ch2电阻应变式传感器

1、1第二章第二章 电阻式传感器原理与应用电阻式传感器原理与应用2传感器的定义及其重要性传感器的定义及其重要性 1.1.传感器（传感器（Transducer/SensorTransducer/Sensor）的定义）的定义装置或器件装置或器件 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。用输出信号的器件或装置。输入输入x输出输出y感受规定的被测量感受规定的被测量按照一定规律转换按照一定规律转换可用输出信号可用输出信号传感器通常由传感器通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成。组成。3 压 力 作 用 膜片形变（应变） 应变片电阻改变

2、敏感元件敏感元件转换元件转换元件4辅助电源敏感元件敏感元件转换元件转换元件基本转换电路被测量电量敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。2.2.传感器的组成传感器的组成5外界刺激人的五官传感器大脑计算机骨骼和肌肉执行机构神经机器人通讯神经通讯现代信息技术的三大支柱：信息采集、传输与处理技术分别应用到传感技术、通信技术和计算机技术构成了信息技术系统中的 “感官”、“神经”、“大脑”61) 高灵敏度、线性、抗干扰的稳定性高灵敏度

3、、线性、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感对噪声不敏感)、容易、容易 调节调节(校准简易校准简易) 2) 高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐用性耐用性) 高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响(热、振动、热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃酸、碱、空气、水、尘埃)的能力的能力4) 选择性、安全性选择性、安全性(传感器应是无污染的传感器应是无污染的)、互换性、低成本、互换性、低成本5) 宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围3.3.传感器性能的基本要求传感器

4、性能的基本要求7一是不断提高和改善现有传感器的性能；一是不断提高和改善现有传感器的性能；二是开展基础研究，发掘新效应，重点研究传感器的新材二是开展基础研究，发掘新效应，重点研究传感器的新材料和新工艺；料和新工艺；三是实现传感器的集成化、多功能化与智能化。三是实现传感器的集成化、多功能化与智能化。 传感器作为信息的源头，广泛应用于各个领域传感器作为信息的源头，广泛应用于各个领域科科技进步的推动力。技进步的推动力。目前，传感器技术的主要发展动向：目前，传感器技术的主要发展动向：4.4.传感器的发展趋势传感器的发展趋势81) 差动技术差动技术提高灵敏度、改善非线性误差、减小外界干提高灵敏度、改善非线

5、性误差、减小外界干扰扰(温度、电源、噪声等温度、电源、噪声等)影响。影响。2) 平均技术平均技术若干个传感单元同时感受被测量，输出为平若干个传感单元同时感受被测量，输出为平均值，有效减小误差，提高灵敏度。均值，有效减小误差，提高灵敏度。3) 补偿与修正技术补偿与修正技术软件或硬件等。软件或硬件等。4) 屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制5) 稳定性处理稳定性处理传感器是长期测量或反复使用的器件。传感器是长期测量或反复使用的器件。 改善传感器性能的技术途径：改善传感器性能的技术途径：91) 利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，是研

6、究开发新型传感器的基础。是研究开发新型传感器的基础。2) 传感器材料是传感器技术的重要基础，开发新材料的趋传感器材料是传感器技术的重要基础，开发新材料的趋势包括从单晶体到多晶体、非晶体；从单一型到复合势包括从单晶体到多晶体、非晶体；从单一型到复合材料；原子（分子）型材料的人工合成。如半导体、陶材料；原子（分子）型材料的人工合成。如半导体、陶瓷、高分子材料、磁性、智能材料等。瓷、高分子材料、磁性、智能材料等。3) 随着集成电路工艺发展起来的微机械加工技术是开发新随着集成电路工艺发展起来的微机械加工技术是开发新型传感器的新工艺。例如溅射、蒸镀、等离子体刻蚀、化型传感器的新工艺。例如溅射、蒸镀、等离

7、子体刻蚀、化学气体淀积（学气体淀积（CVD）、外延、扩散、腐蚀、光刻等）、外延、扩散、腐蚀、光刻等 发现并利用新现象、新材料、新工艺：发现并利用新现象、新材料、新工艺：101) 集成化包括两种形式：集成化包括两种形式：一是同一功能的多元件并列化，如一是同一功能的多元件并列化，如CCD图象传感器。图象传感器。另一个是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温另一个是多功能一体化，即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化，组装成一个器件。度补偿等环节一体化，组装成一个器件。2) 将几种不同的传感器组合在一起，同时测量几种不同将几种不同的传感器组合在一起，同时测量几种不同被测参数。例如温、气、

8、湿三功能陶瓷传感器被测参数。例如温、气、湿三功能陶瓷传感器3) 智能化智能化(Smart Sensor)带有微处理器并兼有检测和带有微处理器并兼有检测和信息处理功能。信息处理功能。4) 研究生物感官，开发仿生传感器。研究生物感官，开发仿生传感器。 传感器的集成化、多功能化与智能化：传感器的集成化、多功能化与智能化：112.1 应变式传感器2.1.1 2.1.1 工作原理工作原理2.1.2 2.1.2 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性2.1.3 2.1.3 测量电路测量电路2.1.4 2.1.4 应变式传感器的应用应变式传感器的应用12 是根据应变效应原理，通过应变片和弹性元件将机械构件

9、是根据应变效应原理，通过应变片和弹性元件将机械构件的应变或应力转换为电阻的微小变化再进行电量测量的装置。的应变或应力转换为电阻的微小变化再进行电量测量的装置。 其基本构成如下图所示。其基本构成如下图所示。应变效应：应变效应： 导体或半导体在外力的作用下，会产生机械变形，其电导体或半导体在外力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着变化，这种现象称为阻值也将随着变化，这种现象称为应变效应应变效应。应变式传感器：应变式传感器：2.1.1 工作原理工作原理弹性元件弹性元件弹性元件：弹性元件：具有弹性形变特性的物体。具有弹性形变特性的物体。弹性形变：弹性形变：当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形

10、状当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状 的应变。的应变。13案例：案例：振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。等破坏行为均可及时发现。14应变片受力拉伸应变片受力拉伸应变片受力压缩应变片受力压缩工作原理工作原理15 设有一根金属电阻丝，其变形前后的情况如下图所示。未受设有一根金属电阻丝，其变形前后的情况如下图所示。未受外力作用时，其电阻值为外力作用时，其电阻值为()lRs式中式中电阻系数（电阻系数（mmmm2 2/m/m）电阻丝长度（电阻丝长度（m m）l电阻丝截面

11、积（电阻丝截面积（mmmm2 2）s 导体受拉伸后的参数变化导体受拉伸后的参数变化16 在外力在外力F F作用下，设沿电阻丝轴向作用力为均匀应力，则其作用下，设沿电阻丝轴向作用力为均匀应力，则其长度变化长度变化dldl，截面变化，截面变化dsds，半径变化，半径变化drdr，电阻系数变化，电阻系数变化 ，从，从而引起阻值变化而引起阻值变化dRdR。d 对式对式 全微分便可得它们之间的关系：全微分便可得它们之间的关系：lRs2()lldRdldsdsssdldsdRls 导体受拉伸后的参数变化导体受拉伸后的参数变化dRdldsdRls可得：可得：17上式即可变换为上式即可变换为dRdldsdRl

12、s22srdsrdr又由于又由于所以所以2dsdrsr2dRdldrdRlr定义定义1 1：电阻丝的轴向相对伸长即电阻丝的轴向相对伸长即轴向应变轴向应变。电阻丝的径向相对伸长即电阻丝的径向相对伸长即径向应变径向应变。微应变（微应变（）ldlxrdry18 根据材料力学，当电阻丝沿轴向伸长时，必然会引起径向根据材料力学，当电阻丝沿轴向伸长时，必然会引起径向缩小，且轴向应变与径向应变之间的关系为缩小，且轴向应变与径向应变之间的关系为yx 式中式中 电阻丝材料的泊松比，对于大多数金属材料，它电阻丝材料的泊松比，对于大多数金属材料，它是一个常数（是一个常数（0.30.30.50.5）。）。则前式可进行

13、则前式可进行如下化简：如下化简：xyxxxdRdldrdd=-2+= -2 +Rlrd= + 2 +d= (1+ 2) +19当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值会发生变化。当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值会发生变化。(12)xdRdR 电阻变化电阻变化(12)x d电阻丝几何尺寸变化引起；电阻丝几何尺寸变化引起；电阻丝电阻率变化引起。电阻丝电阻率变化引起。对于大多数金属电阻丝材料，电阻丝电阻率基本不变：对于大多数金属电阻丝材料，电阻丝电阻率基本不变：xdR= (1 + 2)R电阻丝的应变效应电阻丝的应变效应200(12 )xxdR RdK 定义定义2 2：应变灵敏系数：应

14、变灵敏系数 表示应变片发生单位表示应变片发生单位轴向应变轴向应变时所引起的电阻值的相对变化。时所引起的电阻值的相对变化。0K金属材料金属材料0 xRKR上式的物理意义：上式的物理意义：加载后测量电阻的变化，即金属丝电阻相加载后测量电阻的变化，即金属丝电阻相对变化应与轴向应变成正比。对变化应与轴向应变成正比。01 2K 一般取值为一般取值为1.61.62 2（常数）（常数）因为因为K K0 0为常数，得下式所示的增量形式：为常数，得下式所示的增量形式：21半导体应变片的压阻效应半导体应变片的压阻效应 当一块半导体的某一轴向受到外力作用时，电阻率会发生当一块半导体的某一轴向受到外力作用时，电阻率会

15、发生相应的变化，这种能反应应变大小的现象，称为相应的变化，这种能反应应变大小的现象，称为压阻效应压阻效应。 由于半导体由于半导体( (如单晶硅如单晶硅) )是是各向异性材料各向异性材料，因此它的压阻，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与材料类型有关，还与晶向晶向有关有关( (即对晶体的不同方向上施加力即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同时，其电阻的变化方式不同) )。(12)xdRdR 前面推导得：前面推导得：22 又有又有/ed或者表示为或者表示为/exdEe半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系数沿半导体小条轴向的应力沿半导体小条

16、轴向的应力 代入，得代入，得exdR= (1 + 2 + E)R又因为又因为12e故有故有exdR( E)R（半导体应变片的输出特性）（半导体应变片的输出特性）半导体应变片的灵敏系数为：半导体应变片的灵敏系数为：peexdR/RK= 1 + 2 + E E23半导体应变片的特性（与金属应变片相比较半导体应变片的特性（与金属应变片相比较) )： 优点：优点： 灵敏度高；灵敏度高； 机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高；机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高； 易于集成化。易于集成化。 缺点：缺点： 温度稳定性能差；温度稳定性能差； 灵敏度分散度大；灵敏度分散度大； 较大应力作用下，非线性误差大

17、；较大应力作用下，非线性误差大； 机械强度低。机械强度低。241.1.金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的结构 主要由金属丝栅（敏感主要由金属丝栅（敏感栅）、绝缘基片及覆盖片三栅）、绝缘基片及覆盖片三部分组成。部分组成。 敏感栅由直径约为敏感栅由直径约为0.010.010.05mm0.05mm的高电阻系数的金属丝弯曲而成栅状，的高电阻系数的金属丝弯曲而成栅状，用粘合剂将其固定在基片上；用粘合剂将其固定在基片上； 基片应保证将试件上的应变准确地传递到敏感栅上去，因此必须做得很基片应保证将试件上的应变准确地传递到敏感栅上去，因此必须做得很薄，一般为薄，一般为0.030.030.06mm0.06mm

18、，并且基片应有良好的绝缘、抗潮和耐热性能；，并且基片应有良好的绝缘、抗潮和耐热性能； 引线一般由引线一般由0.10.10.2mm0.2mm的低阻镀锡铜丝制成。的低阻镀锡铜丝制成。2.2.金属电阻应变片的规格金属电阻应变片的规格丝栅长度丝栅长度l 称为称为标距标距或或工作基长工作基长；丝栅宽度丝栅宽度b b 称为称为基宽基宽。lb 称为称为使用面积使用面积。 应变片的应变片的规格规格以使用面积表示，常用的有以使用面积表示，常用的有123mm2、115mm2。应变片的阻值以。应变片的阻值以120最为常用。最为常用。结构与种类结构与种类25金属电阻应变片的构造与规格金属电阻应变片的构造与规格26特点

19、：特点：蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式取代的趋势；蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式取代的趋势； 价格便宜，多用于大批量、一次性试验。价格便宜，多用于大批量、一次性试验。蠕变蠕变3.3.金属电阻应变片的种类金属电阻应变片的种类根据制作方法，金属应变片可以分为三类：根据制作方法，金属应变片可以分为三类：1）电阻丝式应变片：电阻丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构金属电阻应变片的典型结构。将一根。将一根高电阻率金属丝绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间高电阻率金属丝绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。并引出导线构成。金属材料长期在不变的温度和不变的应力金属材料长期在不变

20、的温度和不变的应力作用下发生缓慢的塑性变形的现象。作用下发生缓慢的塑性变形的现象。272）金属箔式应变片：金属箔式应变片：目前使用较为广泛。目前使用较为广泛。利用照相制版或利用照相制版或光刻技术，将厚约为光刻技术，将厚约为0.0030.0030.01mm0.01mm的金属箔片制成敏感栅。的金属箔片制成敏感栅。特点：特点：应变片与基片的接触面积大，散热条件好；应变片与基片的接触面积大，散热条件好；在长时间测量时蠕变较小；在长时间测量时蠕变较小； 线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好，传递试件应变性线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好，传递试件应变性好。好。3.3.金属电阻应变片的种类金属电阻应变片的种类

21、28金属应变计金属应变计293）薄膜薄膜式应变片式应变片：敏感栅是以蒸镀或溅射法沉积的金属、敏感栅是以蒸镀或溅射法沉积的金属、合金薄膜制成的，其厚度一般在合金薄膜制成的，其厚度一般在0.1m0.1m以下。以下。特点：特点：灵敏系数高，散热性好，允许通过比粘贴式应变片更大灵敏系数高，散热性好，允许通过比粘贴式应变片更大的工作电流，并可获得更高的输出和更佳的稳定性；的工作电流，并可获得更高的输出和更佳的稳定性； 当传感器的当传感器的弹性体很薄、尺寸很小弹性体很薄、尺寸很小时，采用箔式应变片时，采用箔式应变片会由于基底材料和粘结剂的存在而对传感器特性（如蠕会由于基底材料和粘结剂的存在而对传感器特性（

22、如蠕变、滞后等）产生不利的影响，若采用变、滞后等）产生不利的影响，若采用薄膜式应变片薄膜式应变片则则可在很大程度上克服这些缺点。可在很大程度上克服这些缺点。3.3.金属电阻应变片的种类金属电阻应变片的种类302.1 应变式传感器2.1.1 工作原理2.1.2 金属应变片的主要特性金属应变片的主要特性2.1.3 测量电路2.1.4 应变式传感器应用311）几何尺寸：）几何尺寸：栅长、栅宽、基底长、基底宽栅长、栅宽、基底长、基底宽主要特性参数主要特性参数2）应变片电阻值）应变片电阻值 指应变片在没有安装也不受外力的情况下，于室温时测定指应变片在没有安装也不受外力的情况下，于室温时测定的电阻值。如的

23、电阻值。如60、120、200、350、600、1000。3）灵敏系数）灵敏系数RRK32 4）横向效应）横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变x，电阻圆弧段：沿轴向压应度y 电阻 K (箔式应变片)yxy334）横向效应系数：）横向效应系数：横向灵敏度：横向灵敏度：当应变片的纵轴垂直于单向应变方向安装当应变片的纵轴垂直于单向应变方向安装时，有时也会观测到微小的电阻变化，此时所产生的电阻变时，有时也会观测到微小的电阻变化，此时所产生的电阻变化率与所加的横向应变之比。化率与所加的横向应变之比。横向效应系数：横向效应系数：在同一单向应变作用下，应变片的横向在同一单向应变作用下

24、，应变片的横向灵敏度与纵向灵敏度之比。灵敏度与纵向灵敏度之比。敏感栅端部的横栅越窄而栅长越长的应变片，其横向效敏感栅端部的横栅越窄而栅长越长的应变片，其横向效应系数越小，由横向效应引起的测量误差也越小。应系数越小，由横向效应引起的测量误差也越小。345）应变极限：）应变极限：指对于已安装的应变片，在温度恒定时，指示应变和真指对于已安装的应变片，在温度恒定时，指示应变和真实应变的相对误差不超过规定数值的最大真实应变值。实应变的相对误差不超过规定数值的最大真实应变值。6）最大工作电流：）最大工作电流：指对于已安装的应变片，允许通过敏感栅而不影响其工指对于已安装的应变片，允许通过敏感栅而不影响其工作

25、特性的最大电流值。作特性的最大电流值。最大工作电流主要取决于散热条件。最大工作电流主要取决于散热条件。7）极限工作温度：）极限工作温度：指应变片在规定的条件下，能保持其工作特性不变或在指应变片在规定的条件下，能保持其工作特性不变或在允许范围内变化的最高温度或最低工作温度。允许范围内变化的最高温度或最低工作温度。35应变片由于温度变化所引起的电阻变化与试件应变片由于温度变化所引起的电阻变化与试件（弹性元件）应变所造成的电阻变化几乎有相同（弹性元件）应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，如果不采取措施克服温度的影响，测的数量级，如果不采取措施克服温度的影响，测量精度将无法保证。量精度将无法保证。

26、由于测量现场环境温度而给测量带来的附加误差，由于测量现场环境温度而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。称为应变片的温度误差。温度误差及其补偿 36（1 1）. .温度误差温度误差1) 电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： Rt=R0（1+t） 式中式中: Rt温度为温度为 t 时的电阻值时的电阻值; R0温度为温度为t0时的电阻值时的电阻值; 应变丝的电阻温度系数应变丝的电阻温度系数; t温度变化值温度变化值, t=t -t0。 当温度变化当温度变化t时时, 电阻丝电阻的变化值为电阻丝电阻

27、的变化值为 Rt=Rt- R0= R0t 372) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时, 不论环境温度不论环境温度如何变化如何变化, 电阻丝的变形仍和自由状态一样电阻丝的变形仍和自由状态一样, 不会产生附加变不会产生附加变形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时, 由于环境温度的变化由于环境温度的变化, 电阻丝会产生附加变形电阻丝会产生附加变形, 从而产生附加电阻。从而产生附加电阻。 设电阻丝和试件在温度为设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为时的长度均

28、为l0，它们的线，它们的线膨胀系数分别为膨胀系数分别为s和和g, 若两者不粘贴若两者不粘贴, 则它们的长度分别为则它们的长度分别为ls= l0（1+st）lg= l0（1+gt）38 当二者粘贴在一起时当二者粘贴在一起时, 电阻丝产生的附加变形电阻丝产生的附加变形l, 附加应附加应变变 和附加电阻变化和附加电阻变化R分别为分别为l= lg - ls =（g-s）l0t=l/l0=（g-s）tRt= R0K=R0 K (g-s)t则由于温度变化引起的总电阻相对变化为则由于温度变化引起的总电阻相对变化为:tttgs00R + RR= t + K( - )tRR若折合成应变量若折合成应变量t，则有：

29、，则有：t0tgsR /Rt =+( - )tKK39温度补偿 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿 40（2) 温度补偿方法温度补偿方法电桥补偿法电桥补偿法电电 桥桥 补补 偿偿 法法41 电桥补偿法电桥补偿法 U0R1R4R3URb0143()BUA R RR R42 电桥补偿法电桥补偿法 FFR1Rb01143()()0tBBtUA RRRRRR KRARRRRRRRRAUBtBt41341110)()(43若实现完全补偿若实现完全补偿, , 上述过程必须满足四个条件上述过程必须满足四个条件: : 在应变片工作过程中在应变片工作过程中, , 保证

30、保证R R3 3=R=R4 4。 R R1 1和和R RB B两个应变片应具有相同的电阻温度系数两个应变片应具有相同的电阻温度系数, , 线膨线膨胀系数胀系数, , 应变灵敏度系数应变灵敏度系数K K和初始电阻值和初始电阻值R R0 0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料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必须一样, , 两者线膨胀系数相同。两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。两应变片应处于同一温度场。 电桥补偿法电桥补偿法44电桥补偿法 优点：优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好简单、方便，在常温下补偿效果较好 缺点：缺点：在温度变化梯度较大

31、的条件下，很难做到工作在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。响补偿效果。45 应变片的自补偿法 粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。偿的方法称为应变片自补偿法。a. 选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片b. 双金属敏感栅自补偿应变片双金属

32、敏感栅自补偿应变片 46a.选择式自补偿应变片 优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。 由式由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为可知，实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立使下式成立 (2.1.21) 即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。0)(0tKtsgt)(0sgK47R1R2组合自补偿法b. 双金属敏感栅自补偿应变片 敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。 选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生

33、的电阻变化满足 t2t1)()(RR通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度 )()(/111222112221ggttKKRRRRRR48热敏电阻补偿 T KRtUiR1RR4R3U0R2RtR5 分流电阻分流电阻 UURt U = Ui - URtK492.1 应变式传感器2.1.1 工作原理2.1.2 金属应变片的主要特性2.1.3 测量电路测量电路2.1.4 应变式传感器应用502.1.3 电阻应变片的测量电路 1 1 直流电桥直流电桥2 2 非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿 511. 直流电桥 直流电桥的工作原理 1423LL1234123434

34、12-()()()()R R R RIURRRRRR R RRR R RR 时电桥平衡平衡条件 :R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRLL0I 52 不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度当电桥后面接放大器时当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路。电桥输出端看成开路。电桥的输出电压为：电桥的输出电压为： URRRRRRRRU)(432132410应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化R )()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU53采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R 。此时式。此时

35、式(2.1.24)可写为可写为)2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU当当Ri R ( i=1,2,3,4) 时，略去上式中的高阶微小量，则时，略去上式中的高阶微小量，则 RRRRRRRRUU432104432104UKU54上式表明：Ri(1+)，故(1+)项可以忽略llERR半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率的变化是由应变引起的。 半导体单晶的应变灵敏系数可表示 ERRKl/半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小912.2 压阻式传感器2.2.1 半导体的压阻效应2.2.2 体型半导体应变片体型半导体应变片2.

36、2.3 扩散型压阻式压力传感器2.2.4 压阻式加速度传感器2.2.5 测量桥路及温度补偿922.2.2 体型半导体电阻应变片 结构型式及特点 测量电路 931. 结构型式及特点 主要优点主要优点 灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多 942. 测量电路 恒压源 恒流源)/(0tRRRUURIU0电桥输出电压与R/R成正比，输出电压受环境温度的影响。电桥输出电压与R成正比，环境温度的变化对其没有影响。95由于半导体应变片是采用粘贴的方法安装在弹性元件上的，存在着零点漂移和蠕变，用它制成的传感器的长期稳定性差。962.2 压

37、阻式传感器2.2.1 半导体的压阻效应2.2.2 体型半导体应变片2.2.3 扩散型压阻式压力传感器扩散型压阻式压力传感器2.2.4 压阻式加速度传感器2.2.5 测量桥路及温度补偿972.2.3 扩散型压阻式压力传感器压阻式压力传感器结构简图1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片采用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 98工作原理：工作原理： 膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。 四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡， 输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。 四个电阻的配置位置四个电阻的配置位置： 按膜片上径向应力r

38、和切向应力t的分布情况确定。 )31 ()1(83)3()1(8322022202rrhprrhptr设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。 99扩散型压阻式压力传感器特点 优点优点: 体积小，结构比较简单，动态响应也好，体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。 测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行式压力传感器利用微处理器对非线

39、性和温度进行补偿。补偿。 1002.2 压阻式传感器2.2.1 半导体的压阻效应2.2.2 体型半导体应变片2.2.3 扩散型压阻式压力传感器2.2.4 压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器2.2.5 测量桥路及温度补偿1012.2.4 压阻式加速度传感器 它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在其根部两面散在其根部两面 。扩散电阻质量块基座应变梁a1022.2 压阻式传感器2.2.1 半导体的压阻效应2.2.2 体型半导体应变片2.2.3 扩散型压阻式压力传感器2.2.4 压阻式加速度传感器2.2.5 测量桥路及温度补偿测量桥路及温度补偿103

40、2.2.5 测量桥路及温度补偿 由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。 减少与补偿误差措施 1. 恒流源供电电桥 2. 零点温度补偿 3. 灵敏度温度补偿1041. 恒流源供电电桥恒流源供电的全桥差动电路 假设RT为温度引起的电阻变化 IIIADCABC21电桥的输出为RIRRRIRRRIUUTTBD)(21)(210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。1052.温度漂移及其补偿UR1R2R4R3U0RsRpVD温度变化，将引起零漂零漂和灵敏度漂移灵敏度漂移 零 漂： 扩散电阻值

41、随温度变化灵敏度漂移：压阻系数随温度变化零 位 温 漂 ：串、并联电阻灵敏度温漂：串联二极管106零点温度漂移零点温度漂移是由是由4个扩散电阻的阻值及其温度系个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻的方法进行数不一致造成的。一般用串、并联电阻的方法进行补偿。补偿。串联电阻串联电阻Rs起调零作用，起调零作用，并联电阻并联电阻RP起补偿作用，起补偿作用，采用负温度系数且阻值较大的热敏电阻。采用负温度系数且阻值较大的热敏电阻。适当选择二者的数值，可以使电桥失调为零，而且适当选择二者的数值，可以使电桥失调为零，而且在调零之后温度变化原则上不会引起零点漂移。在调零之后温度变化原则上不

42、会引起零点漂移。107应变式传感器应变式传感器应变式传感器由应变式传感器由弹性体弹性体和和电阻应变片电阻应变片这两个基本组成部分构成。这两个基本组成部分构成。一、构成原理一、构成原理弹性体弹性体直接感受被测量，并将被测量按照一定规律转换成直接感受被测量，并将被测量按照一定规律转换成粘贴应变片部位的应变。粘贴应变片部位的应变。应变片应变片通过敏感栅感受相同的应变并将其转换成相应的电通过敏感栅感受相同的应变并将其转换成相应的电阻变化，采用适当的测量电路将这种电阻变化转换为电压（或阻变化，采用适当的测量电路将这种电阻变化转换为电压（或电流）变化。电流）变化。108 直流电桥的工作原理直流电桥的工作原

43、理输出输出平衡条件平衡条件工作时，各桥臂阻值变化，则输出电压工作时，各桥臂阻值变化，则输出电压U U0 000定义定义电桥的灵敏度电桥的灵敏度为：为：实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，通常最大灵敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0R1=R2=R3=R4=R0, ,即为即为等臂电桥等臂电桥. .二、测量桥路二、测量桥路109a)a)半桥单臂半桥单臂 b) b)半桥双臂半桥双臂 c) c)全桥全桥半桥单臂：半桥单臂：二、测量桥路二、测量桥路 直流电桥的连接方式直流电桥的连接方式110输出电压为输出电压为通常通常RR半桥

44、双臂：半桥双臂：全桥双臂：全桥双臂：1111 1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采用）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采用半桥双半桥双臂臂或或全桥全桥方式。方式。在在RR0 0RR0 0条件下，电桥的输出与条件下，电桥的输出与RR0 0/R/R0 0成正比；成正比；全桥接法可以获得最大的输出，其灵敏度为半桥单臂接法全桥接法可以获得最大的输出，其灵敏度为半桥单臂接法的的4 4倍。倍。电桥的工作特性电桥的工作特性1122 2）电桥的和差特性）电桥的和差特性全桥接法：全桥接法：4 4桥臂均为工作应变片桥臂均为工作应变片相邻桥臂：相邻桥臂：应变极性相同时，电桥输出电压与两应变差有关；

45、应变极性相同时，电桥输出电压与两应变差有关；应变极性相反时，电桥输出电压与两应变和有关。应变极性相反时，电桥输出电压与两应变和有关。相对桥臂：相对桥臂：输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反。输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反。电桥的工作特性电桥的工作特性113由交流电路分析可得：由交流电路分析可得：交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件111111111111/RjwCRjwCRjwCRCRZ 443322221RZRZRjwCRZ ioUZZZZZZZZU.43213241.)( 要满足交流条件，需有：要满足交流条件，需有：03241 ZZZZ2232114111CjwRRRCjwRRR

46、 化简可得：化简可得：则可得交流电桥的平衡条件：则可得交流电桥的平衡条件：21123412CCRRRRRR 114三、技术特性三、技术特性（一）静态特性（一）静态特性1.1.线性度线性度 在规定条件下所在规定条件下所得到的传感器校准曲得到的传感器校准曲线与其理论拟合直线线与其理论拟合直线之间的最大偏差。之间的最大偏差。%100 nLL 1152.2.迟滞迟滞 在测量循环的上在测量循环的上行程与下行程施加同行程与下行程施加同一输入信号时，传感一输入信号时，传感器输出读数之间的最器输出读数之间的最大差值。大差值。%100 nHH 1163.3.重复性重复性 表示传感器在相表示传感器在相同的环境条件下，输同的环境条件下，输入量按同一行程作全入量按同一行程作全量程连续多次变动时量程连续多次变动时所得特性曲线不一致所得特性曲线不一致的程度。的程度。%100 nRR 1174.4.灵敏度允差灵敏度允差 单位激励电压时的传感器额定输出被定义为单位激励电压时的传感器额定输出被定义为应变式传应变式传感器的输出灵敏度。感器的输出灵敏度。%100 inUS 灵