第二章 電阻應變傳感器

傳感器與檢測技術武漢理工大學自動化學院Copyright?2003WUT.AllRightsReserved.第二章電阻應變傳感器重點：電阻應變片電阻應變傳感器的測量電路電阻應變傳感器的應用第一節(jié)電阻應變片

一、電阻應變傳感器概述

1.定義 用來測非電量，主要測機械量（力、力矩、壓力、加速度等），將被測量的力通過它所產(chǎn)生的金屬彈性變形轉換成電阻變化的敏感元件。

2.特點結構簡單，應用廣泛

靈敏度K高，測試速度快

易于遠距離測量

二、電阻應變傳感器的組成與應變原理

1.組成由彈性元件、電阻應變片和測量電路組成

2.工作原理電阻應變片的工作原理是基于應變效應，即在導體產(chǎn)生機械變形時，它的電阻值相應發(fā)生變化。一根金屬電阻絲，在其未受力時，原始電阻值為

當金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應變效應。

二、電阻應變傳感器的組成與應變原理

其中式中△L/L是縱向（軸向）變化量，用應變ε表示：

△r/r是橫向（徑向）變化量，用應變εr表示：

由材料力學可知，那么軸向應變和徑向應變的關系表示為：μ為電阻絲材料的泊松比

將式（2.3）~（2.6）代入式（2.2）得：

電阻絲的靈敏系數(shù)：單位應變引起的電阻值相對變化對金屬絲而言：當測得應變片電阻值變化量△R時，便可得到被測對象的應變值。根據(jù)應力與應變的關系，得到應力值σ為：

試件的應變

試件材料彈性模量

分類三、應變片的基本結構及測量原理

1.金屬絲電阻應變片結構2.金屬箔應變片

這類應變片的敏感柵是用0.001～0.01mm厚的金屬箔通過光刻技術制作成，可以很方便地制作成各種形狀的應變片，常稱其為應變花。有較好的散熱性能，允許通過較大的工作電流；同時因柵薄，也便于粘貼到彎曲的彈性元件表面上；且蠕變和機械滯后較小，應力傳遞性能好。

3、金屬薄膜應變片

這類應變片的敏感柵是用真空蒸鍍或濺射的方法將金屬材料淀積在絕緣基片上，然后用刻蝕技術制成各種形狀的柵，其厚度比箔柵還要薄，一般在0.1μm以下，其靈敏系數(shù)比箔式還要高，是一種很有前途的新型金屬應變片。

?金屬應變計優(yōu)點:穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點:靈敏度系數(shù)小

四、金屬應變片的主要特性1.靈敏系數(shù)

3.機械滯后、零點漂移和蠕變用于衡量應變片特性對時間的穩(wěn)定性。在恒溫下，應變片受力后，其內部會產(chǎn)生不可逆的殘余變形，致使應變電阻在加載和卸載時，出現(xiàn)一定的差值，此差值稱之為機械滯后（Hysteresis）2.橫向效應應變片受恒定力作用時，應變電阻值隨時間而變化，這是因為應力在粘膠層中傳遞時出現(xiàn)滑動現(xiàn)象，膠層越厚、滑動越嚴重，這種現(xiàn)象稱之為蠕變

。造成應變片測量誤差的因素很多，測量時必須加以考慮，其中溫度影響是首要的。溫度變化引起應變片電阻值變化的現(xiàn)象稱之為溫漂。由于環(huán)境溫度改變引起電阻值變化的原因主要有二：一是電阻絲溫度系數(shù)引起的；二是由電阻絲與被測材料的線膨脹系數(shù)的不同引起。

4.應變極限和疲勞壽命

應變極限是指在一定溫度下，應變片的指示應變與試件的真實應變的相對誤差達規(guī)定值時的真實應變值。在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N稱為應變片的疲勞壽命。5.絕緣電阻和最大工作電流

絕緣電阻是指已粘貼的應變片的引線與被測件之間的電阻值。通常要求在50～100MΩ以上。最大工作電流是指已安裝的應變片，允許通過敏感柵而不影響其工作特性的最大電流。通常靜態(tài)測量時取25mA左右，動態(tài)測量時取75～100mA五、半導體電阻應變片

1、半導體應變片的壓阻效應半導體應變片是用半導體材料制成的，其工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。沿著半導體某晶向施加一定的壓力而使其產(chǎn)生應變時其電阻率將隨應力改變而變化，這種現(xiàn)象稱之為半導體的壓阻效應。

2.、半導體電阻應變片的靈敏系數(shù)

而

所以半導體應變片的縱向壓阻效應可由式（2.7）改寫為

一般πE比1+2μ大近百倍

，有因為π——半導體晶體縱向壓阻系數(shù)E——半導體晶體彈性模量半導體電阻應變靈敏系數(shù)

縱向壓阻系數(shù)

晶體彈性模量2、半導體應變片的基本結構

優(yōu)點：應變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應變電阻的元件.缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。圖2－4半導體應變片結構1.工作原理第二節(jié)電阻應變傳感器的測量電路在電阻應變傳感器中最常用的是橋式測量電路。

測量前，應將電橋調平衡，在電橋輸出端A和C之間接一檢流計調橋臂電阻使檢流計指示為0，輸出電壓U0=0，電橋達到平衡狀態(tài)。電橋的平衡條件為R1R3=R2R4。

第二節(jié)電阻應變傳感器的測量電路一、單臂橋為了便于分析，一般都取R1=R2=R3=R4=R，稱之為等臂橋

單臂電橋的靈敏度（電壓靈敏度）為

Ui↑→Su↑，但Ui一般為3～4V。

二、半橋

R1=R2=R3=R4=R半橋的靈敏度為

三、全橋

R1=R2=R3=R4=R

四、電阻應變傳感器的應用一、應變式力傳感器被測物理量為荷重或力的傳感器，稱之為應變式力傳感器（Weighingsensor）

（a）實心柱（b）空心柱（c）柱面展開圖2－15柱式力傳感器

二、應變式壓力傳感器

應變式壓力傳感器主要用來測量流動介質的動態(tài)或靜態(tài)壓力

圖2－18圓筒式壓力傳感器圖2－19膜片式壓力傳感器

三、應變式容器內液體重量傳感器

將其上兩個傳感器的電橋接成正向串接的雙電橋電路，則輸出電壓為

對于等截面的柱式容器，有

將上兩式聯(lián)立，得到容器內感壓膜上面溶液重量與電橋輸出電壓之間的關系為：

四、應變式加速度傳感器

應變式傳感器主要用于物體加速度的測量。補充內容：第三節(jié)電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器,按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應變式、熱敏式、光敏式、電敏式.123132直線型旋轉型1變阻器式傳感器

(1)工作原理等效電路分析:Rp-總電阻;xp-變阻總長;RL負載電阻;x-電刷移動量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx0x100%100%Output0負載效應2.3電阻式傳感器(2)變阻器式傳感器的性能參數(shù):1)線性(或曲線的一致性);4)移動或旋轉角度范圍;2)分辨率;5)電阻溫度系數(shù);3)整個電阻值的偏差;6)壽命;(3)變阻器式傳感器的分類變阻器按電阻元件分單圈電位器直線滑動式電位器多圈電位器混合式電位器導電塑料電位器金屬陶瓷電位器線繞電位器2.3電阻式傳感器(4)變阻器式傳感器的特點電阻器

制作

特點

繞線式

直徑0.012-0.1mm的鎳鉻合金的精密電阻絲繞在絕緣的薄膜銅絲或絕緣膠木板等卷芯上而制作

電阻溫度系數(shù)非常好，為±5-20*10-6/0C;精度,穩(wěn)定性,重復性比薄模式好,分辨力低于薄模式.

金屬陶瓷式

電阻膠印在陶瓷基板上,并用高溫燒制而成.

分辨力高,環(huán)境適應性強前,電阻溫度系數(shù),為±200*10-6/0C左右.

導電-塑料式

將基板的樹脂與電阻墨制成一體,獲將電阻膠涂于薄膜基片上.

分辨力,壽命,高速現(xiàn)響應特性好,電阻溫度系數(shù)為±400*10-6/0C

混合式

導電性樹脂涂于限繞式電阻元件上

兼有繞線式和導電-塑料式的優(yōu)點,電阻溫度系數(shù)為±150*10-6/0C

2.3電阻式傳感器(5)應用案例：重量的自動檢測--配料設備重量設定原材料

比較原理用彈簧將力轉換為位移;再用變阻器將位移轉換為電阻的變化2.3電阻式傳感器案例：煤氣包儲量檢測原理直接將代表煤氣包儲量的高度變化轉換為鋼絲的電阻變化煤氣包鋼絲特點：（1）測量量程大；（2）防爆；（3）可靠；（4）成本低。2.3電阻式傳感器案例：玩具機器人（廣州中鳴數(shù)碼）原理直接將關節(jié)驅動電機的轉動角度變化轉換為電阻器阻值變化2.3電阻式傳感器2電阻應變式傳感器--應變片金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。2.3電阻式傳感器3)應變片的主要參數(shù)

1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用b×L

表示。2）電阻值：應變計的原始電阻值。3）靈敏系數(shù)：表示應變計變換性能的重要參數(shù)。4）其它表示應變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

2.3電阻式傳感器案例：橋梁固有頻率測量原理在橋中設置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。2.3電阻式傳感器4)應用案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉化結構變形再通過應變片轉化為電量輸出。2.3電阻式傳感器作業(yè)：下圖為一直流