第2章电阻式传感器

传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术第二第二章章 电阻式传感器电阻式传感器2.1 2.1 电阻式应变传感器电阻式应变传感器2.2 2.2 固态压阻式传感器固态压阻式传感器2.3 2.3 热电阻式传感器热电阻式传感器2.4 2.4 热敏电阻传感器热敏电阻传感器 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传电阻式传感器的基本原理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电信号输出，感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出，常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。常用来测量力、压力、位移、应变、扭矩、加速度等。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术非电量应变电阻应变片弹性原件电阻变化传感器2-12-1电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大。应变原理演示应变原理演示传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：已知导体（一根圆截面的金属丝）的电阻：d dl lF F金属丝的原始电阻金属丝的原始电阻金属丝的原始电阻率金属丝的原始电阻率金属丝的原始长度金属丝的原始长度金属丝的原始横截面积金属丝的原始横截面积一、工作原理一、工作原理电阻应变效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸电阻应变效应：金属导体（电阻丝）的电阻值随其变形（伸长或缩短）而发生变化的一种物理现象。长或缩短）而发生变化的一种物理现象。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术相对变化：传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术引入轴向相对变形（或称为应变），则有：或：应变灵敏系数应变灵敏系数K K金属材料的电阻的相对变金属材料的电阻的相对变化与应变的关系化与应变的关系传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术讨论：讨论：1 1、应变的灵敏系数、应变的灵敏系数K K受二个受二个因素的影响：因素的影响：几何形状变化的影响几何形状变化的影响电阻率发生变化的影响电阻率发生变化的影响 2 2、对于金属材料：对于金属材料：对于半导体材料：对于半导体材料：传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术二、结构、分类与特性二、结构、分类与特性 1 1、结构、结构q电阻丝（电阻丝（2 2）-是应变片的转换元件；是应变片的转换元件；q基底（基底（1 1）-将传感器弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上将传感器弹性体表面的应变传递到电阻丝栅上的中间介质并起到电阻丝与弹性体之间绝缘和保护的作用；的中间介质并起到电阻丝与弹性体之间绝缘和保护的作用；q覆盖层（覆盖层（4 4）-将电阻丝与基底粘贴起保护作用；将电阻丝与基底粘贴起保护作用；q引出线（引出线（3 3）-连接测量导线。连接测量导线。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术金属丝式应变片的结构金属丝式应变片的结构金属丝式应变片的结构金属丝式应变片的结构传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术2 2、分类、分类应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。金属片有应变片主要有金属应变片和半导体应变片两类。金属片有丝式、箔式、薄膜式丝式、箔式、薄膜式3 3种电阻应变片种电阻应变片 传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术箔式应变片的外形箔式应变片的外形传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术n优点优点:稳定性和温度特性好稳定性和温度特性好.n缺点缺点:灵敏度系数小灵敏度系数小.传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术应变片的粘贴：应变片的粘贴：1.1.去污：采用手持去污：采用手持砂轮工具除去构件表砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘打磨出细纹以增加粘贴力贴力 ，用浸有酒精，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。脂棉球擦洗。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术2.2.贴贴片片：在在应应变变片片的的表表面面和和处处理理过过的的粘粘贴贴表表面面上上，各各涂涂一一层层均均匀匀的的粘粘贴贴胶胶 ，用用镊镊子子将将应应变变片片放放上上去去，并并调调好好位位置置，然然后后盖盖上上塑塑料料薄薄膜膜，用用手手指指揉揉和和滚滚压压，排排出出下下面的气泡面的气泡 。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术 3.3.测量测量 ：从分开：从分开的端子处，预先用的端子处，预先用万用表测量应变片万用表测量应变片的电阻，发现端子的电阻，发现端子折断和坏的应变片。折断和坏的应变片。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术 4.4.焊接：焊接：将引线和端子用将引线和端子用烙铁焊接起来，烙铁焊接起来，注意不要把端子注意不要把端子扯断。扯断。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术 5.5.固定：固定：焊接焊接后用胶布将引线后用胶布将引线和被测对象固定和被测对象固定在一起，防止损在一起，防止损坏引线和应变片。坏引线和应变片。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术3、横向效应、横向效应横向效应：轴向伸长和横向缩短。横向效应：轴向伸长和横向缩短。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术轴向轴向伸长作用使电阻值增加伸长作用使电阻值增加横向缩短作用使电阻值减小横向缩短作用使电阻值减小电阻增量 减小。应变片由于感受横向应变而使电阻变化率减小，应变片由于感受横向应变而使电阻变化率减小，并减低灵敏度的现象称为应变片的并减低灵敏度的现象称为应变片的“横向效应横向效应”。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术4 4、电阻应变片温度误差及补偿、电阻应变片温度误差及补偿 电电阻阻应应变变片片由由于于温温度度效效应应引引起起的的误误差差为为温温度度误误差差。原原因因有有：电电阻阻丝丝的的电电阻阻率率随随温温度度发发生生变变化化；电电阻阻丝丝和和试试件件的的线线膨胀系数不同使其产生附加形变。膨胀系数不同使其产生附加形变。a.a.自补偿法自补偿法b.b.线路补偿法线路补偿法传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术三三.测量电路测量电路 机机械械应应变变一一般般在在10 10 3000 3000 之之间间，而而应应变变灵灵敏敏度度k k值值较较小小，因因此此电电阻阻相相对对变变化化是是很很小小的的，用用一一般般测测量量电电阻阻的的仪仪表表是是很很难难直直接接测测出出来来，必必须须用用专专门门的的电电路路来来测测量量这这种微弱的变化。种微弱的变化。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术7/20/202423直流电桥电路的直流电桥电路的4 4个桥臂是由个桥臂是由R1R1、R2R2、R3R3、R4R4组成，其中组成，其中a a、c c两两端接直流电压端接直流电压UiUi，而，而b b、d d两端为输出端，其输出电压为两端为输出端，其输出电压为UoUo。在。在测量前，取测量前，取R1R3=R2R4R1R3=R2R4，输出电压为，输出电压为UoUo=0=0。1.1.直流电桥电路直流电桥电路 传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术7/20/202424 当桥臂电阻发生变化，在电桥输出端的负载电阻为无限大当桥臂电阻发生变化，在电桥输出端的负载电阻为无限大时，电桥输出电压可近似表示为时，电桥输出电压可近似表示为 传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术测量前应使电桥平衡，使Uo=0，即：桥式电路中，四个电阻的任何一个都可以是应变片电阻 特点：相邻相减，相对相加特点：相邻相减，相对相加 传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术例题例题1 1：R1R2R3R4传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术例题例题2 2：如图所示，测量一个悬臂梁受力情况，若测量电路已经确定：如图所示，测量一个悬臂梁受力情况，若测量电路已经确定试摆放试摆放4 4个应变片的位置个应变片的位置R1R2R3R4传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术7/20/202428一般采用全等臂形式，即一般采用全等臂形式，即R R1=1=R R2=2=R R3=3=R R4=4=R R，传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术2、应变片电桥的一般组成、应变片电桥的一般组成 1）单臂工作：）单臂工作：传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术以上说明：单臂工作时，输出电压与应变片电阻变化率之间是近似的线性关系，实际上是非线性关系。这会带来非线性误差。若将输出电压的式子用泰勒级数展开传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术2 2 2 2）双臂工作（差动半桥）双臂工作（差动半桥）双臂工作（差动半桥）双臂工作（差动半桥）通过上式，说明双臂工作时，如果差动双臂应变大小一致（极性相反），则不存在（或很小的）非线性误差，并可起到温度补偿作用。3）三臂工作（同理）4）四臂工作（同理）传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术7/20/202432 半桥单臂工作方式半桥单臂工作方式 半桥双臂工作方式半桥双臂工作方式 全桥全桥4 4臂工作方式臂工作方式 传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术33电桥的线路补偿电桥的线路补偿 零点补偿零点补偿要求电桥的要求电桥的4 4个桥臂电阻值相同个桥臂电阻值相同是不可能的，这样就使电桥不能是不可能的，这样就使电桥不能满足初始平衡条件（即满足初始平衡条件（即U00U00）。）。为了解决这一问题，可以在一对为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中串联一个可调电阻进行调节补偿。串联一个可调电阻进行调节补偿。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术34 2.交流电桥由由于于供供桥桥电电源源为为交交流流电电源源，引引线线分分布布电电容容使使得得二二桥桥臂臂应应变变片呈现复阻抗特性。片呈现复阻抗特性。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术35 2.交流电桥交流电桥平衡调节交流电桥平衡调节由由于于分分布布电电容容的的存存在在，交交流流信信号号的的频频率率会会影影响响电电桥桥的的平平衡衡，故在使用之前，要对电桥进行平衡调节。故在使用之前，要对电桥进行平衡调节。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术四四.电阻应变式传感器应用电阻应变式传感器应用测量范围广：测量范围广：精度高：精度高：线性好；工作性能稳定、可靠线性好；工作性能稳定、可靠应变式传感器由弹性元件、应变片、附件等组成。主要用应变式传感器由弹性元件、应变片、附件等组成。主要用作各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测作各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、试、水坝坝体承载状况监测等。水坝坝体承载状况监测等。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术371.1.柱柱(筒筒)式传感器式传感器 2.2.悬臂式传感器悬臂式传感器传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术7/20/202438应变式力传感器 FFFF传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术39各种悬臂梁各种悬臂梁 传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术40各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术41应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2 R4传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术42汽车衡汽车衡（以下参考（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术例题：（3）试分别求非线性误差。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术2-22-2固态压阻传感器固态压阻传感器 （一）半导体压阻效应原理：（一）半导体压阻效应原理：对于一条半导体材料受到应力作用后，其电阻相对变化为：对于一条半导体材料受到应力作用后，其电阻相对变化为：对半导体来说：当某一轴向施加一定应力，电阻率发生变化称为压阻效应，不同类半导体，不同加力方向，压阻效应不一样。金属电阻应变片的缺点是灵敏系数低（金属电阻应变片的缺点是灵敏系数低（k k一般为一般为2.03.62.03.6），半），半导体应变片导体应变片k k比金属电阻高约比金属电阻高约5050倍倍传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术。即单晶体硅材料在受到应力作用后，其电阻率即单晶体硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象称为压阻效应。发生明显变化，这种现象称为压阻效应。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术半导体应变片的灵敏系数半导体应变片的灵敏系数半导体应变片灵敏度高，半导体应变片灵敏度高，K100K100可不用放大器，可不用放大器，但半导体应变片有明显缺点：阻值，灵敏度等随温度但半导体应变片有明显缺点：阻值，灵敏度等随温度变化大，非线性大，所以使用时应采取温度补偿和非变化大，非线性大，所以使用时应采取温度补偿和非线性补偿措施。线性补偿措施。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术二、固态压阻式传感器的结构二、固态压阻式传感器的结构按照结构划分，压阻式传感器主要有三种不同类型。按照结构划分，压阻式传感器主要有三种不同类型。体型半导体、薄膜型半导体、扩散型半导体。体型半导体、薄膜型半导体、扩散型半导体。1 1体型半导体应变片体型半导体应变片 体型半导体应变片是一种将半导体材料硅或锗晶体按体型半导体应变片是一种将半导体材料硅或锗晶体按定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片，其结构如图。应变片，其结构如图。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术1-锗膜 2-绝缘层 3-金属箔基底 4-引线3 3扩散型半导体应变片扩散型半导体应变片 将将P P型型杂杂质质扩扩散散到到N N型型硅硅单单晶晶基基底底上上，形形成成一一层层极极薄薄的的P P型型导导电电层层，形形成成四四个个阻阻值值相相等等的的电电阻阻条条。再再通通过过超超声声波波和和热热压压焊焊法法接接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。上引出线就形成了扩散型半导体应变片。1-N型硅2-P型硅扩散层3-二氧化硅绝缘层 4-铝电极 5-引线 薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术，将半导体材料薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术，将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图。沉积在带有绝缘层的试件上而制成，其结构示意图见图。2 2薄膜型半导体应变片薄膜型半导体应变片传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术1恒流源供电电桥 输出电压：输出电压：恒流源供电的全桥差动电路 电桥的输出电压与电阻变化成正比，与恒流源电流成正比，但与温度无关，因此测量不受温度的影响。三、固态压阻式传感器的测量电路三、固态压阻式传感器的测量电路 传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术l零漂产生的原因是扩散电阻的阻值随温度变化而变化。零漂产生的原因是扩散电阻的阻值随温度变化而变化。l灵敏度漂移是因为压阻系数随温度的变化而变化。灵敏度漂移是因为压阻系数随温度的变化而变化。2 2零点与灵敏度温度补偿零点与灵敏度温度补偿 零漂和灵敏度漂移补偿电路 u并联电阻并联电阻Rp/R2Rp/R2，串联电阻，串联电阻 RsRs、R1R1用于抑制零位温漂。用于抑制零位温漂。u串联电阻串联电阻RsRs起调零作用起调零作用u并联电阻并联电阻RPRP起补偿作用。起补偿作用。u串联二极管串联二极管VDVD，用于灵，用于灵u敏度的温漂补偿。敏度的温漂补偿。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术2-32-3热电阻式传感器热电阻式传感器热电阻是中低温区常用的一种测温元件。热电阻利用物质热电阻是中低温区常用的一种测温元件。热电阻利用物质在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度在温度变化时本身电阻也随着发生变化的特性来测量温度的。热电阻的受热部分（感温元件）是用细金属丝均匀的的。热电阻的受热部分（感温元件）是用细金属丝均匀的缠绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测介质中有温度梯度缠绕在绝缘材料制成的骨架上，当被测介质中有温度梯度存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的存在时，所测得的温度是感温元件所在范围内介质层中的平均温度。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中平均温度。它的主要特点是测量精度高，性能稳定。其中铂热电阻的测量精确度最高。铂热电阻的测量精确度最高。传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术热电阻测温电桥的三线制接法热电阻测温电桥的三线制接法工业用热电阻一般采用三线制工业用热电阻一般采用三线制G检流计，检流计，R1，R2，R3固定电阻，固定电阻，R a零位调节电阻，零位调节电阻，R t 热电阻热电阻传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术热电阻测温电桥的四线制接法热电阻测温电桥的四线制接法精密测量中，采用四线制接法精密测量中，采用四线制接法传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术2-42-4热敏电阻传感器热敏电阻传感器传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术正温度系数正温度系数(PTC)负温度系数负温度系数(NTC)临界温度系数临界温度系数(CTR)传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术PTCPTC热敏电阻正温度系数热敏电阻正温度系数 用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。发热源的定温控制，限流元件。CTRCTR热敏电阻负温度系数热敏电阻负温度系数 用途：温度开关。用途：温度开关。NTCNTC热敏电阻很高的负电阻温度系数热敏电阻很高的负电阻温度系数 应用：点温、表面温度、温差、温场等测量应用：点温、表面温度、温差、温场等测量 自动控制及电子线路的热补偿线路自动控制及电子线路的热补偿线路传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术温度测量温度测量温度控制温度控制温度补偿温度补偿流量测量流量测量上一页下一页返 回2、热敏电阻传感器传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术热敏电阻点温计热敏电阻点温计温度测量温度测量传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术简简易易温温度度控控制制器器温度控制温度控制传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术上一页下一页返 回仪仪表表中中的的电电阻阻温温度度补补偿偿电电路路金属一般具有正的温度系数，金属一般具有正的温度系数，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差可以抵消由于温度变化所产生的误差温度补偿温度补偿传感器与检测技术第2章电阻式传感器技术利利用用热热敏敏电电阻阻上上的的热热量量消消耗耗和和介介质质流流速速的关系可以测量流量、流速、风速等的关系可以测量流量、流速、风速等 上一页返 回热热敏敏电电阻阻流流量量计计 流量测量