《电阻式传感器》PPT课件

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,#,第三章,电阻式传感器,提纲,电阻式传感器,是把非电量（如位移、力、振动和加速度等）转换为电阻变化的一种传感器。电阻式传感器在生物医学测量中应用非常广泛，可用于测量血压、脉搏等生理参数。,按照工作原理可为：,电位器式传感器,电阻应变式传感器,固态压阻式传感器,2,电位器式传感器,电位器式电阻传感器可将机械的直线位移或角位移输入量转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。,它除了用于线位移和角位移测量外，还广泛应用于测量压力、加速度、液位等物理量。,3,电位器式传感器,优点：,结构简单，体积小，质量轻，价格低廉，性能稳定，,受环境因素,(,如温度、湿度、电磁场干扰等,),影响小,输出信号较大，一般不需放大。,可实现输入,-,输出间的任意函数关系,。,缺点,：,因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；,磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨力较低；,动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。,目前已发展了一些非接触的电位器式传感器以克服以上缺点，如用光传输,的光电电位器,等。,4,电位器式传感器,分类：,按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等。,按其特性曲线不同，则可分为线性电位器和非线性,(,函数,),电位器。,5,电位器式传感器,线性线绕电位器,线性线绕电位器是在骨架横截面积处相等的骨架上由材料均匀的导线，按相等的节距绕制而成。,6,电位器式传感器,线性线绕电位器的空载特性,7,电位器式传感器,线绕电位器的阶梯特性,当电刷从一匝滑向另一匝时，阶梯电压,U,：,电刷使两圈短路时，阶梯电压,U,min,：,8,电位器式传感器,线绕电位器的阶梯误差,通常以理想阶梯曲线（忽略,U,min,）和理想直线的最大偏差与最大输出电压之比的百分数表示。,9,增大匝数比可以减小阶梯误差。,电位器式传感器,电位器式传感器的负载特性,有负载时，电位器的输入,输出特性称为,负载特性,，负载特性偏离空载特性的值称为,负载误差,。,10,电位器式传感器,电位器式传感器的负载特性,有负载时，电位器的输入,输出特性称为,负载特性,，负载特性偏离空载特性的值称为,负载误差,。,11,电位器式传感器,12,电位器式传感器,电位器负载校正网络及校正曲线,13,电位器式传感器,非线性（函数）电位器,光电（非接触式）电位器,14,寿命长，分辨率高,有较大延时，工作温度范围窄,电位器式传感器的应用,电位器式传感器结构,简图,a,）圆盘式电位器外形,b,）圆盘式电位器内部结构,c,）直线式电位器结构,15,电位器式传感器的应用,技术指标,：工作温度,：,-55+125 ,总阻值：,1K,、,2 K,、,3 K,、,5 K,阻值公差：,15%,独立线性度：,0.1%,、,0.2%,、,0.3%,、,0.5%,、,1%,电旋转角度：,3455,输出平滑性：,0.05%,机械,寿命：,5000,万,次,技术指标：工作温度：,-30+105 ,有效电气行程：,25mm600mm,总阻值：,1K,、,2 K,、,5 K,阻值公差：,15%,线性精度：,0.05%-0.5%,输出平滑性：,0.1%,机械寿命：,1000,万次,16,电位器式传感器的应用,适合测量幅度较大的物理量，不适合快速变化的物理量。,在生物医学中，可用于测量呼吸等生理参数。,17,电阻应变式传感器,电阻应变式传感器,(strain gauge),是由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成，利用导体或半导体的,应变效应，把非电量的压力和位移等参数转换为电阻变化的传感器,。,应变式电阻传感器是测量微小机械变化量的理想传感器。,它广泛应用于人体生理参数测量中，测量参数包括位移、机械力、压力、浓度、速度和重量等物理量和化学量。,18,电阻应变式传感器,电阻应变式传感器的基本测量原理是根据导体电阻方程而产生，导体的电阻方程式为,:,R =,L/A,式中,R,为电阻（,），,为电阻率（,cm,），,L,为导体长度（,cm,），,A,为导体的均匀截面积（,cm2,）。,改变这三个参数中任何一个，都能把被测参数的变化转化为电阻值的变化。因此通过测量电阻值的变化，就能反映出被测参数的变化。,电阻应变式传感器,按所用材料不同，应变式电阻传感器分为两大类,:,金属应变,片,半导体,应变片,金属电阻应变式传感器,金属电阻应变式传感器的原理是基于金属电阻应变效应。它是用金属丝或金属箔等材料制作成片状敏感元件的传感器，习惯称为,金属,应变片,。,金属应变片贴在弹性元件或被测物体上,在弹性元件或被测物体变形时,粘贴其上的金属应变片的电阻发生相应的变化。,设有一段金属电阻丝，其截面积为,A,，电阻率为,，长度为,L,，则其电阻为,:,研究在应变状态下电阻丝阻值的变化，将上式取全微分。,其相对变化量为,在应力作用下的相对变化率。电阻值的相对变化率,dR/R,取决于三个基本因素,:,(1),电阻丝的电阻率相对变化量,(d/),(2),电阻丝长度的相对变化量,(dL/L),(3),电阻丝截面积的相对变化量,(dA/A),若金属丝是圆形的，截面积,A=r,2,，,r,为金属丝半径，则,其中，,1 = dr/r,是横向变化的相对变化量，称为金属丝的横向应变,1,，设金属丝的纵向应变,= dL/L,。,根据材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力则轴向伸长，横向缩短，弹性材料径向应变与轴向应变之比为一个常数,，,称为泊松系数或泊松比。故有：,= -,1 /,受拉情况下，有,dr/r = -,，,dA/A = - 2,。,代入泊松比，得到,第一项是材料的几何尺寸引起电阻相对变化量，称其为,尺寸效应,，第二项是受力后使材料电阻率发生变化,常称其为,压阻效应,。,金属材料的灵敏度系数定义,k,0,为,电阻率的变化是因材料发生变化时，其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故，实际上也是由体积变化而造成的。,故,k,0,= (1,2,),c (1,2,),。,对于同种材料的金属丝电阻应变片，在一定的变形范围内，无论是受拉或是受压的应变，灵敏系数,k,0,都保持不变。当超出某一范围时，,k,0,值将发生变化。,常用的金属电阻丝材料的性能,材料,名称,成分元素,（,）,灵敏度系数,k,0,电阻率（,m,）（,20,）,电阻温度系数（,10,-6,/C,）,（,0,100,）,最高使用,温度,（）,康铜,Ni,（,45,）,Cu,（,45,）,1.9,2.1,0.45,0.52,20,静态,300,动态,400,镍铬合金,Ni,（,80,）,Cr,（,20,）,2.1,2.3,0.9,1.1,110,130,静态,450,动态,800,铁铬铝合金,Fe,（,70,）,Cr,（,25,）,AL,（,5,）,2.8,1.3,1.5,30,40,静态,700,动态,1000,铂,Pt,（,100,）,4,6,0.09,0.11,3900,静态,800,动态,1000,铂钨合金,Pt,（,92,）,W,（,8,）,3.5,0.63,227,静态,800,动态,1000,金属丝应变片的灵敏系数不高，但是稳定性好，线性度高，所以应用广泛。,金属应变片的种类和特点,金属应变片可分为：,金属丝式应变片,金属箔式应变片,金属薄膜应变片,(1),电阻丝式应变片,电阻丝式应变片的敏感元件是栅状的金属丝，金属丝的直径为,0.0120.05mm,，敏感栅的形状有,U,型和,H,型。,左图中，,（,a,）为,U,型,(,丝式），加工简单，但横向效应较大,（,b),为,H,型（短接式）， 横向效应小，但焊点多，影响寿命,。,(2),金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为,0.003,0.01mm,电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状,(3),金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在,0.1m,以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产,优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，,工作范围广，易实现工业化生产,（,1,）电阻应变片的规格,应变片的灵敏轴线,应变片的标距,L,应变片工作宽度,b,应变片的基片长度和宽度,应变片的基片最小修正长度和宽度,电阻应变片的特性,（,2,）电阻应变片的灵敏度系数,:,指试件只在沿应变片灵敏轴线方向的单向载荷作用下，而其他所有变量保持不变时，粘贴在试件表面的应变片的单位电阻变化率与该试件表面沿应变片灵敏轴线方向上产生的单位变形之比，其数学表达式为,（,3,）应变片的横向效应,粘贴在被测试件表面的应变片，即使试件只承受单向的拉伸作用，其表面变形仍是处在平面应变状态中，即有轴向的伸长和横向的缩短，横向的缩短将使应变片的电阻值发生变化。这种横向的应变使得所测的应变数值变化或使应变片灵敏度系数减小的现象称为横向效应。,短接式（,H,型），箔式和半导体应变片横向效应小。,（,4,）,电阻应变片的温度特性,电阻应变片的电阻值受环境温度的影响较大，主要原因有：,应变片材料的电阻温度系数引起的，因为材料的电阻率随温度变化。,应变片材料与试件材料的线膨胀系数不同，引起应变片的敏感栅变形而产生电阻变化。,36,（,a,） 同步补偿,（,b,）差动补偿,温度补偿措施,（,5,）电阻应变片的动态特性,使用电阻应变片进行频率较高的动态应变测量时，除了要考虑测量电路的频率响应外，还应考虑应变片对动态应变的响应特性。,阶跃响应特性和频率特性均与敏感栅的长度有关。,38,阶跃响应特性,当应变波为阶跃波时，由于应变片的敏感栅相对较长，当应变波在线栅长度方向上传播时，只有在应变波通过线栅全部长度后，应变片所反映的波形经过一定时间的延迟，才能达到最大值。,如,以终值的,10%,上升到,90%,这段时间作为上升时间,tk,，则,39,频率响应特性,当测量按照正弦规律变化的应变时：,40,（,6,）电阻应变片的其他特性（略）,3.2.4,应变片的粘贴和常用黏合剂（略）,电阻应变式传感器的结构,应变式传感器包括两个主要部分：,弹性敏感元件，,利用它把被测的物理量（如力、扭矩、压力、加速度等）转化为弹性体的应变值；,应变片（丝），,作为传感元件将应变转换为电阻值的变化。,电阻应变式传感器的结构,（,1,）非粘贴式传感器：利用应变丝将弹性元件产生的位移量转化为电阻值的变化。,（,2,）粘贴式电阻应变传感器,粘贴式电阻应变式传感器可用于测量力、压力、加速度、扭矩等非电物理量。,测力传感器用弹性元件将力转换为应变量，再利用粘贴在弹性元件上的应变片把应变压力变换为电阻值的变化。常用的弹性元件有柱式、悬臂梁式和环式。,粘贴应变式,压力传感器,由变换压力的弹性敏感元件和应变片组成，常见的结构有平膜式和,组合式。,举例：计算,图为等强度悬臂梁测力系统，,为电阻应变片，应变片灵敏系数,K,2.05,，未受应变时，,R,1,=120,。当试件受力,F,时，应变片承受平均应变,=800um/m,，试求：,(1),应变片电阻变化量,和电阻相对变化量,。,(2),将电阻应变片置于单臂测量电桥，电桥电源电压为直流,3V,，求电桥 输出电压及电桥非线性误差。,(3),若要减小非线性误差，应采取何种措施？分析其电桥输出电压及非线性误差大小。,48,F,R,1,题,3,6,图,一个量程为,10kN,的应变式测力传感器，其弹性元件为薄壁圆筒轴向受力，外径为,20mm,，内径为,18mm,，在其表面粘贴八个应变片，四个沿轴向粘贴，四个沿周向粘贴，应变片的电阻值均为,120,，灵敏度为,2.0,，泊松比为,0.3,，材料弹性模量,E=2.1X10,11,Pa,。要求：,(1),绘出全桥电路；,(2),计算传感器在满量程时各应变片的电阻；,(3),当桥路的供电电压为,10V,时，,计算电桥负载开路时的输出。,49,半导体压阻传感器,半导体压阻传感器，也称为固态压阻式传感器,(solid-state piezoresistive sensor),，是近年来发展起来的新型传感器，它利用半导体材料的压阻效应， 也称之为半导体应变式传感器。,半导体材料在机械应力的作用下，使得材料本身的电阻率,发生较大变化，这种现象叫做压阻效应。,其机理是晶体在应力作用下，晶格间的载流子,(,空穴、电子,),的相互作用发生了变化，原子结构中的导带和价带之间的禁带宽度发生了变化，这就影响了导带中载流子数目，同时又使载流子的迁移率发生变化，因此晶体的电阻率发生变化,。,半导体压阻传感器,半导体应变片的应变灵敏系数要比金属应变片大几十倍至一百多倍。半导体应变式传感器的高灵敏度特性使得它在生物医学测量和仪器中得到广泛的应用。,半导体晶片的压阻效应的方向性很强，对于一个给定的半导体晶片来说，在某一晶格方向上压阻效应最显著，而在其他方向上压阻效应就较小或不会出现。,半导体应变片的压阻效应,半导体应变片是采用,P,型或,N,型硅材料按其压阻效应最强的方向制造成的薄丝片，和底基以及引出线组成半导体应变片。半导体应变片的压阻效应是指在轴向受力作用时，其电阻率,发生变化。,公式中后一项是应变作用下半导体应变片的电阻率相对变化,其值与半导体应变片轴向所受应力之比为一常数，,E,为半导体应变片的压阻效应，,为半导体材料的压阻系数，,E,为杨氏模量。由于半导体材料的压阻效应,E,远大于（,1,2,），可忽略（,1,2,）项，得到：,k,S,为半导体应变片的灵敏系数，它等于半导体应变片的压阻效应。半导体应变片的灵敏系数可以从,50,到,200,，而一般的金属应变片的灵敏系数只有,1,4,。,54,55,56,半导体应变片的优缺点,用半导体应变元件制成传感器可以获得高灵敏度、低机械滞后、体积小和横向灵敏度小等优点。,其缺点是温度系数较大，应变时非线性比较大等。,57,半导体应变元件主要类型,(1),体型半导体应变片,体型半导体应变片是采用,P,型或,N,型硅材料按其压阻效应最强的方向切割成厚度为,0.02,0.05mm,宽度为,0.2,0.5mm,长度为几个毫米的薄片,然后用底基、覆盖层、引出线将其组合成应变片。,(a),普通半导体应变片,;,(b),补偿,式半导体应变片,;,(c),无底基半导体应变片,(2),扩散式半导体应变片（压敏电阻）,压敏电阻,(a),结构图,(b),平面图,在,N,型硅衬底上扩散形成,P,型电阻条，然后在表面生长一层氮化硅和加入引线，简称压敏电阻片。,半导体压阻传感器的医学应用,半导体压阻式传感器具有体积小、灵敏度高和频率响应范围大的特点，在医学测量中的应用广泛。例如血压测量，胃内压测量等，还可以测量指尖、挠骨、手腕等部位的脉搏波等。,P,型硅条，正灵敏度系数,N,型硅条，负灵敏度系数,差动结构，提高灵敏度并温度补偿,针型压阻式血压传感器,半导体压阻型脉搏传感器结构图,高灵敏的换能器件，非常适合测量体表动脉的脉搏波。,传感器采用典型悬臂梁式结构。,电阻应变片传感器的测量电路,63,电阻应变片传感器的测量电路,直流电桥，也称惠斯通电桥,(wheatstone bridge),，把电阻传感器的微弱电阻变化转换成电流或电压变化的变换电路。,直流电桥是因为采用直流电源作为驱动电源而得名。如果电桥线路采用交流电源则称为交流电桥，电容式传感器用交流电桥作测量电路。,直流电桥的特性方程,下图是典型的直流电桥。图中,R,1,是电桥的测量臂,(,即传感器的电阻,),，,R,2,、,R,3,、,R,4,是另外三个臂，由确定数值的固定电阻构成。直流电源,E,加入电路，输出端用负载电阻,R,L,表示。,直流电桥,1.,输出负载为,R,L,时,根据戴维南定理,将直流电桥电桥等效为开路电压,U,o,和等效电阻,R,0,。,c,d,两点之间接有负载电阻,R,L,则负载电流,I,L,为,:,直流电桥的一般特性方程,2.,输出负载为时,当,R,L,时，电桥输出开路，则输出电压为,直流电桥使用时，初始条件是电桥保持平衡，即,Uo,0,，可以得到电桥平衡条件,:,平衡电桥桥路相邻两臂阻值之比相等使输出电流为零。,电桥调平衡,初始平衡的条件,R,1,R,3,=R,2,R,4,，在实际中较难实现。,保证在不受力的情况下，输出为,0,实际电桥的输出电压,实际测量中，电桥一个臂是电阻应变片，微小应力引起电阻变化（,R,1,+R,1,），将改变平衡状态，使输出产生微小的电压变化，这就是电桥电路原理。另外实际电路还包括放大器以便放大微弱电压信号，通常采用高输入阻抗的差动放大器，等效为电桥输出开路,R,L,。,设桥臂比,n=R,2,/R,1,由于,R,1,R,1,分母中,R,1,/R,1,可忽略。,假设选择电阻使,n=R,2,/R,1,1,，则,直流电桥的灵敏度,灵敏度是电桥测量技术的一个重要指标，电桥的灵敏度定义是输出端电压,U,L,或电流,I,L,与电桥测量臂电阻相对变化率之比来表示，即,分别表示电桥的电压灵敏度和电流灵敏度。,电桥的电压灵敏度可表示为,n=1,即桥臂比为,1,，灵敏度取得最大值，为,差动式半桥电路：,两个电桥臂采用差动的电阻应变片，微小应力引起电阻,R1,变化（,R,1,+R,1,），电阻,R2,变化（,R,2,-R,2,）。图中分别表示为,“,”,受拉情况，,“,”,受压情况。另外两个桥臂为固定电阻不变。,假设,R,1,R,2,R,，,R,1,R,2,R,3,R,4,=R,，,差动式全桥电路：,四个电桥臂均采用差动的电阻应变片，微小应力引起电阻,R,1,变化（,R,1,+R,1,），电阻,R,2,变化（,R,2,R,2,），电阻,R,3,变化（,R,3,+R,3,），电阻,R,4,变化（,R,4,R,4,）。图中受拉情况表示为,“,”,，受压情况表示为,“,”,。,假设,R,1,=R,2,= R,1,=R,2,=R,，,R,1,=R,2,=R,3,=R,4,=R,非线性误差的讨论 （略）,半导体电阻应变片的非线性大,为减少非线性误差，可,采用差动式结构,，或者,用恒流源供电代替直流电压源,等。,恒流源供电的另一优点是受温度影响比恒压源供电小很多。,恒流源电桥,恒流源电桥的输出与电阻变化量成正比，即与被测量成正比，,无非线性项,，,不受温度影响,。,74,3.5,电阻式传感器的应用,（,1,）半导体力敏传感器,传感器采用绝对压力传感器,恒流源驱动,电流为,1.5mA,灵敏度是,60,180(10,-5,mV/Pa),额定压力范围为,0,98.0665kPa,。,力敏传感器的基本应用电路,提供恒流源,仪表放大器,零点校准电路,应变片的非线性补偿电路,（,2,）心内导管压阻式压力传感器,由于压阻式压力传感器体积小、灵敏度高，分辨力高，被应用于植入式压力测量。,该传感器采用双硅片作为悬臂梁，悬臂梁端部的作用力是压力,P,作用于薄膜上产生的，作用力为,式中：,薄膜的面积,（,3,）柔性力敏传感器,80,检测受力的相对变化量,检测受力的动态变化,确定受力的阈值并触发相应的动作,检测接触和触摸,81,A201 MODEL (,Spec Sheet,),HT201 (HIGH-TEMP) MODEL (,Spec Sheet,),A301 MODEL (,Spec Sheet,),A401 MODEL (,Spec Sheet,),Physical Properties,Thickness,0.008 in. (.203 mm),Length,7.75 in. (197 mm),6 in. (152 mm)*,4 in. (102 mm)*,2 in. (51mm)*,1 in. (25.4 mm),2.24 in. (56.8 mm),Width,0.55 in. (14 mm),Sensing Area,0.375 in. diameter (9.53 mm),0.375 in. diameter (9.53 mm),1.0 in. diameter,(25.4 mm),Connector,3-pin male square pin,2-pin male square pin,Typical Performance,Linearity Error,3%,3%,3%,3%,Repeatability,2.5% of full scale,3.5% of full scale,2.5% of full scale,2.5% of full scale,Hysteresis,4.5% of full scale,3.6% of full scale,4.5% of full scale,4.5% of full scale,Drift,5% per logarithmic time scale,3.3% per logarithmic time scale,5% per logarithmic time scale,5% per logarithmic time scale,Response Time,5 microseconds,TBD,5 microseconds,Force Sensitive Insole,iShoe insoles contain FlexiForce sensors to measure and analyze force distribution on a patien.,More ,Grip Force Measurement with FlexiForce,For grip force measurement, the thinness and flexibility of the FlexiForce sensors constructi.,More ,Bite Force Measurement of Reptiles,Differentiating the bite force of different species of lizards using flexible and thin force se.,More ,Force Sensitive Insole,iShoe insoles contain FlexiForce sensors to measure and analyze force distribution on a patien.,More ,Grip Force Measurement with FlexiForce,For grip force measurement, the thinness and flexibility of the FlexiForce sensors constructi.,More ,83,84,