检测与转换技术 教学课件 作者 郑骊 主编 霍平 主审第4章 电阻式传感器.ppt

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1、第4章电阻式传感器4.1电阻应变式传感器4.2扩散型压阻式传感器4.3热电阻传感器4.4热敏电阻4.1电阻应变式传感器4.1.1电阻应变片的结构与工作原理1．电阻应变效应导体或半导体材料在受到外界力（拉力或压力）的作用时，会产生机械变形，同时机械变形会导致其阻值变化，这种因变形而使其电阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。导体或半导体材料的电阻当其受外力作用时，电阻率、L、A都会发生变化，从而引起R的变化。那么通过测量阻值的变化情况，就可反映出外界作用力的大小。2．电阻应变片的结构电阻应变片的种类繁多，形式多样，但其基本结构大体相同。现以电阻丝式应变片的结构为

2、例说明，如图4-1所示，图中电阻丝绕成S形状的敏感栅，敏感栅为应变片的敏感元件，由直径一般为0.01～0.05mm的电阻丝平行排列而成，作用是感受应变的变化或大小。敏感栅黏贴在基片（基底）上，基片具有固定敏感栅和绝缘作用，很薄，一般为0.03～0.06mm。敏感栅上面有覆盖层，而且敏感栅电阻丝两端接有引出线用以和外接导线相连。3．电阻应变片的工作原理取一段金属导体（丝）如图4-2所示，其电阻为拉而伸长时，则、L、r的变化d、dL、dr将会引起电阻dR的变化。对全微分，得出根据材料力学原理，在弹性限度范围内电阻丝轴向应变与径向应变存在如下关系式中，—为金属

3、材料的泊松系数，=0～0.5。负号表示二者变化方向相反。近一步的分析得出式中，E—为压阻效应项，随电阻率而变化。进一步得出式中，K—为电阻丝应变片的灵敏系数。（4-3）（4-4）4.1.2电阻应变片的种类根据制作材料的不同，电阻应变片通常分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类，金属电阻应变片就是利用金属电阻的应变效应原理制成的，而半导体应变片则是利用半导体材料的压阻效应原理制成。其中金属丝式应变片使用最早、最多，因其制作简单、性能稳定、价格低廉、易于粘贴而被广泛使用。应变式传感器是利用导体或半导体材料的应变效应制成的一种测量器件，用于测量微小的机械变化量。

4、机械应变一般都较小，在10-3～l0-6范围内，而常规的电阻应变片的灵敏度系数值很小（K≈2），所以其电阻变化范围小，约10-1～l0-4数量级，要把微小应变引起的微小电阻变化精确地测量出来，需要采用特别设计的测量电路。通常采用直流电桥或交流电桥，下面以直流电桥为例分析其工作原理及特性。4.1.3电阻应变片的测量电路1．直流电桥的平衡条件当负载电阻RL∞时（即相当于开路），电桥的输出电压为电桥平衡时U0=0，即电桥无输出电压，根据式（4-7）则有这就是电桥平衡的条件，即相邻两臂电阻的比值相等。2．电压灵敏度为了测量应变片的电阻微小变化，通常需加入放大器，放大

5、器的输入阻抗比电桥输出阻抗大得多，因此可将电桥仍视为开路状态。当电桥采用单臂（工作应变片为R1）工作时，在产生应变时，若应变片电阻变化为R1，其他桥臂电阻固定不变，则电桥不平衡，其输出电压为可将上式简化为定义电桥的电压灵敏度为电压灵敏度越大，说明应变片电阻相对变化相同的情况下，电桥输出电压越大，电桥越灵敏。这就是电压灵敏度的物理意义（1）电桥的电压灵敏度正比于电桥的供电电压，要提高电桥的灵敏度，必须提高电源电压，但要受到应变片允许的功耗限制。（2）电桥的电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选取n值有助于取得较高的灵敏度。电桥单臂工作时，只有当n=1（即R

6、1=R2=R3=R4）时，电桥的电压灵敏度KU最高。此时有由此可知，当电源的电压E和电阻相对变化量R1/R1不变时，电桥的输出电压及其灵敏度也不变，且与各桥臂电阻阻值大小无关。由上式可知3．非线性误差及其补偿在以上研究电桥工作状态时，都假定应变片参数变化很小，因此在分析电桥输出电流或电压与各参数关系时，都忽略了分母中的R，最后得到的输出特性UO=f（）都是线性关系。但是一般情况下，若应变片承受的应变较大时，分母中的R就不能忽略，此时得到的输出特性是非线性的。实际的非线性特性曲线与理想的线性特性曲线的偏差称之为绝对非线性误差。下面计算非线性误差大小，设理

7、想情况下电桥输出电压为实际情况下电桥输出电压为则非线性误差为如果是四等臂电桥，即n=1，则非线性误差为因此，减小或消除非线性误差的方法是1）提高桥臂比由式（4-13）可知，提高桥臂比，非线性误差将减小。但根据式（4-11）可知，电桥的电压灵敏度将降低，为了保持灵敏度不降低，必须相应地提高供电电压。2）采用差动电桥采用差动电桥可以减小或消除非线性误差，差动电桥分半桥差动和全桥差动两种情形。（1）半桥差动如图4-6（a）所示，只有两个相对桥臂接入电阻应变片。该电桥的输出电压为如果R1=R2，R1=R2=R3=R4，则得到可见，UO与R1呈线性关系，即半桥差动电

8、路无非线性误差，且电桥电压灵敏度比单臂