第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器是将非电量的变化量，变换成与之有一定 关系的电阻值的变化量，通过对电阻值的测量达到对上述非 电量测量的目的。 电阻式传感器主要分为：应变式电阻传感器（金属、半 导体）和电位器（计）式电阻传感器以及热敏式电阻传感器 、光敏式电阻传感器、磁敏式电阻传感器、气敏式电阻传感 器等。 前两种属于力敏传感器。 2.1 金属电阻应变式传感器 2.2 半导体应变片及压阻式传感器 2.3 电位器式传感器 1 2.1 金属电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是目前最广泛用于测量力、压力、位移、 应变、扭矩、加速度、重量等参数的传感器之一。 它具有悠久的历史，但新型应变片仍在不断出现。主要用于 测量变化量相对较小的情况，其灵敏度较高。 v 工作原理：基于材料的应变效应。 一、应变效应 二、电阻应变片的工作原理 三、电阻应变片的结构 四、测量电路 五、电阻应变式传感器的应用 2 一、应变效应 O 导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，产生机械变 形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象 称为“应变效应”。 导体或半导体的电阻 导体或半导体在受外力作用时会产生 机械变形，从而使电阻率、长度 l 和截面积 S 这三者都发生变化，所 以会引起电阻的变化。通过测量阻值的变化，就可以反映外界作用力的 大小。 当受到拉力 F 作用时，将伸长l ，横截面积相应减小S ，电阻率将 因晶格发生变形等因素而改变 ，故引起电阻值相对变化量为 3 式中，l / l =为材料的轴向应变； 由于S = d 2 / 4，则S / S = 2 d / d, 其中d / d 为径向应变； 且由材料力学知，d / d = ，式中为材料的泊松比。 其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。 应变灵敏系数： 单位面积上所承受的附加内力称为应力。 当材料在外力作用下不能产生位移时，它的几何形状和尺寸将发生 变化，这种形变就称为应变。 4 对于金属材料， / 较小，可以略去；且 = 0.20.4（弹性范围 ），K 1+2 = 1.41.8 ，实际测得K 2.0，说明 / / 项对 K 还是有 一定影响。 应变灵敏系数受两个因素影响，一个是受力后材料几何尺寸的变化， 即（1+2）；另一个是受力后材料电阻率发生的变化，即 / / 。 一般情况下，在应变极限内（弹性范围） ，金属材料电阻的相对变 化与轴向应变成正比 5 在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，粘贴在被测对象 上的应变片随其发生相同的机械变形，同时，应变片电阻也发生相 应变化。当测得应变片电阻值变化量R 时，便可得到被测对象的 应变值，根据应力和应变的关系，得到应力值 式中 试件的应力； 试件的应变； E试件材料的弹性模量（kg / mm2）。 由此可知，应力值正比于应变，而试件应变又正比于电阻 值的变化R ，所以应力正比于电阻值的变化。这就是利用应变片 测量应变的基本原理。 外力应力变形应变电阻值变化电压变化 二、电阻应变片的工作原理 6 三、金属电阻应变片的结构 q 基本结构 金属电阻应变片种类繁多，但其基本结构大体相似，现以金 属丝绕式应变片结构为例加以说明。 将金属电阻丝粘贴在基片上，上面覆一层薄膜，使它们变成 一个整体，这就是电阻丝应变片的基本结构。 1基底 2敏感栅 3覆盖层 4引线，用以和外接导线连接 l敏感栅长度 b敏感栅的宽度 7 敏感栅是应变片最重要的组成部分。 根据敏感栅形状和制造工艺的不同，金属应变片主要分为丝式、箔 式和膜式三种类型。它们根据需要可以制作成各种形状。 （1）金属丝式应变片： 丝式应变片的敏感栅由金属细丝绕成栅状，有回线式和短接式两种 。丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。 回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大； 短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大 510倍的 镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。缺点是焊点多，在冲击或 振动条件下，易在焊点处出现疲劳，制造工艺要求高。 a) 回线式丝式应变片 b) 短接式丝式应变片 1. 敏感栅 目前大都采用箔式应变片。 8 （2）金属箔式应变片： a单轴 b测扭矩 c多轴（应变花） d平行轴多栅 e同轴多栅 箔式应变片是利用照相制版或光 刻腐蚀等技术将厚度为 0.003 0.01 mm的金属箔片制成所需的各种图形的 敏感栅。有时称为应变花。 9 优点： 制造技术能保证敏感栅尺寸准确，线条均匀和适应各种不同测量要求的形 状，其栅长可做到0.2mm； 敏感栅薄而宽，与被测试件粘贴面积大，粘结牢靠，传递试件应变性能好； 散热条件好，允许通过较大的工作电流，从而提高了输出灵敏度； 横向效应小； 蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。 由于上述优点，有逐渐取代丝式应变片的趋势，是目前的主流。 （3）金属薄膜应变片 金属薄膜应变片采用真空蒸发或真空淀积等方法，在薄的绝缘基片上 形成厚度在 0.1m 以下各种形状的金属材料薄膜敏感栅。 它的优点是应变灵敏系数大，允许工作电流密度大，工作温度范围宽 ，可达197317。 10 2. 基底和盖片 基底和盖片的作用是保持敏感栅和引线的几何形状和相对位置，并且 有绝缘作用。一般为厚度0.020.05mm的环氧树脂、酚醛树脂等胶基材料 。对基底和盖片材料的性能要求：机械强度好，挠性好；粘贴性能好；电 绝缘性好；热稳定性和高温性好；无滞后和蠕变。 3. 引线 作用：连接敏感栅和外接导线。 一般采用 = 0.050.1 mm 的银铜线、铬镍线、卡马线、铁铬铅丝等 ，与敏感栅点焊相接。 4. 粘结剂 作用：将敏感栅固定于基片上，并将盖片与基底粘结在一起；使用金 属电阻应变片时，也需用粘结剂将应变片粘贴在试件表面某一方向和位置 上，以便感受试件的应变。 粘结剂材料：有机和无机两大类。 11 四、测量电路 由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小 电阻值的变化测量出来，同时要把电阻相对变化转换为电 压或电流的变化，因此需要设计专用的测量电路。 用于测量电阻变化最常用的测量电路是电桥电路。 电桥电路通常有直流电桥和交流电桥两种。电桥电路 的主要指标是桥路灵敏度、非线性误差和负载特性。 1. 直流电桥 2. 交流电桥 12 双臂电桥（半桥） 单臂电桥 全臂电桥（全桥） 直流电桥：Z ( R ) 交流电桥: Z ( R、L、C ) 不平衡桥式：偏差测量法（动态） 平衡桥式：零位测量法（静态） 半等臂电桥 全等臂电桥 工作方式 桥臂关系 电源 负载 工作臂 电压输出桥： RL，Io = 0 功率输出桥：U、I 电源端对称 Z1 = Z3 ，Z2 = Z4 输出端对称 Z1 = Z2 ，Z3 = Z4 Z1 = Z2 = Z3 = Z4 电桥电路 13 1. 直流电桥 (1)平衡条件 直流电桥的基本形式如图所示。R1、R2、R3、R4称为电桥的桥臂， RL为其负载（可以是测量仪表内阻、放大器输入阻抗或其它负载）。 当RL时，电桥的输出电压Uo应为 当电桥平衡时，Uo = 0， Io = 0 ，由上式可得到 或 称为电桥平衡条件（对臂阻值之积相等、邻臂阻值之比相等）， 此时流过负载电阻的电流为0。 14 (2)电压灵敏度 A. 单臂电桥： 如果在实际测量中，使第一桥臂 R1 由应变片来替代，微小应变引起微 小电阻的变化，电桥则输出不平衡电压的微小变化。一般需要加入放大器 放大。由于放大器的输入阻抗可以比桥路输出电阻高得多，所以此时仍视 电桥为开路情况。当受应变时，若应变片电阻变化为R1 ，其它桥臂固定 不变，则电桥输出电压 Uo0。 设桥臂比 电桥电压灵敏度定义为 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供桥电压愈高，电桥电压灵 敏度愈高。但是供桥电压的提高，受到应变片允许功耗的限制，所以一般 供桥电压应适当选择（36V）。 E（供桥电压） 15 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值 n 的函数，因此必须恰当地选择 桥臂比 n 的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。 当 n = 1 ，（R1 = R2 ，R3 = R4），电桥电压灵敏度最大。 此时电桥电压灵敏度 当电源电压 E 和电阻相对变化率 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。 此时非线性误差较大，减小或消除非线性误差的方法有如下几种： v 采用差动电桥 v 提高桥臂比 v 采用高内阻的恒流源电桥 16 B.半桥差动（双臂）： 根据被测试件的受力情况，若使一个应变片受拉（拉 应变），一个受压（压应变），则应变符号相反；测试时 ，将两个应变片接入电桥的相邻臂上。称为半桥差动电路 。 半桥差动电路 若R1=R2 ，（R =R1R2 = 2R1）， R1 = R2，R3 = R4， 则得 半桥差动电路由上式可知，Uo与 成线性关系，此时电桥电压灵敏度 半桥差动电桥的灵敏度比使用一只应变片的单臂电桥提高了一倍，同 时可以起到温度补偿的作用，线性误差大大减小。 17 C. 全桥差动（全臂）： 为进一步提高电压灵敏度或进行温度补偿， 可采用全桥差动电路。将电桥四臂接入四片应变 片。两个受拉，两个受压，将两个应变符号相同 的接入相对臂上，构成全桥差动电路。若满足 全桥差动电桥 此时电桥电压灵敏度 全桥差动的灵敏度是单臂的四倍，半桥差动的两倍。 还可抑制干扰信号，因为四臂或相邻两臂同时有 某一增量，对全桥差动电桥输出无影响。 R1 = R2 = R3 = R4，R1 = R2 = R3 = R4 则输出电压为 18 （3）减小或消除非线性误差的其它方法 提高桥臂比： 提高桥臂比，非线性误差可以减小；但从电压灵敏度考虑，电桥电压 灵敏度将降低，这是一种矛盾，因此，为了达到既减小非线性误差，又不 降低其灵敏度，必须适当提高供桥电压 E。 采用高内阻的恒流源电桥： 通过电桥各臂的电流如果不恒定，也是产生非线性误差的重要原因。 所以供给半导体应变电桥的电源一般采用恒流源，如图所示。供桥电流为 I ，通过各臂的电流为 I1 和 I2，若测量电路输入阻抗较高，则 输出电压为 若电桥初始处于平衡状态（R1R4 = R2R3），而且R1 = R2 = R3 = R4 = R，当第一桥臂电阻R1变为R1R1时，电桥 输出电压为 比前面的单臂供压电桥的非线性误差减少了50%。 19 2. 交流电桥 (1)交流电桥平衡条件 应变电