第二章电阻式传感器.ppt

第二章 电阻式传感器 电阻式传感器是将非电量(如力、位移、形变、速度和加速度等)的变化量变换成与之有一定关系的电阻值的变化，通过对电阻值的测量达到对上述非电量测量的目的。 电阻式传感器主要分为两大类：电位计(器)式电阻传感器以及应变式电阻传感器。 前者分为线绕式和非线绕式两种，主要用于非电量变化较大的测量场合；后者分为金属应变片和半导体应变片，它们用于测量变化量相对较小的情况，其灵敏度较高。 第一节 电位器式电阻传感器 一、线绕电位器结构和工作原理 第二节 应变式电阻传感器 应变式电阻传感器是目前用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数最广泛的传感器之一。 它是利用应变效应制造的一种测量微小变化量(机械)的理想传感器。 实验演示 ：   取一根细电阻丝，两端接上一台数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值（图中为10.01）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图中增加到为10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。 一、应变效应 导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。 金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，如图所示: 二、电阻应变片的种类、结构和工作原理 1、金属电阻应变片结构和工作原理 常用的应变片可分为两类：金属电阻应变片和半导体电阻应变片。 对于一长为L、横截面积为A、电阻率为ρ的金属丝，其电阻值R为： 如果对电阻丝长度作用均匀应力，则ρ、L、A的变化(dρ、dL、dA)将引起电阻R变化dR ，dR可通过对上式的全微分求得： 电阻相对变化量为： 若电阻丝是圆形的，则A=πr ²,对r 微分,得dA=2πr dr， 则： 由材料力学的知识：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为： μ为金属材料的泊松系数。 KS 称为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化。 灵敏系数：单位应变能引起的电阻值变化。 其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量。 灵敏度系数受两个因素影响：一个是受力后材料几何尺寸的变化,即 ，另一个是受力后材料的电阻率发生的变化，即 。对于确定的材料, 是常数。实验证明 也是一个常数。 即金属丝的电阻相对变化与轴向应变成正比关系。 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件 。 2、半导体应变片结构和工作原理 所谓压阻效应是指半导体材料当某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。 将半导体材料用特殊工艺在基片上涂膜形成扩散硅。当扩散硅受外力作用后两端电阻也发生变化。 当半导体应变片受轴向力作用时，可以用金属电阻丝应变片表达式: 式中 为半导体应变片的电阻率的相对变化，其值与半导体敏感条在轴向所受的应力之比为一常数。 其中：π-压阻系数，与材质有关； σ-试件的应力； E-试件材料的弹性模量。 上式中1+2μ项随几何形状而变化，πE 项为压阻效应，随电阻率而变化。 实验证明πE 比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为： 金属-半导体应变片区别 (1) 金属电阻丝应变片的电阻率受力后变化甚微,故可以忽略不计。 μ在0.3-0.5，所以K为1.6-2.0 (2) 半导体应变片是根据压阻效应工作，其电阻率的变化要比前两项大得多. K=50-70远比金属电阻丝应变片的灵敏度高。 金属-半导体应变片特性小结 测量应力或应变时，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时，便可得到被测对象的应变值。 当具有初始电阻值的应变计粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变计的敏感栅，使其产生电阻相对变化。 三、电阻应变片的测量电路 由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化转换为电压或电流的变化。 因此需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路，通常采用直流电桥和交流电桥两种。 1、直流电桥 （1）平衡条件 为电源， 为桥臂电阻， 为负载电阻。 输出电压为： 电桥平衡时： 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相等。 或 U0 （2）电压灵敏度 设 为电阻应变片， 为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。 当产生应变时，若应变片电阻变化为