电阻式传感器--课件

第二章电阻式传感器2.1 电阻应变式传感器2.2、压阻式传感器2.3 其它电阻式传感器1PPT课件第二章电阻式传感器将被测量的变化转换为电阻值的变化，再经过相应的测量电路而最后显示被测量值得变化。力、压力、称重、位移、加速度、扭矩、温度2PPT课件l金属应变片式传感器金属应变片式传感器n金属丝式应变片金属丝式应变片n金属箔式应变片金属箔式应变片n测量电路测量电路n应变式传感器应用应变式传感器应用l半导体应变片和压阻式传感器半导体应变片和压阻式传感器n压阻效应压阻效应n晶向、晶面的表示方法晶向、晶面的表示方法n压阻系数压阻系数n固态压阻器件固态压阻器件 2.1 2.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器3PPT课件1、电阻应变片的工作原理 电电阻阻应应变变片片的的工工作作原原理理是是基基于于电电阻阻应应变变效效应应，即即在在导导体体产产生生机机械械变变形形时时，它的电阻值相应发生变化。，它的电阻值相应发生变化。图2-1金属丝伸长后几何尺寸4PPT课件设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，其电阻R为两边取对数，得等式两边取微分，得电阻的相对变化；电阻率的相对变化；金属丝长度相对变化，用表示，=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；截面积的相对变化。5PPT课件dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。S=r 2dS/S=2dr/rr=由材料力学知将微分dR、d改写成增量R、，则6PPT课件金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数比例系数KS称称为金属金属丝的的应变灵敏系数灵敏系数。物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：7PPT课件前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以前者为主，则KS1+2；对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。8PPT课件2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl2 2、应变片的结构与材料、应变片的结构与材料由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。栅长栅长栅宽栅宽9PPT课件（1）敏感敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格，以120最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。10PPT课件（2）基底和盖片基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。（3）引线引线从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。11PPT课件（4）粘结剂粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。12PPT课件3 3、主要特性、主要特性（1）灵敏度系数灵敏度系数金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。实验表明，金金属属应应变变片片的的电电阻阻相相对对变变化化与与应应变变在在很很宽宽的的范围内均为线性关系。范围内均为线性关系。即13PPT课件K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明:应变片片的的灵灵敏敏系系数数K恒恒小小于于线材材的的灵灵敏敏系系数数KS。原原因因：胶胶层传递变形形失失真真，横横向向效效应也是一个不可忽也是一个不可忽视的因素。的因素。14PPT课件丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlrrdld0（2）横向效应金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。图为应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为，沿横向应变为r。15PPT课件可见，敏感栅电阻的相对变化分别是和r作用的结果。则16PPT课件当r=0时，可得轴向灵敏度系数同样，当=0时，可得横向灵敏度系数17PPT课件由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即18PPT课件（3）机械滞后应应变变片片粘粘贴贴在在被被测测试试件件上上，当当温温度度恒恒定定时时，其其加加载载特特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。性与卸载特性不重合，即为机械滞后。1机械应变卸载加载指示应变i应变片的机械滞后产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。19PPT课件（4）零点漂移和蠕变对对于于粘粘贴贴好好的的应应变变片片，当当温温度度恒恒定定时时，不不承承受受应应变变时时，其其电电阻阻值值随随时时间间增增加加而而变变化化的的特特性性，称称为为应应变变片片的零点漂移的零点漂移。产产生生原原因因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上蠕变中包含零漂，它是一个特例。20PPT课件（5）应变极限在一定温度下，应应变变片片的的指指示示应应变变对对测测试试值值的的真真实实应应变变的的相相对对误误差差不不超超过过规规定定范范围围（一一般般为为10%）时时的的最最大真实应变值。大真实应变值。lim真实应变z指示应变i应变片的应变极限10%1在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。21PPT课件4、温度误差及其补偿温度误差及其补偿（1）温度误差温度误差实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片的电阻丝应变片的电阻丝(敏感栅敏感栅)具有一定温度系数；具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。22PPT课件设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t，则应变片产生的电阻相对变化为23PPT课件相应的电阻相对变化为K应变片灵敏系数。由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在时，引起应变片的附加应变，其值为e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数24PPT课件温度变化形成的总电阻相对变化：相应的虚假应变为可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(t,g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(e)有关。25PPT课件（2）温度补偿（自补偿法和线路补偿法）温度补偿（自补偿法和线路补偿法）单丝自补偿应变片单丝自补偿应变片若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使即每一种材料的被测试件，其线膨胀系数都为确定值，可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数和线膨胀系数满足上式的条件，即可实现温度自补偿。具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片。26PPT课件 单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。27PPT课件双丝组合式自补偿应变片双丝组合式自补偿应变片是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿的，如图。这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两两段段敏敏感感栅栅，随随温温度度变变化化而而产产生生的的电电阻阻增增量量大大小小相相等等，符符号号相反，相反，即(Ra)t=(Rb)t焊点RaRb补偿效果可达0.45。28PPT课件电路补偿法电路补偿法如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。USCR2R4R1R3E桥路补偿法当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。29PPT课件测量应变时，使使用用两两个个应应变变片片，一一片片贴贴在在被被测测试试件件的的表表面面，图中R1称为工作应变片。另另一一片片贴贴在在与与被被测测试试件件材材料料相相同同的的补补偿偿块块上上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。补偿应变片粘贴示意图R1R230PPT课件当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。31PPT课件（1）温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零。=32PPT课件若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。故由前式可得输出电压为由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。33PPT课件为达到完全达到完全补偿，需，需满足下列三个条件：足下列三个条件：R1和和R2须属属于于同同一一批批号号的的，即即它它们的的电阻阻温温度度系系数数、线膨膨胀系系数数、应变灵灵敏敏系系数数K都都相相同同，两两片片的的初初始始电阻阻值也要求相同；也要求相同；用用于于粘粘贴补偿片片的的构构件件和和粘粘贴工工作作片片的的试件件二二者者材材料必料必须相同，即要求两者相同，即要求两者线膨膨胀系数相等；系数相等；两两应变片片处于同一温度于同一温度环境中。境中。此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。34PPT课件根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。构件受弯曲应力R1R2FFR1R2（b）（a）F构件受单向应力35PPT课件图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。(b)图是受单向应力的构件，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，其输出为36PPT课件热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿RtUSCR2R4R1R3ER5采用采用热敏电阻热敏电阻进行进行补偿补偿37PPT课件金属箔式应变片5 5、金属箔式应变片、金属箔式应变片箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度般为(0.0030.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为(0.030.05)mm。38PPT课件金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点特点。金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。39PPT课件箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。便于成批生产。缺点：电阻值分散性大，有的相差几十，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。40PPT课件6、应变片式电阻传感器的测量电路例：已知公式：例：已知公式：初始初始电阻阻R=120 灵敏度系数灵敏度系数K=2 纵向向应变 =1000=1时求：求：该应变片片电阻的阻的绝对变化量化量 R=0.24 41PPT课件 上上述述一一例例中中各各参参数数均均为产品品较有有代代表表性性的的参参数数。而而纵向向应变量量也也取取得得十十分分大大（通通常常应变片片的的线性性工工作作范范围仅有有600）。）。由上例中可以得出以下由上例中可以得出以下结论：v应变片片式式传感感器器对应变产生生的的电阻阻变化化量量很很小小，通通常常是在几个欧姆以下。是在几个欧姆以下。v要要求求测量量电路路必必须能能够测量量微微小小电阻阻的的变化化。电桥电路是最常用的路是最常用的测量微小量微小电阻阻变化的化的电路。路。42PPT课件测量电路应变片将应变的变化转换成电阻相对变化R/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。直流电桥如图所示。当电源E为电势源，其内阻为零时，可求出检流计中流过的电流I0与电桥各参数之间的关系为R2R4R1R3E电桥线路原理图RgACDI0B43PPT课件当R1R4=R2R3时，I0=0，U0=0，即电桥处于平衡状态。式中Rg为负载电阻，因而其输出电压U0为1）直流电桥平衡条件44PPT课件若电桥的负载电阻Rg为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简为R1R4=R2R3 称为称为直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件；为了获得最大；为了获得最大的的电桥输出电压电桥输出电压，在设计电桥时使，在设计电桥时使 R1=R2,R3=R4,实实际取际取R1=R2=R3=R4=R45PPT课件设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量R，当为拉伸应变时，R为正；压缩应变时，R为负。在上式中以R1+R代替R1，则设电桥各各臂臂均均有有相相应应的的电电阻阻增增量量R1、R2、R3、R4时46PPT课件当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。此时电桥输出可写为一般情况下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即RRi，略去上式中的高阶微量，并利用式得到47PPT课件当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性不同时，输出电压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性一致时，输出电压为两者之和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。结论：48PPT课件（1）单臂工作时，设R1=R1=R,R2R,R2、R3R3、R4R4为固定电阻，输出电压为2）电桥的工作方式由上式展开级数，得U0R2=RR4=RR1=RR3=RE单臂电桥BACD49PPT课件则电桥的相对非线性误差为可见，K愈大，愈大，通常K1。1/2K则电桥灵敏度Ku，相对非线性误差为50PPT课件例1：设K=2，要求非线性误差1%，试求允许测量的最大应变值max。结论：如果被测应变大于10000，采用单臂电桥时的非线性误差大于1%。51PPT课件（2）差动电桥半桥双臂，即初值R1=R3=R2=R4=R。若 R1有 一 增 量R1，R2有负增量-R2，R1=-R2，则U0R2=RR4=RR1=RR3=RE差动电桥BACD电桥灵敏度KU=E/2,提高一倍；没有非线性误差。若两个工作应变片受力一致，如何接入电桥？其输出电压如何？有没有温度补偿作用？非线性误差如何？52PPT课件（3）全桥（四臂差动工作电桥）设四个应变片电阻变化量分别为R1=-R2=R3=-R4=R,则相应的输出电压为电桥灵敏度KU=E；非线性误差为0。53PPT课件7 7、应变式传感器应用应变式传感器应用金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量。应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。54PPT课件7、应变式传感器应用柱力式柱力式传感器感器梁力式梁力式传感器感器应变式式压力力传感器感器应变式加速度式加速度传感器感器55PPT课件1 1）柱力式传感器）柱力式传感器柱式力传感器-2+1截面积SFFF面积S-1+2b）a）圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为：56PPT课件1沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。当=0时当=90时E：弹性元件的杨氏模量57PPT课件2 2）梁力式传感器）梁力式传感器等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。LR1R3R2R4xFhb等强度梁弹性元件b0R4力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。n横截面梁n双孔梁nS形弹性元件58PPT课件P（b）（a）应变式压力传感器3）应变式压力传感器应变式压力传感器测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或与传感器外壳作成一体，如图(b)。应变片59PPT课件4 4）应变式加速度传感器）应变式加速度传感器由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向L应变片质量块m弹簧片外壳基座a应变式加速度传感器时，固定在被测部位。悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。60PPT课件例2：在材料为钢的实心圆柱形试件上，沿轴向和周向方向各贴一片电阻为120的金属应变片R1和R2，两个应变片接入差动电桥。若钢的泊松比0.285，应变片的灵敏度2，电源电压2V，当试件受到轴向拉伸时，测得R1=0.48,试求：（1）电桥的输出电压；（2）若柱体直径为10mm，材料的弹性模量2X1011N/m2，求其所受拉力大小？61PPT课件2.22.2、压阻式传感器压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。1 1、压阻效应压阻效应单单晶晶硅硅材材料料在在受受到到应应力力作作用用后后，其其电电阻阻率率发发生生明明显显变化，这种现象被称为压阻效应。变化，这种现象被称为压阻效应。62PPT课件电阻相对变化量对半导体材料由于E一般都比（1+2）大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成63PPT课件式中压阻系数；E弹性模量；应力；应变。上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。半导体单晶体的应变灵敏度系数为半导体应变片的应变灵敏度系数比金属应变片要大的数十倍，如半导体硅，KB=50-100。最常用的半导体材料有硅和诸，掺入杂质形成P型或N型半导体。64PPT课件2、压阻系数的定义半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相对变化，而电阻率的相对变化与应力成正比，二者的比例系数就是压阻系数。即由于半导体是各向异性材料，因此它的压阻效应、压阻系数不仅与掺杂浓度、温度、材料的类型有关，还与晶向有关。65PPT课件3、晶向描述：常用的密勒指数法，将晶向表示为三位由0或1组成的数字，并加以方括号表示。(110)110100(100)(111)111001100010110100001ZYX单晶硅内集中不同晶向与晶面（b）（a）66PPT课件如果说硅片的切割方式是110方向，则意味这自片的圆心作直线坐标，其一轴若顺001方向，另一轴必然顺110方向，期间作450线顺111方向。通常制造压阻式传感器的硅或诸片，就是这样切割的。67PPT课件4、半导体应变片：体型半导体应变片：将原材料按所需晶向切割成片或条，粘贴在弹性元件上，制成单根状敏感栅使用。如将P型杂质扩散到N型硅片，形成极薄的导电P型层，焊上引线即成应变片，称为扩散硅应变片。现在已经和弹性元件（即其N型硅基底）结合在一起，用不着粘贴，所以应用普遍。又因为这种硅片边缘有一个很厚的环形，中间部分很薄，略具杯形故称“硅杯”。在硅杯膜片上扩散四个电阻，接成电桥使用，这样的敏感器件通常称为固态压阻器件。68PPT课件 一般半导体应变片是沿所需的晶向将硅单晶体切成条形薄片，在硅条两端先真空镀膜蒸发一层黄金，再用细金丝分别与两电极焊接。常用于制作半导体应变片的半导体材料主要有：硅、锗、锑化铟、砷化镓等。69PPT课件5 5、固态压阻器件固态压阻器件利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯登电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻器件。1N-Si膜片2P-Si导电层3粘贴剂4硅底座5引压管6Si保护膜7引线70PPT课件 由半导体材料制成的压阻式传感器的灵敏系数比金属电阻应变片要大几十倍，其应变系数的符号随单晶材料的导电类型而异，一般P型为正，N型为负，而金属丝应变片的灵敏系数均为正值。此外，半导体材料(如单晶硅)是各向异性材料，它的压阻系数与晶向有关。压阻式传感器的主要不足：一是温度稳定性差(电阻值随温度变化)；二是灵敏度的非线性较大，可造成测量体具有3%5%的误差，因此在使用时需采用温度补偿和非线性补偿等措施。l 特性总结71PPT课件USCRR+RT恒流源供电ACDBRR+RTR+R+RTR+R+RTE6、测量桥路及温度补偿为了减少温度影响，压阻器件一般采用恒流源供电，如图所示。假设电桥中两个支路的电阻相等，即RABC=RADC=2（R+RT），故有因此，电桥的输出为整理后得USC=IRI72PPT课件可见，电桥输出与电阻变化成正比，即与被测量成正比，与恒流源电流成正比，即与恒流源电流大小和精度有关。但与温度无关，因此不受温度的影响。但是，压阻器件本身受到温度影响后，要产生零点温度漂移和灵敏度温度漂移，因此必须采取温度补偿措施。73PPT课件零点温度补偿零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻法补偿，如图5.1-28所示。其中，RS是串联电阻；RP是并联电阻。串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用。补偿原理如下：R2R4R1R3USC温度漂移的补偿RpBCDARSEDi74PPT课件由于零点漂移，导致B、D两点电位不等，譬如，当温度升高时，R2的增加比较大，使D点电位低于B点，B、D两点的电位差即为零位漂移。要消除B、D两点的电位差，最简单的办法是在R2上并联一个温度系数为负、阻值较大的电阻RP，用来约束R2的变化。这样，当温度变化时，可减小B、D点之间的电位差，以达到补偿的目的。当然，如在R3上并联一个温度系数为正、阻值较大的电阻进行补偿，作用是一样的。75PPT课件灵敏度温度补偿灵敏度温度漂移是由于压阻系数随温度变化而引起的。温度升高时，压阻系数变小；温度降低时，压阻系数变大，说明传感器的灵敏度系数为负值。补偿灵敏度温漂可以采用在电源回路中串联二极管的方法。温度升高时，因为灵敏度降低，这时如果提高电桥的电源电压，使电桥的输出适当增大，便可以达到补偿的目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的。76PPT课件因为二极管PN结的温度特性为负值，温度每升高1时，正向压降约减小(1.92.5)mV。将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中。电源采用恒压源，当温度升高时，二极管的正向压降减小，于是电桥的桥压增加，使其输出增大。只要计算出所需二极管的个数，将其串入电桥电源回路，便可以达到补偿的目的。77PPT课件下图是扩散硅差压传感器典型的测量电路原理图。它由应变桥路、温度补偿网络、恒流源、输出放大及电压一电流转换单元等组成。78PPT课件稳压源+R1R2R3R4ACBDRFrA1A2IoI1I21mA输出放大及转换应变电桥（319）mARr（420）mA恒流源79PPT课件电桥由电流值为1mA的恒流源供电。硅杯未承受负荷时，因R1=R2=R3=R4，I1=I2=0.5mA，故A、B两点电位相等（UAC=UBC），电桥处于平衡状态，因此电流I0=5mA。硅杯受压时，R2减小，R4增大，因I2不变，导致B点电位升高。同理，R1增大，R3减小，引起A点电位下降，电桥失去平衡（其增量为UAB）。80PPT课件A、B间的电位差UAB是运算放大器A1的输入信号，它的输出 电 压 经 过 电 压 电 流 变 换 器 转 换 成 相 应 的 电 流（I0+I0），这个增大了的回路电流经过反馈电阻RF，使反馈电压增加UF+UF，于是导致B点电位下降，直至UACUBC。扩散硅应变电桥在差压作用下达到了新的平衡状态，完成了“力平衡”过程。当差压力量程上限值时，I0=20mA，变送器的净输出电流I204=16mA。81PPT课件2.3 2.3 其它电阻式传感器其它电阻式传感器电位器式电阻传感器热电阻热敏电阻气敏电阻光敏电阻磁敏电阻82PPT课件1、电位器式传感器|电电位位器器是是一一种种常常用用的的机机电电元元件件，广广泛泛应应用用于于各各种种电电器器和和电电子子设设备备中中。它它主主要要是是一一种种把把机机械械的的线线位位移移或或角角位位移移输输入入量量转转换换为为与与它它成成一一定定函函数数关关系系的的电电阻阻或或电电压压输输出出的的传传感感元元件件来来使使用用。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。|电电位位器器式式传传感感器器具具有有一一系系列列优优点点，如如结结构构简简单单、尺尺寸寸小小、重重量量轻轻、精精度度高高、输输出出信信号号大大、性性能能稳稳定定并并容容易易实实现现任任意意函函数数。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。|电电位位器器的的种种类类很很多多，按按其其结结构构形形式式不不同同，可可分分为为线线绕绕式式、薄薄膜膜式式、光光电电式式等等；按按特特性性不不同同，可可分分为为线线性性电电位位器器和和非非线线性性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。83PPT课件1）线性电位器线性性电位器的空位器的空载特性特性图2-1电位器式位移位器式位移传感器原理感器原理图 图2-2电位器式角度位器式角度传感器感器图2-3线性性线绕电位器示意位器示意图阶梯特性、梯特性、阶梯梯误差和分辨率差和分辨率图2-4局部剖面和局部剖面和阶梯特性梯特性图图2-5理想理想阶梯特性曲梯特性曲线84PPT课件2)非线性电位器非非线性性电位位器器是是指指在在空空载时其其输出出电压(或或电阻阻)与与 电刷刷行行程程之之间具具有有非非线性性函函数数关关系系的的一一种种电位位器器，也也称称函函数数电位位器器。常常用用的的非非线性性线绕电位位器器有有变骨骨架式、架式、变节距式、分路距式、分路电阻式及阻式及电位位给定式四种。定式四种。图2-6变骨架骨架电位器位器85PPT课件3)负载特性与负载误差图2-7 带负载的的电位器位器电路路图2-8 电位器的位器的负载特性曲特性曲线族族图2-9 电位器位器负载误差曲差曲线图2-10 非非线性性电位位器器的的空空载特特性性与与线性性电位位器器 的的负载特性的特性的镜象关系象关系86PPT课件4)电位器的结构与材料由由于于测量量领域域的的不不同同，电位位器器结构构及及材材料料选择有有所所不不同同。但但是是其其基基本本结构构是是相相近近的的。电位位器器通通常常都都是是由由骨骨架架、电阻阻元元件件及及活活动电刷刷组成成。常常用用的的线绕式式电位器的位器的电阻元件由金属阻元件由金属电阻阻丝绕成。成。图2-11 某些某些电刷刷结构构图2-12 YCO-150型型压力力传感器原理感器原理图图2-13 膜盒膜盒电位器式位器式压力力传感器原理感器原理图87PPT课件5)电位器式传感器应用举例图2-14 电位器式位移位器式位移传感器示意感器示意图图2-15 测小位移小位移传感器示意感器示意图图2-16 电位器式加速度位器式加速度传感器示意感器示意图88PPT课件为了了工工业生生产顺利利进行行、人人身身安安全全得得到到保保证，就就必必须对危危害害健健康康、引引起起窒窒息息、中中毒毒或或引引起起爆爆 炸炸的的气气体体进行行检测，判判断断其其是是否否存存在在、是是否否达达到到了了危危害害程程度度，以以便便及及时报警警。为此此，20世世纪60 年年代代初初研研制制成成功功了了简单、廉廉价价的的半半导体体气气敏敏电阻阻。这类元元件件在在环境保境保护和安全和安全监督等方面都督等方面都 起到了重要作用。起到了重要作用。半半导体体气气敏敏电阻阻是是用用氧氧化化锌、氧氧化化锡等等金金属属氧氧化化物物材材料料制制作作的的敏敏感感元元件件，利利用用其其阻阻值的的变化化来来检测气气体体的的浓度度。现以以最最常常用用的的烧结型型氧氧化化锡(Sn02)为例加以介例加以介绍2、气敏电阻89PPT课件1.基本基本结构构 烧结型Sn02气敏电阻是以多空质陶瓷SnO2为基材，添加不同物质，采用传统的制陶方法，进行烧结。烧结时埋入测量电极和加热丝，制成管芯，最后将电极和加热丝焊在管座上，并置于不锈钢网中而制成元件。主要用于检测还原性气体、可燃性气体和液体蒸气。在元件工作时需加热到3000C左右，按其加热方式可分为直热式和旁热式。下面以直热式气敏电阻为例介绍其结构。直热式又称内热式，其结构如图2-14所示，元件管芯由Sn02基体材料、加热丝和测量丝三部分组成，它们都埋在Sn02基材内。工作时加热丝通电加热，测量丝用于测量元件的阻值，该阻值表征被测气体浓度。90PPT课件直热式气敏电阻元件制作工艺简单、成本低、功耗小，可在较高回路电压下使用，可制成价格低廉的可燃气体泄漏报警器。91PPT课件2.工作原理工作原理烧结型Sn02气敏元件是表面电阻控制型气敏元件。半导瓷材料Sn02属于N型半导体，这类半导瓷气敏电阻元件工作时通常都需要加热。元件在加热开始时阻值急剧地下降，然后上升，一般经2-10 min才达到稳定，称之为初始稳定状态，元件只有在达到初始稳定状态后才可用于气体检测。元件在“清洁大气”中因吸附的氧气量固定不变(空气中氧分压几乎固定不变)，所以阻值保持一定。一旦某种浓度的被测气体流过元件，则在元件表面产生吸附，元件阻值元件阻值将随气体浓度变化而变化。如果被测气体是氧化性气体(如O2和N02)，被吸附气体分子从气敏元件夺取电子，使N型半导体元件中载流子电子减少，因而电阻值增大;如果被测气体为还原性气体(如H2、CO、酒精等)，气体分子向气敏元件释放电子，使元件中载流子电子增多，因而电阻值下降。N型半导体气敏元件在气体检测过程中元件阻值的变化情况如图2-15所示。92PPT课件93PPT课件磁敏电阻的阻值随磁场强度的变化而变化。根据几何磁阻效应制造的InSb磁敏电阻的基本结构如图2-22所示。3、磁敏电阻94PPT课件由由图2-22可可见，一一个个长方方体体InSb材材料料被被5条条In短短路路条条(它它具具有有金金属属性性质)分分割割，形形成成6 个个长宽比比小小于于1的的小小型型InSb电阻阻。通通过5条条In短短路路条条作作为连接接导体体进行行串串联，从从而而构构成成InSb 磁磁敏敏电阻阻两两端端元元件件。从从输入入端端输入入电流流I，在外磁在外磁场H作用下，作用下，电流方向流方向发生生倾斜而引起斜而引起电阻阻值增大。增大。图2-23给出出了了电阻阻值与与磁磁场的的关关系系曲曲线。将将磁磁感感应强度度B=0.3T时电阻阻R1与与磁磁 感感应强度度B=O(元元磁磁场)时的的电阻阻值R0的的比比值R1/R0确确定定为考考核核磁磁敏敏电阻阻灵灵敏敏度度的的技技术指指 标。在在制制造造InSb磁磁敏敏电阻阻时，除除使使用用高高电子子迁迁移移率率InSb单晶晶材材料料外外，也也可可以以使使用用InSb薄薄膜膜材材 料料和和InSb-NiSb共晶材料。共晶材料。为了了进一一步步提提高高磁磁敏敏电阻阻的的阻阻值，往往往往采采用用如如图2-24所所示示的的曲曲折折型型结构构，基基片片尺尺寸寸为 3 mm x5 mm，初初始始阻阻值为100-400 0，磁磁灵灵敏敏度度R/R。大于。大于3，工作，工作电流大于流大于5 mA DC，工作，工作 温度范温度范围-10-70OC。95PPT课件磁敏电阻直接测量的非电量是磁感应强度。若某种非电量能够借助敏感元件转换为磁感应强度，则也可用磁敏电阻完成该非电量的检测。例如，可采用磁敏电阻检测位移、角度、电流、电功率等。96PPT课件本章要点|应变片式电阻传感器应变片式电阻传感器电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理金属电阻应变片主要特性金属电阻应变片主要特性 温度效应温度效应 (公式公式2-30)2-30)温度误差及其补偿温度误差及其补偿 自补偿法自补偿法 :单丝自补偿法单丝自补偿法 (公式公式2-35)2-35)组合式自补偿法组合式自补偿法 (公式公式2-36,2-37)2-36,2-37)线路补偿法线路补偿法97PPT课件应变片式电阻传感器的测量电路应变片式电阻传感器的测量电路 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件 (公式公式2-41)2-41)直流电桥电压灵敏度直流电桥电压灵敏度(公式公式2-44)2-44)交流电桥的平衡条件交流电桥的平衡条件(公式公式2-48,2-49)2-48,2-49)压阻式传感器压阻式传感器半导体应变式传感器半导体应变式传感器压阻式传感器压阻式传感器98PPT课件本章要点|电位器式电阻传感器电位器式电阻传感器 线性电位器线性电位器 线性电位器的空载特性线性电位器的空载特性 (公式公式2-1,2-2)2-1,2-2)位移传感器灵敏度位移传感器灵敏度 (公式公式2-5,2-6)2-5,2-6)阶梯特性、阶梯误差和分辨率阶梯特性、阶梯误差和分辨率 (公式公式2-7)2-7)电压分辨率定义电压分辨率定义 (公式公式2-10)2-10)行程分辨率定义行程分辨率定义 (公式公式2-11)2-11)非线性电位器非线性电位器负载特性与负载误差负载特性与负载误差 (公式公式2-20,2-21,2-22,2-23)2-20,2-21,2-22,2-23)99PPT课件电位器的位器的结构与材料构与材料电位器式位器式传感器感器应用用举例例气敏气敏电阻阻磁敏磁敏电阻阻100PPT课件作业1、在网上搜索5个电阻式传感器的有关产品信息，包括产品名称、主要用途、主要参数、价格、应用主要事项等。2、检索1篇利用电阻式传感器实现某种检测目的的论文，并作简要阐述，包括检测目的、传感器选择或设计、信号调理电路设计、数据处理等。P311:2.1;2.5;2.10101PPT课件