电阻式传感器ppt课件.pptx

1,第六章 常用传感器及新型传感器 -电阻式传感器,6.1电阻式传感器,2,电阻式传感器是将被测的非电量转换成电阻值变化的器件或装置。,被测量,电阻式传感器,电阻,3,热电阻,湿敏电阻,热敏电阻,气敏电阻,光敏电阻,工作原理可分为：,4,磁敏电阻,电阻应变式传感器,压阻式传感器。,电位器式传感器,压敏电阻,1. 电阻应变式传感器,5,电阻应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器, 是常用的传感器之一。由电阻应变片、弹性元件和测量电路组成。应变式传感器的核心元件是电阻应变片。,电阻应变片,弹性元件,信号调节电路,6,1.1.电阻应变片的工作原理,弹性元件变形,应变片变形,电阻改变,F,e,e,DR,力,f(F)的形式与弹性元件有关。,1.2 电阻应变片的分类,7,主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同，将应变片分为金属式和半导体式两大类。从敏感元件的形态又可进一步分成不同类型。,8,(1)金属应变片 金属丝式应变片 金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角。弯曲部分作成圆弧(U)形是最早采用的一种形式，制作简单但横向效应较大。直角(H)形两端用较粗的镀银铜线焊接，横向效应相对较小，但制作工艺复杂，将逐渐被横向效应小、其他方面性能更优越的箔式应变片所代替。,图示 丝 式电阻应变片,9,长为L、截面积为A、电阻率为的金属或半导体丝，电阻为,若导线沿着轴线方向受到力的作用而产生变形，则其电阻值也随之发生变化，这一现象称为电阻应变效应。,金属应变片应变效应,10,将式 两边微分得,由 =(轴向应变)、 （径向应变）=- （为泊松比）、 （电阻率的相对变化）=（为压阻系数、 为轴向正应力）经推导可得：,11,KS称为电阻应变敏感材料的灵敏系数,（1+2）项是由电阻丝几何尺寸变化所引起的，对于同一种材料， （1+2）项是常数。E项则是由于电阻丝的电阻率随应变变化而变化。对于金属丝来说， E是很小的，可忽略，故,12,箔式应变片 它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片。厚度一般在（0.0030.01mm)。,13,箔式应变片与金属丝式应变片相比有如下特点： i.敏感栅尺寸准确、线条均匀，故大批量生产时，电阻值离散程度小。并且可根据不同测量要求制成任意形状。 ii.可制成基长很小的应变片。 iii.敏感栅弯头横向效应可忽略。 iv.箔式应变片敏感栅截面为长方形，表面积大，散热性能好，在相同断面积情况下能通过较大的工作电流，从而能增大输出信号。 v.疲劳寿命长，机械滞后小，蠕变小。 vi.便于批量生产，而且生产效率高。,14,薄膜式应变片 采用真空溅射或真空沉积等镀膜技术将应变电阻材料镀在基底材料上而形成的应变片(厚度在零点几纳米到几百纳米)。这类应变片的显著特点是灵敏系数大，允许电流密度大，工作温度范围广(-197317)，也可用于核辐射等特殊情况下，易实现工业化批量生产。,15,(2)半导体应变片,工作原理：基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应，是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。其一中典型结构图使用方法： 方法与金属电阻应变片相同，即粘贴在弹性元件或被测物体上，随被测试件的应变其电阻发生相应变化。,16,常用的半导体应变片：薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成的。扩散型半导体应变片是将P型杂质扩散到高阻的N型硅基片上，形成一层极薄的敏感层制成的。外延型半导体应变片是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。,17,半导体应变片有如下优点: 灵敏度高。比金属应变片的灵敏度大几十倍。工作时，不必用放大器就可用电压表或示波器等简单仪器记录测量结果。 体积小，耗电省。 具有正、负两种符号的应力效应(即在拉伸时P型硅应变片的灵敏度系数为正值，而N型硅应变片的灵敏度系数为负值)。 机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。,18,1.3 电阻应变片的特点 (1)优点： 测量精度高，测量应变的误差小于1%。能测12me的应变。 测量范围广，应变测量范围一般可由数个me至数千个me。从弹性变形一直可测至塑性变形。变形范围从1%20%。 分辨力高，通常可达1me 频率响应特性好，一般电阻应变片响应时间约为10-710-11s，若能在弹性元件设计上采取措施，则电阻应变式传感器可测几十甚至上百kHz的动态过程。,19,尺寸小(超小型应变片的敏感栅尺寸为 0.2mm2.5mm)、重量轻、结构简单，测试时对试件的工作状态及应力分布基本上没有影响，适合动、静态测量。 环境适应性强，可在高温、低温、高压、高速、水下、强烈振动、强磁场、核辐射及化学腐蚀等各种恶劣环境条件下使用。 便于实现多点测量及远距离传送。,20,(2)缺点： 在大应变状态下具有较大的非线性，半导体应变片的非线性更为显著。 应变片的输出信号较微弱，故其抗干扰能力较差，因此，对信号连接导线要认真屏蔽。 虽然应变片尺寸较小，但测出的仍是应变片敏感栅范围内的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的变化。 应变片的温度系数较大。,1.4 电阻应变片的主要参数,21,(1)电阻值 应变片的电阻值是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初始电阻值。应变片的电阻值是一个系列，有60W、90W、120W、250W、350W、600W和1000W等，其中以120W和350W应用较多。 电阻值越大，DR=RKSe也就越大，从而输出信号就能增大，但敏感栅尺寸也要随之增大。,22,(2)几何尺寸 应变片的标距(或工作基长)l相对于工作宽度b较小时横向效应较大，所以通常情况下尽量用l值较大的应变片。但在应变变化梯度大的场合(如应力集中处)，则应该使用小标距的应变片。目前应变片的最小标距可做到0.2mm，最大标距可达300mm以上。 应变片的基宽(或工作宽度)b值小时应变片的整体尺寸可减小，但其过小将使散热性能变差。,23,(3)灵敏系数 应变片灵敏系数(以下用K表示)的定义为：将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，试件由泊松比=0.285的钢构成。使其灵敏轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿轴向的应变之比值，称为应变片的灵敏系数。即,24,应变片的灵敏系数是一个无量纲的量，它是应变片的重要技术参数。K值的误差大小是衡量应变片质量好坏的主要依据之一，其准确性又直接影响着应变片的测量精度。 因一般应变片粘贴到试件上后不能取下再用，故只能在每批产品中提取一定百分比(如5%)的产品进行测定，取其平均值作为这一批产品的灵敏系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏系数，或称“标称灵敏系数”。,25,(4)绝缘电阻 绝缘电阻是指应变片引出线与粘贴该应变片的试件之间的电阻值。它是检查应变片粘贴质量、粘合剂是否完全干燥或固化的重要指标。绝缘电阻越高越好，一般应大于104MW。,26,(5)允许电流 允许电流是指允许通过应变片敏感栅而不影响其工作特性的最大工作电流。它与应变片敏感栅的形状和尺寸、基底尺寸和材料、粘合剂的材料及试件的热性能有关。为了保证测量精度，在静态测量时，允许电流一般为25mA，箔式应变片允许电流较大一些。在动态测量时，允许电流为75100mA。最大工作电流选取的依据是使应变片的零漂不超过允许值。,27,(6)应变极限 变极限是指在一定温度条件下，应变片指示的应变值与试件真实应变的相对差值不超过10%时的最大真实应变值。影响应变极限大小的主要因素是粘合剂和基底材料的性能。,28,(7)疲劳寿命 疲劳寿命是指粘贴在试件表面上的应变片，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。该参数反映了应变片适应动态应变的能力。在标定应变片疲劳寿命时，交变应力的特性及大小，以及所谓疲劳损坏都有明确的规定。,29,(8)机械滞后 应变片安装在试件上后，在一定温度下，其加载、卸载特性不重合，在同一机械应变值eg下，其对应的指示应变ei不一致。加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值称应变片的机械滞后。,30,(9)零漂和蠕变 粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。 如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。,31,(10)线性度 试件的应变e和电阻的相对变化DR/R在理论上呈线性关系。但实际上，在大应变时会出现非线性关系。应变片的非线性度一般要求在0.05%或1%以内。,1.5 电阻应变式传感器举例,32,1.应变式测力与称重传感器 应变式测力传感器由弹性体、应变片和外壳组成。弹性体是测力传感器的基础，应变片是传感器的核心。根据弹性体结构形式的不同可分为：柱式、轮辐式、梁式、环式等。,33,(1)柱式传感器 柱式传感器是称重(或测力)传感器应用较普遍的一种形式。它分为柱形和圆筒形两种。圆筒或圆柱在外力F作用下产生的应变为,34,一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面的中间部分，如左图所示，并连接成右图所示的桥路。,R1和R3，R2和R4分别串联，放在相对桥臂内，这是为了消除弯矩的影响。横向粘贴的应变片R5、R6、R7和R8作为温度补偿片(也可起到提高灵敏度的作用,35,筒式结构可使应变片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；在筒壁上还能开孔，如图所示，形成许多条应力线，从而与载荷在端面的分布无关，并可减少偏心载荷、非均布载荷的影响，使引起的误差更小。,36,(2)悬臂梁式传感器 悬臂梁式传感器是一种低外形、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。配以相应的应变仪，数字电压表或其他二次仪表，即可显示或记录重量(或力)。 悬臂梁有两种，一种为等截面梁，另一种为等强度梁。,37,等截面梁就是悬臂梁的横截面处处相等。当外力F作用在梁的自由端时，在固定端产生的应变最大，粘贴应变片处的应变为,顺着梁的长度方向分别贴上R1、R2和R3、R4四个电阻应变片(R3、R4在下面)。将它们组成差动全桥，则电桥的灵敏度为单臂工作时的4倍。,等强度梁的结构如图所示。其特点是：沿梁长度方向的截面按一定规律变化，当集中力F作用在自由端时，距作用点任何距离之截面上的应力相等，为,38,这种梁的优点是在长度方向上粘贴应变片的要求不严格。,39,悬臂梁式传感器的优缺点 悬臂梁式传感器一般可测0.5kg以下的载荷，最小可测几十克重。悬臂梁式传感器也可达到很大的量程，如工字钢悬臂梁结构传感器，量程为0.230t，精度可达0.02%F.S.。 具有结构简单、应变片容易粘贴，灵敏度高等特点。,40,除等截面梁和等强度梁传感器外，还有剪切梁式传感器，两端固定梁传感器等等。如图所示，为几种梁式传感器外形。,41,（a）双孔梁 （b）S形,42,如图所示，是引进美国HBM公司技术和生产线生产的SB3悬臂梁式传感器。,43,案例：电子称,(3)轮辐式传感器 轮辐式传感器是一种剪切力传感器。轮辐条成对地连接在轮圈和轮轱之间，可为四根或八根。采用钢球传递重力，因为圆球压头有自动定中心的功能。,44,1轮轱；2轮圈； 3轮辐条；4承压应变片；5承拉应变片,45,(4)环式传感器 圆环式传感器弹性元件的结构如图所示。环式传感器常用于测几十千克以上的大载荷，与柱式相比，它的特点是应力分布变化大，且有正有负，便于接成差动电桥。,(a)拉力环 (b)压力环,2 压阻式传感器,46,压阻效应固体受到作用力后电阻率发生变化的现象。 压阻式传感器有两种类型： 利用半导体材料做成的粘贴式应变片； 在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，称扩散型压阻传感器。,47,2.1 压阻式传感器的优点： 灵敏度非常高，有时传感器输出不需放大就可直接用于测量； 分辨率高，例如测量压力时可测出1020Pa的微压； 测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低频加速度和直线加速度。 体积小。 压阻式传感器的缺点： 温度误差大，需温度补偿或恒温条件下使用。,2.2 基本工作原理,48,压阻效应是因为在外力作用下，原子点阵排列发生变化，导致载流子迁移率及浓度发生变化而形成的。 由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻系数不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关。所谓晶向，就是晶面的法线方向。晶向的表示方法有截距法和法线法。,2.3 压阻式传感器举例,49,1.压阻式压力传感器 传感器硅膜片两边有两个压力腔。一个是和被测压力相连接的高压腔，另一个是低压腔，通常和大气相通。,当膜片两边存在压力差时，膜片上各点存在应力。膜片上的四个电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，其输出的电压与膜片两边压力差成正比。 其核心部分是一块沿某晶向切割的N型圆形硅膜片，在膜片上扩散四个P型电阻。圆形硅膜片的晶向为,50,即铅垂线方向。,51,MPM388压阻式压力传感器,52,2.压阻式加速度传感器 压阻式加速度传感器采用硅悬臂梁结构。在硅悬臂梁的自由端装有质量块，在梁的根部，扩散四个性能一致的电阻。,1-基座；2-扩散电阻；3-质量块；4-硅梁,重点掌握,53,电阻应变片的基本原理；电阻应变片的温度特性及补偿；压阻式传感器的基本工作原理。,