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1、第二章第二章電阻型傳感器與測(cè)量電路電阻型傳感器與測(cè)量電路 金屬導(dǎo)體都具有一定的電阻，電阻值因金屬的種類而異。同樣的材料，越細(xì)或越薄，則電阻值越大。設(shè)有一根長度為L，截面積為A，電阻率為的金屬絲，則它的電阻值R可用下式表示：1.2.1 電阻型傳感器的工作原理電阻型傳感器的工作原理 從上式可見，若導(dǎo)體的三個(gè)參數(shù)(電阻率、長度L或截面積A)中的一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)生變化，則電阻值隨著變化，因此可利用此原理來構(gòu)成傳感器。例如，若改變長度L，則可形成電位器式傳感器；改變L、A和則可做成電阻應(yīng)變片式傳感器；改變，則可形成熱敏電阻、壓敏電阻類傳感器。電位器式傳感器通過滑動(dòng)觸點(diǎn)把位移轉(zhuǎn)換為電阻絲的長度變化，從而改變電

2、阻值大小，進(jìn)而再將這種變化值轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化值。圖2-1 電位器的結(jié)構(gòu)類型 （a）直線位移型；（b）角位移型；（3）非線性型 電位器式傳感器分為直線位移型、角位移型和非線性型等，如圖2-1所示。不管是哪種類型的傳感器，都由線圈、骨架和滑動(dòng)電刷等組成。線圈繞于骨架上，電刷可在繞線上滑動(dòng)，當(dāng)滑動(dòng)電刷在繞線上的位置改變時(shí)，即實(shí)現(xiàn)了將位移變化轉(zhuǎn)換為電阻變化。2.2 電位器式傳感器電位器式傳感器2.2.1電位器的結(jié)構(gòu)類型電位器的結(jié)構(gòu)類型圖2-1 電位器的結(jié)構(gòu)類型（a）直線位移型；（b）角位移型；（3）非線性型2.2.2 電位器式傳感器的測(cè)量電路電位器式傳感器的測(cè)量電路電位器式傳感器的測(cè)量電路通常采

3、用電阻分壓電路，如圖2-2所示。其中放大器是為了消除負(fù)載電阻的干擾影響。對(duì)于線性電位器，電刷的相對(duì)行程X與電阻的相對(duì)變化成比例，即：若放大器的增益K=1，則：X maxXUinUout圖2-2 電阻分壓電路K2.3 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值也相應(yīng)發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)金屬絲在外力作用下沿軸線伸長，伸長量設(shè)為l，并因此截面積變化A，電阻率的變化為，這時(shí)電阻相對(duì)變化可表示為：2.3.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)電阻應(yīng)變效應(yīng)經(jīng)過整理，變換可得：式中：K0為電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，它表示單位應(yīng)變所引起的電阻值的相對(duì)變化。2.3.2 電阻應(yīng)變片的

4、結(jié)構(gòu)電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示，一般由敏感柵(金屬絲或箔)、基底、覆蓋層、黏合劑、引出線等組成。敏感柵是轉(zhuǎn)換元件，它把感受到的應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化；基底用來將彈性體的表面應(yīng)變準(zhǔn)確地傳送到敏感柵上，并使敏感柵與彈性體之間相互絕緣；覆蓋層用來保護(hù)敏感柵；黏合劑把敏感柵與基底粘貼在一起；引出線作為連接測(cè)量導(dǎo)線之用。常用電阻應(yīng)變片有兩大類：金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。圖2-3 電阻應(yīng)變片 金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式及薄膜式等結(jié)構(gòu)形式。絲式應(yīng)變片如圖2-4(a)所示，它是將金屬絲短接后粘接劑粘貼在基底上而成?；卓煞譃榧埢?、膠基和紙浸膠基等。電阻絲兩端焊有引出線，使用時(shí)只要將應(yīng)變

5、片貼于彈性體上就可構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。箔式應(yīng)變片如圖2-4(b)、(c)、(d)所示，它的敏感柵是通過光刻、腐蝕等工藝制成。箔柵厚度一般在0.0030.01mm之間。與絲式應(yīng)變片相比其表面積大，散熱性好，允許通過較大的電流。由于它的厚度薄，因此具有較好的可撓性，靈敏度系數(shù)較高。箔式應(yīng)變片還可以根據(jù)需要制成任意形狀，適合批量生產(chǎn)。圖2-4 金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)1基底；2敏感柵；3引線（a）金屬絲短接式；（b）金屬箔式；（c）用于扭矩測(cè)量；（d）用于流體壓力測(cè)量2.3.3 電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù) 應(yīng)變片在使用時(shí)通常是用粘接劑粘貼在在彈牲體上的，粘貼技術(shù)對(duì)傳感器的質(zhì)量起著重要的作用。應(yīng)

6、變片的粘接劑必須適合應(yīng)變片基底材料和被測(cè)材料，另外還要根據(jù)應(yīng)變片的工作條件、工作溫度和濕度、有無腐蝕、加溫加壓固化的可能性、粘貼時(shí)間長短等因素來進(jìn)行選擇。常用的粘接劑有硝化纖維素粘合劑、酚醛樹脂膠、環(huán)氧樹脂膠、502膠水等。應(yīng)變片在粘貼時(shí)，必須遵循正確的粘貼工藝，保證粘貼質(zhì)量，這些都與最終的測(cè)量精度有關(guān)。應(yīng)變片的粘貼步驟如下。2.3.4 電阻應(yīng)變片的特性及參數(shù)電阻應(yīng)變片的特性及參數(shù)（1）靈敏度系數(shù)）靈敏度系數(shù)K K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，與金屬單絲的靈敏系數(shù)為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)，與金屬單絲的靈敏系數(shù)K有一定差別，主要由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，有一定差別，主要由實(shí)驗(yàn)測(cè)得。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，

7、應(yīng)變片的靈敏系數(shù)應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于金屬絲線材的靈敏系數(shù)恒小于金屬絲線材的靈敏系數(shù)K。究其原因主要是膠體的傳遞變形失真及橫向效應(yīng)兩個(gè)方究其原因主要是膠體的傳遞變形失真及橫向效應(yīng)兩個(gè)方面。面。（2）電阻值）電阻值 應(yīng)變片電阻值是指應(yīng)變片沒有粘貼、也不受力時(shí)，在室應(yīng)變片電阻值是指應(yīng)變片沒有粘貼、也不受力時(shí)，在室溫下測(cè)定的電阻值。目前應(yīng)變片的電阻值溫下測(cè)定的電阻值。目前應(yīng)變片的電阻值(標(biāo)稱值標(biāo)稱值)也有一也有一個(gè)系列，如個(gè)系列，如60、120、350、600、1000等，其中以等，其中以120最為常用。實(shí)際使用的應(yīng)變片的阻值相對(duì)于標(biāo)稱值最為常用。實(shí)際使用的應(yīng)變片的阻值相對(duì)于標(biāo)稱值可能存在一些偏差

8、，因此使用前要進(jìn)行測(cè)量分選?？赡艽嬖谝恍┢?，因此使用前要進(jìn)行測(cè)量分選。（3）最大工作電流）最大工作電流 最大工作電流是指允許通過應(yīng)變片而不影響其工作特性的最大電流值。當(dāng)應(yīng)變片接入測(cè)量電路后，在敏感柵中要流過一定的電流，此電流使得應(yīng)變片溫度上升，從而影響測(cè)量精度，甚至燒毀應(yīng)變片。通常在靜態(tài)測(cè)量時(shí)，允許電流一般規(guī)定為25mA，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)可達(dá)75100mA；箔式應(yīng)變片可更大些。（4）橫向效應(yīng)）橫向效應(yīng) 應(yīng)變片受力時(shí)，不僅構(gòu)件的軸向應(yīng)變使敏感柵電阻發(fā)生變化，而且其垂直于應(yīng)變片軸向的橫向應(yīng)變r(jià)，也將使敏感柵半圓弧部分的電阻發(fā)生變化。應(yīng)變片的這種既受軸向應(yīng)變影響又受橫向應(yīng)變影響而引起電阻變化的現(xiàn)象稱為橫

9、向效應(yīng)。通過公式推導(dǎo)以及大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明：敏感柵越窄(r愈小)、基長越長(L愈大)的應(yīng)變片其橫向效應(yīng)引起的誤差越小。（7）應(yīng)變極限）應(yīng)變極限 應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化與所承受的軸向應(yīng)變成正比這一關(guān)系只在一定的范圍內(nèi)成立，當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過某一限值時(shí)，應(yīng)變片的輸出特性將出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到10時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱為應(yīng)變極限。應(yīng)變極限是衡量應(yīng)變計(jì)測(cè)量范圍和過載能力的指標(biāo)。（8）溫度誤差）溫度誤差 在采用應(yīng)變片進(jìn)行應(yīng)變測(cè)量時(shí)，希望它的阻值變化只與應(yīng)變有關(guān)，而不受其他因素的影響。但是在應(yīng)變片的實(shí)際應(yīng)用中，溫度變化會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片電阻變化，將會(huì)給測(cè)量帶來誤差。溫度變化導(dǎo)致電阻變化的主

10、要原因有兩個(gè)，一是在溫度變化時(shí)，敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化而變化；另一個(gè)是試件材料和敏感柵材料線膨脹系數(shù)不一致時(shí)，環(huán)境溫度變化會(huì)使敏感柵產(chǎn)生附加變形，其電阻值也會(huì)改變。2.3.5 電阻應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 電阻應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表(萬用表電阻擋)測(cè)量其電阻的變化將十分困難，且誤差很大。通常采用電橋電路，將應(yīng)變片微小的電阻變化轉(zhuǎn)化為易測(cè)量的電壓或電流信號(hào)。通過電橋電路輸出的信號(hào)既可用指示儀表(如電壓表)直接測(cè)量，也可以通過放大器放大作進(jìn)一步的信號(hào)處理。由于電橋測(cè)量電路簡(jiǎn)單，具有較高的精確度和靈敏度，能預(yù)調(diào)平衡，易消除溫度及環(huán)境的影響，因此在測(cè)量系統(tǒng)

11、中被廣泛采用。按照所采用的激勵(lì)電源不同，電橋可分為直流電橋和交流電橋。直流電橋主要的優(yōu)點(diǎn)是所需的高穩(wěn)定度直流電源較易獲得；電橋輸出是直流量，可以用直流儀表測(cè)量，精度較高；對(duì)傳感器至測(cè)量?jī)x表的連接導(dǎo)線要求較低；電橋的預(yù)調(diào)平衡電路簡(jiǎn)單，僅需對(duì)純電阻加以調(diào)整即可。但是零漂、溫漂和地電位的影響較大。交流電橋采用交流激勵(lì)電源，結(jié)合調(diào)制解調(diào)技術(shù)，能較好克服零漂和溫漂的影響，但是其電路相對(duì)復(fù)雜。1電橋的工作原理電橋的工作原理 圖2-5是直流電橋的基本形式。Rl、R2、R3、R4稱為橋臂電阻，Ei為電橋激勵(lì)電壓源。當(dāng)電橋輸出端b、d接入輸入阻抗較大的儀表或放大器時(shí)，可視為開路，輸出電流為零，輸出電壓為Eo。此

12、時(shí)輸出電壓圖2-5 直流電橋由式(2-9)可見。欲使輸出電壓為零，即電橋平衡，應(yīng)滿足：R1R3=R2R4 (2-10)式(2-10)是直流電橋的平衡條件。適當(dāng)選擇各橋臂的電阻值，可使電橋測(cè)量前滿足平衡條件，輸出電壓E0=0。實(shí)際的測(cè)量電橋往往取4個(gè)橋臂的初始電阻相等，即 R1=R2=R3=R4=R 稱為全等臂電橋。若橋臂電阻R1(如電阻應(yīng)變片)產(chǎn)生R變化，輸出電壓由于RR，可忽略分母中的2R項(xiàng)。則：式(2-11)表明，電橋輸出電壓與電橋的電源電壓成正比，在RR的條件下，電橋輸出電壓也與橋臂電阻的變化率R/R成正比。若電橋初始處于平衡狀態(tài)，當(dāng)各橋臂電阻均發(fā)生不同程度的微小變化R1、R2、R3和R

13、4時(shí)，電橋就失去平衡，此時(shí)輸出電壓 式(2-12)為電橋輸出電壓與各橋臂電阻變化量的一般關(guān)系式。由于RR，忽略分母中的R項(xiàng)和分子中R的高次項(xiàng)，對(duì)于最常用的全等臂電橋，式(2-12)可簡(jiǎn)化為 式（2-13）表述了惠斯登電橋的兩個(gè)重要特性：相鄰相減、相對(duì)相加。相鄰相減、相對(duì)相加。單臂電橋的靈敏度最低，因此在實(shí)際測(cè)量中很少采用。（a）直線位移型；通過電橋電路輸出的信號(hào)既可用指示儀表(如電壓表)直接測(cè)量，也可以通過放大器放大作進(jìn)一步的信號(hào)處理。設(shè)金屬絲在外力作用下沿軸線伸長，伸長量設(shè)為l，并因此截面積變化A，電阻率的變化為，這時(shí)電阻相對(duì)變化可表示為：如圖2-6所示，R1為測(cè)量應(yīng)變片，其余為固定電阻。一

14、般來說，供橋電壓高，放大倍數(shù)低點(diǎn)，供橋電壓愈低，放大倍數(shù)愈高。實(shí)際使用中，由于生產(chǎn)工藝等因素的影響，R1、R2、R3、R4不可能嚴(yán)格地全等，R的稍許偏差，就將造成即使在未受力的時(shí)候，橋路的輸出也不一定為零。圖中3DH020是集成恒流三極管（可用3DH系列），Ra可變電阻用于調(diào)節(jié)供橋電流穩(wěn)定在20mA。同樣的材料，越細(xì)或越薄，則電阻值越大。一般來說，供橋電壓高，放大倍數(shù)低點(diǎn)，供橋電壓愈低，放大倍數(shù)愈高。圖2-19是輸出二線制直流信號(hào)的測(cè)量電路。當(dāng)需要測(cè)量快速變化的量時(shí)就不適合了，如應(yīng)變式加速度傳感器測(cè)量，動(dòng)態(tài)測(cè)量電路如圖2-13。大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于金屬絲線材的靈敏系數(shù)K。

15、應(yīng)變片的粘貼步驟如下。溫度變化導(dǎo)致電阻變化的主要原因有兩個(gè)，一是在溫度變化時(shí)，敏感柵的電阻絲阻值隨溫度變化而變化；MPX4100的測(cè)量范圍：15115kPa；2電橋的連接方式電橋的連接方式（1）單臂電橋 如圖2-6所示，R1為測(cè)量應(yīng)變片，其余為固定電阻。當(dāng)R1的阻值變化R時(shí)，電橋輸出電壓為：圖2-6 單臂電橋單臂電橋的靈敏度最低，因此在實(shí)際測(cè)量中很少采用。式2-17中Cy取1F，Ry500K，fc0.膜片兩邊有兩個(gè)壓力腔，分別為低壓腔和高壓腔，低壓腔與大氣相通，高壓腔與被測(cè)系統(tǒng)相連接。MPX4100的測(cè)量范圍：15115kPa；其外形如圖2-18所示。因此必須設(shè)置調(diào)零電路，如圖2-10所示。應(yīng)

16、變片在粘貼時(shí)，必須遵循正確的粘貼工藝，保證粘貼質(zhì)量，這些都與最終的測(cè)量精度有關(guān)。實(shí)際使用的應(yīng)變片的阻值相對(duì)于標(biāo)稱值可能存在一些偏差，因此使用前要進(jìn)行測(cè)量分選。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時(shí)，其電阻率會(huì)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。VDZ是穩(wěn)壓管用于穩(wěn)定供橋電壓，穩(wěn)壓管電流約為10 mA。但是在應(yīng)變片的實(shí)際應(yīng)用中，溫度變化會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片電阻變化，將會(huì)給測(cè)量帶來誤差。6 電阻應(yīng)變片的測(cè)量放大電路Cy、Ry組成高通濾波器，下限截止頻率按式（2-17）計(jì)算：8mA，HB2119只需要任一腳供電即可。電位器式傳感器的測(cè)量電路通常采用電阻分壓電路，如圖2-2所示。（2）差動(dòng)半橋 差動(dòng)半橋利用了相鄰相減的特性，將2個(gè)相鄰的應(yīng)變片布置在受力變形相反的地方，形成電壓差動(dòng)方式。如圖2-7所示，R1、R2為應(yīng)變片，發(fā)生應(yīng)變時(shí)，其R的變化是相反的，因此電橋輸出電壓為：圖2-7 差動(dòng)半橋R1、R2測(cè)量片；R3、R4溫度補(bǔ)償片F(xiàn)R1R2R4R3(3)差動(dòng)全橋 差動(dòng)全橋是使用最多的測(cè)量電路，有最高的測(cè)量靈敏度，而且自然地形成了溫度補(bǔ)償。如圖2-8所示，4個(gè)應(yīng)變片都是測(cè)量片，R1、R