第二章电阻式传感器资料讲解

b
栅宽
第2章 电阻式传感器
（1） 敏感栅：由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为
60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变片栅长 大小关系到所测应变的准确度，应变片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。
对敏感栅的材料的要求： ①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数； ②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； ③电阻温度系数要小； ④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； ⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； ⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材； ⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。
变化， 即（dρ/ρ）/εx。对金属材料来说，电阻丝灵敏度系数表
达式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/εx大得多，而半导体材料的(dρ/ρ)/εx
项的值比1+2μ大得多。大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。
第2章 电阻式传感器
得到：
dR
dR R
Ks
x
或
Ks
R x
dRR(12E)x
实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导
dR
Ks
R
x
E
第2章 电阻式传感器
半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍， 但半导 体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 使它的应用范 围受到一定的限制。
用应变片测量应变或应力时，根据上述特点，在外力作用 下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化 量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应变的 关系，得到应力值σ为
忽略分母中R 项、分子中忽略 R 的二次交叉项 ：
Uo
ER1R4
R4R1 R2R3 R3R2
R1 R2R3 R4
ER1R1RR222
RR11
R4 R4
R2 R2
R3 R3
第2章 电阻式传感器
3、电压灵敏度
实际使用中是第一桥臂R1为应变片，当受应变时，若应变片电阻 变化为ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不 平衡，输出电压为：
②箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而 可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。
③箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制 造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用 范围。
④便于成批生产。 ⑤缺点：电阻值分散性大，有的相差几十Ω，故需要作阻值 调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适 于高温环境下测量；此外价格较贵。
第2章 电阻式传感器
4、金属箔式应变片
箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。 它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀 等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。 金属箔的厚度—般为(0.003～0.010)mm，它的基片和盖片 多为胶质膜，基片厚度一般为(0.03～0.05)mm。
第2章 电阻式传感器
（2） 基底和盖片：基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和
相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保 护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。
（3） 引线： 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线
材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、 易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。
Y 1
r r r2
1XR XR XR2
KL KL
KL KL
r :电阻的相对变化 KL：电位器负载系数的数 倒
XR：电刷的相对行程Y：电位计相对输出电压
表明当负载电阻不为零时，Y与r为非线性关系，则线绕电位 器式传感器的负载特性为非线性。当负载电阻为空载时，U0 与x才满足线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为线 性。
若电位器的负载电阻 RL 0 ，则输出电压为：
U 0IR R LL R R xxR R xx R R LL U iR R x R R LL R R xxR L R U iR R x xR R L R x2
第2章 电阻式传感器
设 rR Rx,KLR RL,XRL x,YU U0i ， 代入上式得：
σ=E·ε
式中： σ——试件的应力; E——试件材料的弹性模量;
ε——试件的应变。
由此可知，应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的变 化，所以应力正比于电阻值的变化。这就是利用应变片测量 的基本原理。
第2章 电阻式传感器
二、应变片的结构、材料和粘贴
1、应变片的结构
4
3
2
l
1
栅长
1 -敏感栅， 2-基底， 3-盖片， 4-引线
第2章 电阻式传感器
4、 分段电阻直线位移传感器
第2章 电阻式传感器
第2章 电阻式传感器
而对应的电阻变化为：
Rxx , RL
RxRL xSRx
U0 Ui Lx SV x
表明改变测量电阻值所引起输出电压的变化为线性变化。
其中
SR
R L
,SV
Ui L
分别为电阻和电压灵敏度。
他们分别标明了电刷单位位移所能引起的输出电阻和输出电压的 变化量。均为常数
第2章 电阻式传感器
第二章 电阻式传感器
第一节 电位器式电阻传感器 第二节 应变式电阻传感器 第三节 电阻应变片的测量电路 第四节 电阻传感器应用
第2章 电阻式传感器
第一节 电位器式电阻传感器
一、 电位器式电阻传感器常用形式
1、 滑线式位移传感器
第2章 电阻式传感器
2、 角位移传感器
3、 分段电阻角位移传感器
y x
μ为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。
dRR(12)xd 或
dR
d
R (12)
x
x
第2章 电阻式传感器
通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。 其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量，其表达式为
dR
d
Ks
R
x
12
x
灵敏系数K受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何尺寸 的变化， 即1+2μ；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的
UoER1R 1 R 1R 1R2R3R 3R4
R1R4
(R1R1R2)R (3R4)
R4 R1
E
R3 R1
（4） 粘结剂： 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底
粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘 贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变 传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机 两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸 酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温
第2章 电阻式传感器
第二节 应变式电阻传感器
一、工 作原理
1、应变效应 导体或半导体材料在外（拉力或压力）力的作用时，产生机
械变形，导致其电阻值相应发生变化， 这种因形变而使其阻值 发生变化的现象称为“应变效应”。
2、金属电阻丝应变原理
l
l
F
F
r
r
第2章 电阻式传感器
一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为
第2章 电阻式传感器
常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯 树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。
粘贴工艺包括被测件粘贴表面处理、贴片位置确定、涂底 胶、 贴片、干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定以及 防护与屏蔽等。粘结剂的性能及应变片的粘贴质量直接影响应 变片的工作特性，如零漂、滞后、灵敏系数、线性以及它们受 温度变化影响的程度。可见，选择粘结剂和正确的粘结工艺与 应变片的测量精度有着极重要的关系。
金属箔式应变片
第2章 电阻式传感器
金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点。
①金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应 力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔 材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。 第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的 精度。
1、电桥平衡
当RL→∞时，电桥输出电压为
U oE R 1R 1 R 2R 3R 3 R 4 E R 1 R 1 R R 4 2 R R 3 2R 3 R 4
当电桥平衡时，Uo=0，则有
R1R4=R2R3 或
R1 R3 R2 R4
为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值 应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。
R l
A
式中： ρ—电阻丝的电阻率； l—电阻丝的长度； A—电阻丝的截面积。
如果对电阻丝长度作用均匀应力，则ρ、L、A的变化d ρ、d L、 d A将引起电阻d R的变化，可以通过对上式做全微分求得：
dR AdL L AdAL 2dA
第2章 电阻式传感器
其相对变化量为： dRdldAd R l A
若电阻丝是圆形的，则 A r2 ，r为电阻丝的半径，对r 微分
得： d A=2πr d r，则
dAA2rr2dr2drr
令
x
dl l
为金属电阻丝的轴向应变
第2章 电阻式传感器
dr r
y
为径向应变
由材料力学可知，在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸 长， 沿径向缩短， 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为
表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。
3、半导体应变原理
半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半 导体材料的压阻效应。沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变 形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现象称为半导体的压阻 效应。 利用压阻效应制成的传感器称为压阻传感器或半导体应 变片。
第2章 电阻式传感器
第2章 电阻式传感器
第三节 电阻应变片的测量电路
一、测量电路
B R1
A
R3 D E
IL R2
C RL
R4
目的：将微小应变引起的微 小电阻值的变化测量出来， 同时，要把电阻相对变化 R
R
转换为电压或电流的变化。
U0
E：为电源电压
R1、R2、R3及R4：桥臂电阻 RL：为负载电阻
第2章 电阻式传感器
当半导体应变片受轴向力作用时， 其电阻相对变化为
dR
d
R (12)
x
x
式中dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体 敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为
dEx
第2章 电阻式传感器
式中： π——半导体材料的压阻系数; σ——半导体材料的所受应变力; E——半导体材料的弹性模量; ε——半导体材料的应变。
第2章 电阻式传感器
第2章 电阻式传感器Baidu Nhomakorabea
康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多 优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常 数， 进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；康铜的电阻 温度系数较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻 温度系数在±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于 焊接， 因而国内外多以康铜作为应变丝材料。
第2章 电阻式传感器
3、金属电阻应变片的粘贴
应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必 须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘结剂时必须 考虑应变片材料和被测件材料性能，不仅要求粘接力强，粘结后 机械性能可靠，而且粘合层要有足够大的剪切弹性模量， 良好 的电绝缘性，滞后小，耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐 疲劳等。 还要考虑到应变片的工作条件，如温度、相对湿度、 稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。
，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。
第2章 电阻式传感器
2、
对电阻丝材料应有如下要求： ① 灵敏系数大， 且在相当大的应变范围内保持常数； ②ρ值大，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较 大的电阻值； ③ 电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值； ④ 与铜线的焊接性能好， 与其它金属的接触电势小； ⑤ 机械强度高， 具有优良的机械加工性能。
第2章 电阻式传感器
2、动态时电阻变化与输出关系
四个桥臂电阻分别为：
R 1 R 1 ,R 2 R 2 ,R 3 R 3 ,R 4 R 4
U o E R 1 R 1 R 1 R 1 R 4 R 2 R 4 R 2 R R 2 3 R R 3 2 R R 3 4 R 4 R 3 E R 1 R 2 R 3 R 1 R R 4 4 R R 1 R 1 4 R 2 R 4 R R 1 3 R R 1 4 R 4 R R 1 2 R 3 R 2 R R 2 R 3 3 R 4 R 3 R 2 R 1 R 2 R R 2 3 R 3 R 4