高等院校公共課系列精品教材工業(yè)機器人視覺與傳感技術(shù)第二章電阻式傳感器內(nèi)容摘要電阻應(yīng)變式傳感器定義電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理電阻應(yīng)變片是一種敏感元件，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化，若將其粘貼在彈性元件上，就構(gòu)成了電阻應(yīng)變式傳感器。當被測物理量作用于彈性元件時，彈性元件的變形引起敏感元件發(fā)生應(yīng)變而轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓?，通過轉(zhuǎn)換電路輸出電量，電量的大小反映了被測物理量的大小。這種傳感器可以用來測量力、力矩、壓力、重量、加速度等。在彈性范圍內(nèi)，導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機械變形時，其阻值相應(yīng)地發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。有一根電阻絲，長度為l，面積為A，電阻率為ρ，則其阻值R可以用式(2-1)表示。電阻絲橫向受到應(yīng)力σ時，電阻率增加△ρ，長度伸長△l，橫截面積減小△A，則其阻值的相對變化量可以用式（2一2）表示。電阻應(yīng)變式傳感器對于直徑為d的電阻絲，由于，等式兩邊取微分后，可以得到式（2-3）。力學(xué)中，橫向收縮和縱向伸長的關(guān)系用泊松比μ表示，如式（2-4）。所以，將式（2-2）、（2-3）和（2-4）綜合后可得式（2-5）。電阻應(yīng)變式傳感器對于金屬材料，其電阻的相對變化量主要取決于

，其中，，稱為應(yīng)變。所以，金屬材料電阻的相對變化量可以用式（2-6）近似表示。對于半導(dǎo)體材料，其電阻的相對變化量主要取決于

，所以半導(dǎo)體材料電阻的相對變化量可以用式（2-7）近似表示。其中，為半導(dǎo)體材料的壓阻數(shù)。σ為半導(dǎo)體材料所受的應(yīng)變力，E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，ε為半導(dǎo)體材料的應(yīng)變。電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片的分類132絲式電阻應(yīng)變片一般由直徑0.01-0.05mm的電阻絲制成。箔式電阻應(yīng)變片是用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵，其厚度一般為0.003-0.01mm。薄膜式電阻應(yīng)變片的厚度在0.1μm以下的金屬箔，采用真空沉積或高頻濺射等方法，在絕緣基片上形成薄膜。(1)金屬電阻應(yīng)變片,有絲式、箔式及薄膜式等結(jié)構(gòu)形式，如圖2-1所示。電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片的分類132體型半導(dǎo)體應(yīng)變片，將半導(dǎo)體材料按一定方向切割成片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊后粘貼在基片上而形成的應(yīng)變片。薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片，利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的基片上制成。擴散型半導(dǎo)體應(yīng)變片，將p型雜質(zhì)擴散到N型單晶硅基片上，形成極薄的p型導(dǎo)電層，再通過特殊方法焊接引出線制作而成。這種應(yīng)變片應(yīng)用廣泛。(2)半導(dǎo)體應(yīng)變片，是利用其壓阻效應(yīng)制成的一種電阻性元件。半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體材料的軸向受力產(chǎn)生應(yīng)力時，它的電阻率會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片主要有以下幾種類型：電阻應(yīng)變式傳感器轉(zhuǎn)換電路（1）直流電橋當應(yīng)變片R1沒受到外力作用時，輸出電壓U0可用式（2-8）表示。當應(yīng)變片R1盡受到外力作用時，阻值變成，輸出電壓U0可用式（2-9）表示。由于R1=R2=R3=R4,所以式（2-9）可以轉(zhuǎn)變?yōu)槭剑?-10）。當其中，就是單橋臂電橋電路輸出電壓的靈敏度。由上可知，在單橋臂電橋電路中，電源電壓方與電阻的相對變化量是一個非線性關(guān)系，線性化后又存在一定的誤差，此誤差必須消除。電阻應(yīng)變式傳感器轉(zhuǎn)換電路（1）直流電橋圖2-5中，E為電源電壓，R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為電阻。設(shè)R1=R2=R3=R4，在應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變后，電阻變化量△RI=△R2。此時輸出電壓U0可用式(2-11)表示。由式（2-11）可知，雙橋臂電橋電路的輸出電壓U0與電阻的相對變化量成正比關(guān)系，其中為雙橋臂電橋電路輸出電壓的靈敏度。可見，一方面，雙橋臂電橋電路解決了單橋臂電橋電路的輸出非線性誤差；另一方面，其靈敏度是單橋臂電橋電路靈敏度的2倍。電阻應(yīng)變式傳感器轉(zhuǎn)換電路（1）直流電橋圖2-6中，E為電源電壓，R1、R2、R3、R4為應(yīng)變片。設(shè)R1=R2=R3=R4，在應(yīng)變片發(fā)生應(yīng)變后，電阻變化量△RI=△R2=△R3=△R4。此時輸出電壓U0可用式（2-12）表示。由式（2-12）可知，四橋臂電橋電路的輸出電壓U0與電阻的相對變化量

成正比關(guān)系，其中E為四橋臂電橋電路輸出電壓的靈敏度。電阻應(yīng)變式傳感器轉(zhuǎn)換電路（2）交流電橋如圖2-7所示，其中U為電源電壓，Z1為應(yīng)變片，Z2、Z3、Z4為與等值的阻抗。當時，輸出電壓可用式（2-13）表示。電阻應(yīng)變式傳感器轉(zhuǎn)換電路（2）交流電橋如圖2-7所示，其中U為電源電壓，Z1、Z2為應(yīng)變片，Z3、Z4為阻抗，設(shè)Z1=Z2=Z3=Z4,△Z1=△Z2時，輸出電壓可用式（2-14）表示。如圖2-7所示，其中U為電源電壓，Z1、Z2、Z3、Z4為應(yīng)變片，設(shè)Z1=Z2=Z3=Z4,△Z1=△Z2=△Z3=△Z4時，輸出電壓可用式（2-15）表示。電阻應(yīng)變式傳感器電橋電路的補償電橋電路的補償零點補償，電橋電路中的電阻應(yīng)變片雖然精度高，但是四個應(yīng)變片的阻值也是不可能完全相等。即使能挑選到四個阻值相等的應(yīng)變片，在經(jīng)過貼片后，其阻值也會發(fā)生變化，這樣電橋在初始時就不平衡了，即初始時U0不等于0。一般在對角阻值乘積小的一個橋臂上，串接可調(diào)電阻進行補償，這樣能保證在初始時的輸出電壓U0=0。溫度補償，環(huán)境溫度的變化，引起橋臂阻值的變化，由于其溫度系數(shù)與測試材料的線膨脹系數(shù)不同，就會導(dǎo)致在初始狀態(tài)下U0不等于0。補償片補償，用一個應(yīng)變片作為工作片粘貼在試件上測應(yīng)力，并接入電橋電路的一個橋臂：另一塊應(yīng)變片接在相鄰的橋臂上。讓電橋處于同一溫度下。由于工作片和補償片所受溫度相同，因此溫度對電橋的無影響。彈性模量補償（又稱為楊氏模量補償），補償方法是在電橋的輸入端接入補償電阻RE。為了保證電橋?qū)ΨQ，通常將RE/2分別接入電橋的輸入端。電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變片的應(yīng)用測力或荷重測量力或荷重的傳感器統(tǒng)稱為應(yīng)變式力傳感器。其主要用在各種電子秤上，還可用于用于發(fā)動機推力測試，水壩的承重監(jiān)測等。測壓力電阻壓變片用于測量壓力時，主要是測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力。如管道進出口的壓力、發(fā)動機缸內(nèi)壓力、槍和炮管內(nèi)壓力、內(nèi)燃機管道的壓力等。測量加速度測量加速度的基本工作原理是物體運動的加速度與作用于它的力成正比，與物體的質(zhì)量成反比，即。熱電阻式傳感器熱電阻鉑熱電阻鉑熱電阻值與溫度的關(guān)系可表示為：銅熱電阻在一些測量精度要求不高、溫度范圍不大的場合，可以采用銅熱電阻測溫。其測溫范圍為-50——150℃。關(guān)系式可近似表示為：熱電阻式傳感器熱電阻熱電阻的結(jié)構(gòu)和測量工業(yè)用熱電阻實物圖如圖2一11所示。它由電阻體、絕緣管、保護套、引線和接線盒等部分組成。熱電阻內(nèi)部引線方式有二線制、三線制和四線制。二線制：兩根線既是電源線又同時是信號線，一般用于4-20mA信號傳輸。其優(yōu)點是接線簡單，只適用一般功率小的一次傳感器，傳感器本身用電由二線制中得到，是必影響其帶載能力。二線制接線中，引線電阻對測量的影響大，用于測量溫精度不高的場合。三線制：一根線為電源正線，一根線為信號正線，一根線為電源負線和信號負線的公共線；一般用于1-5V信號傳輸。三線制接線可以減小熱電阻與信號處理單元之間連接導(dǎo)線的電阻，因環(huán)境溫度變化所引起的測量誤差。四線制：電源兩根線，信號兩根線。電源和信號是分開工作的，即在三線制的基礎(chǔ)上，信號線有自己的地，不和電源線共地。信號線的電流是總電流的一部分，且因為信號線不和電源線共地而相比三線制它的電流可能難于計算。四線制適用于大功率的傳感器。四線制接線可以消除引線電阻對測量結(jié)果的影響，用于高精度測量。熱電阻式傳感器熱敏電阻熱敏電阻的工作原理及特性熱敏電阻是利用半導(dǎo)體的電阻隨溫度變化的特性制成的測溫元件。其電阻率溫度系數(shù)大，是金屬材料的10、100