第二章 電阻應(yīng)變傳感器

傳感器與檢測(cè)技術(shù)武漢理工大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院Copyright?2003WUT.AllRightsReserved.第二章電阻應(yīng)變傳感器重點(diǎn)：電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變傳感器的測(cè)量電路電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用第一節(jié)電阻應(yīng)變片

一、電阻應(yīng)變傳感器概述

1.定義 用來測(cè)非電量，主要測(cè)機(jī)械量（力、力矩、壓力、加速度等），將被測(cè)量的力通過它所產(chǎn)生的金屬?gòu)椥宰冃无D(zhuǎn)換成電阻變化的敏感元件。

2.特點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，應(yīng)用廣泛

靈敏度K高，測(cè)試速度快

易于遠(yuǎn)距離測(cè)量

二、電阻應(yīng)變傳感器的組成與應(yīng)變?cè)?/p>

1.組成由彈性元件、電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路組成

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

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

二、電阻應(yīng)變傳感器的組成與應(yīng)變?cè)?/p>

其中式中△L/L是縱向（軸向）變化量，用應(yīng)變?chǔ)疟硎荆?/p>

△r/r是橫向（徑向）變化量，用應(yīng)變?chǔ)舝表示：

由材料力學(xué)可知，那么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)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)：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻值相對(duì)變化對(duì)金屬絲而言：當(dāng)測(cè)得應(yīng)變片電阻值變化量△R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為：

試件的應(yīng)變

試件材料彈性模量

分類三、應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測(cè)量原理

1.金屬絲電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)2.金屬箔應(yīng)變片

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

3、金屬薄膜應(yīng)變片

這類應(yīng)變片的敏感柵是用真空蒸鍍或?yàn)R射的方法將金屬材料淀積在絕緣基片上，然后用刻蝕技術(shù)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(yīng)變片。

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

四、金屬應(yīng)變片的主要特性1.靈敏系數(shù)

3.機(jī)械滯后、零點(diǎn)漂移和蠕變用于衡量應(yīng)變片特性對(duì)時(shí)間的穩(wěn)定性。在恒溫下，應(yīng)變片受力后，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生不可逆的殘余變形，致使應(yīng)變電阻在加載和卸載時(shí)，出現(xiàn)一定的差值，此差值稱之為機(jī)械滯后（Hysteresis）2.橫向效應(yīng)應(yīng)變片受恒定力作用時(shí)，應(yīng)變電阻值隨時(shí)間而變化，這是因?yàn)閼?yīng)力在粘膠層中傳遞時(shí)出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象，膠層越厚、滑動(dòng)越嚴(yán)重，這種現(xiàn)象稱之為蠕變

。造成應(yīng)變片測(cè)量誤差的因素很多，測(cè)量時(shí)必須加以考慮，其中溫度影響是首要的。溫度變化引起應(yīng)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(cè)材料的線膨脹系數(shù)的不同引起。

4.應(yīng)變極限和疲勞壽命

應(yīng)變極限是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變與試件的真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差達(dá)規(guī)定值時(shí)的真實(shí)應(yīng)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(yīng)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(yīng)變片的引線與被測(cè)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(yīng)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(cè)量時(shí)取25mA左右，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)取75～100mA五、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片

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

2.、半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)

而

所以半導(dǎo)體應(yīng)變片的縱向壓阻效應(yīng)可由式（2.7）改寫為

一般πE比1+2μ大近百倍

，有因?yàn)棣小雽?dǎo)體晶體縱向壓阻系數(shù)E——半導(dǎo)體晶體彈性模量半導(dǎo)體電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)

縱向壓阻系數(shù)

晶體彈性模量2、半導(dǎo)體應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)

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

測(cè)量前，應(yīng)將電橋調(diào)平衡，在電橋輸出端A和C之間接一檢流計(jì)調(diào)橋臂電阻使檢流計(jì)指示為0，輸出電壓U0=0，電橋達(dá)到平衡狀態(tài)。電橋的平衡條件為R1R3=R2R4。

第二節(jié)電阻應(yīng)變傳感器的測(cè)量電路一、單臂橋?yàn)榱吮阌诜治觯话愣既1=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(yīng)變傳感器的應(yīng)用一、應(yīng)變式力傳感器被測(cè)物理量為荷重或力的傳感器，稱之為應(yīng)變式力傳感器（Weighingsensor）

（a）實(shí)心柱（b）空心柱（c）柱面展開圖2－15柱式力傳感器

二、應(yīng)變式壓力傳感器

應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測(cè)量流動(dòng)介質(zhì)的動(dòng)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(yīng)變式容器內(nèi)液體重量傳感器

將其上兩個(gè)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(duì)于等截面的柱式容器，有

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

四、應(yīng)變式加速度傳感器

應(yīng)變式傳感器主要用于物體加速度的測(cè)量。補(bǔ)充內(nèi)容：第三節(jié)電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)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(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式.123132直線型旋轉(zhuǎn)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(zhǎng);RL負(fù)載電阻;x-電刷移動(dòng)量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx0x100%100%Output0負(fù)載效應(yīng)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(dòng)或旋轉(zhuǎn)角度范圍;2)分辨率;5)電阻溫度系數(shù);3)整個(gè)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(dòng)式電位器多圈電位器混合式電位器導(dǎo)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(diǎn)電阻器

制作

特點(diǎn)

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(fù)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?zé)贫?

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

導(dǎo)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(yīng)特性好,電阻溫度系數(shù)為±400*10-6/0C

混合式

導(dǎo)電性樹脂涂于限繞式電阻元件上

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

2.3電阻式傳感器(5)應(yīng)用案例：重量的自動(dòng)檢測(cè)--配料設(shè)備重量設(shè)定原材料

比較原理用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移;再用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化2.3電阻式傳感器案例：煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè)原理直接將代表煤氣包儲(chǔ)量的高度變化轉(zhuǎn)換為鋼絲的電阻變化煤氣包鋼絲特點(diǎn)：（1）測(cè)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(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼）原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化2.3電阻式傳感器2電阻應(yīng)變式傳感器--應(yīng)變片金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)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(yīng)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(yīng)變計(jì)的原始電阻值。3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。4）其它表示應(yīng)變計(jì)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(cè)量原理在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時(shí)的沖擊對(duì)橋梁進(jìn)行激勵(lì)，再通過應(yīng)變片測(cè)量橋梁動(dòng)態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。2.3電阻式傳感器4)應(yīng)用案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。2.3電阻式傳感器作業(yè)：下圖為一直流