传感及微传感基础--电阻式传感器综述

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,单击此处编辑母版标题样式,*,*,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,电阻式传感器,小组成员：,电阻传感器的基本原理，结构和静态动态特性,电阻传,感,器的测量电路及误差分析,电阻传感器的应用,电阻式传感器,电阻式传感器是一种能把非物理量（如位移，力，压力，加速度，扭矩等）转换成与之有确定关系的电阻量，再经过转换元件转换成便于记录的电压（电流）信号的一种装置。,电阻式传感器种类较多，主要有变阻器式，电阻应变式和固态压阻式传感器等三种类型。,变阻式传感器结构简单，价格便宜，输出信号功率大，被测量与转换量间容易实现线性或某些确定的函数关系。但由于电位器可靠性差，干扰（噪声）大，寿命短，比其它类型的电阻式传感器性能要差一些，故其应用范围在逐渐缩小。,应变式传感器是利用金属的电阻应变效应将被测量为电量输出的一种传感器。这类传感器结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，性能可靠，分辨力高，灵敏度高，价格便宜，工艺成熟，因此在航空航天，机械，化工，建筑，医学等领域有广泛应用。,电阻应变式传感器,电阻应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件特定表面上，当加速度，力，力矩，压力及流量等物理量作用于弹性元件时会导致应力和应变的变化，进而引起电阻应变片电阻的变化。电阻的变化经电路处理后以电信号的方式输出，这就是电阻应变式传感器的工作原理。利用应变式变换原理实现的传感器称为应变式传感器。,金属电阻应变效应,电阻应变式的工作原理是基于金属的应变效应。金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生变化的现象称为金属的电阻应变效应。,由物理学已知，一根金属丝的电阻为,R-金属丝的电阻；,当电阻丝受到拉力,F,作用时，将伸长,d,l,，横截面积相应减小,d,A,，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了,d,，从而引起电阻值相对变化量为：,l,l+dl,2,r,2,(,r,-,dr,),F,图,导体受拉伸后的参数变化,6,则：,由于E(1+2)，因此半导体丝材的灵敏系数KsE。可见，半导体材料的应变电阻效应主要基于,压阻效应,。通常Ks=(5080)Km。,dR,7,有上面公式可以看出：金属丝的灵敏系数Ks受两个因素影响，第一项（1+2u）是由于材料的几何尺寸发生变化；第二项是由于材料的变形，导致材料电阻率发生变化，这就是电阻应变片测量应变的理论基础。,电阻应变计的结构与类型,图 典型应变计的结构及组成,(a)丝式(b)箔式(c)半导体,1,敏感栅 2,基底 3,引线 4,盖层 5,粘结剂 6,电极,9,结构：,(1)敏感栅:实现试件表面应变电阻转换的敏感元件。通常由直径为0.0150.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。,(2)基底:为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。基底必须很薄，一般为0.020.04mm。,(3)引线:起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.10.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。,10,(4)盖层：用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。,(5)粘结剂：制造应变计时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；使用应变计时，用它把应变计基底粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。,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。,11,金属箔式应变片,应变式传感器的特点：,测量应变式的灵敏度和准确度高，性能稳定可靠。,应变片尺寸小，重量轻，结构简单，使用方便，测量速度快。,测量范围广。可测量弹性形变，也可测量塑性形变。,适应性强，可在高温，超低温，高压，水下，强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。,便于多点测量，远距离测量和遥测。,价格便宜，品种多，工艺成熟，便于选择和使用，可以测量各种物理量。,2.2应变片的静态特性,1.应变片的电阻值R。：应变片的电阻值大，可以加大应变片承 受的电压，从而可以提高输出信号，但一般情况下其相应的敏感栅的尺寸也要随之增大。,2.绝缘电阻：绝缘电阻是敏感栅和基底之间的电阻值。,3.灵敏系数K:当应变片应用于试件表面时，在其轴线方向上的单向受力作用下，应变片的电阻值相对变化与试件表面上粘贴应变片区域的轴向应变值比，称为灵敏系数。,4.横向效应及横向效应系数：,金属应变片的敏感栅通常都呈栅状。它由轴向纵删和圆弧横栅组成。,粘贴在试件表面上的应变片，其纵栅和横栅对应的变化，从而引起电阻的变化,H,双向灵敏系数比,标定情况下：,可见，横向效应使传感器的,灵敏度系数下降,，必须使,H,减小,理论分析和实验表明，对丝绕式应变片的长度要长、横栅要小，则H愈小。,5.机械滞后（回差）,原因：基底材料、粘结剂的材料、残余变形,通常要求：,卸载,加载,真实应变,指示应变,0,允许电流：允许电流是指应变片不因电流产生的热量而影响测量精度所允许通过的最大电流。,7.应变极限：应变片测量的应变范围是有一定限度的，应变片的线性特性，只有在一定的应变范围内才能保持。在恒温条件下，是非线性误差达到10%时的真实应变值，称之为应变极限。,8.蠕变和零漂：,蠕变 与零漂,零漂和蠕变反映传感器的长期稳定性,应变片承受一恒定的机械应变，这是指示应变随时间变化的特性参数称为蠕变。,当试件空载时，应变片示值仍会随时间变化的现象称为零漂,真实应变,指示应变,2.3应变片的动态特性,传播,1.应变波在试件材料中的传播：传播速度与声波相同。,2.应变波在粘接层和应变片基片中的传播：传播时间极端可以不计。,3.应变波在应变片线栅长度内的传播只有当应变波通过应变片全部长度后，应变片所反映的波形才能达到最大值，这就会有一定的时间延迟，将对动态测量产生影响。,应变片工作频率范围的估算,1.正弦应变波,对正弦信号的响应,一频率为,f,，幅值为,0,的正弦波，以速度,v,沿着应变计纵向,x,方向传播时，在某一瞬时,t,：应变计中点,x,t,的瞬时应变为,而栅长,l,范围,xt,（,l,/2,）,内的平均应变为,相对误差为：,上式表明，,当频率增加时，误差增大,因此应使：,疲劳寿命,应变计的疲劳寿命是指：在恒定幅值的交变应力作用下，应变计连续工作，直至产生疲劳损坏时的循环次数。,当应变计出现以下三种情形之一者，即可认为是疲劳损坏：（,1,）敏感栅或引线发生断路；（,2,）应变计输出幅值变化,10%,；（,3,）应变计输出波形上出现穗状尖峰。,测量电路及其分析,2.4测量电路,直流电桥及其输出特性,电桥平衡的条件,：,相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积相等。,电压输出桥的输出特性,输出电压,：,U,R,L,R,2,R,3,R,1,R,4,U,0,如果只有一个臂工作，如,R,1,，则：,因此，单臂电桥的,电压灵敏度,为：,代入,R,：,分子分母同除以,R,1,R,3,并略去高除微量得：,如果为全等臂电桥，,n=1,，则：,可简写为（,R,i,R,i,）：,分析上述可知：,电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制；,电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值,n,的函数，恰当地选择桥臂比,n,的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度,当供桥电压和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。,n,=1,时，,S,u,为最大,和差特性,非线性特性,从上述各式可看出，只有,R,很小时，桥路的输出才为线性,非线性误差为,采用金属应变计，减小,R,，在一定精度条件下可免去补偿措施,半导体应变计虽然灵敏度高，但非线性误差大,非线性补偿,差动电桥补偿,采用恒流源,交流电桥,交流电桥平衡条件：平衡条件与直流情况相似。,电桥的调平：,1.电阻调平,2.并阻调平,3.电容调平,差动电路：是消除非线性误差的有效措施。,应变片的温度效应及补偿,用应变片测量时，由于环境温度变化所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，称应变片的温度误差，又称热输出。,温度误差,产生的原因,温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变,试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同，使应变片产生附加应变,温度补偿,方法,：,温度误差,自补偿法,：,（,1）单丝自补偿法,从上式可以看出，对于给定的试件,g一定，适当选取栅丝的温度,系数t及膨胀系数s，使 t=-k(g-s)，可补偿温度误差。,双丝自补偿应变片,：,应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。,通过试验与计算，调整R1与R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化,桥路补偿法：,双丝半桥式,补偿块法,差动电桥补偿,热敏电阻补偿,：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，热敏电阻的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，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。此方法的缺点是不能补偿因温度变化引起的电桥不平衡。,应变片的选用与粘贴,应变,片,的种类,：,金属电阻应变片和半导体应变片两大类,常见的为：,金属丝式应变片,金属箔式应变片,金属薄膜应变片,半导体应变片：体型半导体应变片，薄膜型半导体应变片，扩散型半导体应变片,应变片粘贴,工艺,试件的表面处理，应变片,位置确定，贴片,、干燥,固化,，,质量检查，引,线的焊接和固定，应变片的,防护屏蔽,。,应变片传感器的种类：,应变式测力传感器,应变式,压力,传感器,应变式,位移,传感器,其他,应变式传感器,电阻式传感器的应用,1,、电阻式触摸屏,电阻式触摸屏分类,四线：,四线触摸屏包含两个阻性层。其中一层在屏幕的左右边缘各,有一条垂直总线，另一层在屏幕的底部和顶部各有一条水平,总线。,五线：五线触摸屏使用了一个阻性层和一个导电层。导电层有一个,触点，通常在其一侧的边缘。阻性层的四个角上各有一个触,点。,七线：七线触摸屏的实现方法除了在左上角和右下角各增加一根线,之外，与五线触摸屏相同。,八线：除了在每条总线上各增加一根线之外，八线触摸屏的实现方,法与四线触摸屏相同。,电阻触摸屏结构,电阻式触摸屏屏体部分是一块与显示器表面非常配合的多层复合薄膜，其中第一层为玻璃或有机玻璃底层，第二层为隔层，第三层为多元树脂表层，表面还涂有一层透明的导电层，上面再盖有一层外表面经硬化处理、光滑防刮的塑料层。,电阻式触摸屏工作原理,电阻触摸屏主要是通过压力感应原理来实现对屏幕内容的操作和控制的。,轻触表层压下时，接触到底层，控制器同时从四个角读出相称的电流及计算手指位置的距离。当手指触摸屏幕时，平常相互绝缘的两层导电层就在触摸点位置有了一个接触，因其中一面导电层接通,Y,轴方向的,5V,均匀电压场，使得侦测层的电压由零变为非零，控制器侦测到这个接通后，进行,A/D,转换，并将得到的电压值与,5V,相比，即可得触摸点的,Y,轴坐标，同理得出,X,轴的坐标。,所有的电阻式触摸屏都采用分压器原理来产生代表,X,坐标和,Y,坐标的电压。如下图所示，分压器是通过将两个电阻进行串联来实现的。上面的电阻,(R1),连接正参考电压,(VREF),，下面的电阻,(R2),接地。两个电阻连接点处的电压测量值与下面那个电阻的阻值成正比。,为了在电阻式触摸屏上的特定方向测量一个坐标，需要对一个阻性层进行偏置：将它的一边接,VREF,，另一边接地。同时，将未偏置的那一层连接到一个,ADC,的高阻抗输入端。当触摸屏上的压力足够大，使两层之间发生接触时，电阻性表面被分隔为两个电阻。它们的阻值与触摸点到偏置边缘的距离成正比。触摸点与接地边之间的电阻相当于分压器中下面的那个电阻。因此，在未偏置层上测得的电压与触摸点到接地边之间的距离成正比