传感技术及应用-2(电阻式传感器).ppt

1、传感技术及应用,课程名称：传感技术及应用,主讲教师：赵永平,联系方式： 工作地点：电机楼30035-8 电话第二章 电阻传感器,电阻式传感器的基本原理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信号输出。,第二章 电阻式传感器,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。,部分实物,第二章 电阻式传感器,2-1 电位器式传感器,电位器是一个机电传感元件，它作为传感器可以将机械位移或其它能转换为位移的非电量转换为与其有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出

2、电压的变化。,第二章 电阻式传感器,一、电位器式传感器的种类,线绕电位器 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。 特点：结构简单，尺寸小，输出特性精度高（可达0.1%）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 到影响，分辨力也较低。 合成膜电位器 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。 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 度在1%左右（经修刻后，可提高到0.1% ）；接触电阻大，抗潮性差，噪声 较大。 金属膜电位器 在玻璃或陶瓷基体上用真空蒸

3、发或电镀的方法涂覆一层金属复合膜而制 成。 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 小、阻值较低（1K2K）。,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,导电塑料电位器 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。 导电玻璃釉电位器 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、抗湿、阻值范围

4、广、电阻温度系数小（约2.510-4/）；精度不高、接触电阻大。,第二章 电阻式传感器,光电电位器 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

5、位器最大的优点是非接触型，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。,第二章 电阻式传感器,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,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,三、线性线绕电位器电输出特性,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；

6、x电刷行程； r电刷行程x处对应电阻； b骨架宽度； h骨架高度； t线绕节距； RL负载电阻。,第二章 电阻式传感器,视在分辨力,负载误差,第二章 电阻式传感器,由负载电阻为有限值产生的相对负载误差为：,第二章 电阻式传感器,若令负载系数mR/RL，行程比Xr/R=x/L，则有,可见相对负载误差在x=1/2L处有极值。 （负载误差最大）,第二章 电阻式传感器,金属丝受拉时，l、r 和 R 将如何变化？,提出问题,第二章 电阻式传感器,结论：金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,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：,导

7、线两端受到力F作用时,第二章 电阻式传感器,将上式取对数再微分，则引起电阻值变化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。,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,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）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。,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,电阻应变片的灵

8、敏度系数定义为：,（电阻丝应变片存在横向效应）,第二章 电阻式传感器,图4 放大的栅状电阻应变片及弯角 部分示意图,纵向应变 造成电阻增加，横向应变 造成电阻减少。,第二章 电阻式传感器,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。,第二章 电阻式传感器,小结,金属丝式应变片使用最早，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

9、减小到最小的程度，适合于大批量生产。,为安全起见，要求金属材料的轴向应变最好不要大于110-3。,即：要求其机械应变小,第二章 电阻式传感器,由于机械应变一般都很小, 那么考虑,通常采用直流电桥和交流电桥。,提出问题？,三、 电阻应变片的测量转换电路,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来；,同时要把电阻相对变化R/ R转换为电压或 电流的变化。,应该采用什么测量转换电路？,回答,第二章 电阻式传感器,1. 直流电桥,由四个桥臂R1、R2、R3及R4和一个供桥电源U组成。,电路特点：,当被测量无变化，四桥臂满足一定的关系，输出为零；当被测量发生变化时，测量电桥平衡被破坏，有电压输出。,电路组成

10、,其中，RL为负载电阻 Uo为电桥输出电压。,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,A. 直流电桥,a.电桥平衡条件,当电桥平衡时, Uo=0, 则有：,R1R4 = R2R3,欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。, 电桥平衡条件,结论：,或,第二章 电阻式传感器,分析：,b. 电压灵敏度,（1）,R2, R3, R4为电桥固定电阻,这就构成了单臂电桥。,R1为电阻应变片,第二章 电阻式传感器,（2）当R1产生应变时, 若应变片电阻变化为R1，其它桥臂固定不变， 电桥输出电压Uo0,分析：,b. 电压灵敏度,电桥不平衡输出电压为:,设桥臂比n = R2

11、/R1,考虑到平衡条件R2/R1= R4/R3,且R1/R1很小可忽略,电桥电压灵敏度定义为：,分析：,b. 电压灵敏度,电桥不平衡输出电压为:,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器, 电桥电压灵敏度Ku=Ku(n) ， 恰当地选择桥臂比n 的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。,分析可知：, 电桥电压灵敏度, 电桥电压灵敏度Ku正比于电桥供电电压U,提出问题？,当U值确定后, n值取何值时使Ku最高？,但供电电压U的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择;,U Ku,当dKu/dn=0 时，求Ku的最大值。,即： 在电桥电压确定后, 当R1=R2=R3=R4时, 电桥电压灵敏度最

12、高, 此时有,解决办法：,求得n=1时, Ku为最大值,当电桥电压U和电阻相对变化量R1/R1一定时, 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值, 且与各桥臂电阻阻值大小无关。,结论：,第二章 电阻式传感器,c.非线性误差及其补偿方法,理想值,实际值, 非线性误差,如果是四等臂电桥, R1=R2=R3=R4, 则,提出问题？,非线性误差 是否能满足测量要求？,第二章 电阻式传感器,讨论：非线性误差是否能满足测量要求？,对于一般应变片来说，所受应变通常在510-3以下。,（1）若取K=2, 则R1/R1=K=0.01, 代入上式计算得非线性误差为0.5%;,（2）若K=130, =10-3时, R1/R

13、1=0.130, 则得到非线性误差为6%。,结论：K较小时，非线性误差能满足测量要求；当K到某值时，非线性误差已不能满足测量要求。,必须予以减小和克服非线性误差。,如何解决？,第二章 电阻式传感器,解决办法： （1）差动电桥,即：在试件上安装两个工作应变片, 一个受拉应变, 一个受压应变, 接入电桥相邻桥臂, 称为半桥差动电路。,第二章 电阻式传感器,单臂电桥,双臂电桥,（半桥式）,第二章 电阻式传感器,解决办法： （1）差动电桥,即：在试件上安装两个工作应变片, 一个受拉应变, 一个受压应变, 接入电桥相邻桥臂, 称为半桥差动电路。,该电桥输出电压为,第二章 电阻式传感器,解决办法： （1）

14、差动电桥,呈线性关系；, 无非线性误差；,电桥电压灵敏度K=U /2,比单臂工作时提高一倍。,结论：,第二章 电阻式传感器,解决办法： （2）恒流源电桥,非线性误差减少，但不能消除，一般用于半导体应变片中。见教科书P30。,应变片R1工作时, 其电阻值变化很小， 即：R1很小,电桥相应输出电压也很小，即：Uo很小,所以，一般需要加入放大器放大。,（1）考虑：,d.存在的不足,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,（2）由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多,所以此时仍视电桥为开路情况，Uo基本不变。,即：,d.存在的不足,存在零点漂移,第二章 电阻式传感器,B. 交流电桥,根据直流电桥

15、分析可知, 由于应变电桥输出电压很小, 一般都要加放大器, 而直流放大器易于产生零漂, 因此应变电桥多采用交流电桥。,Z1,Z2,Z3,Z4,由于供桥电源为交流电源, 引线分布电容使得桥臂应变片呈现复阻抗特性。,a.电路特点,B. 交流电桥,根据直流电桥分析可知, 由于应变电桥输出电压很小, 一般都要加放大器, 而直流放大器易于产生零漂, 因此应变电桥多采用交流电桥。,由于供桥电源为交流电源, 引线分布电容使得桥臂应变片呈现复阻抗特性。,即相当于二只应变片各并联了一个电容, 则每一桥臂上复阻抗分别为：,a.电路特点,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,B. 交流电桥,由交流电路分析可得

16、,Z1 Z4 = Z2 Z3,a.平衡条件,其实部、 虚部分别相等, 并整理可得:,第二章 电阻式传感器,B. 交流电桥,电阻平衡条件,电容平衡条件,交流电桥的平衡条件:,其实部、 虚部分别相等, 并整理可得:,即要满足电阻平衡条件，还要满足电容平衡条件。,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 。,第二章 电阻式传感器,四、 温度误差及其补偿,温度变化引起电阻变化的原因主要有两点：,第二章 电阻式传感器,（1）电阻丝电阻本身就是温度的函数。,（2）试件材料与应变片材料热膨胀系数不同,产生附加变形而引起电阻的变化，其电阻增量表达式为：,第

17、二章 电阻式传感器,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，使得敏感栅与试件热膨胀系数相似。 （2）电桥补偿法（电路实现）。,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,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。,第二章 电阻式传感器,半桥连接,第二章 电阻式传感器,差动半桥连接,第二章 电阻式传感器,RW,RW,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：

18、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。,第二章 电阻式传感器,五、 应变片的主要参数,第二章 电阻式传感器,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,第二章 电阻式传感器,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，但在半导体材料中，这种效应特别显著。,第二章 电阻

19、式传感器,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。,第二章 电阻式传感器,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。,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。,第二章 电阻式传感器,这样,第二章 电阻式传感器,金属电阻丝的相对灵敏度系数为：,代入得到：,金属应变片, 基本不变,金属应变片,

20、半导体应变片 变化,半导体应变片,第二章 电阻式传感器,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。,第二章 电阻式传感器,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

21、,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,示例1：应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,第二章 电阻式传感器,F,示例2：应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,示例2：应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,第二章 电阻式传感器,F,F,示例2：应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,第二章 电阻式传感器,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,第二章 电阻式传感器,示例3：力传感器测量电路,调整Rg使电路满量程输出为010V,第二章 电阻式传感器,示例4：汽车衡,第二章 电阻式传感器,汽车衡称重系统,第二章 电阻式传感器,示例5：荷重传感器用于构件的称重,荷重传感器 （共 3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）,底座,垫块,电缆,第二章 电阻式传感器,第二章 电阻式传感器,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,示例6：电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,示例6：电子秤,第二章 电阻式传感器,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,第二章 电阻式传感器,人体秤,第二章 电阻式传感器,吊钩秤,便携式,第二章 电阻式传感器,示例7：应变