第3章 电阻式传感器原理及其应用

1、第三章电阻传感器的原理和应用，3.1电阻应变传感器3 . 1 . 1 . 1传感器工作原理3.1.2电阻应变仪3.1.3电阻应变传感器测量电路3.1.4电阻应变仪3.1.5电阻应变传感器应用3.2压阻传感器3.2可用于各种机械和热数量测试，例如测量力、压力、位移、变形、速度、加速度、温度和湿度。结构简单、性能稳定、成本低，广泛应用于许多行业。构成电阻的材料和种类多种多样，引起电阻变化的物理原因也多种多样，构成了由各种电阻传感器元素及其组件组成的电阻传感器。3.1电阻应变传感器，3.1.1传感器的工作原理电阻应变传感器是根据电阻应变效应的原理制作的，将测量物体的变形转化为电阻的变化。主要用于机械

2、量检查，例如力、压力等物理量测试，最广泛使用的形式是电阻应变计。(1)阻力-应变效应阻力-应变效应：导体或半导体材料由外力引起机械变形，其阻力也相应变化，这种现象称为阻力-应变效应。金属电阻应变计的工作原理是电阻应变效应。金属导体的电阻值可以表示为：换句话说，对于圆形横截面积的阻力导线，其半径为：材料力学表明，在弹性范围内，拉金属线沿轴向拉伸，径向缩短，金属电阻线轴向变形，轴向变形和径向变形的关系可以表示为：换言之，概括如下：3.1.2电阻应变计结构和分类(1)电阻应变计结构电阻应变计，也称为电阻应变计，具有更多结构，但主要组件基本相同，由基板、敏感栅和罩组成。(1)敏感网格通过电阻转换实现敏

3、感因素。直径为0.0150.05mm的导线通常环绕浇口或被金属箔腐蚀，成为浇口。(2)基板经常在纸或口香糖的底座上使用粘结剂，以保持敏感网格的固定形状、大小和位置。球场必须非常薄，通常为0.020.04mm。(3)引线充当敏感网格和测量电路之间的过渡连接和引导。使用低电阻镀锡铜(通常直径约0.10.15mm)连接钎焊和敏感浇口末端。(4)盖子是用纸和胶水复盖敏感大门的保护层，具有防潮、防腐、防止损坏等作用。(5)粘结剂还负责创建变形计时，将盖子和敏感浇口分别集成到底座中，使用变形计时将应变计底座粘贴到试样表面的测试部分。电阻应变计要求：(1)应变灵敏度系数大，线性范围大。(2)电阻率值大。也就

4、是说，在相同长度、相同横截面的阻力导线上，阻力更大。(3)电阻稳定性好，温度系数小，随着环境温度的不同，电阻小。(4)焊接容易，引线材料的接触电位小。(5)抗氧化能力高，耐腐蚀性强，耐疲劳，机械强度好，具有良好的可加工性。常用金属电阻线材料的特性：几种常用国内应变计的技术数据：(2)电阻应变计的分类可以分为金属电阻应变计和半导体应变计两类，具体取决于应变计的制造材料。电阻应变计可以根据制造方法、工作温度和用途进行不同的分类。基于导线的应变计由基体材料、金属应变线或应变弧、绝缘防护片和引线组成。线材应变计具有回路和短接头。回路样式使用最多，制作简单，性能稳定，成本低，粘贴容易，但侧面效果更大。基

5、于导线的金属电阻应变计平行排列直径为0.010.05mm的电阻线。应变计的阻力在数十欧元到数十，000欧元左右。金属箔电阻应变计的结构是用光刻、腐蚀等工艺制作的。合金先卷成0.002mm0.01mm厚的箔，热处理后一面刷成0.030.05mm厚的树脂胶，然后聚合硬化形成基体。在另一边，通过照相制版、光刻、腐蚀等制作敏感的闸门，焊接引线，用与基底相同的树脂胶涂上覆盖物。箔应变计的主要特征：工艺，它保证了灵敏的网格大小和均匀的线。大规模生产中，阻力一致，离散度小。箔条应变计敏感网格的横截面面积大，表面积和横截面面积比大，冷却性能好，允许更大的电流和更高的灵敏度系数。箔应变计的厚度通常比钢丝应变计薄

6、，厚度为0.0030.01mm，因此感度很好，因此根据需要创建任意形式的敏感栅(即应变花)和小型基座长度(例如基本长度为0.1mm)，以帮助传递变形。箔式应变计的特殊工艺，适合批量生产，生产效率高。金属薄膜应变计：胶片，通常指厚度不超过0.1米的胶片。金属薄膜应变计是用真空沉积、沉积或溅射阴极扩散等方法规定的图形制作的掩膜板，制造金属电阻材料的薄膜，形成对极薄的绝缘基板材料敏感的栅极，并加入保护层制成。金属薄膜应变计由一些高温材料制成，可以在高温条件下工作的电阻应变计。例如，使用铂或铬等材料沉积在蓝宝石薄片或复盖有陶瓷绝缘层的钼条上，工作温度范围为600800。如果根据工作温度分类，则电阻应变

7、分数可以指定为低温(-30以下)、常温(-3060)、中温(60300以上)和高温(300以上)多个应变计。3.1.3电阻应变传感器测量电路电阻应变传感器测量电路根据工作电源分为直流电源测量电路和交流电源测量电路两种。(1) DC桥电路DC桥电路由连接环的四个桥臂组成，每个桥臂具有R1、R2、R3和R4的阻力，它们可能全部或部分是应变片。u是电源电压，为桥供电，负载电阻。桥输出电压为：如果桥处于平衡状态，此时桥没有输出，则示例：称为桥的平衡条件。这意味着桥要实现平衡，两个相邻手臂阻力的比例必须相同，或者相对两个手臂阻力的乘积必须相同。不对称桥不对称桥满足桥平衡条件。接入桥臂的所有四个电阻均为应

8、变计，如果应力作用，则每个应变计电阻为：接入桥臂的四个电阻中只有一个在应变情况下，桥的输出电压为：可以设置为应变计，施加力时产生的阻力增加为，其他三个是固定阻力。在单臂操作状态下，桥的输出电压变化如下：也就是说，自下而上减少桥平衡条件，忽略高阶极少量。对称桥：对称桥可以分为满足桥平衡的两种类型。桥输出端对称桥。符合条件的桥臂的四个电阻中只有一个是应变计，桥的输出电压将更改为：如果桥臂连接到两个应变计，连接的两个应变计关于桥输出端子对称，并且两个应变计工作时产生的电阻增量大小相同的符号相反，则桥输出电压更改为：桥输出端对称桥图。电源输入端对称桥。如果满足条件的两个应变计相对于电源输入对称，并且操

9、作过程中两个应变计生成的电阻增量大小相同的符号相反，则桥的输出电压将更改为：full arm bridge当时被称为full arm bridge。，输出电压变化如下：访问一个应变计：访问两个应变计：(2)交流桥电路由于应变桥输出电压小，通常添加放大器，而直流放大器容易产生零漂移，因此应变桥使用更多的交流桥。交流桥的平衡条件：即，或，(3)桥的平衡要求在应变计工作之前平衡桥。对于直流桥，可以使用串行或并行电位器方法。常用的桥式平衡电路如图所示。(a)串行阻力调整平衡方法，(b)并行阻力调整平衡方法，如图所示，对于交流桥，通常使用阻力调整平衡方法。(d)电阻调整平衡法，(c)差动电容调整法，(4

10、)温度补偿应变计的电阻受环境(包括测试零件的温度)的影响很大。通过测量现场环境温度变化而测量的额外误差，称为应变计的温度误差。环境温度变化导致应变温度误差的主要因素有两个。环境温度发生变化时，敏感网格的电阻可能会导致错误。环境温度变化时，试样材料和拉伸丝材料的线膨胀系数不同，造成误差。电阻温度系数的影响：敏感网格中电阻线电阻值与温度变化的关系可以表示为：试样和电阻线材料的线膨胀系数的影响：如果试样(弹性元件)和电阻线(敏感门)材料的线膨胀系数相同，则无论环境温度的变化如何，电阻线的变形都不会像自由状态那样产生进一步的变形。如果试件与电阻线材料的线膨胀系数不同，则环境温度的变化将导致电阻线发生其

11、他变形，从而导致其他电阻值的变化。由于温度变化，应变电阻发生变化，测量可能产生误差，因此消除误差或校正桥输出，称为温度补偿。电阻应变计的温度补偿方法一般有两类：线路补偿和应变计自身补偿。线路补偿法：桥梁补偿法是最普通、效果最好的线路补偿法。桥使用相邻的同一双臂同时生成相同大小的相同符号的阻力增加不会为了补偿目的破坏桥平衡的特性。桥输出电压与桥臂电阻参数的关系如下：全桥温度补偿原理图，当环境温度上升时，桥臂的应变温度同时上升，温度引起的阻力漂移值一致，可相互抵消，整个桥温度漂移小。应变计自补偿：使用特殊应变计，温度变化时应变计自身的电阻增加为零，这种应变计称为温度自补偿。单丝自补偿应变计：根据温

12、度自补偿应变计的工作原理，因温度变化而引起的应变片总电阻应等于相对变化量0。双导线耦合自补偿应变计：如果通过两个不同的阻力(一个正值，一个负值)连接的材质在一定温度范围内随着温度变化而产生的阻力增量大小相同，并且符号满足相反的条件，则构造应变计。3.1.4电阻应变计粘贴应变计粘贴应变计在测试中的片段上粘贴胶水，因此粘结剂形成胶必须准确、快速地将测试中零件的变形传递到敏感闸门。选择粘结剂时，必须考虑应变计材料和主体的材料特性，附着力强，粘结后机械特性可靠，粘合层的剪切弹性系数充分，良好的电绝缘性，蠕变性和滞后性少，耐湿性，耐油性，抗老化，动态应力测量时的疲劳性等。(1)粘合剂选择粘合剂主要用于将

13、敏感网格固定在底座上，将封盖附着在底座上。使用金属应变计时，必须使用粘结剂将补丁底座粘贴到零件表面的特定方向和位置。可以将零部件的应力后表面变形传递到应变计的基座和敏感浇口。选择粘合剂的时候，要考虑工作条件、工作温度、湿气、化学腐蚀与否、稳定性、加热和加压硬化的可能性、粘贴时间等，选择合适的粘合剂。常用粘结剂分为有机和武器两类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。无机粘结剂用于高温。(2)粘贴进程时，工作器必须遵循正确的粘贴进程进程以确保粘贴质量。粘贴过程包括主体进行表面处理、补丁位置确定、底漆涂层、补丁、干燥硬化、补丁质量检查、引线的焊接和固定、保护和屏蔽等。粘结剂的特性和应变计粘合质量直接影响

14、应变贴片的工作特性，如零点漂移、蠕变、滞后、敏感系数、线性和温度变化的影响程度。表明，选择粘结剂和正确的粘接工艺与应变计的测量精度有很重要的关系。粘贴补丁的步骤通常包括：(1)检查和选择补丁(2)诗篇表面处理(3)地板处理(4)补丁(5)硬化(6)粘贴质量检查(7)簧片焊缝和组桥连接，补丁选择(1)选择类型(3)电阻选择基于测量电路和仪器选择公称电阻(4)大小，包括诗篇表面、应力分布、粘贴区域(5)其他特殊用途、恶劣环境、高精度、3.1.5电阻应变传感器应用电阻应变计两个方面。一种是敏感组件，可直接用于所测试零件的应变测量，另一种是作为挠性元件构成传感器的转换元件，可用于其他物理量的间接测量，

15、可转换为挠性元件的变形。应变计传感器的特性：广泛的应用和测量范围；分辨率高，灵敏度高，准确度高；结构轻便，对诗篇的影响小，环境适应性好，频率响应好。商品化，选择性，远距离自动测量。金属应变计：(1)力传感器：(2)压力传感器：(3)应变位移传感器：应变位移传感器将测量的位移转换为弹性元件的变形和变形，然后与通过应变计和应变桥测量的位移的功率量成正比。(4)应变加速度传感器：通过质量块和弹性元件的作用测量的加速度转换为弹性变形，也可以配置应变加速度传感器。3.2压阻传感器、3.2.1压阻传感器的结构部分固体材料在对特定轴施加外力时不仅产生变形，而且应力引起材料电阻率变化的现象称为压阻效应。半导体

16、材料的压阻效应特别强。用压阻效果制作的传感器称为压阻传感器。压阻传感器具有较大的检测系数、较高的分辨率、较好的频率响应和较小的尺寸。主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。压阻传感器是利用半导体材料的压阻效应制造的纯电阻元件。有三种主要类型：身体类型、胶片类型和扩散类型。(1)体形压阻传感器是采用半导体材料电阻的粘贴方式应变仪(半导体应变仪)，用该应变仪制作的传感器称为半导体应变传感器，其工作原理基于半导体材料的压阻效应。半导体材料硅或锗晶体沿一定方向切割的小薄片带，通过腐蚀压力焊接附着在基板上的拉伸，其结构如下。(2)薄膜压阻传感器薄膜压阻传感器采用真空沉积技术，在有绝缘层的试样上沉积半导体材

17、料制成的结构。(3)扩散型压阻传感器扩散型压阻传感器在半导体材料的基板上使用集成电路工艺制造扩散电阻。将p型杂质扩散到n型硅单晶基板上，形成非常薄的p型导电层，然后用超声波和热压焊接方式连接引线，形成扩散型半导体应变计。广泛使用的半导体应变计。扩散压阻传感器的基板是半导体单晶硅。3.2.2压阻传感器的工作原理1，工作原理压阻传感器由半导体材料制成，基于半导体材料的压阻效应，当半导体拉伸受轴向力作用时，电阻率发生变化。电阻是用应变计测量变形或应力时，由外力测试的对象产生的小机械变形，应变计产生相同的变化，应变电阻也相应地发生变化。半导体应变计与金属应变计相比，小尺寸和高灵敏度的优点最为明显。2，温度误差和补偿是半导体材料对温度敏感，因此压阻传感器的电阻值和灵敏度系数随温度变化而变化