页数：75页文件大小：1,006.2 KB来源： 传感器基础ppt课件
本课件围绕把被测量转换为电阻变化的三类器件展开：电位器式讲线性与非线性结构、阶梯与负载特性；应变式讲应变效应、应变片材料与粘贴、温度误差补偿及交直流测量电桥；压阻式讲半导体压阻效应与影响因素，并给出测力、称重等应用实例。
被测量↕→电阻↕输出电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，主要应用于测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等检测系统。目前已成为生产过程检测以及实现生产自动化不可缺少的手段之一。测量电路
2.1.1工作原理当被测量发生变化时，通过电刷触点在电阻元件上产生移动，该触点与电阻元件间的电阻值就会发生变化，即可实现位移(被测量)与电阻之间的线性转换
角位移式电位器传感器原理图
对应课件图示：角位移式电位器传感器原理图，文字要点如上。
线性直线位移式电位器工作原理示意图
对应课件图示：线性直线位移式电位器工作原理示意图，文字要点如上。
2)非线性电位器输入量位移和输出电压之间呈现某种函数规律的非线性变化，可以实现任意函数，常用的非线性电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式和电位给定式等四种。变骨架式非线性电位器
电阻灵敏度为电压灵敏度为
1)阶梯特性当电刷在多匝导线上移动时，电位器的阻值和输出电压不是连续变化，而是阶跃式地变化。电刷每移动过一匝线圈，电阻就突然增加一匝阻值，输出电压就产生一次阶跃。线性电位器的阶梯特性曲线图
当电刷从m-1匝移至m匝时，电刷瞬间使相邻两匝线圈短接，于是电位器的总匝数从n匝减少到n-1匝，则：在理想情况下，特性曲线各个阶梯的大小完全相同，则穿过每个阶梯中点的直线即是理论直线，阶梯曲线围绕它上下波动从而产生一定的偏差，这种偏差就是阶梯误差
对应课件图示：理想阶梯特性曲线图，文字要点如上。
2)负载特性带负载的电位器电路电位器的负载电阻为，则此电位器的输出电压为
设电阻的相对变化负载系数则电位器相对输出电压为可见，当m≠0，即RL不是无穷大时，Y与r为非线性关系
对于线性电位器有线性电位器负载误差曲线故可见，无论为何值，电刷在起始位置和最大位置时，负载误差都为零，当电刷处于行程中心位置时，负载误差最大
2.2.1应变效应和工作原理应变效应：导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，将产生机械变形，机械变形会导致其电阻值变化。金属丝伸长后几何尺寸变化设电阻丝在外力F的作用下被拉伸(或压缩)，则
用相对变化表示对于半径为的电阻丝，截面面积则：令电阻丝的轴向(纵向)应变为径向(横向)应变为则由材料力学泊松定律可知
经整理得如用增量表示，有：进一步整理得设则
另一个是，它是由电阻丝电阻率的改变而引起的，对于金属材料，其值也是常数，但往往比小很多，可以忽略，故对于金属材料，灵敏系数将保持不变，即值是恒定的
箔式敏感栅是由很薄的金属箔片用光刻、腐蚀等技术制作。与丝式应变片相比，金属箔式应变片具有散热性能好，允许电流大，灵敏度高，寿命长，可制成任意形状，易加工，生产效率高等优点，因此应用范围日益扩大，已逐渐取代丝式应变片而占主要的地位
对金属电阻应变片敏感栅材料的基本要求是：1灵敏系数值大，并且在较大应变范围内保持常数。2电阻温度系数小。3电阻率大。4机械强度高，且易于拉丝或辗薄。5与铜丝的焊接性好，与其他金属的接触热电势小
薄膜应变片采用真空蒸发或真空沉积的方法，将金属敏感材料直接镀制于弹性基片上。相对于金属粘贴式应变片而言，薄膜应变片的应变传递性能得到了极大的改善，几乎无蠕变，并且具有应变灵敏系数高，稳定性好、可靠性高、工作温度范围宽(-100°C～180°C)、使用寿命长、成本低等优点，是一种很有发展前途的新型应变片
2.电阻应变片的粘贴电阻应变片应用时用粘合剂粘贴到试件表面上，粘合剂的性能及粘结工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，因此必须合理选择粘合剂，遵循正确的粘结工艺，保证粘贴质量，这与电阻应变片的测量精度有着极其重要的关系
此外粘贴时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、粘贴时间长短的要求以及贴片固化时加热加压的可能性等
1.灵敏系数灵敏系数表示安装在被测试件上的应变在其轴向受到单向应力时，引起的电阻相对变化与其单向应力引起的试件表面轴向应变之比
将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度不变，应变状态相同，但在的圆弧处，除受纵向的拉应变外，由泊松关系，还存在横向的负应变（），造成电阻的减小，因而其灵敏系数较整长电阻丝的灵敏系数小，这种现象称为应变片的横向效应
机械滞后应变片安装在试件上以后，在加载和卸载过程中，对同一机械应变量，两过程的特性曲线并不重合，卸载时的指示应变高于加载时的指示应变，这种现象称为应变片的机械滞后
已粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定，试件上没有机械应变的情况下，应变片的指示会随着时间增长而逐渐变化，这就是应变片的零点漂移，简称零漂
零漂已粘贴的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变长时间作用下，应变片的指示会随时间的变化而变化，这种现象称为蠕变。一般来说，蠕变的方向与原来应变量变化的方向相反。应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的
4.温度效应当环境温度变化时，会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应。
影响：a.感栅材料的电阻温度系数b.敏感材料和试件材料的膨胀系数不同
因此，由于环境温度变化形成总的电阻相对变化为：相应地如消除此项误差，要采取温度补偿措施
5.应变极限、疲劳寿命应变片的应变极限是指在一定温度下，应变片的指示应变与试件的真实应变的相对误差达到规定值(一般为10%)时的真实应变值
6.绝缘电阻和最大工作电流应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值。通常要求在50MΩ～100MΩ以上
绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。对于已安装的应变片，最大工作电流是指允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流
7.应变片的电阻值指应变片在未经安装也不受外力的情况下，于室温测得的电阻值。目前常用的电阻系列有：60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω等，其中以120Ω最常用
1)选择式自补偿法(又称单丝自补偿法)只需：这种的自补偿应变片容易加工，成本低，缺点是只适用特定材料，温度补偿范围也较窄
2.线路补偿法常用电桥补偿法电桥补偿法R1——工作应变片，安装在被测试件上；RB——补偿应变片，安装在补偿块上，与被测试件温度相同，但不承受应变。R
差动电桥补偿法测量时可将RB贴在被测试件的下面，接入电桥电路中。由于在外力F的作用下,RB与R1的变化值大小相等符号相反,电桥的输出电压增加一倍
由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。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：设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1<<R1，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为
1电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择
由dKU/dn= 0，求KU的最大值，得求得n=1时，KU为最大值。即当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有：从上述可知，当电源电压U和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关
3)非线性误差及其补偿方法可见与ΔR1/R1的关系是非线性的，如果是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，即n=1，则非线性误差为
若将电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。电路优点：
当负载为有限值时：电桥内阻输出电流
2.交流电桥由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性
由交流电路分析可得：要满足电桥平衡条件，即Uo=0，则有：Z1Z4=Z2Z3将Z
3、Z4表达式代入，可得：整理得：其实部、虚部应分别相等，并整理可得交流电桥的平衡条件为：及
常见交流电桥平衡调节电路
2.3压阻式传感器20世纪50年代中期出现，由半导体应变片制成，其灵敏系数比金属电阻式传感器高几十倍，而且具有体积小、分辨率高、工作频带宽、机械迟滞小、传感器与测量电路可实现一体化等优点，在实际中应用广泛
2.3.1工作原理基于半导体材料的压阻效应原理：当对半导体材料施加应力作用时，半导体材料的电阻率将随着应力的变化而发生变化，进而反映到电阻值也发生变化
其中由材料几何尺寸变化而引起电阻的变化很小，可忽略不计，而一项很大，也就是说，半导体材料电阻的变化主要由半导体材料电阻率的变化所造成的，即：对半导体应变片：≈又弹性模量故：可见，当半导体应变片受到外界应力的作用时，其电阻(率)的变化与受到应力的大小成正比，这就是压阻传感器的工作原理
1.应力的作用方向半导体的晶向由于半导体材料的各向异性，在实际应用中，随着外界应力施加方向的不同其压阻系数也是不同的。通常根据外界应力相对晶轴的方向，分为纵向应力和横向应力，当半导体同时受到两向应力作用时，有
可见压阻系数随扩散杂质浓度的增加而减小，表面杂质浓度相同时，P型硅的压阻系数值比N型硅的(绝对)值高。压阻系数与表面杂质的浓度的关系
3.环境温度压阻系数与温度的关系
2.3.3压阻式传感器的材料一般半导体应变片是沿所需的晶向将硅单晶体切成条形薄片，在硅条两端先真空镀膜蒸发一层黄金，再用细金丝分别与两电极焊接。常用于制作半导体应变片的半导体材料主要有：硅、锗、锑化铟、砷化镓等
由半导体材料制成的压阻式传感器的灵敏系数比金属电阻应变片要大几十倍，其应变系数的符号随单晶材料的导电类型而异，一般P型为正，N型为负，而金属丝应变片的灵敏系数均为正值
此外，半导体材料(如单晶硅)是各向异性材料，它的压阻系数与晶向有关。压阻式传感器的主要不足：一是温度稳定性差(电阻值随温度变化)；
1.电位器式压力传感器电位器式压力传感器是利用弹性元件(如弹簧管、膜片或膜盒)把被测的压力信号变换为弹性元件的位移，然后再将此位移转换为电刷触点的移动，从而引起输出电压或电流相应的变化
YCD—150型远程压力传感器原理图膜盒电位器式压力传感器原理图
2.压阻式压力传感器固态压力传感器结构图硅杯上法线[110]晶向的膜片
1)柱(筒)式力传感器柱式传感器分为柱形和圆筒形两种，应变片一般对称地贴在应力均匀的圆柱表面的中间部分，可对称地粘贴多片，构成差动式，提高了灵敏度，横向粘贴的应变片同时作为温度补偿
筒式结构可使分散在端面的载荷集中到筒的表面上来，改善了应力线分布，同时在筒壁上还能开孔，可减少偏心载荷、非均布载荷的影响，从而使引起的误差更小
2)悬臂梁式传感器悬臂梁式传感器是一种高精度、抗偏、抗侧性能优越的称重测力传感器。采用弹性梁及电阻应变片作敏感转换元件，组成全桥电路
当垂直正压力或拉力作用在弹性梁上时，电阻应变片随金属弹性梁一起变形，其应变使电阻应变片的阻值变化，因而应变电桥输出与拉力(或压力)成正比的电压信号
(a)等截面梁(b)等强度梁(c)双孔梁(d) S型弹性元件悬臂梁传感器
等截面梁就是悬臂梁的横截面处处相等的梁，当外力P作用在梁的自由端时，在固定端产生的应变最大，粘结应变计处的应变为
等强度梁是一种特殊形式的悬臂梁。其特点是：沿梁长度方向的截面按一定规律变化，当集中力P作用在自由端时，距作用点任何距离截面上的应力相等
这种梁的优点是在长度方向上粘贴应变片的要求不严格。在自由端有力P作用时，在梁表面整个长度方向上产生大小相等的应变
4.应变式压力传感器该类传感器的弹性敏感元件为一周边固定的圆形金属平膜片，当膜片一面受压力P作用时，膜片的另一面上的径向应变和切向应变为
应变式压力传感器
5.应变式加速度传感器加速度是运动参数，在测量时首先要经过质量弹簧的惯性系统将加速度转换为力F，再作用于弹性元件上
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