第二章 电阻式传感器资料

1、第二章 电阻式传感器,电阻式传感器的基本原理：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信号输出。 它的类型很多，在几何量和机械量测量领域中应用广泛，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。 特点：电阻式传感器的结构简单、性能稳定、灵敏度较高有的还适合于动态测量。 电阻式传感器中的传感元件有应变片、半导体膜片、电位器和电触点副等。由它们分别制成了应变式传感器、压阻式传感器、电位器式传感器和电触点式传感器等。其中电触点式传感器目前已极少应用。,第一节 应变式传感器,应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。,一、工作原理 (一)金属的电

2、阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。 一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为,当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长 ，横截面积相应减小 ，电阻率则因晶格发生变形等因素的影响而改变 ，故引起电阻值变化 。对上式全微分，并用相对变化量来表示：,电阻丝的纵向伸长与横向收缩的关系为泊松比,此式是“应变效应”的表达式。 称为金属电阻的灵敏系数。通常把单位应变能引起的阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其物理意义是：单位应变所引起的电阻相对变化量。,从上式看出， 受两个因素的影响， 一是 ，它是由材科的几何尺寸变化引起的； 另一个是 ，它是由材料的电

3、阻率变化引起的（称“压阻效应”）。 对于金属材料来说，以前者为主，则 。大量实验证明，在金属电阻丝的拉伸比例极限内，电阻的相对变化与轴向应变成正比。 对半导体材料： 比 大的多。,半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。 当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为：,实验证明， 比 大上百倍，所以 可以忽略，因而半导体应变片的灵敏度系数为：,半导体应变片的灵敏度系数比金属丝式高50至80倍。但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的使用范围受到一定的限制。,(二)应变片的基本结构及测量原理 电阻丝应变片是用直径为0.025mm合金电阻丝制成的。为

4、了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅网状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基片上。电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。l称为应变片的基长，b称为基宽。lx b称为应变片的使用面积。应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示。,用应变片测量受力应变时，将应变片粘贴于被测对象表面。在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，应变片敏感栅也随之变形，其阻值发生相对变化。通过转换电路转换为相应的电压或电流变化，可以得到被测对象的应变值，根据应力应变关系：,可以得到应力值。通过弹性敏感元件，将位移、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，因此可以用应变片测量上述各量，从而作成各种应变式传感器。,应变片

5、之所以应用得比较广泛，是由于它有如下优点： 测量应变的灵敏度和精确度高，性能稳定、可靠，可测 ，误差小于1。 应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、响应速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量。 测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1一20。 适应性。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。 便于多点测量、远距离测量和遥测。,二、应变片的类型、材料及粘贴 (一)应变片的类型和材料 电阻应变片分金属丝式、金属箔式和金属薄膜式。 1金属丝式应变片 金属丝式应变片有回线式和短接式两种。图23a所示为

6、回线式应变片，制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴，但其应变横向效应较大。敏感栅极丝直径一般为0.012-0.05mm，以0.025mm左右最常用。回线的曲率半径r为0.1-0.3mm。基片用以保持敏感栅及引线的几何形状和相对位置。为使被测件的应变迅速而准确地传递到敏感栅上，基片很薄，一般为0.02-0.04mm。用专门的薄纸制成的基片称为纸基，用粘结剂和有机树脂薄膜制成的称为胶基。引线常用直径为0.1-0.15mm的镀锡铜线。,图23b所示为短接式应变片，它的敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大510倍镀银丝短接而成，共优点是克服了横向效应，但因制造工艺复杂，而使用较少。,丝式应变片敏感栅的

7、材料要求：灵敏度高、电阻率高、稳定性好、温度系数好、机械强度高、抗氧化、耐腐蚀。常用的材料有：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金，以及铂、铂钨合金等。,2金属箔式应变片 是利用照相制版或光刻技术将厚约0.002-0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，亦称为应变花。 它有如下优点：可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅，其栅长可做到0.2mm，以适应不问的测量要求；与被测件粘结面积大；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；横向效应小，可以忽略；蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。其缺点是电阻值的分散性比金属丝的大，有的相差几十欧姆，故需作阻值调整。,3、金属薄膜应变片 金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物

8、。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1um以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。 它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达-197317度。目前使用中的主要问题是难于控制电阻与温度和时间的变化关系。,(二)应变片的粘贴 应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传进到敏感栅上。粘结剂的性能及粘结工艺的质量直接影响着应变片的工作特性。可见选择粘结剂和正确的粘贴工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。 选择粘结剂必须适合应变片材料和被测件材料，不仅些求粘接力强，粘贴结后机械性能可靠，而且粘合层要有足够大的剪

9、切弹性模量，良好的电绝缘性，蠕变和滞后小,耐湿、耐油、耐老化、动应力测量时耐疲劳等。还要考感到应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求等.,三、金属应变片的主要特性 (一)灵敏系数,灵敏系数由实验确定。,实验发现，实际应变片的K值比单丝的K值要小，造成此现象原因是横向效应。还有粘结层传递变形失真。,指应变片安装于试件表面,在其轴线方向的单向应力作用下,应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比,(二)横向效应 将直的电阻丝绕成敏感栅 之后，虽然长度相同，但 应变状态不同，其灵敏系 数降低了。这种现象称横 向效应。,加载和卸裁特性曲线之间的最大差值 称为应变片的滞后值。,

10、（三）、机械滞后,（四）、零漂和蠕变 粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变的情况下，电阻值随时问变化的特性称为应变片的零漂。 如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。一般来说，蠕变的方向与原来应变量变化的方向相反。,(四)应变极限和疲劳寿命 应变片的应变极限是指在一定温度下，应变片的指示应变 与试件的真实应变 的相对误差不超过规定范围(一般为10)时的真实应变值 。 为提高 值，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料，基底和粘结剂的厚度不宜太大，并经适当的固化处理。,对于已安装的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生

11、疲劳损坏的循环次数N称为应变片的疲劳寿命。 当出现以下三种情况之一时都认为是疲劳损坏 应变片的敏感栅或引线发生断路； 应变片输出指示应变的幅值变化10%， 应变片输出信号波形上出现穗状尖峰。疲劳寿命反映了应变片对动态应变测量的适应性。,(五)绝缘电阻和最大工作电流 应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值。通常要求在50100M以上。绝缘电阻过低，会造成应变片与试件之间漏电而产生测量误差。 最大工作电流是指已安装的应变片，允许通过而不影响其工作特性的最大电流值。工作电流大，输出信号也大，灵敏度高。但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。工作

12、电流的选取要根据散热条件而定，主要取决于敏感栅的几何形状和尺寸、截面的形状和大小、基底的尺寸和材料，粘合剂的材料和厚度等。,（七）、应变片的电阻值 应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值。,(八)、动态响应特性 电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应考虑其动态特性。动态应变是以应变波的形式在试件中传播的，它的传播速度与声波相同。对于钢材 。当应变按正弦规律变化时，应变片反映出来应变是应变片敏感栅长度各相应点应变量的平均值，显然与某“点”的应变值不同。,四、转换电路 应变片将被测件应变的变化转换成电阻相对变化，还须进一步转换成电压或电流信号才能用电测仪表进行测量。通常采用电桥电

13、路实现这种转换。,(一)直流电桥 1、直流电桥工作原理,2、不平衡直流电桥的工作原理和灵敏度 电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗都很高，比电桥输出电阻大很多。电桥的输出为,应变片工作时，其电阻发生变化，此时不平衡电桥输出：,（2-6）,设桥臂比为 ，由于电桥初始平衡时有 略去分母中的 。可得：,电桥灵敏度：,可得单臂工作应变片的电桥电压灵敏度为：,显然， 与电桥电源电压成正比，同时与桥臂比n有关。,n取何值使 最大？在U值确定后，取 得,（2-7）,当 由式（2-6）得：,可见，当电源电压及电阻相对值一定时，电桥的输出电压及电压灵敏度将与各臂阻值大小无关。,n=1时的电桥称为对称电桥，这是最

14、常采用的形式。,直流电桥的优点是高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器至测量仪表的连接导线的分布参数影响小等。,（二）电桥的非线性误差 式（2-7）求出的输出电压是由略去式（2-6）分母中的 项而近似得到的。实际值为式（2-6）。可改写为：,非线性误差为：,对于对称电桥，,将 按幂级数展开代入上式，再略去高阶量，可得：,可见，非线性误差 与 成正比。对金属电阻丝应变片，因为 非常小，电桥非线性误差可以忽略，对半导体应变片，因为灵敏度比金属丝式大得多，受应变时 很大，非线性误差将不可忽略。,为了减小非线性误差，常采用的措施为： （1）采用差动电桥 在试件上安装两个工作应变片，一片

15、受拉，一片受压，然后接入电桥相邻臂。 电桥输出电压为：,可见，这时输出电压 与 成严格的线性关系，而且电桥灵敏度比单臂时提高一倍，此外还有温度补偿作用。,对于四臂电桥，输出电压为：,（2）采用恒流源电桥 产生非线性的原因之一是在工作过程中，由于产生 变化，使通过桥臂的电流不恒定，可用恒流源供电。,(二)交流电桥 交流电桥由于采用交流供电，这时其平衡条件、引线分布参数影响、平衡调节、后续信号放大线路等许多方面都与直流电桥有明显的差异。 1交流电桥的平衡条件,电压输出：,平衡条件：,交流电桥平衡要满足二个条件，即相对两臂复阻抗的模之积相等并且其幅角之和相等。,2交流电桥的输出特性及预平衡调节 设交

16、流电桥的初始状态是平衡的，当工作应变片 改变 后，引起 变化 ，可算出,对于起始是平衡的电桥，略去上式分母中的 项，得,一般情况下，由于导线寄生电容很小，电源频率也不很高。因此， 可见在电桥初始平衡，电源频率不太高，导线寄生电容较小时，交流电桥仍可看作纯电阻电桥，直流电桥的计算公式仍然可用。,电桥的一般形式， 也为应变片导线或电缆分布电容。,则：,可得平衡条件：,对这种交流电容电桥，除要满足电阻平 衡条件外，还必须满足电容平衡条件。 一般要设置预调平衡线路。,五、温度误差及其补偿 (一)温度误差(热输出) 引起温度误差的因素有两个 1、敏感栅电阻随温度变化引起的误差。,2、试件材料的线膨胀引起

17、的误差 环境温度变化时，敏感栅材料和试件材料的线膨胀系数不同，应变片产生附加的拉长(成压缩)，引起电阻的相对变化。,因此，因温度变化形成总的电阻相对变化为,相应的热输出为,（2-19）,(二)、温度补偿 1自补偿法 (1)单丝自补偿法 从式(219)看出，为使 ，必须满足,对于给定的试件( 给定)，可适当选取栅丝的温度系数及膨胀系数 ，以满足上式，可在一定温度范围内进行补偿。实际的做法是对于给定的试件材料和选定的康铜或镍铬铝合金栅丝，适当的选择或控制、调整栅丝温度系数 。,(2)组合式自偿法 应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。 A、选用两者具有不同符号的电阻温度系数，通过实验与计算，调整 的比例，使温度变化时产后的电阻变化满足：,即：,通过调节两种敏感栅的长度来 控制应变片的温度自补偿。,B、二种串接的电阻丝具有相同符号的温度系数，即都为正或负。在电阻丝R1和R2串接处焊接一引线2， R2为补偿电阻，它具有高的温度系数及低的应变灵敏系数。 R1作为电桥的一臂， R2与一个温度系数很小的附加电阻RB共同作为电桥的一臂，且作为R1的相邻臂。适当调节Rl和R2的长度比和外接电阻RB之值，使之满足条件,缺点是只适合于特定试件材料， 使应变片的灵敏度下降。,2