第02章电阻式传感器PPT优秀课件

第二章第二章 电阻传感器电阻传感器电阻式传感器的电阻式传感器的基本原理基本原理是将被测量的变化转换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。电信号输出。电阻传感器常用来测量电阻传感器常用来测量位移位移、力力、压力压力、应变应变、扭矩扭矩和和加速度加速度等非电量。等非电量。扭矩传感器扭矩传感器压力压力传感器传感器位移位移传感器传感器2-1 应变式传感器应变式传感器常见用途：常见用途：电阻应变式测力电阻应变式测力/称重传感器称重传感器(straingage based load cell or load cell)，在工程结构试验及材料性能试验中，用于测，在工程结构试验及材料性能试验中，用于测量施加于结构或材料上的外载荷量施加于结构或材料上的外载荷(力值力值)；在衡器和自动称；在衡器和自动称量技术量技术中，用于测量衡器和自动称量过程中的物体的质量中，用于测量衡器和自动称量过程中的物体的质量(重量重量)。据国际计量联合会据国际计量联合会(IMEKO)力值力值和和质量计量委员会质量计量委员会(TC-3)发表的会议录文章介绍，在电子衡器和自动称量系统中，发表的会议录文章介绍，在电子衡器和自动称量系统中，应用电阻应变式称重传感器占应用电阻应变式称重传感器占90以上。以上。粘贴式应变片制成的测力环和测力棒粘贴式应变片制成的测力环和测力棒材料应变的测试材料应变的测试斜拉桥上的斜拉绳斜拉桥上的斜拉绳应变测试应变测试发展历史：发展历史：1843 年由英国物理学家惠斯顿年由英国物理学家惠斯顿(Sir Charles Wheastone)发发明了惠斯顿电桥电路明了惠斯顿电桥电路。1938年，第一只电阻应变片诞生。年，第一只电阻应变片诞生。在在19391940 年间，美国麻省理工学院的年间，美国麻省理工学院的Ruge Deforest 等人等人将电阻应变片应用到了应变测量装置中。将电阻应变片应用到了应变测量装置中。1942 年完成了酚醛基应变片，从而，使电阻应变式传感年完成了酚醛基应变片，从而，使电阻应变式传感器性能有了进一步的提高。器性能有了进一步的提高。从上世纪五十年代开始，出现了各类应变片，比如当时发从上世纪五十年代开始，出现了各类应变片，比如当时发明的箔式应变片、半导体应变片到现在的厚膜应变片等等。明的箔式应变片、半导体应变片到现在的厚膜应变片等等。应变式式传感器是基于金属电阻的应变效应应变式式传感器是基于金属电阻的应变效应制成。金属材料多为铝合金材质、合金材质及不制成。金属材料多为铝合金材质、合金材质及不锈钢材质。锈钢材质。(一一)金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应 金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小发生变化的现象称为的大小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应。一、工作原理一、工作原理llrrFF 设一根长为设一根长为l，截面积为，截面积为S，电阻系数为，电阻系数为的电阻丝，其电阻值的电阻丝，其电阻值R为：为：lRSldlSdSd导线两端受到力导线两端受到力F作用时作用时dRddldSRlS2dSdrSr2Srdrdlrl dll将上式取对数再微分，则引起电阻值变化将上式取对数再微分，则引起电阻值变化dR：因因，由材料力学可知：由材料力学可知：（径向变化）（径向变化），式中，式中泊松比泊松比表示电阻丝轴向的相对变化，也就是表示电阻丝轴向的相对变化，也就是应变应变。(12)(12)dRddldRl dRRK(12)dKdRddldSRlS令令则则K金属电阻丝金属电阻丝的相对灵敏度系数。的相对灵敏度系数。金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：金属电阻丝的相对灵敏度系数受两个因素影响：（1）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即）受力后材料的几何尺寸变化所引起的；即（2）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即）受力后材料的电阻率发生变化引起的；即(12)dp项项项项（二）应变片的结构（二）应变片的结构 应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。应变片由电阻丝（敏感栅）、基底、引线和粘合剂组成。引力应变关系：引力应变关系：E 应变片的优点：应变片的优点：（1）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠，由于有）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠，由于有保护覆盖层，可工作于各种恶劣环境；保护覆盖层，可工作于各种恶劣环境；（2）灵敏度高，测量速度快，范围大、体积小、动态）灵敏度高，测量速度快，范围大、体积小、动态响应好，适合静态、动态测量，如变形可从弹性到塑响应好，适合静态、动态测量，如变形可从弹性到塑性，由性，由120%变化；分辨率可达变化；分辨率可达12微应变（微应变（）；误差小于；误差小于1%；（3）可以测量多种物理量）可以测量多种物理量;（4）易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距）易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测测量和遥测。二、应变片的类型和材料二、应变片的类型和材料 敏感栅由很细的电阻丝（敏感栅由很细的电阻丝（0.010.05mm）或箔式金属片）或箔式金属片（厚度为（厚度为310m）或金属薄膜（）或金属薄膜（0.1m以下以下)组成。组成。1.1.金属丝式应变片金属丝式应变片（一）关于应变片（一）关于应变片回线式：制作简单性能稳定，但横向效回线式：制作简单性能稳定，但横向效应比较大应比较大短接法：制作工艺要求高短接法：制作工艺要求高2.2.金属箔式应变片金属箔式应变片 箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅金属箔栅。箔片式优点箔片式优点：（1）光刻技术能制作各种复杂形状的敏感栅光刻技术能制作各种复杂形状的敏感栅（2）横向效应小横向效应小（3）允许大电流通过，提高灵敏度允许大电流通过，提高灵敏度（4）疲劳寿命长、蠕变小疲劳寿命长、蠕变小（5）生产效率高生产效率高缺点缺点：电阻值分散性大：电阻值分散性大3.金属薄膜应变片 薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成缘基片上形成0.1m以下的金属电阻薄膜的敏感栅以下的金属电阻薄膜的敏感栅,最后再加最后再加上保护层。上保护层。优点优点：电阻值比箔式应变片高，形状尺寸更小更精确；应变灵敏度应变灵敏度系数大系数大；允许电流密度大允许电流密度大；工作范围广工作范围广4.厚膜应变片 厚厚膜应变片膜应变片使用高纯氧化铝陶瓷材料制成感压膜片，使用高纯氧化铝陶瓷材料制成感压膜片，是是用厚膜应变电阻浆料在感压膜片上以丝网印刷技术制成应变用厚膜应变电阻浆料在感压膜片上以丝网印刷技术制成应变片图形片图形。优点优点：使用温度范围宽，输出远大于金属应变传感器；功耗低；稳定性好；精度与薄膜应变片相当，而工艺比薄膜应变片简稳定性好；精度与薄膜应变片相当，而工艺比薄膜应变片简单经济；温漂小。单经济；温漂小。（二）粘结剂和粘贴技术（二）粘结剂和粘贴技术 粘贴剂形成的胶层必须可靠地将试件或弹性元件产生的粘贴剂形成的胶层必须可靠地将试件或弹性元件产生的应变传递到应变片的敏感栅去。应变传递到应变片的敏感栅去。1.1.粘合剂粘合剂 要求：要求：（1）有一定粘结强度）有一定粘结强度 （2）能准确传递应变）能准确传递应变 （3）蠕变、机械滞后小）蠕变、机械滞后小 （4）足够稳定）足够稳定 （5）耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳）耐湿、耐油、耐老化、耐疲劳2.2.粘贴技术粘贴技术 （1）应变片检查、阻值检查（）应变片检查、阻值检查（2）试件表面处理）试件表面处理 （3）定位划线（）定位划线（4）使粘合剂厚度尽量薄）使粘合剂厚度尽量薄 （5）粘合剂固化处理（）粘合剂固化处理（6）引线焊接处固定以及防护）引线焊接处固定以及防护其中其中 为安装应变片区域为安装应变片区域的轴向应变。的轴向应变。xRRK电阻应变片电阻应变片的灵敏度系数定义为：的灵敏度系数定义为：x。三、金属应变片的主要特性三、金属应变片的主要特性（一）灵敏系数（一）灵敏系数 实验证明，实验证明，电阻应变片电阻应变片的灵敏度系数恒小的灵敏度系数恒小于于电阻丝应变片电阻丝应变片的灵敏度系数，即的灵敏度系数，即0KK l0PPyx2bar图图4 放大的栅状电阻应变片及弯角放大的栅状电阻应变片及弯角 部分示意图部分示意图yx 纵向应变纵向应变 造成电阻增加，横向应造成电阻增加，横向应变变 造成电阻减少。造成电阻减少。xy（二）横向效应（二）横向效应yyxxKKRR 式中，式中，,)/(0 yxxRRK 0)/(xyyRRK 通常可通过通常可通过实验确定出实验确定出Kx和和Ky。令横向效应系数令横向效应系数,/xyHKKK 由于横向效应，横向应变由于横向效应，横向应变 也能引起电阻的变化此时也能引起电阻的变化此时实际电阻的变化为实际电阻的变化为y 则则)(yHxxKKRR 根据应变片灵敏度根据应变片灵敏度K的定义可知：的定义可知：xHxHxxxxKKKKRRK)1()(/可见可见 ，即应变片存在横向即应变片存在横向效应使应变片的灵敏度系数小于直的电阻丝的应变效应使应变片的灵敏度系数小于直的电阻丝的应变灵敏度系数灵敏度系数。0KKKKx ，即即（三）机械滞后（三）机械滞后 在一定温度下，在一定温度下，应变片的电阻相对变化应变片的电阻相对变化R/R在在应变加载和卸载时不相同，即在同一机械应变值应变加载和卸载时不相同，即在同一机械应变值 下，对应的下，对应的R/R值（即对应的指示应变值（即对应的指示应变 ）不一致）不一致，称为称为应变片的滞后应变片的滞后。i g m（四）零漂和蠕变（四）零漂和蠕变 零漂零漂：已经粘贴的应变片，在温度保持不变，试件：已经粘贴的应变片，在温度保持不变，试件没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的增长而逐渐变化的现象。增长而逐渐变化的现象。蠕变蠕变：已经粘贴的应变片，在温度保持不变，试件：已经粘贴的应变片，在温度保持不变，试件承受恒定机械应变长时间的作用，应变片的指示应承受恒定机械应变长时间的作用，应变片的指示应变会随时间的增长而逐渐变化的现象。变会随时间的增长而逐渐变化的现象。蠕变中包含零漂，蠕变是加载情况的特例蠕变中包含零漂，蠕变是加载情况的特例。（五）（五）应变极限应变极限和和疲劳寿命疲劳寿命 应变极限应变极限：指在一定的温度下，应变片的指示应指在一定的温度下，应变片的指示应变变i与试件的真实应变与试件的真实应变g的相对误差达到规定值的相对误差达到规定值(10%)时的真实应变值。时的真实应变值。疲劳寿命疲劳寿命：已经安装的应变片，在恒定：已经安装的应变片，在恒定幅值幅值内的内的交变应力作用下，可连续工作而不产生疲劳损坏交变应力作用下，可连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数的循环次数N。疲劳损坏疲劳损坏：应变片的敏感栅或引线发生断路：应变片的敏感栅或引线发生断路；应应变片输出指示应变的值为变片输出指示应变的值为10%；应变片输出信号应变片输出信号波形上出现穗状尖峰。波形上出现穗状尖峰。（六）（六）绝缘电阻绝缘电阻和和最大工作电流最大工作电流 绝缘电阻：绝缘电阻：粘贴的应变片的引线与被测试件之间粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。的电阻值。50-100M 最大工作电流最大工作电流：已安装的应变片，允许通过敏感已安装的应变片，允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流。栅而不影响其工作特性的最大电流。工作电流大，输出的信号也大，灵敏度高工作电流大，输出的信号也大，灵敏度高。（七）应变片电阻（七）应变片电阻R 应变片在未经安装也不受外力情况下，在室应变片在未经安装也不受外力情况下，在室温下测得的电阻值。温下测得的电阻值。R越大，输出信号越大，但敏感栅尺寸也增大越大，输出信号越大，但敏感栅尺寸也增大。（八）动态响应特性（八）动态响应特性 电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应该考虑其动电阻应变片在测量频率较高的动态应变时，应该考虑其动态特性。态特性。影响应变片频率响应特性的主要因素是影响应变片频率响应特性的主要因素是应变片的基长应变片的基长和和应应变波在试件材料中的传播速度变波在试件材料中的传播速度。设应变波为正弦波，应变波长为 ，应变片基长为，应变片中点坐标为 ，其两端点坐标为 和 ，应变变化为 ，而 ，则 l0 x1x2xft 2sin0 ftvtx )/2sin(0 x x2sin0 0 1x2xl)/2sin(/)/sin(2sin012021 oxxpxllxxxdx )/2sin(0 x)/2sin(000 xx 所以应变波幅相对误差为所以应变波幅相对误差为1sin00 llxxp而此时而此时 的真实应变为的真实应变为0 xl x x2sin0 0 1x2xl 四、转换电路四、转换电路根据电源的不同，电桥分为直流电桥和交流电桥。测量过程测量过程（一）直流电桥（一）直流电桥)()()()(2143432143213241RRRRRRRRRRRRRURRRRILL1.1.工作原理工作原理ab由由戴维南定理戴维南定理，从，从图图(a)(a)可知，负载电流为可知，负载电流为当当I IL L=0=0时，电桥平衡，此时的输出电压时，电桥平衡，此时的输出电压U UO O=0=0，电桥平衡的条，电桥平衡的条件为件为2.2.不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度当电桥后接放大器，电桥输出端可看成开路。当电桥后接放大器，电桥输出端可看成开路。URRRRRRRRUo)(43213241 43213241/RR/RR 或或RRRR应变片工作时，电阻应变片工作时，电阻R1产生变化产生变化R，电，电桥不再平衡，于是不平衡电压输出为：桥不再平衡，于是不平衡电压输出为：URRRRRRRRRRUo)()(4321132411 URRRRRRRRRRURRRRRRRRRRUo)1)(1()()(34111211344321132411 设桥臂比设桥臂比n=R2/R1=R4/R3,而通常而通常R15的小曲率圆环的小曲率圆环,可计算出可计算出A、B两点的应变。两点的应变。EbhFRB291.1 式中式中:h圆环厚度圆环厚度;b圆环宽度圆环宽度;E材料弹性模量。材料弹性模量。这样这样,测出测出A、B处的应变处的应变,即可确定载荷即可确定载荷F。EbhFRA209.1与柱式相比与柱式相比,应力分布变化较大应力分布变化较大,且有正有负且有正有负，便于，便于接成差动电桥接成差动电桥。3.梁式力传感器梁式力传感器力力F作用于梁端三角形顶点上，作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，梁内各断面产生的应力相等，表面上的应变也相等，所以表面上的应变也相等，所以对在对在l方向上应变片位置要求方向上应变片位置要求不严。不严。结构简单，易加工，灵敏度结构简单，易加工，灵敏度高，适合测量高，适合测量5000N以下的载以下的载荷和压力。荷和压力。双孔梁，载荷可以施加在任双孔梁，载荷可以施加在任何位置，都可以简化成作用何位置，都可以简化成作用于梁端部的力于梁端部的力F及一个力偶及一个力偶M，多用于小量程，如电子秤。多用于小量程，如电子秤。双孔双孔S型弹性元件，适用于较型弹性元件，适用于较小载荷。小载荷。各种悬梁臂：各种悬梁臂：4.剪切式力传感器剪切式力传感器 应变片安装在弹性元件剪应变最大处的主应变方应变片安装在弹性元件剪应变最大处的主应变方向。向。剪切式力传感器的输出和精度比拉压式力传感器剪切式力传感器的输出和精度比拉压式力传感器高。高。（二）（二）应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体或液。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力变化体的压力、发动机内部的压力变化,枪管及炮管内枪管及炮管内部的压力、内燃机管道压力等。部的压力、内燃机管道压力等。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。元件。1.膜片式压力传感器膜片式压力传感器 如图如图所示为膜片式压力传感器所示为膜片式压力传感器,应变片贴在膜片内壁应变片贴在膜片内壁,在在压力压力p作用下作用下,膜片产生径向应变膜片产生径向应变r和切向应变和切向应变t,表达式分表达式分别为别为:EhxRPr2228)3)(1(32EhxRPt2228)(1(32 式中式中:p膜片上均匀分布的压力膜片上均匀分布的压力;R,h膜片的半径和厚度膜片的半径和厚度;x离圆心的径向距离。离圆心的径向距离。在膜片中心即在膜片中心即x=0处切向应变和径向应变都达到最大，处切向应变和径向应变都达到最大，在在x=R处，处，达到负的最大。达到负的最大。rt ,0 根据以上特点根据以上特点,一般在平膜片圆心处一般在平膜片圆心处（正应变最大区）（正应变最大区）切向切向粘贴粘贴R1、R4两个应变片两个应变片,在边缘处在边缘处（负应变最大区）（负应变最大区）沿径向粘沿径向粘贴贴R2、R3两个应变片两个应变片,然后接成全桥测量电路。然后接成全桥测量电路。四、应变式加速度传感器 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其其基基本工作原理本工作原理是是:物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比,与物体的质量成反比与物体的质量成反比,即即a=F/m。应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击,一一般适用频率为般适用频率为1060Hz范围。范围。建议选用的测力传感器弹性元件形式建议选用的测力传感器弹性元件形式七、实际工程应用举例七、实际工程应用举例举例举例1 1：桥梁固有频率测量桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。举例举例2 2：电子称电子称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。2-3 压阻式传感器压阻式传感器压阻式传感器压阻式传感器利用硅的利用硅的压阻效应压阻效应和微电子技术制成。和微电子技术制成。特点特点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和 集成化。集成化。半导体应变片制成的粘贴型压阻传感器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、半导体压阻效应一、半导体压阻效应压阻效应：压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变固体受到作用力后，电阻率就要发生变 化，这种现象称为压阻效应。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。半导体材料中，这种效应特别显著。金属应变片发生应变后，使导体的几何尺寸发生改变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阻值变化 半导体材料的电阻大小半导体材料的电阻大小取决于有限数目的载流子取决于有限数目的载流子 空穴和电子的迁移。空穴和电子的迁移。加在一定加在一定晶向上晶向上的外界应力，引起半导体能带的的外界应力，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。半导体电阻率产生相应的变化。ldlldldRdRi)21()21(kEEeiel )21()21(21 elEk 100500 elEk式中 k0半导体材料的灵敏系数。半导体应变片半导体应变片金属应变片金属应变片式中 k灵敏系数；沿某晶向的压阻系数；Ee半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量i 二、温度误差及其补偿二、温度误差及其补偿温度误差温度误差：零漂、灵敏度漂移：零漂、灵敏度漂移零漂零漂：压阻式传感器中，压阻式传感器中，扩散电阻扩散电阻的的温度系数温度系数较较大，电阻值随温度变化而变化，故引起传感器的大，电阻值随温度变化而变化，故引起传感器的零位漂移。零位漂移。灵敏度漂移灵敏度漂移：传感器灵敏度的温漂是由于传感器灵敏度的温漂是由于压阻系数压阻系数随温度变化而引起的。当温度升高时，压阻系数变随温度变化而引起的。当温度升高时，压阻系数变小，传感器灵敏度要降低，反之，则灵敏度升高。小，传感器灵敏度要降低，反之，则灵敏度升高。如图所示为如图所示为P型硅的剪切压阻系数型硅的剪切压阻系数 和温度和温度T的关系。的关系。掺杂浓度掺杂浓度 压阻系数压阻系数 温度系数温度系数 ；反之亦然。；反之亦然。一般不采用高掺杂的办法的办法降低温度误差。一般不采用高掺杂的办法的办法降低温度误差。44 补偿灵敏度温度漂移补偿灵敏度温度漂移调整零位输出调整零位输出温度补偿温度补偿三、压阻式传感器举例三、压阻式传感器举例（一）压阻式压力传感器压阻式压力传感器常采用一种周边固支圆形杯膜片结构的扩散型压阻芯片.(a)(b)引线硅环高压腔低压腔硅膜片 L 2R h 2r b 0.635R(c)0.812R r 硅集成微型压力传感器硅集成微型压力传感器（二）压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器利用单晶硅作为悬臂梁，如图所示。在其根部扩散出四个电阻，当悬臂梁自由端的质量块受有加速度作用时，悬臂梁受到弯矩作用，产生应力，使四个电阻阻值发生变化。扩 散 电 阻质 量 块硅 梁基 座 h b l