傳感器第二章電阻式傳感器原理與應(yīng)用第1頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1應(yīng)變式傳感器2.1.1工作原理2.1.2金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3測量電路2.1.4應(yīng)變式傳感器應(yīng)用第2頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.1工作原理1.金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)：當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時 其電阻值將發(fā)生變化F

Δl、ΔA、ΔρΔR第3頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月電阻的靈敏系數(shù)對于半徑為r的圓導(dǎo)體，A=πr2，ΔA/A=2Δr/r，又由材料力學(xué)可知，在彈性范圍內(nèi)，

ε為導(dǎo)體的縱向應(yīng)變，其數(shù)值一般很小，常以微應(yīng)變度量；μ為電阻絲材料的泊松比，一般金屬μ=0.3~0.5；λ為壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)；σ為應(yīng)力值；E為材料的彈性模量；第4頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬電阻的靈敏系數(shù)材料的幾何尺寸變化引起的材料的電阻率ρ隨應(yīng)變引起的（壓阻效應(yīng)）金屬材料：k0以前者為主，則k0≈1+2μ=1.7~3.6半導(dǎo)體：k0值主要是由電阻率相對變化所決定第5頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)與種類敏感柵直徑為0.025mm左右的合金電阻絲絲繞式基底絕緣覆蓋層保護(hù)位移、力、力矩、加速度、壓力彈性敏感元件

應(yīng)變外力作用被測對象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形應(yīng)變片敏感柵隨同變形電阻值發(fā)生相應(yīng)變化應(yīng)變片第6頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變片的類型和材料金屬絲式

金屬箔式

金屬薄膜式

回線式短接式第7頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬絲式應(yīng)變片

金屬電阻絲應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線第8頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略應(yīng)變片電阻的相對變化與應(yīng)變片縱向應(yīng)變成正比，并且對同一電阻材料，

K0=1+2μ是常數(shù)。其靈敏度系數(shù)多在1.7～3.6之間。第9頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬箔式應(yīng)變片在絕緣基底上，將厚度為0.003～0.01mm電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕的方法，制成適用于各種需要的形狀箔式應(yīng)變片第10頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月優(yōu)點：（1）尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測量要求，

（2）可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵（3）與被測試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許電流大，靈敏度提高。（4）橫向效應(yīng)可以忽略。（5）蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長。

缺點：電阻值的分散性大阻值調(diào)整第11頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬薄膜應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層，易實現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)優(yōu)點：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)問題：難控制電阻與溫度和時間的變化關(guān)系第12頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1應(yīng)變式傳感器2.1.1工作原理2.1.2金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3測量電路2.1.4應(yīng)變式傳感器應(yīng)用第13頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.2金屬應(yīng)變片的主要特性

（一）靈敏系數(shù)（二）橫向效應(yīng)（三）溫度誤差及其補償?shù)?4頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月應(yīng)變片的電阻值R應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力情況下，于室溫下測得的電阻值電阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω

第15頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月（一）靈敏系數(shù)“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”：受軸向單向力（拉或壓），試件材料為泊松系數(shù)μ=0.285的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣5％的產(chǎn)品來測定，取平均值及允許公差值。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k<電阻絲的靈敏系數(shù)k0

粘結(jié)層傳遞變形失真還存在有橫向效應(yīng)原因：第16頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月

（二）橫向效應(yīng)敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成直線段：沿軸向拉應(yīng)變εx，電阻圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度εy

電阻K(箔式應(yīng)變片)lεyεxεy第17頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月橫向效應(yīng)

應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了一部分，從而降低了整個電阻應(yīng)變片的靈敏度，帶來測量誤差，其大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小。第18頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）溫度誤差及其補償1、試件材料的線膨脹引起的誤差。當(dāng)溫度變化△t時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加拉長（或壓縮），引起的電阻相對變化。第19頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月（三）溫度誤差及其補償2、敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差。當(dāng)環(huán)境溫度變化△T時，敏感柵材料電阻溫度系數(shù)為，則引起的電阻相對變化為:其中第20頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月相應(yīng)的虛假應(yīng)變輸出為：可得由于溫度變化而引起的總電阻變化為：第21頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月溫度補償

單絲自補償法自補償法組合式自補償法線路補償法〔電橋補償法、熱敏電阻〕溫度補償?shù)?2頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月①電橋補償法U0R1R4R3URbFFR1Rb第23頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月電橋補償法優(yōu)點： 簡單、方便，在常溫下補償效果較好缺點： 在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補償片處于溫度完全一致的情況，因而影響補償效果。第24頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月②應(yīng)變片的自補償法粘貼在被測部位上的是一種特殊應(yīng)變片，當(dāng)溫度變化時，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒@種應(yīng)變片稱為溫度自補償應(yīng)變片。利用這種應(yīng)變片來實現(xiàn)溫度補償?shù)姆椒ǚQ為應(yīng)變片自補償法。a.選擇式自補償應(yīng)變片b.雙金屬敏感柵自補償應(yīng)變片第25頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月a.選擇式自補償應(yīng)變片優(yōu)點：容易加工，成本低，缺點：只適用特定試件材料，溫度補償范圍也較窄。由式(2.1.16)可知，實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件為當(dāng)被測試件的線膨脹系數(shù)βg已知時，通過選擇敏感柵材料，使下式成立

(2.1.21)

即可達(dá)到溫度自補償?shù)哪康摹５?6頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月R1R2組合自補償法b.雙金屬敏感柵自補償應(yīng)變片敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù)調(diào)整R1和R2的比例，使溫度變化時產(chǎn)生的電阻變化滿足通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應(yīng)變片的溫度自補償，可達(dá)±0.45μm/℃的高精度第27頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月③熱敏電阻補償TKRtUiR1＋⊿RR4R3U0R2RtR5分流電阻UURtU=Ui-URtK第28頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1應(yīng)變式傳感器2.1.1工作原理2.1.2金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3測量電路2.1.4應(yīng)變式傳感器應(yīng)用第29頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3電阻應(yīng)變片的測量電路1直流電橋2非線性誤差及其補償?shù)?0頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1.直流電橋直流電橋的工作原理時電橋平衡平衡條件:R1R4=R2R3

R1/R2=R3/R4

R1+⊿R1R2R4R3UILRL第31頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月不平衡直流電橋的工作原理及靈敏度

當(dāng)電橋后面接放大器時,電橋輸出端看成開路.電橋的輸出式為：應(yīng)變片工作時，其電阻變化ΔR

第32頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月采用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R

。此時式(2.1.24)可寫為當(dāng)ΔRi<<R(i=1,2,3,4)時，略去上式中的高階微量，則第33頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月上式表明：①

ΔRi<<R時，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。②若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，即同為拉應(yīng)變或壓應(yīng)變時，輸出電壓為兩者之差；若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性不同，則輸出電壓為兩者之和。③若相對兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和；反之則為兩者之差。④電橋供電電壓U越高，輸出電壓U0越大。但是，當(dāng)U大時，電阻應(yīng)變片通過的電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的最大工作電流，傳感器就會出現(xiàn)蠕變和零漂。⑤增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K，可提高電橋的輸出電壓。第34頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.3電阻應(yīng)變片的測量電路1直流電橋2非線性誤差及其補償

第35頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月單臂電橋，即R1橋臂變化ΔR，理想的線性關(guān)系實際輸出電壓電橋的相對非線性誤差為2.非線性誤差及其補償?shù)?6頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月減小非線性誤差采用的措施為：（1）采用半橋差動電橋R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2第37頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR

嚴(yán)格的線性關(guān)系電橋靈敏度比單臂時提高一倍溫度補償作用第38頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月輸出電壓為：U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R3全橋差動電路第39頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1應(yīng)變式傳感器2.1.1工作原理2.1.2金屬應(yīng)變片的主要特性2.1.3測量電路2.1.4應(yīng)變式傳感器應(yīng)用第40頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器應(yīng)變式加速度傳感器第41頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月柱式力傳感器1

應(yīng)變式力傳感器（a）實心圓柱；（b）空心圓筒；第42頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF第43頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月(2)梁式力傳感器等截面梁結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高適合于測5000N以下的載荷b0R1R2l0lFbh①等截面懸臂梁第44頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月b0R1R2XlFbh②等強度懸臂梁第45頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月③雙端固定梁第46頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月⑶薄壁圓環(huán)式力傳感器在外力作用下，各點的應(yīng)力差別較大第47頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器應(yīng)變式加速度傳感器第48頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.應(yīng)變式壓力傳感器εtεrR4R3R1R2

UU0膜片PεrεtR1R2R3R4εrεt膜片式壓力傳感器第49頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月筒式壓力傳感器機(jī)床液壓系統(tǒng)的壓力（106～107Pa），槍炮的膛內(nèi)壓力（108Pa），動態(tài)特性和靈敏度主要由材料的E值和尺寸決定第50頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月組合式壓力傳感器應(yīng)變片不直接粘貼在壓力感受元件上壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等通常用于測量小壓力。其缺點是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程。第51頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器應(yīng)變式加速度傳感器第52頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月3.容器內(nèi)液體重量（液位）傳感器第53頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月液位傳感器式中A1

、A2——傳感器的傳輸系數(shù)；

g——重力加速度(m/s2)；

ρ——被測溶液的密度(Kg/m3)。溶液重量式中Q——容器內(nèi)感壓膜上面溶液的重量(N)；D——柱形容器的截面積(m2)。第54頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.1.4電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式液體重量（或液位）傳感器應(yīng)變式加速度傳感器第55頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月4.應(yīng)變式加速度傳感器在低頻（10~60Hz）振動測量中得到廣泛的應(yīng)用,但不適用于頻率較高的振動和沖擊。

應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖1—等強度梁2—質(zhì)量塊3—殼體4—電阻應(yīng)變片Endthe2.1第56頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2壓阻式傳感器2.2.1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2.2.2體型半導(dǎo)體應(yīng)變片2.2.3擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器2.2.4壓阻式加速度傳感器2.2.5測量橋路及溫度補償?shù)?7頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)

固體受到作用力后，電阻率就要發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為壓阻效應(yīng)

半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強。

壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(yīng)高，體積小。它主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。因為半導(dǎo)體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補償。第58頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月壓阻效應(yīng)

金屬材料半導(dǎo)體材料半導(dǎo)體電阻率πl(wèi)為半導(dǎo)體材料的壓阻系數(shù)，它與半導(dǎo)體材料種類及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)。第59頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月對半導(dǎo)體材料而言，πl(wèi)E>>(1+μ)，故(1+μ)項可以忽略半導(dǎo)體材料的電阻值變化，主要是由電阻率變化引起的，而電阻率ρ的變化是由應(yīng)變引起的。半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù)可表示

半導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小第60頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2壓阻式傳感器2.2.1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2.2.2體型半導(dǎo)體應(yīng)變片2.2.3擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器2.2.4壓阻式加速度傳感器2.2.5測量橋路及溫度補償?shù)?1頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.2體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片

結(jié)構(gòu)型式及特點測量電路第62頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月1.結(jié)構(gòu)型式及特點主要優(yōu)點靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多第63頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.測量電路恒壓源恒流源電橋輸出電壓與ΔR/R成正比，輸出電壓受環(huán)境溫度的影響。電橋輸出電壓與ΔR成正比，環(huán)境溫度的變化對其沒有影響。第64頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2壓阻式傳感器2.2.1半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)2.2.2體型半導(dǎo)體應(yīng)變片2.2.3擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器2.2.4壓阻式加速度傳感器2.2.5測量橋路及溫度補償?shù)?5頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月2.2.3擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖1—低壓腔2—高壓腔3—硅杯4—引線5—硅膜片采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜第66頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月工作原理：膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應(yīng)力。四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。

四個電阻的配置位置：按膜片上徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt的分布情況確定。設(shè)計時，適當(dāng)安排電阻的位置，可以組成差動電橋。第67頁，課件共74頁，創(chuàng)作于2023年2月擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器特點優(yōu)點:體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。測量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進(jìn)行補償。