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1、传感器第二章电阻式传感器原理与应用第1页，此课件共74页哦2.1应变式传感器2.1.1 工作原理工作原理2.1.2 金属应变片的主要特性2.1.3 测量电路2.1.4 应变式传感器应用第2页，此课件共74页哦2.1.1工作原理1.金属的电阻应变效应电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化F l、A、R第3页，此课件共74页哦电阻的灵敏系数 对于半径为r的圆导体，A=r2，A/A=2r/r，又由材料力学可知，在弹性范围内，为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量；为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5；为压阻系数，与材质有关；为应力值；E为材料的弹性模量
2、；第4页，此课件共74页哦金属电阻的灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率随应变引起的（压阻效应）金属材料：k0以前者为主，则k01+2=1.73.6半 导 体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定第5页，此课件共74页哦2.应变片的基本结构与种类 敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝丝绕式 基 底 绝缘 覆盖层 保护位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏感元件 应变 外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化 应变片第6页，此课件共74页哦应变片的类型和材料金属丝式 金属箔式 金属薄膜式 回线式短接式 第7页，此课件共74页哦金属丝式应变片 金属电阻丝
3、应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线 第8页，此课件共74页哦金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略 应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对应变片电阻的相对变化与应变片纵向应变成正比，并且对同一电阻材料，同一电阻材料，K0=1+2是常数。其灵敏度系数多在是常数。其灵敏度系数多在1.73.6之之间。间。第9页，此课件共74页哦金属箔式应变片在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm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 箔式应变片 第10页，此课件共74页哦优点
4、：（1）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 （3）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。（4）横向效应可以忽略。（5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。缺点：电阻值的分散性大 阻值调整 第11页，此课件共74页哦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，易实现工业化生产问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系 第12页，此课件共74页哦2.1应变式传感器2.1.1 工作原理2
5、.1.2 金属应变片的主要特性2.1.3 测量电路2.1.4 应变式传感器应用第13页，此课件共74页哦2.1.2金属应变片的主要特性 （一）灵敏系数（二）横向效应（三）温度误差及其补偿第14页，此课件共74页哦应变片的电阻值R应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值 电阻系列：60、120、200、350、500、1000 第15页，此课件共74页哦（一）灵敏系数“标称灵敏系数”：受轴向单向力（拉或压），试件材料为泊松系数=0.285的钢等。一批产品中只能抽样5的产品来测定，取平均值及允许公差值。电阻应变片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0 粘结层传递变形失真还存在有横向效应
6、原因：第16页，此课件共74页哦（二）横向效应敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成直线段：沿轴向拉应变x，电阻圆弧段：沿轴向压应度y 电阻 K (箔式应变片)l lyxy第17页，此课件共74页哦横向效应 应应变变片片的的横横栅栅部部分分将将纵纵向向丝丝栅栅部部分分的的电电阻阻变变化化抵抵消消了了一一部部分分，从从而而降降低低了了整整个个电电阻阻应应变变片片的的灵灵敏敏度度，带带来来测测量量误误差差，其其大大小小与与敏敏感感栅栅的的构构造造及及尺尺寸寸有有关关。敏敏感感栅栅的的纵纵栅栅愈愈窄窄、愈愈长长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。第18页，此课
7、件共74页哦（三）温度误差及其补偿1、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化。第19页，此课件共74页哦（三）温度误差及其补偿2、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化T 时，敏感栅材料电阻温度系数为 ，则引起的电阻相对变化为:其中其中第20页，此课件共74页哦相应的虚假应变输出为：可得由于温度变化而引起的总电阻变化为：第21页，此课件共74页哦温度补偿 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿 第22页，此课件共74页哦 电桥补偿法电桥补偿法 U0R
8、1R4R3URbFFR1Rb第23页，此课件共74页哦电桥补偿法优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好缺点：在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，因而影响补偿效果。第24页，此课件共74页哦应变片的自补偿法粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片，当温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消，这种应变片称为温度自补偿应变片。利用这种应变片来实现温度补偿的方法称为应变片自补偿法。a.选择式自补偿应变片b.双金属敏感栅自补偿应变片 第25页，此课件共74页哦a.选择式自补偿应变片优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。由式由式(2.1.16
9、)可知，实现温度补偿的条件为可知，实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立使下式成立 (2.1.21)即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。第26页，此课件共74页哦R1R2组合自补偿法b.双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成 选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足 通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度 第27页，此课件共74页哦热敏电阻补偿T KRtUiR1RR4R3U0
10、R2RtR5 分流电阻分流电阻 UURt U=Ui-URtK第28页，此课件共74页哦2.1应变式传感器2.1.1 工作原理2.1.2 金属应变片的主要特性2.1.3 测量电路测量电路2.1.4 应变式传感器应用第29页，此课件共74页哦2.1.3电阻应变片的测量电路1 1 直流电桥直流电桥2 2 非线性误差及其补偿非线性误差及其补偿 第30页，此课件共74页哦1.直流电桥 直流电桥的工作原理 时电桥平衡平衡条件:R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R1+R1R2R4R3UILRL第31页，此课件共74页哦不平衡直流电桥的工作原理及灵敏度 当电桥后面接放大器时,电桥输出端看成开路.电桥
11、的输出式为：应变片工作时，其电阻变化应变片工作时，其电阻变化R 第32页，此课件共74页哦采用等臂电桥，即采用等臂电桥，即R1=R2=R3=R4=R。此时式。此时式(2.1.24)可写为可写为当当Ri R (i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量，则时，略去上式中的高阶微量，则 第33页，此课件共74页哦上式表明：Ri(1+)，故(1+)项可以忽略 半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率的变化是由应变引起的。半导体单晶的应变灵敏系数可表示 半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小第60页，此课件共74页哦2.2压阻式传感器2.2.1 半导体的压阻效应
12、2.2.2 体型半导体应变片体型半导体应变片2.2.3 扩散型压阻式压力传感器2.2.4 压阻式加速度传感器2.2.5 测量桥路及温度补偿第61页，此课件共74页哦2.2.2体型半导体电阻应变片 结构型式及特点 测量电路 第62页，此课件共74页哦1.结构型式及特点主要优点主要优点 灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多 第63页，此课件共74页哦2.测量电路恒压源恒压源恒流源恒流源电桥输出电压与R/R成正比，输出电压受环境温度的影响。电桥输出电压与R成正比，环境温度的变化对其没有影响。第64页，此课件共74页哦2.2压阻式
13、传感器2.2.1 半导体的压阻效应2.2.2 体型半导体应变片2.2.3 扩散型压阻式压力传感器扩散型压阻式压力传感器2.2.4 压阻式加速度传感器2.2.5 测量桥路及温度补偿第65页，此课件共74页哦2.2.3扩散型压阻式压力传感器压阻式压力传感器结构简图1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 第66页，此课件共74页哦工作原理：工作原理：膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力。四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。四个电阻的配置位置四个电阻
14、的配置位置：按膜片上径向应力r和切向应力t的分布情况确定。设计时，适当安排电阻的位置，可以组成差动电桥。第67页，此课件共74页哦扩散型压阻式压力传感器特点优点优点:体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。第68页，此课件共74页哦2.2压阻式传感器2.2.1 半导体的压阻效应2.2.2 体型半导体应变片2.2.3 扩散型压阻式压力传感器2.2.4 压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器2.2.5 测量桥路及温度补偿第69页
15、，此课件共74页哦2.2.4压阻式加速度传感器 它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散在其根部两面。扩散电阻质量块基座应变梁a第70页，此课件共74页哦2.2压阻式传感器2.2.1 半导体的压阻效应2.2.2 体型半导体应变片2.2.3 扩散型压阻式压力传感器2.2.4 压阻式加速度传感器2.2.5 测量桥路及温度补偿测量桥路及温度补偿第71页，此课件共74页哦2.2.5测量桥路及温度补偿由于制造、温度影响等原因，电桥存在失调、零位温漂、灵敏度温度系数和非线性等问题，影响传感器的准确性。减少与补偿误差措施1.恒流源供电电桥 2.零点温度补偿 3.灵敏度温度补偿第72页，此课件共74页哦1.恒流源供电电桥恒流源供电的全桥差动电路 假设RT为温度引起的电阻变化 电桥的输出为 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。第73页，此课件共74页哦2.温度漂移及其补偿UR1R2R4R3U0RsRpVD温度变化而变化，将引起零漂零漂和灵敏度漂移灵敏度漂移 零 漂 扩散电阻值随温度变化灵敏度漂移 压阻系数随温度变化零 位 温 漂 串、并联电阻灵敏度温漂 串联二极管串联电阻Rs起调零作用并联电阻RP起补偿作用 End the 2.2第74页，此课件共74页哦