第二章--电阻式传感器课件.ppt

1、第二章 电阻式传感器 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。第一节 应变式传感器的结构和工作原理第二节 应变式传感器的测量电路第三节 应变式传感器的应用第一节 应变式传感器目前自动测力或称重中应用最普遍的是应变式传感器，应变式传感器有下列优点：1.精确度，线性度好，灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小，寿命高 3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测 4.结构较简单，体积较小应用灵活 5.工作稳定和保养方便应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速度，振幅等其他物理量。应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感

2、器。一、工作原理（一）金属的电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。取一根长度为L，截面积为S，电阻率为 的金属丝，未受力时其电阻R为.LRS（2-1）当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长L,横截面积相应减小S,电阻率将因晶格发生变形等因素而改变,故引起电阻值相对变化量为SSLLRR式中L/L是长度相对变化量,用应变表示LLS/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即 rrSS2（2-2）（2-3）（2-5）由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为LLrr式中:电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。（2-5

3、）将式（2-3）,式（2-5）代入式（2-2）,可得 或)21(RR（2-6）)21(RR（2-7）通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的灵敏度系数灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为012K（2-8）0RkR（2-9）因此灵敏度系数灵敏度系数K K受两个因素影响受两个因素影响 一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即即1+21+2 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即即（/）/。对对金属材料金属材料：1+21+2(/)/)/对对半导体材料半导体材料：(/)/)/1+21+2

4、 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对电阻的相对变化与应变成正比，即变化与应变成正比，即K K为常数。为常数。用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传感器。(二)应变片的基本结构及测量原理（1）敏感栅 感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。（2）基底 绝缘及传递应变。测量是应变片的基底提高

5、粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。（3）粘结剂 敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。（4）覆盖层保护作用。防湿、蚀、尘。（5）引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量。二、应变片的类型和材料（一）应变片的类型和材料1.金属丝式应变片回线式：横向效应较大短接式：克服横向效应金属丝式应变片材料要求2.金属箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。优点：可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；与被测件粘结面积大；散热条件好

6、，允许电流大，提高了输出灵敏度；横向效应小；蠕变和机械滞后小，寿命长。缺点：电阻值的分散性大3.金属薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大。存在问题：温度稳定性差图3-3 常用应变片的形式 (二)应变片的粘贴 应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线性以及它们受温度变化影响的程度。对粘合剂和粘贴工艺有严格要求应变片的粘贴应变片的粘贴1

7、.1.去污：采用手持去污：采用手持砂轮工具除去构件砂轮工具除去构件表面的油污、漆、表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹布交叉打磨出细纹以增加粘贴力以增加粘贴力 ，用，用浸有酒精或丙酮的浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球纱布片或脱脂棉球擦洗。擦洗。应变片的粘贴应变片的粘贴 2.2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶上，各涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡滚压，排出下面的气泡

8、 。应变片的粘贴应变片的粘贴 3.测量测量：从分开：从分开的端子处，预先的端子处，预先用万用表测量应用万用表测量应变片的电阻，发变片的电阻，发现端子折断和坏现端子折断和坏的应变片。的应变片。应变片的粘贴应变片的粘贴4.4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。不要把端子扯断。应变片的粘贴应变片的粘贴5.5.固定：固定：焊接焊接后用胶布将引后用胶布将引线和被测对象线和被测对象固定在一起，固定在一起，防止损坏引线防止损坏引线和应变片。和应变片。三、金属应变片的主要特性三、金属应变片的主要特性(一)灵敏系数RRK/灵敏系数由实验确定。实验发现，实

9、际应变片的K值比单丝的K值要小，造成此现象原因是横向效应。还有粘结层传递变形失真。(二)横向效应金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外)，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlrrdld0图为 应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为，沿横向应变为r。当将应变片粘贴在被测试件上时,由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和（n-1）个半径为r的半圆组成,若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变x时,则各直

10、线段的电阻将增加,但在半圆弧段则受到从+x到-x之间变化的应变。若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变作用下，全部纵栅的变形视为L1半圆弧横栅同时受到和r的作用，在任一微小段长度d l=r d上的应变可由材料力学公式求得 每个圆弧形横栅的变形量l为纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为2cos2121rrrrrrddll200rrnL212L1=n l应变片敏感栅的总变形为应变片敏感栅的总变形为敏感栅栅丝的总长为敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻，则电阻相对变化为相对变化为令令 则则 可见，敏感栅电阻的相对变化分别是可见

11、，敏感栅电阻的相对变化分别是和和r作用的结果。作用的结果。rrnrnnlLLL2121221rSSSKLrnKLrnnlLLKRR2)1(2)1(2SxKLrnnlK2)1(2SyKLrnK2)1(ryxKKRR当当r=0时，可得轴向灵敏度系数时，可得轴向灵敏度系数同样，当同样，当=0时，可得横向灵敏度系数时，可得横向灵敏度系数横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即。即 由上式可见，由上式可见，r愈小，愈小，l愈大，则愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小基长越长的应变片，

12、其横向效应引起的误差越小。xxRRKryyRRKrnnlrnKKHxy121 横向效应在圆弧段产生，消除圆弧段即可消除横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。(三)机械滞后、零漂和蠕变加载和卸裁特性曲线之间的最大差值称为应变片的滞后值。粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定没有机械应变的情况下，电阻值随时问变化的特性称为应变片的零漂。粘贴在试件上的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变，其电电阻值随时间变化而变化的特性称为应变片的蠕变。一般来说，蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。(四)应变

13、极限和疲劳寿命应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料，基底和粘结剂的厚度不宜太大，并经适当的固化处理。对于已安装的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数称为应变片的疲劳寿命。（五）最大工作电流和绝缘电阻绝缘电阻是指应变片的引线与被测件之间的电阻值。最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会把应变片烧毁。（六）应变片的电阻值电阻值大可加大应变片承受电压，因此输出信号大，但敏感栅尺寸也增大。（4）零点漂移和蠕变零点漂移和蠕变 对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时对于粘贴好的应变片，当温

14、度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移漂移。产生原因产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。逐渐变化；粘结剂固化不充分等。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。向与原应变量的方向相反。产生原因产生原因：由于胶层之间发生：由于胶层之间发生“滑动滑动”，使

15、力传到敏感栅的应变量逐渐减少。，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。是一个特例。（5）应变极限）应变极限在一定温度下，在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应）时的最大真实应变值。变值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械在图中，真实应变是由于工作温度变化或承

16、受机械载荷，在被测试件内产生应力载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力包括机械应力和热应力)时所时所引起的表面应变。引起的表面应变。lim真实应变z指示应变i应变片的应变极限 1 0%1主要因素：粘结剂和基底主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。得较高的应变极限。(六)动态响应特

17、性电阻应交片在测量频率较高的动态应变时，应考虑其动态特性。动态应变是以应变波的形式在试件中传播的，它的传播速度与声波相同。电路的作用：电路的作用：将电阻的变化量转换为电压输出。通常采用直流电桥和交流电桥。一、一、直流电桥直流电桥 1.直流电桥直流电桥工作原理工作原理 四、转换电路直流电桥电路如图所示，它的四个桥臂由电阻1,2,3,4R R R R组成AC端接直流电压UBD端输出电压0U一般情况桥路应接成等臂电桥,输出为零。这样无论哪个桥臂上受到外来信号作用后，桥路都将失去平衡，就会有信号输出。电桥输出端接入输入阻抗很高的指示仪表或放大器时，可认为电桥负载为无穷大，电桥输出端相当于开路，只能输出

18、电压信号，称为电压输出。此时，桥路的电流为：112UIRR234UIRRAB之间和CD之间的电位差分别为：11ABUI R23ADUI R01123ABADUUUI RI R314231012341234()()()RR RR RRUUURRRRRRRR311234URURRRRR空载输出当电桥平衡时,Uo=0,则有 R1R4=R2R3 或4321RRRR电桥平衡条件电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。电桥接入的是电阻应变片时，即为应变桥。当一个桥臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时，相应的电桥为单臂桥、半桥和全臂桥。单臂电桥单臂电桥双臂电桥双臂电桥四臂全桥四臂全

19、桥 2不平衡直流电桥的工作原理及电压灵敏度 当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗很高，比电桥输出电阻大很多，可把电桥输出端看成开路。单臂电桥单臂电桥R1为电阻应变片，RL 。3111401123411234()()()RRRR RUUURRRRRRRRRR413113124113(1)(1)RRRRUR RRRRRRR同除以 设桥臂比n=R2/R1,分母中R1/R1可忽略。由电桥平衡条件R2/R1=R4/R3。1021(1)RnUUnR电桥电压灵敏度定义为0211(1)UUnKURnR？当U值确定后，n取何值时才能使KU最高？提高灵敏度的措施 提高供电电源的电压U（在功耗允许的范围内）n=1

20、 R1=R2=R3=R4由dKU/dn=0求KU的最大值,得0)1(132nndndKU n=1时,KU为最大值。当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有1044URUURUK得出单臂电桥电桥输出为04UUK直流电桥的优点：高稳定度直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小等。（二）电桥的非线性误差单臂桥实际输出为：非线性误差为11011(1)(1)RnRUURnnR 1112110011021(1)(1)(1)(1)LRnRRnUURnRnnUURRnUUnR 对于对称电桥，n=1KKRRRRL21121212111111111RRRnR（1）采用差

21、动双臂电桥双臂电桥电桥减小非线性误差试件上安装两个应变片，R1 受拉，R2受压。接入电桥相邻桥臂,则电桥输出电压为 对于一般应变片来说,所受应变通常在510-3以下,若取KU=2,则R1/R1=KU=0.01,代入式（3-38）计算得非线性误差为0.5%;若KU=130,=10-3时,R1/R1=0.130,则得到非线性误差为6%,故当非线性误差不能满足测量要求时,必须予以消除。双臂电桥双臂电桥 R1、R2为应变片，为应变片，R3、R4为固定电阻为固定电阻。应变片。应变片R1 、R2 感受到的应变感受到的应变 1 2以及产生的电阻增以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输量正负号相间，可以使输出

22、电压出电压Uo成倍地增大。成倍地增大。3110112234()RRRUURRRRRR如果R1=R2,R1=R2,R3=R4,则得1012RUUR结论结论：差动电桥消除了非线性误差，灵敏度比单臂电桥提高了一倍。且具有温度补偿作用。四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片，全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变如果设法使试件受力后，应变片片R1 R4产生的电阻增量（或产生的电阻增量（或感受到的应变感受到的应变 1 4）正负号相）正负号相间，就可以使输出电压间，就可以使输出电压Uo成倍成倍地增大。地增大。3311011223344()RRRRUURRRRRRRR101RUURUKU

23、结论：结论：全桥电路电压灵敏度为单臂桥的4倍，消除了非线性误差，且具有温度补偿作用。若R1=R2=R3=R4,且R1=R2=R3=R4,则(2)采用恒流源电桥减小非线性误差 结论：上述三种工作方式中，全桥四臂工作结论：上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。偿。(二)交流电桥当被测量为动态量时，应变电桥采用交流电桥。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,相当于二只应变片各并联了一个电容,则每

24、一桥臂上复阻抗分别为 (二)交流电桥11111CjwRRRZ22222CjwRRRZ33RZ 44RZ)()(432132410ZZZZZZZZUU输出电压 要满足电桥平衡条件,即U0=0,则有 Z1 Z4=Z2 Z3 将Z1、Z4、Z2、Z3值代入得3222411111RCjwRRRCjwRR 整理上式得24241313CjwRRRCjwRRR交流电桥的平衡条件为 3412RRRR2112CCRR结论结论：交流电桥除了要满足电阻平衡条件外,还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。当被测应力变化引起Z1=Z0+Z,Z2=Z0Z变化时,则电桥输出为：0001(

25、)22ZZUUZR1R2R4R3ACR5DUoU(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU(d)BRD交流电桥平衡条件：交流电桥平衡条件：五、温度误差及其补偿(一)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。环境温度变化时，敏感栅电阻随温度的变环境温度变化时，敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。化引起的误差。)1(0tRRtt0ttRRtRtRRtt 1敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示式中:t金属丝的电阻温度系数;t温度变化值,tt t0。当温度变化t时 环境

26、温度变化时，试件材料的线膨胀引起的误差环境温度变化时，试件材料的线膨胀引起的误差ktaakRRsgt)(2gasa应变片灵敏系数试件膨胀系数应变片敏感栅材料的膨胀系数因此，由于温度变化形成总的电阻相对变化为taatkkRRsgtt)(/(二)温度补偿通常补偿温度误差的方法有的自偿法和线路补偿法1自补偿法(1)单丝自补偿法：用热处理的方法调整栅丝的温度系数taatkkRRsgtt)(/要实现温度自补偿,必须有 电阻丝材料与被测材料配合恰当，基本满足上式。()tgsk(2)组合式补偿偿法应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝串接组成。12()()ttRR 2.线路补偿法常用的最好的补偿方法是电桥

27、补偿法。补偿原理：桥路相临两臂增加相同电阻，对电桥输出无影响。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为URRRRRRRRURRRRRRUBBB)()(431341433110Uo=A（R1 R4 RB R3)式中:A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。R1工作应变片；RB补偿应变片 温度补偿条件：R3=R4。R1与RB为特性一致的应变片。R1为工作应变片，RB为补偿应变片它们处于同一温度场，且仅工作应变片R1承受应变。补偿过程：当温度升高或降低t=tt0时,工作应变片由R1变为R1+R1t，补偿应变片由RB 变为RB+RBt。且R1t=RBt。此时电桥输出为Uo=A（R

28、1+R1t）R4(RB+RBt)R3=0 若此时被测试件有应变的作用,则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K,而补偿片因不承受应变,故不产生新的增量,此时电桥输出电压为 Uo=AR1R4K Uo 与成单值函数关系。2 热敏电阻补偿法热敏电阻Rt与应交片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出电压。选则分流电阻的值可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。5R被测物理量：被测物理量：荷重或力。荷重或力。主要用途：主要用途：作为各种电子称与材料试验机作为各种电子称与材料试验机的测力元件、的测力元

29、件、发动机的推力测试、发动机的推力测试、水坝坝水坝坝体承载状况监测等。体承载状况监测等。力传感器的弹性元件：力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环柱式、筒式、环式、悬臂式等。式、悬臂式等。六、应变式传感器举例六、应变式传感器举例图图4.9 圆柱（筒）式力传感器圆柱（筒）式力传感器（a）柱式；（柱式；（b）筒式；（筒式；（c）圆柱面展开图；（圆柱面展开图；（d）桥路连线图桥路连线图 1.柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器 1.柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器 图 所示为柱式、筒式力传感器,贴片在圆柱面上的位置及在桥路中的连接如图（c）、（d）所示。纵向和横向各贴四片应变片，纵向对称的R1和R3

30、串接,R2和R4串接,横向的R5和R7串接,R6和R8串接,并置于桥路对臂上以减小偏心载荷及弯矩的影响,横向贴片作温度补偿用。桥路输出电压012341()4iUkU)/21mNESEF（为杨氏摸量纵向应变片的应变为：10112)1(24)1(2KUKUUimim电桥输出为接成全桥，总应变为横向应变片应变为 2.2.环式力传感器环式力传感器 对对R/h5的小曲率圆环：的小曲率圆环：A、B两点的应变。两点的应变。EbhFREbhFRBA2291.109.1这样，这样，测出测出A、B处的应变，处的应变，即可得到载荷即可得到载荷F。A23(/2)2(1)F Rhbh EB23(/2)2F Rhbh E

31、内贴取内贴取“一一”内贴取内贴取“”式中：式中：h圆环厚度；圆环厚度；b圆环宽度；圆环宽度；E材料弹性模量。材料弹性模量。0()()0URRUfKf FRRRUFR 测量（3 3）悬臂梁式力传感器）悬臂梁式力传感器3梁式力传感器梁式力传感器应变式力传感器应变式力传感器 应变式力传感器应变式力传感器 FFFF各种悬臂梁各种悬臂梁 各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆4轮辐式力传感器轮辐式力传感器（二）（二）应变式压力传感器应变式压力传感器 1.膜片式压力传感器膜片式压力传感器,应变片贴在膜片内壁,在压力p作用下,距离圆心x处膜片产生径向应变r和切向应变t,表达式分别为:EhxR

32、Pr2228)3)(1(32EhxRPt2228)(1(32 p膜片上均匀分布的压力;R,h膜片的半径和厚度;x离圆心的径向距离。膜片弹性元件承受压力p时,其应变变化曲线的特点为:maxmaxmax20,0rrttrRxx时，当时当 在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片,在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片,然后接成全桥测量电路。输出电压为：maxmaxmaxmaxmax4433221105.1)22(4)(4rrrrrUKKURRRRRRRRUU2筒式压力传感器筒式压力传感器3组合式压力传感器组合式压力传感器图图4.13 应变片液体重量传感器应变片液体重量传感器 4.4.3 应变式容

33、器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器感压膜感受上面液体的压力。感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时，当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为：式中式中,K1，K2为传感器传输系数。为传感器传输系数。AQgh 结论：结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。可以测量容器内储存的溶液重量。0US h g0S QUA4

34、.4.4 4.4.4 应变式加速度传感器应变式加速度传感器用于物体加速度的测量。用于物体加速度的测量。依据：依据：a=F/m。图图4.14 电阻应变式加速度传感器结构图电阻应变式加速度传感器结构图 测量原理：测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变

35、化。发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，从而输出电压，即可得出加速度即可得出加速度a值的大小。值的大小。适用范围：适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合，不适用于频率较高的振动和冲击场合，一一般适用频率为般适用频率为1060 Hz范围。范围。第二节 压阻式传感器压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。半导体压阻式传感器的分类：粘贴式应变片扩散硅型压阻传感器特点：灵敏系数大，分辨率高，频率影响高，体积小。主要用于测量压力、加速度和载荷等一、半导体应变片结构及工作原理

36、 1、半导体应变片的制作与结构制作材料用单晶硅、锗。P型单晶硅结构如图。在直角坐标系中它有许多晶轴方向，实验发现沿不同晶轴方向压阻系数相差很大（电阻率变化相差很大）。2、工作原理压阻效应：半导体沿某一轴向受到应力而产生应变时，其电阻率发生变化，此现象为压阻效应。一、基本工作原理(12)RlRl半导体电阻率的变化为：llelEl 半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。当硅膜比较薄时，在应力作用下的电阻相对变化为：lleeleleRR 纵向压阻系数横向压阻系数纵向应力横向应力二、温度误差及其补偿二、温度误差及其补偿 压阻式传感器受到温度影响后，要产生零位漂移和灵敏度漂移，因而

37、会产生温度误差。传感器灵敏度的温漂是由于压阻系数随温度变化而引起的。当温度升高时，压阻系数变小，传感器的灵敏度要降低，反之灵敏度升高。零位温漂一般可用串、并联电阻的方法进行补偿。三、压阻式传感器举例三、压阻式传感器举例(一一)半导体应变式传感器半导体应变式传感器常用硅、锗等材料作成单根状的敏感栅，其使用方法与金属应变片相同。因为(12)lRER半导体应变片的灵敏系数为：BlKE半导体应变片的突出优点半导体应变片的突出优点是灵敏系数很大，可测微小应变。此外，尺寸小、横向效应和机械滞后也小。主要缺点主要缺点是温度稳定性差和测量较大应交时非线性严重，必须采取补偿措施。此外，灵敏系数随拉伸或压缩而变，

38、且分散性大。(二二)压阻式压力传感器压阻式压力传感器在一块圆形的单晶硅膜片上,布置四个扩散电阻,组成一个全桥测量电路。膜片用一个圆形硅杯固定,将两个气腔隔开。一端接被测压力,另一端接参考压力。当存在压差时,膜片产生变形,使两对电阻的阻值发生变化,电桥失去平衡,其输出电压反映膜片承受的压差的大小。压阻式压力传感器的主要优点是体积小,结构比较简单,动态响应也好,灵敏度高,能测出十几帕斯卡的微压,它是一种比较理想,目前发展和应用较为迅速的一种压力传感器。这种传感器测量准确度受到非线性和温度的影响,从而影响压阻系数的大小。现在出现的智能压阻压力传感器利用微处理器对非线性和温度进行补偿,它利用大规模集成电路技术,将传感器与计算机集成在同一块硅片上,兼有信号检测、处理、记忆等功能,从而大大提高传感器的稳定性和测量准确度。(三三)压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器23036124mlaEbhEbhfml恰当地选择传感器尺寸及阻尼率，用以测量低频加速度和直线加速度。