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1、传感器与检测技术,朱启兵,传感器与检测技术,第3章电阻式传感器,一、概述二、电阻应变计的基本原理与结构三、电阻应变计的主要特性四、电阻应变计测量电路五、电阻应变计的温度效应及热补偿六、电阻应变计式传感器七、压阻式传感器,第3章电阻式传感器,一、概述,电阻式传感器就是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻值的变化，进而通过电路变成电压或电流信号输出的一类传感器。,按转化机理的不同,位移 电位器式应变 电阻应变计式压力 压阻式光 光电阻式热 热电阻式,第3章电阻式传感器,二、电阻应变计的基本原理与结构,(1)基本原理,应变效应 当金属在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象
2、称为金属的电阻应变效应。,体积不变原理,第3章电阻式传感器,二、电阻应变计的基本原理与结构,物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。K0称为金属丝的应变灵敏系数。前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6；后一部分为，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以前者为主，则K0 1+2；对半导体，K0值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，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KS在1.83.6范围内。,第3章电阻式传感器,二、电阻应变计的基本原理与结构,(2)结构,敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂,（1）敏感栅，传
3、感元件，通常为60、120、200等多种规格。测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。,丝式、箔式（光刻、腐蚀等工艺）和薄膜式（真空蒸镀或溅射式阴极扩散）,（2）基底 固定形状、尺寸和位置作用,（3）盖片 保护作用（4）引线 连接过渡作用（5）粘接剂 连接固定作用,使用时，注意材料的选择和粘接焊接工艺,三、电阻应变计的主要特性,第3章电阻式传感器,（1）电阻应变计灵敏度系数K用实验方法对应变片的电阻应变特性测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即试验（标定）条件：试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，试件材料的泊松比为0.28
4、5的钢材。应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数K0。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。,第3章电阻式传感器,（2）横向效应,金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,第3章电阻式传感器,（2）横向效应,纵栅变形量,单位半圆弧横栅变形量,总半圆弧横栅变形量,纵栅和横栅总变形量,电阻变化率,横向效应系数,第3章电阻式传感器,（3）机械滞后,原因：残余变形,应变片粘贴在被测试件上，
5、当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后.,机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。,第2章电阻式传感器,（4）零点漂移和蠕变,对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；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变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因：由于胶层之间发生“滑动
6、”，使力传到敏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，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。,第3章电阻式传感器,（5）应变极限,在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。影响因素同蠕变。,（6）动态特性,机械应变波-纵波,设一频率为 f 的正弦应变波在构件中以速度 v 沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时 t，应变量沿构件分布如图所示。,第3章电阻式传感器,四、电阻应变计测量电路,实现途径：电桥,（1）直流电桥 使用场合：无需中间放大,电桥平衡条件：R1R3=R2R4,当R1=
7、R2=R3=R4=R,RR,静态灵敏度,线性度,第3章电阻式传感器,线性度补偿,例：设K=2，要求非线性误差1%，试求允许测量的最大应变值max。,差动电桥补偿,条件：相邻桥臂；变化方向相反,恒流源补偿,第3章电阻式传感器,五、电阻应变计的温度效应及补偿,（1）温度误差,由于环境温度变化引起的电阻变化称为应变片的温度误差，又称热输出,应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,影响因素：,计算公式：,K应变片灵敏系数,第3章电阻式传感器,（2）温度补偿,单丝自补偿应变片,在选择应变片时，若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成，并使其电阻温度系数 和线膨胀系数
8、 满足下式的条件，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补偿应变片。,优点：结构简单，制造和使用都比较方便；缺点：对试件的线膨胀系数有要求。,双丝组合式自补偿应变片正负两种电阻温度系数的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿。,缺点：对试件的线膨胀系数有要求。,第3章电阻式传感器,（2）温度补偿,电路补偿法,需满足三个条件R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；两应变片处于同一温度环境中。,零漂
9、 完全补偿灵敏度漂移 部分补偿,第3章电阻式传感器,（2）温度补偿,电路补偿法,构件受弯曲应力,构件受单向应力,第3章电阻式传感器,（2）温度补偿,热敏电阻补偿法,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Rt的阻值下降，使电桥的输入电压温度升高而增加，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。,第3章电阻式传感器,六、电阻应变计式传感器,金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量。应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测
10、物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。,柱力式传感器梁力式传感器应变式压力传感器应变式加速度传感器,第2章电阻式传感器,1、柱力式传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。,在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为：,1沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。,当=0时,当=90时,E：弹性元件的杨氏模量,第3章电阻式传感器,2、梁力式传感器 等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬
11、臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。,力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。横截面梁双空梁S形弹性元件,第3章电阻式传感器,3、应变式压力传感器 测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。,圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或与传感器外壳作成一体，如图(b)。,第3章电阻式传感器,4、应变式加速度传感器由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外
12、壳等组成。是一种惯性式传感器。测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向,悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。,第3章电阻式传感器,七、压阻式传感器,是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等，缺点：温度影响大，需要温度补偿。,工作原理：压阻效应单晶硅、锗等半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。,压阻系数 E弹性
13、模量应力；应变。,半导体材料：,掺杂的杂质浓度、温度、材料类型、晶向有关,第2章电阻式传感器,：纵向应力：横向应力：纵向压阻系数:横向压阻系数,任意方向（P方向）电阻变化,同一种半导体材料，如果在不同的晶向切割制作电阻，其纵向和横向压阻系数不同。,第3章电阻式传感器,七、压阻式传感器,粘贴型压阻传感器：半导体应变片固态压阻传感器（扩散型压阻传感器）：应变电阻与硅基片一体化,第3章电阻式传感器,（2）影响压阻系数的因素,1、压阻系数与杂质浓度的关系,扩散杂质浓度增加，压阻系数都要减小,P型Si（44),N型Si（11),解释：,Ns杂质原子数多载流子多 n,杂质浓度Ns n/,第3章电阻式传感器
14、,2、压阻系数与温度的关系,表面杂质浓度低时，温度增加压阻系数下降快表面杂质浓度高时，温度增加压阻系数下降慢,Ns小,Ns大,第3章电阻式传感器,2、压阻系数与温度的关系,解释：,T载流子获得的动能/Ns大，变化较小 变化小Ns小，变化大 变化大,n,第3章电阻式传感器,载流子浓度的影响,Ns大：受温度影响小44灵敏度低高浓度扩散，使p-n结击穿电压绝缘电阻漏电漂移性能不稳定,（3）固态压阻器件利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯登电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为
15、固态压阻器件，如图所示。,1 N-Si膜片 2 P-Si导电层 粘贴剂 硅底座 引压管 Si 保护膜 7 引线,第3章电阻式传感器,当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图(a)所示，其阻值的相对变化为 式中 l纵向应力；t横向应力；l纵向压阻系数；t横向压阻系数。,力敏电阻受力情况示意图,第3章电阻式传感器,第3章电阻式传感器,三、压阻式传感器的输出,1、恒压源供电扩散电阻起始阻值都为R，当有应力作用时，两个电阻阻值增加，两个减小；温度变化引起的阻值变化为Rt：,第3章电阻式传感器,电桥输出为：,Rt0时，Usc=f(t)是非线性关系，恒压源供电不能消除温度影响。,第3章电阻式传感器
16、,2、恒流源供电,第2章电阻式传感器,输出与I有关输出与温度无关，不受温度影响精度要求不高时用恒压源供电,注意：（1）R的变化仍然受到温度变化的影响（2）四个桥臂的电阻和电阻温度系数要相等。,第3章电阻式传感器,温度漂移的补偿,一、零位温度漂移,原因：四个扩散电阻的阻值及其温度系数不一致造成的。解决办法：一般用串、并联电阻法补偿，串联电阻主要起调零作用；并联电阻主要起补偿作用。,由于零点漂移，导致B、D两点电位不等，譬如，当温度升高时，R2的增加比较大，使D点电位低于B点，B、D两点的电位差即为零位漂移。要消除B、D两点的电位差，最简单的办法是在R2上并联一个温度系数为负、阻值较大的电阻RP，用来约束R2的变化。这样，当温度变化时，可减小B、D点之间的电位差，以达到补偿的目的。,灵敏度温度补偿,第3章电阻式传感器,漂移的原因：压阻系数随温度变化引起,温度灵敏度系数为负值。,补偿方法：改变电流电压的方法,灵敏度温度补偿,第3章电阻式传感器,补偿方法：改变电流电压的方法,温度升高时，因为灵敏度降低，这时如果提高电桥的电源电压，使电桥的输出适当增大，便可以达到补偿的目的。反之，温度降低时，灵敏度升高，如果使电源电压降低，电桥的输出适当减小，同样可达到补偿的目的。,灵敏度温度补偿,第3章电阻式传感器,灵敏度温度补偿,第3章电阻式传感器,串联正向二极管：二极管温度特性：T正向压降,
