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)生機械變形，機械變形會導(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，其l、A和均發(fā)生變化，因而電阻隨之發(fā)生變化。對上式取對數(shù)后再作微分，即式中，材料的軸向線應(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，對于金屬導(dǎo)體或半導(dǎo)體，上式中電阻率相對變化的受力效應(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)通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料的電阻率相對變化與其體積相對變化之間有如下關(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變化與其線性應(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)變片測量應(yīng)變或應(yīng)力時，是將應(yīng)變片牢固地粘貼在被測彈性元件上，當(dāng)元件受力變形時，應(yīng)變片隨之相應(yīng)變形，從而引起電阻的變化。當(dāng)測得應(yīng)變片電阻值變化量為ΔR時，便可得到被測對象的應(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測試原理通過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)變片由測量應(yīng)變擴展到測量能引起應(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（也稱應(yīng)變片或應(yīng)變計）。引線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表示。阻值一般在100Ω以上。1.敏感柵應(yīng)變片中實現(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)具有良好的線性關(guān)系；電阻溫度系數(shù)小，電阻－溫度間的線性關(guān)系和重復(fù)性好，與其它金屬之間的接觸熱電勢??；機械強度高，輾壓及焊接性能好，抗氧化、抗腐蝕能力強，機械滯后微小，價格便宜。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，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：起著敏感柵和測量電路之間的過渡連接和引導(dǎo)作用。4.蓋層：用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護層。5.粘結(jié)劑：在制造應(yīng)變片時，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，用它把應(yīng)變片基底再粘貼在元件表面的被測部位。因此它也起著傳遞應(yīng)變的作用。電阻式傳感器回線式敏感柵短接式敏感柵回線半徑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)變片的類型金屬絲式電阻式傳感器通過光刻腐蝕技術(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，亦稱應(yīng)變花。優(yōu)點：與被測試件粘貼面積大，傳遞試件應(yīng)變性能好；散熱條件好；橫向效應(yīng)??；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－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、機械滯后小、體積小及耗電量少等優(yōu)點。半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻溫度系數(shù)大,非線性大。隨著半導(dǎo)體IC工藝發(fā)展，相繼出現(xiàn)了擴散型、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，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)。它表示安裝在被測元件上的應(yīng)變片，在其軸向受到單向應(yīng)力時引起的電阻相對變化（），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。因為在單向應(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)定條件下通過實測確定，故K又稱標(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)變片在感受被測試件的應(yīng)變時，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)象稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。電阻式傳感器總電阻相對變化為式中，Kx

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

Ky

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

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)，帶來測量誤差，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來表示，即敏感柵的縱柵l0愈長，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

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

蠕變（）和零漂（P0）對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)變量隨時間單向變化的特性稱為蠕變。當(dāng)試件初始空載時，應(yīng)變片指示仍會隨時間變化的現(xiàn)象稱為零漂。蠕變和零漂是衡量應(yīng)變片時間穩(wěn)定性的指標(biāo)。電阻式傳感器3.2電阻應(yīng)變片的測量電路電阻應(yīng)變片把機械應(yīng)變信號轉(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，既難以直接精確測量，又不便直接處理。因此，必須采用測量電路把應(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,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,或相對兩臂電阻的乘積相等，此時可使得流過負載電阻RL的電流為零?；螂娮枋絺鞲衅鱞.電壓靈敏度R1R2R3R4BDUoUiACRLIo－＋以單臂電橋為例當(dāng)R1產(chǎn)生應(yīng)變時,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,電橋電壓靈敏度最高（n＝1）,。c.非線性誤差及其補償方法電阻式傳感器理想值實際值全等臂電橋R1=R2=R3=R4,則非線性誤差（n=R2/R1=R4/R3）電阻式傳感器差動電橋法是利用電橋輸出特性中的相對臂與相鄰臂之“和”、“差”特征，通過應(yīng)變片的合理布片與接橋達到補償目的。若將電橋四臂接入四個應(yīng)變片,即兩個受拉應(yīng)變，

兩個受壓應(yīng)變,將兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上,構(gòu)成全橋差動電路。補償方法—差動電橋R2－R2R4+R4abUoUiR1+R1全橋差動電路R3－R3電阻式傳感器若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2