傳感器技術(shù)及應(yīng)用（第2版）第3章電阻式傳感器測量電路1.2電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)及工作原理3.13.2電阻式傳感器在無人裝備中的應(yīng)用3.33.4第3章電阻式傳感器2本章小結(jié)本章內(nèi)容引出3電阻式傳感器是一種應(yīng)用較早的電參數(shù)傳感器，它的種類繁多，結(jié)構(gòu)簡單、線性和穩(wěn)定性較好，與相應(yīng)的測量電路可組成測力、稱重、測位移、測加速度、測扭矩、測溫度等檢測系統(tǒng)，已成為生產(chǎn)過程檢測和智能自動(dòng)化中不可缺少的檢測工具之一。3.1電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)及工作原理45應(yīng)變式傳感器工作的物理基礎(chǔ)——電阻應(yīng)變效應(yīng)：

金屬導(dǎo)體（或半導(dǎo)體）的電阻值隨變形（伸長或縮短）而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。由金屬或半導(dǎo)體制成的片狀的應(yīng)變-電阻轉(zhuǎn)換元件稱為電阻應(yīng)變計(jì)。是應(yīng)變式傳感器的核心元件電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)圖3-2電阻應(yīng)變計(jì)結(jié)構(gòu)簡圖1-敏感柵；2-基片；3-保護(hù)片；4-低阻鍍錫銅絲電阻應(yīng)變效應(yīng)6設(shè)有一根圓截面的金屬絲（如圖3-1-2所示），其原始電阻值為當(dāng)金屬絲受軸向力F作用被拉伸時(shí)，設(shè)金屬絲長度伸長dL，截面積減小dA

，電阻率變化為dρ，引起電阻R變化為dR。對(duì)上式進(jìn)行全微分，整理可得：圖3-3圓截面金屬絲軸向線應(yīng)變其中，單位：“微應(yīng)變”，徑向線應(yīng)變軸向線應(yīng)變泊松比面應(yīng)變符號(hào)相反7綜上可得，電阻應(yīng)變效應(yīng)8可知，電阻值相對(duì)變化量是由兩方面的因素決定的。一方面是由金屬絲的幾何尺寸的改變而引起，即

項(xiàng)；另一方面是材料受力后，材料的電阻率變化而引起的，即

項(xiàng)。對(duì)于特定的材料，

是一個(gè)常數(shù)，因此式（3-1-10）所表達(dá)的電阻絲電阻變化率與應(yīng)變呈線性關(guān)系。令

，則有K0為單根金屬絲的靈敏度系數(shù)（3-1-10）

電阻應(yīng)變效應(yīng)9金屬：金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)以結(jié)構(gòu)尺寸變化為主半導(dǎo)體：半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要基于壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體靈敏度要比金屬大得多（約為30~50倍）電阻率變化幾何尺寸變化幾何尺寸變化壓阻效應(yīng)3.2測量電路10引出11

變化

電阻應(yīng)變計(jì)電橋電路機(jī)械應(yīng)變U(I)變化放大、顯示應(yīng)變片可以將應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，這個(gè)變化量通常采用電橋作為測量電路來測量。雙臂應(yīng)變電橋單臂應(yīng)變電橋全臂應(yīng)變電橋直流電橋：R交流電橋:R、L、C不平衡橋式：偏差測量法（動(dòng)態(tài)）平衡橋式：零位測量法（靜態(tài)）半等臂電橋全等臂電橋工作方式橋臂關(guān)系電源工作臂電源端對(duì)稱輸出端對(duì)稱12應(yīng)變電橋橋路輸出電壓：顯然，當(dāng)

時(shí)，橋路輸出電壓為零，電橋平衡。13直流電橋平衡條件圖3-4直流電橋電路直流電橋輸出特性（單臂）14如電橋中R1為應(yīng)變片，它隨被測參數(shù)

變化而變化，R2

、R3與R4

為固定電阻

當(dāng)被測參數(shù)的變化引起電阻變化ΔR1時(shí)，

則橋路平衡被破壞，電橋輸出不平衡電壓。圖3-4直流電橋電路直流電橋輸出特性（單臂）15設(shè)橋臂比

，且假設(shè)

，則有定義為單臂工作應(yīng)變片電橋輸出電壓靈敏度。其物理意義是：單位電阻相對(duì)變化量引起電橋輸出的電壓大小。則，值的大小由電橋電源電壓

和橋臂比n決定。

直流電橋輸出特性（單臂）16電橋電源電壓越高，輸出電壓的靈敏度越高。但提高電源電壓會(huì)使應(yīng)變片和橋臂電阻的功耗增加，溫度誤差變大。一般電源電壓取3V~6V為宜。當(dāng)時(shí)，最大，此時(shí)結(jié)論：當(dāng)電橋電源電壓

恒定時(shí)，電阻相對(duì)變化

一定時(shí)，電橋的輸出電壓及其靈敏度是定值，與各橋臂電阻阻值無關(guān)。電橋輸出電壓靈敏度電橋輸出電壓直流電橋輸出特性（全橋）17若在測量試件彎曲應(yīng)變時(shí)，相鄰兩臂的應(yīng)變片受力大小相等、方向相反，則構(gòu)成

差動(dòng)全橋，這樣既能提高電橋輸出電壓，又能減小溫度變化的影響和非線性誤差。差動(dòng)全橋輸出電壓為：注：差動(dòng)半橋輸出電壓請自行推導(dǎo)，并比較單臂、半橋和全橋輸出電壓靈敏度之間的關(guān)系

圖3-5全橋差動(dòng)電橋3.3電阻式傳感器在無人裝備中的應(yīng)用1819典型的位置傳感器是電位計(jì)，工作臺(tái)下面有同電阻接觸的觸頭，當(dāng)工作臺(tái)左右移動(dòng)時(shí)接觸左右移動(dòng)時(shí)接觸觸頭也隨之左右移動(dòng)，從而移動(dòng)了與電阻接觸的位置，通過檢測輸出電壓變化確定以電阻中心為基準(zhǔn)位置的移動(dòng)距離。由圖可知，觸頭左右的電壓比等于電阻長度之比電阻式位置傳感器

應(yīng)變式加速度傳感器20應(yīng)變片加速度傳感器是一個(gè)由板簧支撐重錘所構(gòu)成的振動(dòng)系統(tǒng)，板簧上下兩面分別貼兩個(gè)應(yīng)變片。應(yīng)變片受振動(dòng)產(chǎn)生應(yīng)變，其電阻值的變化通過電橋電路的輸出電壓被檢測出來。應(yīng)變式力覺傳感器21筒式力覺傳感器的彈性元件一端盲孔，另一端通過法蘭與被測系統(tǒng)連接。在薄壁筒上貼有兩片應(yīng)變計(jì)，作為工作片；實(shí)心部分貼有兩片應(yīng)變計(jì)，作為溫度補(bǔ)償片。當(dāng)圓筒部分沒有壓力作用時(shí)，四個(gè)應(yīng)變片組成的全橋是平衡的；有壓力作用時(shí)，圓筒形變，電橋失去平衡。通過輸出電壓的變化測量壓力。圖3-8筒式力覺傳感器的彈性元件圖3-9撓性十字梁式腕力傳感器用鋁材切成十字框架，各懸梁外端插入圓形手腕框架的內(nèi)側(cè)孔中，應(yīng)變片貼在十字梁上，每根梁的上下左右側(cè)面各貼一個(gè)應(yīng)變片，共貼有16個(gè)應(yīng)變片。相對(duì)面上的兩個(gè)應(yīng)變片可構(gòu)成一組半橋，通過測量一個(gè)半橋的輸出，即可檢測一個(gè)參數(shù)。整個(gè)手腕通過應(yīng)變片可檢測出8個(gè)參數(shù)

，利用