效应。电阻式传感器电阻式传感器 半导体材料的应变电阻效应半导体材料的应变电阻效应 半导体单晶半导体单晶Si、Ge等材料在外力作用下电阻率将发生变等材料在外力作用下电阻率将发生变化，这种现象称为化，这种现象称为压阻效应压阻效应。Ed（3.6） 式中，式中， 作用于材料的轴向应力；作用于材料的轴向应力； 半导体材料在受力方向的压阻系数；半导体材料在受力方向的压阻系数； E 半导体材料的弹性模量。半导体材料的弹性模量。电阻式传感器电阻式传感器 将式将式(3.6)代入式代入式(3.3)，可得可得s)21(KERR（3.7） 式中，式中， 半导体材料的应变

5、灵敏系数。半导体材料的应变灵敏系数。EK21s因此，金属和半导体的应变电阻效应为，因此，金属和半导体的应变电阻效应为， 式中，式中，K0 导电材料的灵敏系数导电材料的灵敏系数 。0KRR 金属材料金属材料金属丝材的应变电阻效应以几何尺寸变化为主。金属丝材的应变电阻效应以几何尺寸变化为主。电阻式传感器电阻式传感器)2(1)21 (m0CKK 灵敏系数的讨论灵敏系数的讨论0KRR 它由两部分组成：它由两部分组成：前部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致；前部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致；后部分为电阻率随应变而变的部分。后部分为电阻率随应变而变的部分。21)2(1)21 (m0CKK 它由两部分组成

6、：它由两部分组成：前部分为受力后半导体几何尺寸变化所致；前部分为受力后半导体几何尺寸变化所致；后部分为半导体材料的压阻效应所致。后部分为半导体材料的压阻效应所致。电阻式传感器电阻式传感器半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应。 半导体材料半导体材料0KRREKK)21 (s0EEKK)21 (s0电阻式传感器电阻式传感器 使用应变片测量应变或应力时，是将应变片牢固地粘贴使用应变片测量应变或应力时，是将应变片牢固地粘贴在被测弹性元件上，当元件受力在被测弹性元件上，当元件受力变形变形时，应变片随之相应时，应变片随之相应变变形形，从而引起，从而引起电阻的电

7、阻的变化。当测得应变片电阻值变化量为变化。当测得应变片电阻值变化量为R时，便可得到被测对象的时，便可得到被测对象的应变应变值，值， 根据根据应力应力与与应变应变的关的关系，得到应力值系，得到应力值。E3.1.2 测试原理测试原理KRR 通过弹性敏感元件的作用，将位移、力矩、压力、加速通过弹性敏感元件的作用，将位移、力矩、压力、加速度等参数转换为应变，因此可将应变片由测量应变扩展到测度等参数转换为应变，因此可将应变片由测量应变扩展到测量能量能引起应变的各种参量引起应变的各种参量，从而形成各种电阻应变式传感器。，从而形成各种电阻应变式传感器。电阻式传感器电阻式传感器3.1.3 电阻应变片的结构和类

8、型电阻应变片的结构和类型 应变片的结构应变片的结构 利用导电材料的利用导电材料的应变电阻效应应变电阻效应，可以制成测量元件表，可以制成测量元件表面应变的面应变的传感元件传感元件。为在较小的尺寸范围内敏感有较大的。为在较小的尺寸范围内敏感有较大的输出，通常把应变丝制成输出，通常把应变丝制成栅状栅状的应变传感元件，即电阻应的应变传感元件，即电阻应变片（也称应变片或应变计）。变片（也称应变片或应变计）。引线引线盖层盖层基底基底敏感栅敏感栅金属丝式应变片：金属丝式应变片： 一 般 以 使 用一 般 以 使 用面积（面积（l b）和敏）和敏感栅的电阻值来感栅的电阻值来表示。阻值一般表示。阻值一般在在10

9、0 以上。以上。1. 敏感栅敏感栅 应变片中实现应变片中实现应变电阻应变电阻转换的传感元件。它通常由直径转换的传感元件。它通常由直径0.0150.05 mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。电阻式传感器电阻式传感器 对制作敏感栅材料的要求：对制作敏感栅材料的要求： 灵敏系数灵敏系数K和电阻率和电阻率 尽可能高而稳定，且尽可能高而稳定，且K在很大范围内在很大范围内为常数，即电阻变化率为常数，即电阻变化率 与应变与应变 之间在较大范围内具有良之间在较大范围内具有良好的线性关系；好的线性关系； 电阻温度系数小，电阻温度间的线性关系和重复性好，电阻温度系数

10、小，电阻温度间的线性关系和重复性好，与其它金属之间的接触热电势小；与其它金属之间的接触热电势小； 机械强度高，辗压及焊接性能好，抗氧化、抗腐蚀能力强，机械强度高，辗压及焊接性能好，抗氧化、抗腐蚀能力强，机械滞后微小，价格便宜。机械滞后微小，价格便宜。RR电阻式传感器电阻式传感器2. 基底：为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常将粘基底：为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常将粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。应变片工作时，基底结剂将它固结在纸质或胶质的基底上。应变片工作时，基底起着把元件应变准确地起着把元件应变准确地传递传递给敏感栅的作用。为此基底必须给敏感栅的作用。为此基底必须很薄，一

11、般为很薄，一般为0.020.04 mm。3. 引线：起着敏感栅和测量电路之间的过渡连接和引导作用。引线：起着敏感栅和测量电路之间的过渡连接和引导作用。4. 盖层：用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层。盖层：用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层。5. 粘结剂：在制造应变片时，用它分别把盖层和敏感栅固结粘结剂：在制造应变片时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变片时，用它把应变片基底再粘贴在元件于基底；在使用应变片时，用它把应变片基底再粘贴在元件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。电阻式传感器电阻式传感器回线式敏感栅回线式敏感栅短接式敏感栅短

12、接式敏感栅回线半径回线半径r：0.10.3 mm横向效应横向效应 敏感栅平行排列，两端用敏感栅平行排列，两端用直径比栅丝直径大直径比栅丝直径大510倍的倍的镀银丝短接而成。克服了横向镀银丝短接而成。克服了横向效应。效应。 应变片的类型应变片的类型 金属丝式金属丝式电阻式传感器电阻式传感器 通过光刻腐蚀技术将厚度为通过光刻腐蚀技术将厚度为0.0030.01 mm金属箔片制金属箔片制成所需的各种图形的敏感栅，亦称应变花。成所需的各种图形的敏感栅，亦称应变花。 优点：与被测试件粘贴面积大，传递试件应变性能好；散热优点：与被测试件粘贴面积大，传递试件应变性能好；散热 条件好；横向效应小；蠕变较小。条件

13、好；横向效应小；蠕变较小。 金属箔式金属箔式 金属薄膜应变片金属薄膜应变片 采用真空溅射或真空沉积的方法，将产生应变的金属采用真空溅射或真空沉积的方法，将产生应变的金属或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂，薄膜厚度在或合金直接沉积在弹性元件上而不用粘合剂，薄膜厚度在0.1 m以下。以下。 这种应变片的灵敏系数高，允许工作电流密度大，工这种应变片的灵敏系数高，允许工作电流密度大，工作温度范围宽，可达作温度范围宽，可达197 C317 C电阻式传感器电阻式传感器 利用半导体压阻效应制成的一种转换元件。具有灵敏系数利用半导体压阻效应制成的一种转换元件。具有灵敏系数高、机械滞后小、体积小及耗电量少等

14、优点。高、机械滞后小、体积小及耗电量少等优点。 半导体应变片的电阻温度系数大半导体应变片的电阻温度系数大, ,非线性大。随着半导体非线性大。随着半导体IC工艺工艺发展，相继出现了扩散型、外延型和薄膜型半导体应变片。发展，相继出现了扩散型、外延型和薄膜型半导体应变片。电阻式传感器电阻式传感器 半导体应变片半导体应变片半导体敏感条半导体敏感条引线引线基底基底电阻式传感器电阻式传感器3.1.4 电阻应变片的主要特性电阻应变片的主要特性 灵敏系数（灵敏系数（K） 当具有初始电阻当具有初始电阻R的应变片粘贴于元件表面时，元件的应变片粘贴于元件表面时，元件受力引起的应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电

15、受力引起的应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化阻相对变化 。在一定的应变范围内，有如下关系：。在一定的应变范围内，有如下关系：RR/xKRR 式中，式中， x 应变片轴向应变；应变片轴向应变； 应变片的灵敏系数。它表示安装在被测元件应变片的灵敏系数。它表示安装在被测元件上的应变片，在其上的应变片，在其轴向轴向受到受到单向应力单向应力时引起的时引起的电阻电阻相对变化相对变化（ ），与此），与此单向应力单向应力引起的元件表面引起的元件表面轴向应变轴向应变（ x ）之比。）之比。xRRK/RR/电阻式传感器电阻式传感器 需要注意的是，应变片的灵敏系数需要注意的是，应变片的灵敏系数K并不

16、等于其敏感并不等于其敏感栅应变丝的灵敏系数栅应变丝的灵敏系数K0，一般情况下，一般情况下，K K0。因为在单。因为在单向应力产生双向应变的情况下，向应力产生双向应变的情况下，K除了受到敏感栅结构形除了受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分栅端圆弧部分横向效应横向效应的影响。的影响。 应变片的标定：应变片的灵敏系数直接关系到应变应变片的标定：应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。因此，测量的精度。因此，K值通常采用从批量生产中每批抽样，值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定，故在规定条件下

17、通过实测确定，故K又称又称标定灵敏系数标定灵敏系数。 横向效应及横向效应系数（横向效应及横向效应系数（H）电阻式传感器电阻式传感器敏感栅敏感栅轴向轴向纵栅纵栅：轴向拉应变轴向拉应变 x ，电阻增加，电阻增加圆弧圆弧横栅横栅：横向压应变：横向压应变 y，电阻减小，电阻减小yx 应变片在感受被测试件的应变时，横向应变将使其电阻变应变片在感受被测试件的应变时，横向应变将使其电阻变化率减小，从而降低灵敏系数的现象称为应变片的化率减小，从而降低灵敏系数的现象称为应变片的横向效应横向效应。电阻式传感器电阻式传感器总电阻相对变化为总电阻相对变化为xxyyxxaHKKKRR)1 ( 式式中，中，Kx 纵向灵敏

18、系数，当纵向灵敏系数，当y0时，单位轴向应变时，单位轴向应变 引起的电阻值相对变化；引起的电阻值相对变化； Ky 横向灵敏系数，当横向灵敏系数，当x0时，单位横向应变时，单位横向应变 引起的电阻值相对变化；引起的电阻值相对变化； a y x 双向应变比；双向应变比； H Ky Kx 双向应变灵敏系数比。双向应变灵敏系数比。 电阻式传感器电阻式传感器 横向效应降低了电阻应变片的灵敏系数横向效应降低了电阻应变片的灵敏系数，带来测量误，带来测量误差，所以要减小差，所以要减小H。 当当a y x 0，则，则xxxKHKRR)1 (0 在单向应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵在单向应力、双向应变情

19、况下，横向应变总是起着抵消轴向应变的作用。横向效应的大小用横向效应系数消轴向应变的作用。横向效应的大小用横向效应系数H来来表示，即表示，即%100 xyKKH 敏感栅的纵栅敏感栅的纵栅l0愈长，而横栅愈长，而横栅r愈小，则愈小，则H愈小。因此，愈小。因此，采用短接式或直角式横栅，可有效地克服横向效应的影响。采用短接式或直角式横栅，可有效地克服横向效应的影响。电阻式传感器电阻式传感器短接式短接式直角式直角式箔式箔式电阻式传感器电阻式传感器 机械滞后（机械滞后（Zj） 对于已安装在元件表面的应变片，在温度恒定时，增对于已安装在元件表面的应变片，在温度恒定时，增加或减少机械应变过程中，在同一机械应变

20、量的作用下指加或减少机械应变过程中，在同一机械应变量的作用下指示应变的差数，称为应变片的机械滞后。示应变的差数，称为应变片的机械滞后。 造成机械滞后的原因：敏感栅、基底和粘合剂再承受造成机械滞后的原因：敏感栅、基底和粘合剂再承受机械应变后留下的残余变形。机械应变后留下的残余变形。 蠕变（蠕变（ ）和零漂（）和零漂（P0） 对于已安装在试件表面的应变片，在恒温恒载条件下，对于已安装在试件表面的应变片，在恒温恒载条件下，指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。当试件初始指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变。当试件初始空载时，应变片指示仍会随时间变化的现象称为零漂。空载时，应变片指示仍会随时间变化

21、的现象称为零漂。 蠕变和零漂是衡量应变片时间稳定性的指标。蠕变和零漂是衡量应变片时间稳定性的指标。 电阻式传感器电阻式传感器3.2 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路 电阻应变片把机械应变信号转换成电阻应变片把机械应变信号转换成 R/R后，由于应后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用测量，又不便直接处理。因此，必须采用测量电路测量电路把应把应变片的变片的 R/R变化变化转换成可用的转换成可用的电压电压或或电流电流输出。输出。电阻式传感器电阻式传感器 直流电桥直流电桥R1R2R3R4BD

22、UoUiAC RLIoa. 电桥平衡条件电桥平衡条件3101234()iRRUURRRR当电桥平衡时当电桥平衡时, Uo=0, 则有：则有：R1R4 = R2R3 欲使电桥平衡欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等其相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两或相对两臂电阻的乘积相等，此时可使得流过负载电阻臂电阻的乘积相等，此时可使得流过负载电阻RL的电流为零。的电流为零。3124RRRR或或电阻式传感器电阻式传感器b. 电压灵敏度电压灵敏度R1R2R3R4BDUoUiAC RLIo以单臂电桥为例以单臂电桥为例 当当R1产生应变时产生应变时, 若应变片若应变片电阻变化为电阻变化为R1，其它桥臂固定

23、，其它桥臂固定不变，不变， 电桥输出电压电桥输出电压Uo0。电桥不平衡输出电压为电桥不平衡输出电压为:)(433211110RRRRRRRRUUi)1)(1 (3412111134RRRRRRRRRRUi 设桥臂比设桥臂比n=R2/R1，考虑，考虑到平衡条件到平衡条件R2/R1=R4/R3，且，且R1/R1很小可忽略。很小可忽略。电阻式传感器电阻式传感器电桥电压灵敏度定义为：电桥电压灵敏度定义为：因此，电桥不平衡输出电压为因此，电桥不平衡输出电压为:1120)1 (RRnnUUi2110)1 (nnURRUKi 电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度K正比于电桥供电电压正比于电桥供电电压Ui； 电桥电压

24、灵敏度电桥电压灵敏度K=K(n)，恰当地选择桥臂比，恰当地选择桥臂比n的值，保证的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。电桥具有较高的电压灵敏度。 当当R1=R2=R3=R4时时, 电桥电压灵敏度最高（电桥电压灵敏度最高（n1）, 。4iUK c. 非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法电阻式传感器电阻式传感器11011(1)(1) iRnRUURnnR理想值理想值实际值实际值1120)1 (RRnnUUi11110001RRnRRUUUL全等臂电桥全等臂电桥R1=R2=R3=R4, 则则11111122KKRRRRL 非线性误差非线性误差（n = R2/R1=R4/R3）电阻式传感器电阻式

25、传感器 差动电桥法是利用电桥输出特性差动电桥法是利用电桥输出特性中的中的相对臂与相邻臂之相对臂与相邻臂之“和和”、“差差”特征特征，通过应变片的合理布片与接桥，通过应变片的合理布片与接桥达到补偿目的。达到补偿目的。 若将电桥四臂接入四个若将电桥四臂接入四个应变片应变片, 即两个受即两个受拉应变拉应变， 两个受两个受压应变压应变, 将两个应变将两个应变符号相同的接入相对桥臂符号相同的接入相对桥臂上上, 构成构成全桥差动电路全桥差动电路。 补偿方法补偿方法 差动电桥差动电桥R2 R2R4+ R4abUoUiR1+ R1全桥差动电路全桥差动电路R3 R3电阻式传感器电阻式传感器 若若R1=R2=R3