2、电阻式传感器原理与应用

dA 2 dr Ar
x

dL L

y

dr r
r为金属丝半径
εx为金属丝轴向应变
εy为金属丝横向应变
➢ 轴向应变εx的数值一般很小， 常以微应变度量；
➢ μ为电阻丝材料的泊松比，一 般金属μ=0.3-0.5；
对金属材料，电阻率几乎不变：
λ为压阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；
由于空腔内传压介质的高度比被测溶 液的高度高，因而腰形筒微压传感器处 于负压状态。
为了提高测量的灵敏度，安装了两只 性能完全相同的微压传感器。
液位传感器： 当容器中液体多时，感压膜感受的压力大，将两只微压
传感器的电桥接成正向串联的形式，则输出电压为：
U0 U1 U2 (A1 A2 ) g h
料常用康铜和镍铬合金等。 目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。
半导体应变片：分为体型和扩散型两种。
由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此 它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类 型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上 施加力时，其电阻的变化方式不同)。
半导体应变片的特性（与金属应变片相比较)：
✓灵敏系数S：表示应变片变换性能的重要参数。
✓绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。 一般大于1010Ω。
✓其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、 滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度 等）。
3.2 测量电路及温度补偿 电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路
将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测 量的测量。
定义：电阻丝的灵敏度系数S0——表示单位应 变所引起的电阻相对变化。
电阻应变片灵敏度系数S称为“标称灵敏度系 数”，由实验测定。
分析：
应变片的纵向形变与测量的形变方向一致；
但圆弧部分产生了一个负的电阻变化→降低了 应变片的灵敏度系数;
必须采取措施减小横向效应的影响（改进结构 等）。
2、电阻应变片的种类及材料
1）测量电桥 电桥按其电源性质的不同可 以分为直流电桥和交流电桥。 直流电桥只能测量电阻，而 交流电桥可用于测量电阻、 电感和电容的变化。
������ 直流电桥的工作原理
实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了 得到电桥的最大灵敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0,即为 等臂电桥.
直流电桥的联接方式:
1 K1( g 1)
通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的 组合自补偿法 温度自补偿，可达±0.145*10-6ε/℃的高
精度
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③热敏电阻补偿
R5 分流电阻
R1＋⊿R
R2 Rt
U
Ui
R3
R4
U0
TK Rt URt U = Ui - URt
K
3、应变片的布置和接桥方式 利用适当的布片和组桥方式消除温度变化
BK－4轮辐式传感器系列
采用轮辐式结构，高度低，抗偏 抗侧能力强，测量精度高，性能稳定 可靠安装方便，是大、中量程精度传 感器中的最佳形式，广泛用于各种电 子衡器和各种力值测量，如汽车衡、 轨道衡、吊勾秤、料斗秤
技术参数 量程（t） ：1，2，5，10，20，30，50 ；供桥电压： 12VDC 灵敏度： 1．5-2mV/V ； 输入阻抗： 730±20Ω 非线性（%FS）： 0.03, 0.05, 0.1； 输出阻抗： 700±10Ω 重复性（%FS）： 0.03, 0.05, 0.1 ；绝缘电阻：≥2000MΩ 滞后（%FS）： 0.03, 0.05, 0.1 ；工作温度： -10~+50℃ 允许过负荷：120%FS； 热零点偏移：（%FS/10℃）
➢ 电阻应变片的种类 常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。
丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。 将一根高电阻率金属丝（φ0.025mm左右）绕 成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并 引出导线构成。
丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、 易粘贴。分为丝绕式和短接式两种。
丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应 较大；
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
R1 R2
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
(R1)t (R2 )t
R1 R2t / R2 2 K2 ( g 2 )
R2
R1t / R1
按照其工作原理可分为：变阻器(电位器) 式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻 式、气敏电阻式、磁敏电阻式等
电阻应变式传感器是基于测量物体受力 变形所产生应变的一种传感器，最常用的 传感元件为电阻应变片。
应用范围：用于位移、加速度、力、压力、 力矩等各种参数测量。 电阻应变式传感器特点： ①精度高，测量范围广； ②使用寿命长，性能稳定可靠； ③结构简单，体积小，重量轻； ④频率响应较好，既可用于静态测量又可用 于动态测量； ⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使 用。
➢优点：
灵敏度高； 机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高； 易于集成化.
➢缺点：
温度稳定性能差； 灵敏度分散度大； 较大应力作用下，非线性误差大； 机械强度低.
薄膜应变片：采用真空沉积或高频溅射等方 法，在绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下的 金属电阻材料薄膜的敏感栅——厚度大约为 箔式应变片的十分之一以下。
和复合载荷作用的影响，获得最大的输出 灵敏度。 1）应变片应布置在弹性元件产生应变最大 的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的 应变尽量与外载荷呈线性关系（避开非线 性区），同时应注意使该处不受非待测载 荷的干扰影响。 2）根据电桥的和差特性，选择适当的接桥 方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又 能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。
优点： 应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易 做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现 象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化 学气相淀积法制备薄膜，具有成膜温度低、 可靠性好、系统简单等优点。
薄膜应变片是今后的发展趋势
3、电阻应变片的性能参数
✓电阻值：应变片原始阻值——标准化，120Ω常 用
✓几何参数：敏感栅基长L和宽度b，制造厂常用 b×L表示。
第二章 电阻式传感器及其应用
1.掌握传感器工作原理及性能 2.了解传感器结构、种类 3.掌握测量电路及其补偿方法 4.掌握应变片的布置及接桥方式 5.了解传感器的应用
电阻式传感器的基本原理：将被测物理 量的变化转换成电阻值的变化，再经相应 的测量电路显示或记录被测量值的变化。 其种类繁多，应用广泛。
4bh2 E
薄壁圆环式



3F[R (h / 2)] bh2 E
1
2


在外力作用下，各点的应力差别较大
平面膜片——应变节点
膜片式压力传感器
P
膜片式压力传感器
膜 R1 片
R2
U0
R1 R2 R3 R4
R4 R3
U
εt
εr
筒式压力传感器 测较大压力
机床液压系统的压力（106～107Pa）， 枪炮的膛内压力（108Pa）， 动态特性和灵敏度主要由材料的E值和尺寸决定
3.1 电阻应变片的工作原理及特性 1、工作原理 ������ 电阻应变片的基本结构：
������ 电阻应变片的工作原理
电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发 生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸 长或缩短)的变化而发生变化的现象。
压阻效应：半导体材料在受到外力作用时， 其电阻率ρ发生变化的现象。
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
Rt Rt R0 R0 t
2）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
Rt R0 K0t R0 K0 ( g s )t s 应变丝的线膨胀系数； g 试件的线膨胀系数
柱式元件——尽可能消除偏心和弯矩的影响。
①
等
F
截
h
面
悬
臂
l0
梁
l


6l 0 F bh2 E
E为材料的弹性模量 结构简单，易加工，灵敏度高 适合于测5000N以下的载荷,也可用于小压力测量
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②
等 F
强
度
h
悬
X
l
臂
梁
6lF
b0h 2 E
③ 双 端 固 定 梁
3lF
① 电桥补偿法
R1
Rb
U0
R3
R4
U
F
R1
F
Rb
R1 +⊿R Rb -⊿R
R1＋⊿R
Rb－⊿R
U0
ห้องสมุดไป่ตู้
R3
R4
U
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。
② 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
可得由于温度变化而引起的总电阻变化为
Rt Rt Rt R0t R0 K 0 ( g s )t
相应的虚假应变输出
t

Rt / R0 K0
t
K0
(g
s )t
➢温度补偿方法：
温度补偿
自补偿法
单丝自补偿法 组合式自补偿法
线路补偿法〔电桥补偿法、热敏电阻〕
组合式压力传感器
应变片不直接粘贴在压力感受元件上 压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等
通常用于测量小压力。 其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。
3 电阻应变式传感器的应用
BK-2S称重传感器
产品详细介绍 采用国际流行的双梁式或剪切S梁结构，拉 、压输出对称性好、 测量精度高、结构紧凑，安装方便，广泛用 于机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力 、称重系统中 供桥电压 12VDC 输入阻抗 380±20Ω 输出阻抗 350±10Ω 绝缘电阻 ≥2000MΩ 工作温度 -10~+50℃
➢电桥的工作特性: 1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量
采用半桥双臂或全桥方式。
可以保证电桥的输出U0与ΔR0/R0成正比； 可以获得最大的输出，例如全桥接法其灵敏度就
为半桥单臂接法的4倍。
2）电桥的和差特性 全桥接法：4桥臂均为工作应变片
相邻桥臂：应变极性相同时，电桥输出电 压与两应变差有关；应变极性相反时，电 桥输出电压与两应变和有关。 相对桥臂：输出电压与应变的关系和相邻 桥臂正好相反。
a.选择式自补偿应变片
由式(2.1.16)可知，实现温度补偿的条件为
t

t
K0
(g

s )t

0
当被测试件的线膨胀系数βg已知时，通过选择敏感栅材料，
使下式成立
K0(g s )
即可达到温度自补偿的目的。
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。
AK-1型应变式脉动压力传感器
产品特点： 采用外壳和膜片为一体的圆膜片结构 尺寸小，安装方便 频响高，精度高，性能稳定可靠 适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量
容器内液体重量（液位）传感器
该传感器有一根传压杆，上端安装腰 形筒微压传感器，下端安装感压膜，在 三者空腔内充满传压介质并密封。
式中 A1 、A2——传感器的传输系数； g ——重力加速度(m/s2)；
ρ——被测溶液的密度(Kg/m3)。 如ρ不变，则 U 0 与h有关，构成液位计
短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比 栅线直径大5～10倍的镀银丝短接而成，其优点 是克服了横向效应。
箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将厚 约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。
箔式应变片优点: ①可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅
长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求； ②横向效应小； ③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度； ④蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长； ⑤生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材
电桥的和差特性的实际应用：
①提高灵敏度——半桥双臂或全桥联接 相对桥臂：应变同极性 相邻桥臂：应变反极性
②实现温度补偿—— 采用全桥或半桥双臂的邻臂结构，要求处于同一 温度场，这样温度应变是同极性，可以相互抵消。
③消除非测量载荷的干扰影响
2、温度误差及其补偿
温度 误差
（附 加应 变）
1）敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度