傳感器技術(shù)-第三章

第三章電阻式傳感器電阻式傳感器3.1電阻應(yīng)變片3.1.1應(yīng)變電阻效應(yīng)電阻式傳感器

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力（拉力或壓力）的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致其電阻值變化，這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為“應(yīng)變效應(yīng)”。電阻式傳感器當(dāng)材料受到軸向力而被拉伸（或壓縮）時(shí)，其l、A和均發(fā)生變化，因而電阻隨之發(fā)生變化。對(duì)上式取對(duì)數(shù)后再作微分，即式中，材料的軸向線(xiàn)應(yīng)變，常用單位（1=110-6mm/mm）

（3.2）其中，r

導(dǎo)體的半徑；

導(dǎo)體材料的泊松比。所以，對(duì)于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體，上式中電阻率相對(duì)變化的受力效應(yīng)是不一樣的，分別討論如下：（3.3）電阻式傳感器

金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)通過(guò)實(shí)驗(yàn)研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料的電阻率相對(duì)變化與其體積相對(duì)變化之間有如下關(guān)系式中，C

由一定的材料和加工方式?jīng)Q定的常數(shù)。（3.4）（3.5）代入式(3.3)，并考慮實(shí)際上RR，故可得式中，

金屬絲材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)電阻式傳感器上式表明：金屬材料的電阻相對(duì)變化與其線(xiàn)性應(yīng)變成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)。電阻式傳感器

半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)半導(dǎo)體單晶Si、Ge等材料在外力作用下電阻率將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。（3.6）式中，作用于材料的軸向應(yīng)力；

半導(dǎo)體材料在受力方向的壓阻系數(shù)；

E

半導(dǎo)體材料的彈性模量。電阻式傳感器將式(3.6)代入式(3.3)，可得（3.7）式中，

半導(dǎo)體材料的應(yīng)變靈敏系數(shù)。因此，金屬和半導(dǎo)體的應(yīng)變電阻效應(yīng)為，式中，K0

導(dǎo)電材料的靈敏系數(shù)。

金屬材料金屬絲材的應(yīng)變電阻效應(yīng)以幾何尺寸變化為主。電阻式傳感器

靈敏系數(shù)的討論它由兩部分組成：前部分為受力后金屬絲幾何尺寸變化所致；后部分為電阻率隨應(yīng)變而變的部分。>>它由兩部分組成：前部分為受力后半導(dǎo)體幾何尺寸變化所致；后部分為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致。電阻式傳感器半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)。

半導(dǎo)體材料<<電阻式傳感器使用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是將應(yīng)變片牢固地粘貼在被測(cè)彈性元件上，當(dāng)元件受力變形時(shí)，應(yīng)變片隨之相應(yīng)變形，從而引起電阻的變化。當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量為ΔR時(shí)，便可得到被測(cè)對(duì)象的應(yīng)變值，根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值σ。3.1.2測(cè)試原理通過(guò)彈性敏感元件的作用，將位移、力矩、壓力、加速度等參數(shù)轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，因此可將應(yīng)變片由測(cè)量應(yīng)變擴(kuò)展到測(cè)量能引起應(yīng)變的各種參量，從而形成各種電阻應(yīng)變式傳感器。電阻式傳感器3.1.3電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)和類(lèi)型

應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)利用導(dǎo)電材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)，可以制成測(cè)量元件表面應(yīng)變的傳感元件。為在較小的尺寸范圍內(nèi)敏感有較大的輸出，通常把應(yīng)變絲制成柵狀的應(yīng)變傳感元件，即電阻應(yīng)變片（也稱(chēng)應(yīng)變片或應(yīng)變計(jì)）。引線(xiàn)蓋層基底敏感柵金屬絲式應(yīng)變片：一般以使用面積（lb）和敏感柵的電阻值來(lái)表示。阻值一般在100Ω以上。1.敏感柵應(yīng)變片中實(shí)現(xiàn)應(yīng)變－電阻轉(zhuǎn)換的傳感元件。它通常由直徑0.015～0.05mm的金屬絲繞成柵狀，或用金屬箔腐蝕成柵狀。電阻式傳感器對(duì)制作敏感柵材料的要求：靈敏系數(shù)K和電阻率盡可能高而穩(wěn)定，且K在很大范圍內(nèi)為常數(shù)，即電阻變化率與應(yīng)變之間在較大范圍內(nèi)具有良好的線(xiàn)性關(guān)系；電阻溫度系數(shù)小，電阻－溫度間的線(xiàn)性關(guān)系和重復(fù)性好，與其它金屬之間的接觸熱電勢(shì)小；機(jī)械強(qiáng)度高，輾壓及焊接性能好，抗氧化、抗腐蝕能力強(qiáng)，機(jī)械滯后微小，價(jià)格便宜。電阻式傳感器2.基底：為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常將粘結(jié)劑將它固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上。應(yīng)變片工作時(shí)，基底起著把元件應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞給敏感柵的作用。為此基底必須很薄，一般為0.02～0.04mm。3.引線(xiàn)：起著敏感柵和測(cè)量電路之間的過(guò)渡連接和引導(dǎo)作用。4.蓋層：用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護(hù)層。5.粘結(jié)劑：在制造應(yīng)變片時(shí)，用它分別把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底；在使用應(yīng)變片時(shí)，用它把應(yīng)變片基底再粘貼在元件表面的被測(cè)部位。因此它也起著傳遞應(yīng)變的作用。電阻式傳感器回線(xiàn)式敏感柵短接式敏感柵回線(xiàn)半徑r：0.1～0.3mm橫向效應(yīng)敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵絲直徑大5～10倍的鍍銀絲短接而成?？朔藱M向效應(yīng)。

應(yīng)變片的類(lèi)型金屬絲式電阻式傳感器通過(guò)光刻腐蝕技術(shù)將厚度為0.003～0.01mm金屬箔片制成所需的各種圖形的敏感柵，亦稱(chēng)應(yīng)變花。優(yōu)點(diǎn)：與被測(cè)試件粘貼面積大，傳遞試件應(yīng)變性能好；散熱條件好；橫向效應(yīng)小；蠕變較小。金屬箔式金屬薄膜應(yīng)變片采用真空濺射或真空沉積的方法，將產(chǎn)生應(yīng)變的金屬或合金直接沉積在彈性元件上而不用粘合劑，薄膜厚度在0.1m以下。這種應(yīng)變片的靈敏系數(shù)高，允許工作電流密度大，工作溫度范圍寬，可達(dá)－197C～317C電阻式傳感器利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)制成的一種轉(zhuǎn)換元件。具有靈敏系數(shù)高、機(jī)械滯后小、體積小及耗電量少等優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)大,非線(xiàn)性大。隨著半導(dǎo)體IC工藝發(fā)展，相繼出現(xiàn)了擴(kuò)散型、外延型和薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片。電阻式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體敏感條引線(xiàn)基底電阻式傳感器3.1.4電阻應(yīng)變片的主要特性

靈敏系數(shù)（K）當(dāng)具有初始電阻R的應(yīng)變片粘貼于元件表面時(shí)，元件受力引起的應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對(duì)變化。在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，有如下關(guān)系：式中，x—應(yīng)變片軸向應(yīng)變；

—應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。它表示安裝在被測(cè)元件上的應(yīng)變片，在其軸向受到單向應(yīng)力時(shí)引起的電阻相對(duì)變化（），與此單向應(yīng)力引起的元件表面軸向應(yīng)變（x）之比。電阻式傳感器

需要注意的是，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K并不等于其敏感柵應(yīng)變絲的靈敏系數(shù)K0，一般情況下，KK0。因?yàn)樵趩蜗驊?yīng)力產(chǎn)生雙向應(yīng)變的情況下，K除了受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀、成型工藝、粘結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應(yīng)的影響。應(yīng)變片的標(biāo)定：應(yīng)變片的靈敏系數(shù)直接關(guān)系到應(yīng)變測(cè)量的精度。因此，K值通常采用從批量生產(chǎn)中每批抽樣，在規(guī)定條件下通過(guò)實(shí)測(cè)確定，故K又稱(chēng)標(biāo)定靈敏系數(shù)。

橫向效應(yīng)及橫向效應(yīng)系數(shù)（H）電阻式傳感器敏感柵軸向縱柵：軸向拉應(yīng)變x

，電阻增加圓弧橫柵：橫向壓應(yīng)變y，電阻減小εyεx應(yīng)變片在感受被測(cè)試件的應(yīng)變時(shí)，橫向應(yīng)變將使其電阻變化率減小，從而降低靈敏系數(shù)的現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。電阻式傳感器總電阻相對(duì)變化為式中，Kx

—縱向靈敏系數(shù)，當(dāng)εy＝0時(shí)，單位軸向應(yīng)變引起的電阻值相對(duì)變化；

Ky

—橫向靈敏系數(shù)，當(dāng)εx＝0時(shí)，單位橫向應(yīng)變引起的電阻值相對(duì)變化；

a＝εy／εx—雙向應(yīng)變比；

H

＝Ky

／Kx

—雙向應(yīng)變靈敏系數(shù)比。

電阻式傳感器

橫向效應(yīng)降低了電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，帶來(lái)測(cè)量誤差，所以要減小H。當(dāng)a＝εy／εx＝－0，則在單向應(yīng)力、雙向應(yīng)變情況下，橫向應(yīng)變總是起著抵消軸向應(yīng)變的作用。橫向效應(yīng)的大小用橫向效應(yīng)系數(shù)H來(lái)表示，即敏感柵的縱柵l0愈長(zhǎng)，而橫柵r愈小，則H愈小。因此，采用短接式或直角式橫柵，可有效地克服橫向效應(yīng)的影響。電阻式傳感器短接式直角式箔式電阻式傳感器

機(jī)械滯后（Zj）對(duì)于已安裝在元件表面的應(yīng)變片，在溫度恒定時(shí)，增加或減少機(jī)械應(yīng)變過(guò)程中，在同一機(jī)械應(yīng)變量的作用下指示應(yīng)變的差數(shù)，稱(chēng)為應(yīng)變片的機(jī)械滯后。造成機(jī)械滯后的原因：敏感柵、基底和粘合劑再承受機(jī)械應(yīng)變后留下的殘余變形。

蠕變（）和零漂（P0）對(duì)于已安裝在試件表面的應(yīng)變片，在恒溫恒載條件下，指示應(yīng)變量隨時(shí)間單向變化的特性稱(chēng)為蠕變。當(dāng)試件初始空載時(shí)，應(yīng)變片指示仍會(huì)隨時(shí)間變化的現(xiàn)象稱(chēng)為零漂。蠕變和零漂是衡量應(yīng)變片時(shí)間穩(wěn)定性的指標(biāo)。電阻式傳感器3.2電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片把機(jī)械應(yīng)變信號(hào)轉(zhuǎn)換成R/R后，由于應(yīng)變量及其應(yīng)變電阻變化一般都很微小，既難以直接精確測(cè)量，又不便直接處理。因此，必須采用測(cè)量電路把應(yīng)變片的R/R變化轉(zhuǎn)換成可用的電壓或電流輸出。電阻式傳感器直流電橋R1R2R3R4BDUoUiACRLIo－＋a.電橋平衡條件當(dāng)電橋平衡時(shí),Uo=0,則有：R1R4=R2R3欲使電橋平衡,其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等,或相對(duì)兩臂電阻的乘積相等，此時(shí)可使得流過(guò)負(fù)載電阻RL的電流為零?；螂娮枋絺鞲衅鱞.電壓靈敏度R1R2R3R4BDUoUiACRLIo－＋以單臂電橋?yàn)槔?dāng)R1產(chǎn)生應(yīng)變時(shí),若應(yīng)變片電阻變化為ΔR1，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓Uo≠0。電橋不平衡輸出電壓為:設(shè)橋臂比n=R2/R1，考慮到平衡條件R2/R1=R4/R3，且ΔR1/R1很小可忽略。電阻式傳感器電橋電壓靈敏度定義為：因此，電橋不平衡輸出電壓為:電橋電壓靈敏度K正比于電橋供電電壓Ui；

電橋電壓靈敏度K=K(n)，恰當(dāng)?shù)剡x擇橋臂比n的值，保證電橋具有較高的電壓靈敏度。當(dāng)R1=R2=R3=R4時(shí),電橋電壓靈敏度最高（n＝1）,。c.非線(xiàn)性誤差及其補(bǔ)償方法電阻式傳感器理想值實(shí)際值全等臂電橋R1=R2=R3=R4,則非線(xiàn)性誤差（n=R2/R1=R4/R3）電阻式傳感器差動(dòng)電橋法是利用電橋輸出特性中的相對(duì)臂與相鄰臂之“和”、“差”特征，通過(guò)應(yīng)變片的合理布片與接橋達(dá)到補(bǔ)償目的。若將電橋四臂接入四個(gè)應(yīng)變片,即兩個(gè)受拉應(yīng)變，

兩個(gè)受壓應(yīng)變,將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上,構(gòu)成全橋差動(dòng)電路。補(bǔ)償方法—差動(dòng)電橋R2－R2R4+R4abUoUiR1+R1全橋差動(dòng)電路R3－R3電阻式傳感器若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2