第第3 3章章 力敏传感器及检测力敏传感器及检测3.1 3.1 力学传感器中的弹性元件力学传感器中的弹性元件 3.2 3.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 3.3 3.3 压阻式压力传感器压阻式压力传感器3.4 3.4 压电式传感器压电式传感器 3.5 3.5 电容式传感器电容式传感器3.1 3.1 力学传感器中的弹性元件力学传感器中的弹性元件 3.1.1 3.1.1 名词概念名词概念 1. 1.变形变形 物体在外力作用下而改变尺寸或形状的现象。物体在外力作用下而改变尺寸或形状的现象。 2.2.弹性变形弹性变形 当外力去掉后能完全恢复原来的尺寸和形状的变形。当外力去掉后能完全恢复原来的尺寸和形状的变形。 3.3.弹性元件弹性元件具有弹性变形特性的物体。把力、力矩或压力变换成具有弹性变形特性的物体。把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，再由转换元件变换成电量。相应的应变或位移，再由转换元件变换成电量。4 4、应力、应力截面积为截面积为S的物体受到外力的物体受到外力F的作用并处于平衡状态的作用并处于平衡状态时，时， 物体在单位面积上引起的内力称为应力，记作物体在单位面积上引起的内力称为应力，记作(a) (a) 正应力；正应力； (b) (b) 剪切应力剪切应力 应力可分解为垂直于截面的分量，称为应力可分解为垂直于截面的分量，称为“正应力正应力”或或“法向应力法向应力”；相切于截面的分量称为；相切于截面的分量称为“剪切应剪切应力力” .5. 5. 应变应变 应变是物体受外力作用时产生的相对变形，应变是物体受外力作用时产生的相对变形， 它是一它是一个无量纲的物理量。个无量纲的物理量。 设物体原长度为设物体原长度为l， 受力后产生受力后产生l的变形。的变形。 若若l0， 则表示物体被拉伸；则表示物体被拉伸； l0，则表，则表示物体被压缩。示物体被压缩。 其应变其应变定义为定义为:6. 6. 虎克定律与弹性模量虎克定律与弹性模量虎克定律：当应力未超过某一限值时，应力与应虎克定律：当应力未超过某一限值时，应力与应变成正比，变成正比， 其数学表达式为其数学表达式为 =E3.1.2 变换力的弹性元件变换力的弹性元件(a)(a)实心圆柱形实心圆柱形;(b);(b)空心圆柱形空心圆柱形;(c);(c)等截面圆环形等截面圆环形; ;(d)(d)变截面圆环形变截面圆环形; (e); (e)等截面薄板等截面薄板;(f);(f)等截面悬臂梁等截面悬臂梁; ;(g)(g)等强度悬臂梁等强度悬臂梁;(h);(h)扭转轴扭转轴1、弹性圆柱（实心、空心）、弹性圆柱（实心、空心）( () )轴线的夹角。轴线的夹角。截面截面圆柱的横截面积；圆柱的横截面积；A材料的泊松系数；材料的泊松系数；材料的材料的E轴线方向上的作用力；轴线方向上的作用力；Fsincos22与与弹性模量弹性模量a am ma am ma ae e- -= =AEF2 2、悬臂梁（等截面）、悬臂梁（等截面）3.1.2 变换压力的弹性元件变换压力的弹性元件(a)(a)弹簧管弹簧管 (b)(b)波纹管波纹管 (c)(c)圆形膜片圆形膜片( (d)d)波纹膜片波纹膜片 (e)(e)薄壁圆筒薄壁圆筒圆形膜片圆形膜片 电阻应变式传感器的核心元件是金属应变片，电阻应变式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。3.23.2电阻应变式传感器电阻应变式传感器3.2.1 3.2.1 电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理 电阻应变效应：电阻应变效应： 当当金金属属电电阻阻丝丝在在外外力力作作用用下下发发生生机机械械变变形形时时，其其电电阻阻值值将将发发生生变变化化，这这种种现现象象称称为为金金属属电电阻阻丝丝应应变效应。变效应。 在其未受力时，原始电阻值为：在其未受力时，原始电阻值为： 设有一根长度为设有一根长度为l 、截面积为、截面积为S、电阻率为、电阻率为的金的金属丝。属丝。 当它受到轴向力时当它受到轴向力时, ,其其l l 、 S S、 均发生变化，均发生变化，三者的变化均会引起电阻三者的变化均会引起电阻R R的变化。三因素各自的增的变化。三因素各自的增量所引起的电阻变化可由多元函数微分推导而得。量所引起的电阻变化可由多元函数微分推导而得。 ：电阻的相对变化；：电阻的相对变化； ：电阻率相对变化；：电阻率相对变化； ：金属丝长度相对变化，用：金属丝长度相对变化，用表示，表示，= 称称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；为金属丝长度方向上的应变或轴向应变； ：截面：截面积的相对变化。积的相对变化。两边取对数，得两边取对数，得等式两边取微分，得等式两边取微分，得dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。S=r 2dS/S=2dr/rr= 由材料力学知由材料力学知将微分将微分dR、d改写成增量改写成增量R、，则，则KS称为金属丝的应变灵敏系数。称为金属丝的应变灵敏系数。KS由两部分组成：由两部分组成：前一部分是（前一部分是（1+2），），表示由于金属丝受拉伸力作用后表示由于金属丝受拉伸力作用后,材料的几何尺寸发生变化而引起的，一般金属材料的几何尺寸发生变化而引起的，一般金属0.3，因此（因此（1+2）1.6；后一部分为后一部分为 ，表示由于材料发生变形时，表示由于材料发生变形时,其自由其自由电子的活动能力和数量均发生了变化而引起的。电子的活动能力和数量均发生了变化而引起的。对金属材料，以前者为主，则对金属材料，以前者为主，则KS 1+2； 实验表明，实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变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。通常化与轴向应变成正比。通常KS在在1.63.6范围内。范围内。 2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl栅长栅长栅宽栅宽1、应变片结构、应变片结构 由敏感栅由敏感栅1、基底、基底2、盖片、盖片3、引线、引线4组成组成3.2.2 3.2.2 应变片的结构、类型及特性应变片的结构、类型及特性A、 敏感栅敏感栅 由由金金属属细细丝丝绕绕成成栅栅形形。金金属属丝丝栅栅两两头头焊焊有有引引出出线线，作作连连接接测测量量导导线线用用丝丝栅栅长长度度为为l，称称为为栅栅长长，宽宽度度为为b，称称为为栅栅宽宽。Lb称称为为使使用用面面积积。其其规规格格以以使使用用面面积积表表示示。电电阻阻应应变变片片的的电电阻阻值值有有60、120、200等，以等，以120最为常用。最为常用。对敏感栅的材料的要求：对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接。易于焊接。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。B、 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，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。敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。C C 、引线引线 是是从从应应变变片片的的敏敏感感栅栅中中引引出出的的细细金金属属线线。对对引引线线材材料料的的性性能能要要求求：电电阻阻率率低低、电电阻阻温温度度系系数数小小、抗抗氧氧化化性性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。D D 、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试件表面某个方向和位置上。以便将试件基底粘贴在试件表面某个方向和位置上。以便将试件受力后的表面应变传递给应变片的基底和敏感栅。受力后的表面应变传递给应变片的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为常用的粘结剂分为有机和无机有机和无机两大类。有机粘结两大类。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。高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。金金属属丝丝弯弯曲曲部部分分可可作作成成圆圆弧弧、锐锐角角或或直直角角, , 如如图图所所示示。 弯弯曲曲部部分分作作成成圆圆弧弧（U U）形形和和锐锐角角是是最最早早常常用用的的形形式式, , 制制作作简简单单但但横横向向效效应应较较大大。 直直角角（H H）形形两两端端用用较较粗粗的的镀镀银银铜铜线线焊焊接接, , 横横向向效效应应相相对对较较小小, , 但但制制作作工工艺艺复复杂杂, , 将将逐逐渐渐被被横横向向效效应应小小、 其其他方面性能更优越的箔式应变片所代替他方面性能更优越的箔式应变片所代替。2、电阻应变片的种类、电阻应变片的种类A、金属丝应变片、金属丝应变片金属箔式应变片金属箔式应变片B B、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，故称通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式应变片，如图。金属箔的厚度一般为箔式应变片，如图。金属箔的厚度一般为(0.001(0.0010.010)mm0.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为厚度一般为(0.03(0.030.05)mm0.05)mm。 优点：优点：缺点：缺点：电阻值的分散性大电阻值的分散性大（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求（2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热）与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。条件好，允许电流大，灵敏度提高。（4）横向效应可以忽略。）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上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形成厚度在 1 1 以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再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。加上保护层，易实现工业化批量生产。 优点：优点： 应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，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。易实现工业化生产。 问题：问题： 难控制电阻与温度、时间的变化关系。难控制电阻与温度、时间的变化关系。C 、金属薄膜应变片、金属薄膜应变片 金属应变片金属应变片3 3、电阻应变片的主要特性、电阻应变片的主要特性金属应变丝金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数间具有线性关系，用灵敏度系数K KS S表示。当表示。当金属丝做金属丝做成应变片后成应变片后，其电阻，其电阻应变特性，与应变特性，与金属单丝情况不金属单丝情况不同同。因此，须用实验方法对应变片的电阻。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性应变特性重新测定。实验表明，重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与金属应变片的电阻相对变化与应变应变在很宽的范围内均为线性关系。在很宽的范围内均为线性关系。即即（1） 灵敏度系数灵敏度系数 K为为金属应变片的灵敏系数。金属应变片的灵敏系数。 注意注意: : K是在试件受单向应力作用，应变片的轴是在试件受单向应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.2850.285的钢材时测得的。测量结果表明，的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数K K恒小于线材的灵敏系数恒小于线材的灵敏系数K KS S。原因：胶层传递变形失真。原因：胶层传递变形失真和横向效应引起的。和横向效应引起的。 （2） 横向效应横向效应 金金属属应应变变片片由由于于敏敏感感栅栅的的两两端端为为半半圆圆弧弧形形的的横横栅栅，测测量量应应变变时时，试试件件的的轴轴向向应应变变使使敏敏感感栅栅电电阻阻发发生生变变化化;其其径径向向应应变变r也也将将使使敏敏感感栅栅半半圆圆弧弧部部分分的的电电阻阻发发生生变变化化，这种现象称为这种现象称为横向效应横向效应。丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlrrdld0（3）机械滞后）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，其其加加载载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。1机械应变机械应变卸载卸载加载加载指指示示应应变变i应变片的机械滞后应变片的机械滞后 产生原因：产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅发生少量不可逆变化；在制产生残余变形，使敏感栅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也会引起。者粘结剂固化不充分也会引起。(4)(4)、温度误差及其补偿、温度误差及其补偿 温度误差温度误差 用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应应变变化变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度影响很大。由于环境温度变化引起的电值受环境温度影响很大。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阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数相同的数量级量级，从而产生很大的测量误差，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度称为应变片的温度误差误差，又称热输出又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化。因环境温度改变而引起电阻变化的主要因素：的主要因素：、应变片的敏感栅具有一定温度系数；、应变片的敏感栅具有一定温度系数；、敏感栅材料与试件材料的膨胀系数不同。、敏感栅材料与试件材料的膨胀系数不同。 、环环境境温温度度变变化化为为t（）时时，粘粘贴贴在在试试件件表表面面的的应应变变片片敏敏感感栅栅材材料料的的电电阻阻温温度度系系数数为为t （即即每每欧欧的的电电阻阻值值当当温温度度变变化化时的改变量时的改变量)，则应变片产生的电阻相对变化为，则应变片产生的电阻相对变化为 、环环境境温温度度变变化化为为t t（）时时，由由于于敏敏感感栅栅材材料料和和试试件件材材料两者膨胀系数不同，引起应变片的电阻相对变化料两者膨胀系数不同，引起应变片的电阻相对变化为为 g试件材料膨胀系数；试件材料膨胀系数；s敏感栅材料膨胀系数。敏感栅材料膨胀系数。K应变片灵敏系数应变片灵敏系数温度变化形成的总电阻相对变化：温度变化形成的总电阻相对变化： 相应的虚假应变为相应的虚假应变为 上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力上式为应变片粘贴在试件表面上，当试件不受外力作用，在温度变化作用，在温度变化t 时，应变片的温度效应。用应变时，应变片的温度效应。用应变形式表现出来，称之为热输出。形式表现出来，称之为热输出。 可见，应变片热输出的大小不仅与应变片敏感栅可见，应变片热输出的大小不仅与应变片敏感栅材料的性能材料的性能(t,s)有关，而且与被测试件材料的膨胀系有关，而且与被测试件材料的膨胀系数数(g)有关。有关。 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）a、单丝自补偿应变片、单丝自补偿应变片 由由前前式式知知，若若使使应应变变片片在在温温度度变变化化t时时的的热热输输出出值值为零，必须使为零，必须使即即 单单丝丝自自补补偿偿应应变变片片的的优优点点是是结结构构简简单单，制制造造和和使使用用都都比比较较方方便便，但但它它必必须须在在具具有有一一定定热热膨膨胀胀系系数数材材料料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。每一种材料的试件，其热膨胀系数每一种材料的试件，其热膨胀系数 都为确定值，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，使其可以在有关的材料手册中查到。在选择应变片时，使其电阻温度系数电阻温度系数 和热膨胀系数和热膨胀系数 满足上式的条件，即可满足上式的条件，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。补偿应变片。b、双丝组合式自补偿应变片、双丝组合式自补偿应变片 是是由由两两种种不不同同电电阻阻温温度度系系数数（一一种种为为正正值值，一一种种为为负负值值）的的材材料料串串联联组组成成敏敏感感栅栅，以以达达到到一一定定的的温温度度范范围围内内在在一一定定材材料料的的试试件件上上实实现现温温度度补补偿偿的的，如如图图。这这种种应应变变片片的的自自补补偿偿条条件件要要求求粘粘贴贴在在某某种种试试件件上上的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，符号相反，符号相反，即即(Ra) t= (Rb) t焊点焊点RaRbC、桥路补偿法、桥路补偿法 如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由桥臂电阻和电源电压决定的常数。桥路补偿法桥路补偿法 由上式可知，当由上式可知，当R3、R4为常数时，为常数时，Rl和和R2对输对输出电压的作用方向相反。出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿对温度的补偿，并且补偿效果较好，效果较好，这是最常用的这是最常用的补偿方法之一。补偿方法之一。 USCR2R3R1R4E+- 测测量量应应变变时时，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，图图中中R1称称为为工工作作应应变变片片。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，图图中中R2，称称为为补补偿偿应应变变片片。在在工工作作过过程程中中补补偿偿块块不不承承受受应应变变，仅仅随随温温度度发发生生变变形形。由由于于R1与与R2接接入入电电桥桥相相邻邻臂臂上上，造造成成R1t与与R2t相相同同，根根据据电电桥桥理理论论可可知知，其其输输出出电电压压USC与温度无关。与温度无关。补偿应变片粘贴示意图补偿应变片粘贴示意图R1R2 当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。由前式可知电压。由前式可知: 由由上上式式可可知知，电电桥桥输输出出电电压压只只与与应应变变有有关关，与与温度无关。温度无关。为达到完全补偿，需满足下列三个条件：为达到完全补偿，需满足下列三个条件： R1和和R2须须属属于于同同一一批批号号的的，即即它它们们的的电电阻阻温温度度系系数数、热热膨膨胀胀系系数数、应应变变灵灵敏敏系系数数K都都相相同同，两片的初始电阻值也要求相同；两片的初始电阻值也要求相同； 此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件偿。缺点是三个条件不易满足，尤其是条件。在。在某些测试条件下，温度场梯度较大，某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和和R2很难处很难处于相同温度点。于相同温度点。 用用于于粘粘贴贴补补偿偿片片的的试试件件和和粘粘贴贴工工作作片片的的试试件件二者材料必须相同，即要求两者热膨胀系数相等；二者材料必须相同，即要求两者热膨胀系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。两应变片处于同一温度环境中。 （5） 零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变 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，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的零点漂移零点漂移。产产生生原原因因：敏敏感感栅栅通通电电后后的的温温度度效效应应；应应变变片片的的内内应应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。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变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。蠕变。一一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因：产生原因：由于胶层之间发生由于胶层之间发生“滑动滑动”，使力传到敏，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。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。在长时间测量中其意义更为突出。（）应变极限（）应变极限 应应变变片片的的线线性性特特性性，只只有有在在一一定定的的应应变变限限度度范范围围内内才才能能保保持持。当当试试件件输输入入的的真真实实应应变变越越过过某某一一限限值值时时，应应变变片片的的输输出出特特性性将将出出现现非非线线性性。在在恒恒温温条条件件下下，使使非线性达到非线性达到1010时的真实应变值，称为时的真实应变值，称为应变极限应变极限。 主要原因：主要原因：粘结剂和基底材料传递变形的性能及粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量引起。应变片的安装质量引起。制造与安装应变片时，基底制造与安装应变片时，基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。才能获得较高的应变极限。（）绝缘电阻（）绝缘电阻（RG）是指已粘贴的应变片的引线与试件之间的电阻值，是指已粘贴的应变片的引线与试件之间的电阻值，一般应在一般应在50100。 应变极限是用来应变极限是用来衡量衡量应变片的应变片的测量范围测量范围和和过载过载能力能力的指标。的指标。3.2.3 电阻应变式传感器的信号调理电路电阻应变式传感器的信号调理电路 为了能将电阻应变片的电阻变化转换为电压或为了能将电阻应变片的电阻变化转换为电压或电流变化输出，需要采用转换电路。在电阻应变片电流变化输出，需要采用转换电路。在电阻应变片式传感器中最常用的转换电路为桥式电路。式传感器中最常用的转换电路为桥式电路。 按供桥电源性质的不同，电桥可分为：交流电桥按供桥电源性质的不同，电桥可分为：交流电桥和直流电桥两类。最常用的是直流电桥。主要分析和直流电桥两类。最常用的是直流电桥。主要分析直流电桥。直流电桥。（1）直流电桥电路及工作原理）直流电桥电路及工作原理在桥路接成等臂电桥在桥路接成等臂电桥(R1=R2=R3=R4)时，输出电压时，输出电压 ，处，处于平衡状态。于平衡状态。 如果无论哪个桥臂受到外来信号的作用桥路将如果无论哪个桥臂受到外来信号的作用桥路将失去平衡，就会有信号输出。失去平衡，就会有信号输出。 它的四个桥臂由电阻它的四个桥臂由电阻R1R2R3R4组成；组成；ac端接直流电压端接直流电压U，bd端输出电压端输出电压 。U+-U+-输出电压为：输出电压为：由此式可知：要使由此式可知：要使 ，则必须，则必须 R1R3R2R4，在设计时，在设计时，为方便起见，一般采用为方便起见，一般采用R1=R2=R3=R4=R,因此电桥平衡得到保证。因此电桥平衡得到保证。 当电桥输出端接当电桥输出端接输入阻抗输入阻抗很高的指示仪表或放大器时，很高的指示仪表或放大器时，可认为电桥负载可认为电桥负载无穷大无穷大，电桥输出端相当于开路，只能输出，电桥输出端相当于开路，只能输出电压信号，称为输出电压。电压信号，称为输出电压。桥路的电流为：桥路的电流为：电桥平衡后，电桥任一臂上的电阻值发生变化都将使电桥失电桥平衡后，电桥任一臂上的电阻值发生变化都将使电桥失去平衡，而有输出电压。去平衡，而有输出电压。现以实际工作的三种情况分析：现以实际工作的三种情况分析：（3）全桥式（四臂工作）全桥式（四臂工作）R1为测量片，为测量片，R2为补偿片，为补偿片，R3、R4为固为固定电阻（定电阻（ ，即，即阻值阻值不随温度不随温度变化而变化），补偿片的作用是当环境变化而变化），补偿片的作用是当环境温度变化时补偿片同测量片阻值同比例温度变化时补偿片同测量片阻值同比例变化，使桥路输出不受影响。变化，使桥路输出不受影响。工作原理：无应变时，工作原理：无应变时， ，桥路输出电压为：，桥路输出电压为：有应变时有应变时由由 可得可得式中：式中：为敏感系数；为敏感系数；测量电路上感受的应变测量电路上感受的应变在电路中，在电路中，R1、R2均为相同均为相同应变测量片，又互为补偿片，应变测量片，又互为补偿片，有应变时，一片受拉，一片有应变时，一片受拉，一片受压，此时阻值为：受压，此时阻值为：按照上述方法可计算出输出电压为：按照上述方法可计算出输出电压为：变化量相同变化量相同 在电路中，在电路中，R1R2R3R4均为应变片，且互为补偿，均为应变片，且互为补偿，必须使相邻两个桥臂上的应变片一片受拉，一片受压，必须使相邻两个桥臂上的应变片一片受拉，一片受压，可计算出输出电压：可计算出输出电压：（3）全桥式（四臂工作）全桥式（四臂工作）3.2.4 3.2.4 应变式传感器应用应变式传感器应用 应应变变式式传传感感器器包包括括两两个个部部分分：一一是是弹弹性性敏敏感感元元件件，利利用用它它将将被被测测物物理理量量（如如力力、扭扭矩矩、加加速速度度、压压力力等等）转转换换为为弹弹性性体体的的应应变变值值；另另一一个个是是应应变片变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。作为转换元件将应变转换为电阻的变化。 应变式测力传感器应变式测力传感器-1-1 测测力力传传感感器器的的弹弹性性元元件件即即为为力力敏敏元元件件，它它将将被被测测力力大大小小的的变变化化转转换换成成应应变变量量的的变变化化。通通常常有有柱柱式式、悬悬臂梁式臂梁式和和环式环式。应变式测力传感器应变式测力传感器-2-2电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试 3.3 3.3 压阻式阻式传感器感器 是利用半是利用半导体的体的压阻效阻效应和微和微电子技子技术制成的，制成的，是一种新的物性型是一种新的物性型传感器。感器。优点：点：灵敏度高、尺寸小、横向效灵敏度高、尺寸小、横向效应小，滞后和蠕小，滞后和蠕变小、小、动态响响应好、易于微型化和集成化等。好、易于微型化和集成化等。 一、压阻式传感器的工作原理一、压阻式传感器的工作原理 压阻效应压阻效应 沿沿一一块块半半导导体体某某一一轴轴向向施施加加一一定定外外力力时时，除除了了产产生生一一定定应应变变外外，材材料料的的电电阻阻率率也也要要发发生生明明显显变变化化，而使阻值发生变化，这种现象被称为压阻效应。而使阻值发生变化，这种现象被称为压阻效应。电阻相对变化电阻相对变化 由由于于EE一一般般都都比比（1+21+2）大大几几十十倍倍甚甚至至上上百百倍倍，因因此此引引起起半半导导体体材材料料电电阻阻相相对对变变化化的的主主要要原原因因是是压压阻阻效应，所以上式可近似写成效应，所以上式可近似写成 式中式中压阻系数；压阻系数；E E弹性模量；弹性模量； 应力；应力； 应变；应变； k k0 0 半导体应变片灵敏系数。半导体应变片灵敏系数。 对对于于k0，不不同同类类型型的的半半导导体体，应应力力施施加加的的方方向向不不同同，压压阻阻效效应应也也不不同同。目目前前使使用用最最多多的的是是单单晶晶硅硅半半导体。导体。二、半导体应变片的结构与特性二、半导体应变片的结构与特性1、结构、结构120120140140100100808060604040202010101818101019191010202010102121表面杂质浓度表面杂质浓度N NS S /cm /cm-3-3P P型型Si(Si(4444) )N N型型Si(-Si(-1111) )1111或或 44 44 / / 1010-11-11m m2 2/N/NT T=24=24压阻系数与表面杂质浓度压阻系数与表面杂质浓度N NS S的关系的关系2 2、主要特性、主要特性 （1 1）杂质浓度）杂质浓度压阻系数特性压阻系数特性 扩扩散散杂杂质质浓浓度度N NS S增增加加时时，压压阻阻系系数数就就会会减减小小。压压阻系数与杂质浓度阻系数与杂质浓度N NS S的关系如下图。的关系如下图。（2 2）温度）温度压阻系数的特性压阻系数的特性 温度增加，压阻系数下降。温度增加，压阻系数下降。 但表面杂质浓度低时但表面杂质浓度低时, ,温度增加，压阻系数下降得快；温度增加，压阻系数下降得快；表面杂质浓度高时，温度增加，压阻系数下降得慢。表面杂质浓度高时，温度增加，压阻系数下降得慢。P P型型Si(Si(4444) )N N型型Si(-Si(-1111) ) 利利用用半半导导体体扩扩散散技技术术，将将P P型型杂杂质质（硼硼元元素素）扩扩散散到到一一片片N N型型硅硅底底层层上上，形形成成一一层层极极薄薄的的导导电电P P型型层层，装装上上引引线线接接点点后后，即即形形成成扩扩散散型型半半导导体体应应变变片片。若若在在圆圆形形硅硅膜膜片片上上扩扩散散出出四四个个P P型型电电阻阻构构成成惠惠斯斯通通电电桥桥的的四四个个臂臂，这这样样的的敏敏感感器器件件通通常常称称为固态压阻器件。为固态压阻器件。三、固态压阻器件结构三、固态压阻器件结构U USCSCR RR R+R RT T图图 恒流源供电恒流源供电A AC CD DB BR RR R+R RT TR R+R R+R RT TR R+R R+R RT TE EI I整理后得整理后得U USCSC=IR=IR因此，电桥的输出为因此，电桥的输出为即即RABC=RADC=2（R+RT）故有）故有 1、恒压源供电、恒压源供电 2、恒流源供电、恒流源供电 压阻器件一般采用压阻器件一般采用恒流源恒流源供电，供电，如图，假设电桥中两个支路的电阻如图，假设电桥中两个支路的电阻相等，相等，三、测量电路三、测量电路U USCSCR RR R+R RT T图图 恒流源供电恒流源供电A AC CD DB BR RR R+R RT TR R+R R+R RT TR R+R R+R RT TE EI I 可可见见，电电桥桥输输出出与与电电阻阻变变化化成成正正比比，与与恒恒流流源源电电流成正比。与温度无关，因此不受温度的影响。流成正比。与温度无关，因此不受温度的影响。U USCSC=IR=IR（1 1）零点温度补偿）零点温度补偿 零点温度漂移是由于四个扩散电阻的零点温度漂移是由于四个扩散电阻的阻值及其温度系数阻值及其温度系数不一致造成的。一般用串、并联电阻补偿不一致造成的。一般用串、并联电阻补偿( (如下图如下图) )，其中，其中，R RS S是串联电阻；是串联电阻；R RP P是并联电阻。是并联电阻。串联串联电阻主要起调零作用；电阻主要起调零作用；并并联联电阻主要起补偿作用。电阻主要起补偿作用。R2R3R1R4USC图图 温度漂移的补偿温度漂移的补偿RpBCDARSEDi 压阻器件本身要压阻器件本身要产生零点温度漂移产生零点温度漂移和和灵敏度温度漂移灵敏度温度漂移，因此必须采取温度补偿措施。因此必须采取温度补偿措施。四、温度补偿四、温度补偿R2R3R1R4USC图图 温度漂移的补偿温度漂移的补偿RpBCDARSEDi补偿原理补偿原理: : 串联电阻主要起调零作用。（解决四个电阻不一致）串联电阻主要起调零作用。（解决四个电阻不一致） 由于温度系数不一致导致由于温度系数不一致导致B B、D D两点电位不等，如当温度两点电位不等，如当温度升高时，由于升高时，由于R R2 2的增加较大，使的增加较大，使D D点电位低于点电位低于B B点，则形成点，则形成B B、D D两点有电位差，要消除此电位差，可以在两点有电位差，要消除此电位差，可以在R R2 2上并联一个温度上并联一个温度系数为负的电阻，用来约束系数为负的电阻，用来约束R2R2的变化，这样，当温度变化时，的变化，这样，当温度变化时，可减小可减小B B、D D点之间的电位差，以达到补偿的目的。点之间的电位差，以达到补偿的目的。（2 2）灵敏度温度补偿）灵敏度温度补偿 灵灵敏敏度度温温度度漂漂移移是是由由于于压压阻阻系系数数随随温温度度变变化化而而引引起起的的。温温度度升升高高时时，压压阻阻系系数数变变小小；温温度度降降低低时时，压压阻阻系系数变大，数变大，说明传感器的灵敏度系数为负值说明传感器的灵敏度系数为负值. .R2R3R1R4USC图图 温度漂移的补偿温度漂移的补偿RpBCDARSEDiR2R3R1R4USC图图 温度漂移的补偿温度漂移的补偿RpBCDARSEDi补偿原理补偿原理: : 当温度升高时，由于灵敏度降低，使输出也降低，这当温度升高时，由于灵敏度降低，使输出也降低，这时如果能提高电桥的电源电压，使电桥输出适当增大，便可时如果能提高电桥的电源电压，使电桥输出适当增大，便可达到补偿的目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使达到补偿的目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电桥电源降低，就能使电桥输出适当减小，同样可达到补偿电桥电源降低，就能使电桥输出适当减小，同样可达到补偿的目的。的目的。因为二极管的温度特性为负值因为二极管的温度特性为负值，温度每升高，温度每升高/ /降低降低11时，正向压降约减小时，正向压降约减小/ /增加增加1.9-2.4V1.9-2.4V。这样将适当数量的。这样将适当数量的二极管串联在电桥的电源回路中。便可达到补偿的目的。二极管串联在电桥的电源回路中。便可达到补偿的目的。