传感器技术-第二章 电阻式传感器.ppt

第2章 电阻式传感器原理与应用 2.1 应变式传感器 2.2 压阻式传感器 电阻式传感器概述 电阻式传感器的基本原理 就是将被测的非电量转化成电阻值的变化，再经过转换电路变成电量输出。根据传感器组成材料变化或传感器原理变化，产生了各种各样的电阻式传感器，主要包括应变式传感器和压阻式传感器。 优点：结构简单，体积小，使用方便，性能稳定，灵敏度高，动态响应快等。 应用范围：测量力、压力、位移、应变、加速度和温度等非电量参数。 金属材料的电阻灵敏系数： 3. 应变片的基本结构与种类 敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝 丝绕式 基 底——绝缘 覆盖层 ——保护 电阻值：应变片在未经安装也不受外力情况下，于室温下测得的电阻值；电阻系列：60、120、200、350、500、1000Ω 绝缘电阻：应变片引线与被测试件之间的电阻值，一般100MΩ。 最大工作电流：允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流值。 机械滞后：在循环加载时，加载特性与卸载特性不重合的现象。 零漂：在一定温度下，不受机械应变时，其指示应变随时间的变化而变化的现象。 蠕变：在一定温度下，受恒定机械应变时，其指示应变随时间的变化而变化的现象。 2、横向效应 应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了一部分，从而降低了整个电阻应变片的灵敏度，带来测量误差，其大小与敏感栅的构造及尺寸有关。 敏感栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小。 3、温度误差及其补偿 温度误差：由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。 应变片的阻值受环境温度（包括被测试件的温度）影响很大。 产生温度误差的主要原因： ①应变片的电阻丝具有一定温度系数； ②电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。 相应的虚假应变量： 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 ③热敏电阻补偿 2.1.3 电阻应变片的测量电路 1、直流电桥 当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路，电桥的输出式为： 上式表明： ① ΔRi R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 ② 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。 ③ 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。 ④ 电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 ⑤ 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。 2、非线性误差及其补偿 全桥差动电路 2.1.4 电阻应变式传感器的应用 1???应变式力传感器 2? 应变式压力传感器 3. 应变式液体重量（或液位）传感器 4? 应变式加速度传感器 1?、应变式力传感器 被测物理量：荷重或力 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、 水坝坝体承载状况监测等。  力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等 (2)梁式力传感器 2. 应变式压力传感器 3. 容器内液体重量（液位）传感器 4. 应变式加速度传感器 第二节 压阻式传感器 2.2.1 半导体的压阻效应 固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应 半导体材料的压阻效应特别强。 压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应高，体积小。它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。 因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。 压阻效应 2.2.2 体型半导体电阻应变片 1. 结构型式及特点 2. 测量电路 1. 结构型式及特点 2. 测量电路 恒压源 恒流源 2.2.3 扩散型压阻式压力传感器 扩散型压阻式压力传感器 特点 优点: 体积小，结构比较简单，动态响应也好，灵敏度高，能测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频率响应高，便于生产，成本低。 测量准确度受到非线性和温度的影响。智能压阻式压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿。 2.2.4 压阻式加速度传感器 它的悬臂梁直接用单晶硅制成，四个扩散电阻扩散