中科大新型传感器技术与应用课件03电阻式传感器

第三章电阻式传感器3.1电阻式传感器

电阻式传感器的基本原理是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经过相应的测量电路显示成被测量值的变化。按照工作原理可分为变阻器式传感器和电阻应变片式传感器两类。

工作原理

变阻器式传感器通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。

3.1.1变阻器式传感器（

）式中──电阻率；──电阻丝长度；

──电阻丝截面积。

如果电阻丝直径和材质一定时，则电阻值随导线长度而变化。式中电阻值单位为

。

3.1.2常见结构常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，如下图所示。c.粘合剂和粘贴技术选择粘合剂必须适合应变片材料和被测试件材料及环境。对粘合剂要求：（1）有一定的粘贴强度；（2）能准确传递应变；（3）有足够的稳定性能；（4）耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳；（5）必须绝缘。将测件贴片位置除锈打光，使其面有比应变片稍大的光滑面；定位划线；粘贴应变片，并压合，使粘贴剂的厚度尽量减薄。粘贴工艺金属箔式应变片是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅是用光刻技术制造，适于大批量生产。其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚约，体积小，灵敏度高，散热条件好，允许大电流工作，蠕变小，寿命长，生产效率高。因此目前使用的多为金属箔式应变片.

（2）金属箔式应变片，

半导体应变片最简单的典型结构如图所示。半导体应变片的使用方法与金属电阻应变片相同，即粘贴在弹性元件或被测物体上，其电阻值随被测试件的应变而变化。（3）半导体应变片半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。从半导体物理特性可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使其电阻率发生很大变化。分析表明，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。

应变片安装在试件上后，在一定温度下，其(ΔR/R)—ε的加载特性与卸载特性不重合。产生机械滞后的原因：敏感栅、基底在承受机械应变后所留下的残余变形所引起的。最好在新安装应变片后，做三次以上的加卸载循环后再正式测量。5.机械滞后零漂：粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性。蠕变：在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性。蠕变包含零漂，零漂是不加载的情况，蠕变是加载的情况。6.零漂与蠕变对于已安装好的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。

7.疲劳寿命8.电阻应变片电桥电路电阻应变片应用于力学量测量时，需要和电桥电路一起使用。图为输出端接放大器的直流不平衡电桥的电路。第一桥臂接电阻应变片R1，其它三个桥臂接固定电阻。当应变片R1未受应变时，由于没有阻值变化，电桥维持初始平衡条件。因而输出电压为零。A：桥臂电阻和电源电压U决定的常数。假设：初始平衡条件；省去分母中的微量：输出电压正比于应变片产生的电阻变化值：电阻应变片的温度误差是指由于测量现场环境温度的改变，而给测量带来的附加误差。造成这种误差的原因有两个，一是敏感栅的本身存在温度系数，当温度改变时，应变片自身的标称阻值发生变化；其二是当试件与敏感栅材料的热膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，敏感栅会产生附加变形，从而产生附加电阻。

通常采用线路补偿和应变片的自补偿法，对应变片的温度误差进行补偿。

9.金属电阻应变片的温度误差及补偿方法1.线路补偿法

测量应变时，检测应变片R1贴在被测试件的表面上，补偿应变片RB贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，但补偿块不承受外作用力，仅检测应变片承受应变。四、应变式传感器由弹性元件、电阻应变片及外壳等组装而成的装置，为应变式传感器。应变式传感器与其它类型的力学传感器相比,具有测试范围宽、输出特性线性好、精度高、性能稳定、工作可靠并能在恶劣环境条件下工作的特点。应变式传感器可用于力、压力、加速度等力学量的测量，因此，它被广泛应用于煤碳、化工、冶金、机械、交通及国防等许多部门。把电阻应变片贴在传感器的弹性元件表面，当弹性元件受力产生应变时，电阻应变片便会感受到该变化而随之产生应变，并引起应变片电阻的变化，即一、工作原理从上式可知，金属材料应变系数为定值时，只要测量出应变片的值，就知道应变片的应变值。如果知道弹性元件的弹性模量E，则可根据计算出外作用应变力的大小。在应变式传感器的结构中，一般是将四个电阻应变片成对地横向或纵向粘贴在弹性元件的表面，使应变片分别感受到零件的压缩和拉伸变形。通常四个应变片接成电桥电路，可以从电桥的输出中直接得到应变量的大小，从而得知作用于弹性元件上的力。

1．筒式(圆柱、圆筒、方柱)弹性元件