现代传感器理论与技术-电阻式传感器

1、现代传感器理论与技术 张斌珍 3920350点实验室415房间第二章第二章 电阻传感器电阻传感器电阻式传感器的电阻式传感器的基本原理基本原理是将被测量的变化转换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。信号输出。按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、 热敏式、光敏式、电敏式等。电阻传感器常用来测量位移、力、压力、应变、 扭矩和加速度等非电量。2-1 2-1 电位器式传感器电位器式传感器 电位器是一个机电传感元件，电位器是一个机电传感元件，它作为传感器可以将它作为传感器可以将机械位移机械位移

2、或其它或其它能转换为位移的非电量转换为与其有能转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的一定函数关系的电阻值电阻值的变化，从而的变化，从而引起引起输出电压输出电压的变化。的变化。一、电位器式传感器的种类一、电位器式传感器的种类 由电阻系数很高的极细的导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷（活由电阻系数很高的极细的导线按一定规律绕在绝缘骨架上，用电刷（活动触点）调节阻值大小。动触点）调节阻值大小。 特点：特点：结构简单，尺寸小，输出特性精度高（可达结构简单，尺寸小，输出特性精度高（可达0.1%）且稳定，输）且稳定，输出信号大，受环境影响小。由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命受出信号大，受环

3、境影响小。由于电阻元件与电刷间的摩擦，可靠性和寿命受到影响，分辨力也较低。到影响，分辨力也较低。 由电阻液（用石墨、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面由电阻液（用石墨、碳黑、树脂等材料配置而成）喷涂在绝缘骨架表面上形成电阻膜。上形成电阻膜。 特点：特点：分辨力高、阻值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性分辨力高、阻值范围宽、耐磨性好、工艺简单、成本低，其线性度在度在1%左右（经修刻后，可提高到左右（经修刻后，可提高到0.1% ）；接触电阻大，抗潮性差，噪声）；接触电阻大，抗潮性差，噪声较大。较大。 在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制在玻璃或陶瓷基体上

4、用真空蒸发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制成。成。 特点：特点：电阻系数小，分辨力高，可工作在高温环境；耐磨性差、功率电阻系数小，分辨力高，可工作在高温环境；耐磨性差、功率小、阻值较低（小、阻值较低（1K2K）。）。 由塑料粉及导电材料（如金属合金、碳黑、石墨）的粉料经塑压而成。 特点：耐磨性极高，电刷接触压力要求较大，抗冲击振动性能好，分辨力高，线性度一般2%，阻值范围大，功率大；阻值易受温、湿度影响、接触电阻大、精度不高。 5. 以合金（如钯银）、合金氧化物（如二硅化钼）、难溶化合物（如碳化钨）等为电阻材料，以玻璃釉粉为粘合剂烧结在陶瓷或玻璃基体上制成。 特点：分辨力很高、耐磨、耐高温、

5、抗湿、阻值范围广、电阻温度系数小（约2.510-4/）；精度不高、接触电阻大。 是一种非接触式电位器，一光束代替常规的电刷。一般采用氧化铝作基体，在其上蒸发一条带状电阻薄膜（镍铝合金或镍铁合金）和一条导电极（鉻合金或银）。 图1是这种电位器的结构图。平时无光照时，电阻体 和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状 态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由 于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照 射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就 有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位 置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输 出。 特点：光电电位器最大的优点是非接触型

6、，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重要场合仍得到应用。 1 2 3 132直线型旋转型二、线绕电位器式传感器工作原理及结构图2 线绕电位器结构图图3 线绕电位器实物图UiRx0Rx(等效电路)三、线性线绕电位器电输出特性VorR(L)Vix图中：Vi电位器输入电压； V0电位器输出电压； R电位器总电阻； L电位器总行程； x电刷行程； r电刷行程x处对应

7、电阻； b骨架宽度； h骨架高度； t线绕节距； RL负载电阻。 l 视在分辨力 阶跃值为iVVnV视在分辨力；n 电位器线圈总匝数 如Vi10V，n100匝， 则V0.1V，这意味着输出电压以0.1V的阶跃形式增加，即为输入电压的1，不能给出小于0.1V的电压变化。 l 负载误差在RL条件下，输出电压的表达式为 02()iiLLLLLLLLVV r Rr RrRVIr RrRrRR RrRrRrrR0iiVVVrxRL显然RL时， 由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为： 200201100%1100%1100%1iLLRLiLLV r RVVR RrrrVrrVrRRR R11100%1(

8、1)LrmXX若令负载系数mR/RL，行程比Xr/R=x/L，则有2(2)01(1)LdrmXmdXmXXLr 对求一阶导数 Lr12X 12xL 取的极大值 ， ，亦即可见相对负载误差在x=1/2L处有极值。 （负载误差最大）2-2 应变式传感器 应变式式传感器是基于金属电阻的应变效应制成。一、金属的电阻应变效应 金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应。llrrFF 设一根长为l，截面积为S，电阻系数为的电阻丝，其电阻值R为：lRSldlSdSd导线两端受到力F作用时dRddldSRlS2dSdrSr2Srdrdlrl dll将上式取对数再微分，则

9、引起电阻值变化dR：因，由材料力学可知： （径向变化），式中泊松比表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变。(12 )(12 )dRddldRl dRRK(12 )dKdRddldSRlS令则K金属电阻丝的相对灵敏度系数。金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即（2）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即(12 )dp项项二、应变片的结构 应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。 敏感栅由很细的电阻丝（0.010.05mm）或箔式金属片（厚度为310m）组成。敏感栅常用下列材料制成：（1）康铜（铜镍合金）：最常用；（2）镍鉻合金：多用于动态；（3

10、）镍鉻铝合金：作中、高温应变片；（4）镍鉻铁合金：疲劳寿命要求高的应变片；（5）铂及铂合金：高温动态应变测量。0 xRRK电阻应变片的灵敏度系数定义为：x为轴向应变。其中 实验证明，电阻丝的应变灵敏度系数不等于电阻丝应变片的应变灵敏度系数，即0KK。l0PPyx2bar图4 放大的栅状电阻应变片及弯角 部分示意图yx 纵向应变 造成电阻增加，横向应变 造成电阻减少。xy000(1)(1)2(1)xrnnRlRKKrnnl经推导得：n直线部分栅丝的数目；n-1弯角部分的个数。 可见 ，即应变片存在横向效应使应变片的灵敏度系数小于电阻丝的应变灵敏度系数。0KK小结dRdlKRl应用较多 金属丝式应

11、变片使用最早，但由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。 箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，能将温度影响减小到最小的程度，适合于大批量生产。3101234()RRUURRRR3124RRRR4131124113(1)(1)RRRR URRRRRR1R311011234()RRRUURRRRR3101234()RRUURRRR1021(1)RnUUnR0211(1)uUnKURnR0211(1)uUnKURnR104RUUR0211(1)uUnKURnR311udK

12、ndnn4uUK 11011(1)(1) RnRUURnnR1021(1)RnUUnR11110001RRnRRUUUL 1111212RRRRL L RKR1111212RRRRL R1RBMMR1RBMMR1RBMM3110112234()RRRUURRRRRR121234,RRRRRR 112oRUUR11RRUoiRoRioRRUoUUoU11111CjwRRRZ22222CjwRRRZ33RZ 44RZ 14231234()()()ioUZ ZZ ZUZZZZ24241313CjwRRRCjwRRR3412RRRR2112CCRR3412RRRR4132RCRC24241313Cjw

13、RRRCjwRRR理想情况下， ，即应变片的输出电阻是应变的一元函数；但实际上应变片输出电阻还和温度有关，即 。( )RfR( , )RgtR 温度变化引起电阻变化的原因主要有两点：（1）电阻丝电阻本身就是温度的函数。1010001010(1).ttttRRataRRttttt 是温度系数；与分别为 与 温度下的电阻值；为温度差（2）试件材料与应变片材料热膨胀系数不同00()tgsRR Kt产生附加变形而引起电阻的变化，其电阻增量表达式为： 由热膨胀系数不同产生的电阻增量； 分别为试件、电阻丝的热膨胀系数。Rgs、 温度补偿的方法（1）采用敏感栅热处理或采用两种温度系数的材料相互补偿的方法，使

14、得敏感栅与试件热膨胀系数相似。（2）电桥补偿法（电路实现）。R1R2R3R4UabU若初始电阻 。10203040RRRR电桥输出电压与各桥臂电阻的增量表达式为：312412344abRRRRUURRRR02(1,2,3,4)itixitRRKiRR12340123412344ttttabxxxxRRRRUUKRRRR 每一个桥臂电阻变化均是两部分：一部分是应变引起的；另一部分是温度引起的。 若桥臂电阻均在同一温度场，各桥臂电阻同批制造，材料规格、工艺均相同，则由温度变化引起的电阻相对变化相互抵消，且不在电桥输出中反映。RWRCR3R4U04abxUUKRWRC半桥连接RWRCR3R4U02a

15、bxUUKRWRC差动半桥连接RWRCRWRCU0abxUUKRWRCRWRW全桥连接1、几何尺寸：敏感栅基长、基宽、应变片的基底长 和基底宽；2、初始电阻：未粘贴前，在室温下测得的电阻 (常 用120)；3、绝缘电阻：敏感栅与基底间的电阻值；4、允许工作电流：最大的工作电流。2-3 压阻式传感器压阻式传感器利用硅的压阻效应和微电子技术制成。特点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和 集成化。半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器力敏电阻与硅膜片一体化扩散型压阻传感器一、半导体压阻效应压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变 化，这种现象称为压阻效应。 所有材料在某种程度都呈现压阻效应，

16、但在半导体材料中，这种效应特别显著。 金属应变片发生应变后，使导体的几何尺寸发生改变阻值变化 半导体材料的电阻大小取决于有限数目的载流子 空穴和电子的迁移。加在一定晶向上的外界应力，引起半导体能带的变化，使载流子的迁移率产生较大的变化，导致半导体电阻率产生相应的变化。1iave NiN半导体的电阻率 与载流子数 及平均迁移率av之积成反比。e 电子电荷量。aviN 应力作用于半导体时，同时使 和 发生变化，变化的大小和方向取决于半导体的类型、载流子浓度以及作用于半导体某一晶向上的压力。dlldEl式中： 纵向压阻系数 应力由材料力学知：E应力应变半导体材料弹性模量这样金属电阻丝的相对灵敏度系数

17、为：(12 )dK代入得到：12lKE 弹性模量泊松比压阻系数金属应变片 基本不变金属应变片12K 半导体应变片 变化半导体应变片lKE 常用的单晶硅材料是各向异性的，取向不同时特性不一样。取向用晶向来表示。 晶向是晶面的法线方向，用密勒指数表示。 密勒指数是在晶体x、y、z 轴上晶面截距的倒数化成的三个没有公约数的整数。 压阻系数随晶向不同而异，晶向不同，压阻效应也明显不同。对P型硅来说，111晶向的相对灵敏度系数K111达150，而100晶向的K100只有10左右。二、压阻器件的特性1、温度性能 压阻器件的阻值和灵敏度系数受温度影响较大，会产生零位温度漂移和灵敏度温度漂移。 对于零位温度漂移一般采用桥臂上串、并联电阻的方法进行补偿。2、线性度 对于扩散型压阻器件，由于表面参杂浓度很高，非线性项很小，因此压阻电桥输出的线性度比较好（在有效测量范围内）。2-4 电阻式传感器应用示例R1R2 R4示例3：力传感器测量电路AD581+10V+15VA1AD741101500P200+10V+12Vb