發布日期：2022-10-09 點擊率：75
應變式電阻傳感器是借助于彈性元件，將力的變化轉化為變形，然后利用導體的應變效應，將力轉化變成電阻的變化，終利用測量電路得到被測量（力）的電信號。應變式電阻傳感器主要包括彈性元件，電阻應變片及測量電路。
電阻應變片的結構及工作原理說明：
（1）結構
電阻應變式片的結構圖
合金電阻絲以曲折性（柵形）粘接劑粘貼在絕緣基片上，兩端通過引線出，絲柵上面再粘貼一層絕緣保護膜。把應變片貼于被測變形物體上，敏感柵隨被測物體表面的變形而使電阻值改變，只要測出電阻的變化就可得知變形量的大小。電阻應變片主要恩威金屬應變片和半導體應變片，常見的金屬應變片有絲式，箔式和薄膜式三種（如圖），半導體應變片是在硅上利用擴散技術形成電阻。
1.電阻絲；2.金屬箔；3.半導體；4.基片
2.應變效應
導體貨半導體收外力作用變形時，其電阻值也將隨之變化，這種現象被稱為：應變效應。設有一金屬導體，長度為I，界面劑為S，電阻率為P，則該導體的電阻R為：
如上圖所示，當金屬導體收到拉力作用時，長度Δ1,截面積將縮小ΔS，從而導致電阻增加ΔR，這樣，導體的電阻變為R+ΔR。通過推導，可以得出導體電阻的相對變化量為：
由上圖式中可以得出，Σ=ΔI/I成為縱向應變式；K為金屬導體的應變靈敏度。下圖為金屬絲的應變效應
金屬應變片的靈敏度主要與導體的幾何尺寸有關。近似等于2，如果沒有特別說明。一般K=2。但道題應變片的靈敏度主要與半導體材料有關，并且遠遠大于金屬應變片的靈敏度。
（2）測量電路
為了檢測應變片電阻的微小變化，需通過測量電路把電阻的變化轉化為電壓和電流后由儀表讀出。在應變式傳感器中常用的轉換電路是橋式電路。按輸入電源性質的不同，橋式電路可分為交流電橋和直流電橋兩類。在大多數情況下，采用的是直流電橋電路。下面以直流電橋為例子分析它的工作原理和特性。
直流電橋的基本電路示意圖
在未施加作用力時，應變為o，此時橋路輸出電壓Uo也為0，即橋路平衡，由橋路平衡的條件可知，應使4個橋臂的初始電阻R1，R2，R3和R4滿足R1R3=R2R4,或是R1/R2=R4/R3，通常取R1=R2=R3=R4即全等臂形式。
橋路工作時輸入電壓Ui保持恒定不變，當4個橋臂電阻的變化值Δ遠小于初始電阻。且電橋負載電阻為無窮大時，電橋的輸出電壓Uo可以近似用下式表示：
由于R1=R2=R3=R4，所以根據以上的根式可以變為：
根據圖上可知，ΔR/R=KΣx，其中KI為電阻應變片的靈敏度；ΣX為軸向應變。則式中可以寫成：
根據應用要求的不同，可接入不同數目的都電阻應變片，一般分為下面幾種形式的電橋：
1.雙臂半橋形式
2.單臂半橋形式
3.全橋形式
以上三種電橋形式中，全橋形式的靈敏度，也是常用的一種形式。
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1、2.2.4應變片式電阻傳感器的測量電路電阻應變計可把機械量變化轉換成電阻變化，但電阻變化量一般很小，用普通的電子儀表很難直接檢測出來。例如，常規金屬應變計的靈敏系數值一般在之間，機械應變在之間，那么電阻相對變化量就很小。例1設某被測試件在額定負載下產生的應變為，粘貼的應變計阻值為，靈敏系數為，則其電阻的相對變化（電阻變化率）為可見，電阻變化率僅為，這樣小的電阻變化，必須用專門的電路才能測量。測量電路把微弱的電阻變化轉換為電壓的變化，電橋電路就是實現這種轉換的電路之一。一 直流電橋1 直流電橋平衡條件圖2.2.7 直流電橋直流電橋電路如圖2.2.7（a）所示，不接負載電阻時的開路電壓為由戴維寧定
2、理，任何復雜的二端網絡都可以化成一個等效的實際電壓源，其電動勢為該網絡開路電壓，其內阻為該網絡的輸出電阻。可將電橋看成一個實際電壓源，其內阻為，其電動勢為。 接入負載后，流過負載電阻的電流為所有電橋在使用前都用調平衡，使得。這樣得到電橋平衡條件為（或）即相對兩臂電阻的乘積相等（或相鄰兩臂電阻的比值相等）。2 直流電橋的電壓靈敏度電阻應變片工作時的電阻變化很小，相應的電橋輸出電壓也很小，必須要對電壓進一步放大，故需了解與輸出電壓之間的關系。假設橋臂中為應變片，其應變產生的電阻變化為，為固定電阻。直流電橋的輸出通常很小，不能用來直接驅動指示儀表，其電橋輸出端接放大器的輸入端，而一般放大器的輸入阻抗
3、比電橋內阻高得多，故可認為電橋輸出端為開路，為無窮大，基本無電流流過，只有電壓輸出，這樣的直流電橋叫電壓輸出橋，如入2.2.7（b）所示。 電橋的輸出電壓為把平衡條件代入上式，得到分子分母同除以得到 （1）令橋臂比為，略去分母中的，將上式簡寫成定義 電橋電壓靈敏度為實際電橋中，常使得，那么，則得到3 電橋的非線性誤差雖然是線性的，但是前面略去分母中的，故存在非線性誤差。實際輸出電壓由（1）式得把代入上式得到非線性誤差為可見非線性誤差與成正比，有時能達到可觀測的程度。為了減小和克服非線性誤差，可采用差動電橋，如圖2.2.7（c）所示，在試件上安裝兩個工作應變片：一片受拉伸，一片受壓縮。分別接入電
4、橋相鄰的兩臂，跨在電源的兩端。此時電橋輸出電壓為設初始時，則可見這時的輸出電壓與成線性關系，沒有線性誤差，而且靈敏度比單臂時提高了一倍，還具有溫度補償作用。為了提高電橋的靈敏度，或為了進行溫度補償，在橋臂中往往安置多個應變片，電橋也可采用四等臂電橋，如圖2.2.7（d）所示。二 交流電橋直流電橋的優點是高穩直流電源容易獲得，電橋平衡調節簡單，導線分布參數影響小。但是使用直流電橋還需要后續電路，如放大電路等，這就容易產生零點漂移，且線路變得較為復雜。因此，應變電橋多采用交流電橋。1交流電橋的平衡條件交流電橋如圖2.2.8（a）所示，為復阻抗，為交流電壓源，空載輸出電壓為要滿足電橋平衡條件，即，則
5、應有或若用復指數形式表示復阻抗，代入上式，可將上述平衡條件寫成這說明交流電橋平衡需要滿足兩個條件：相對兩臂復阻抗的模之積相等以及輻角之和相等。圖2.2.8 交流電橋2 交流應變電橋的輸出特性及平衡調節電橋在使用前都應調平衡，當工作臂變化，可算出略去分母中的，并設滿足條件，則若一交流電橋如圖2.2.8（b）所示，其中、為應變片導線或電纜的分布電容。各臂復阻抗分別為，按平衡條件得到實部和虛部分別相等，平衡條件也可表示為一下兩式或或可見，對這種交流電容電橋，除了要滿足電阻平衡條件外，還要滿足電容平衡條件。因此在橋路上除了設電阻平衡調節器外，還有電容平衡調節器。常見的調平衡電路如圖2.7.9所示。圖2
6、.7.9 常見交流電橋的電容調平衡電路2.2.5 應變片式電阻傳感器的應用在測量試件應變時，只要直接將應變片貼在試件上，即可用電阻應變儀測量出其應變大小。然而，如果要測量力、加速度、位移等物理量時，就需要一些輔助構件（如彈性元件、補償元件等），將這些物理量轉換成應變，然后再用應變片進行測量。因此，應變片式傳感器的基本構成通常可分為兩部分，即彈性敏感元件及應變片。彈性敏感元件在被測物理量作用下產生一個與之成正比的應變，然后用應變片作為轉換元件將應變轉換為電阻變化輸出。例 應變式加速度傳感器圖2.2.10 應變片是加速度傳感器圖2.7.10為應變式加速度傳感器。1為慣性量塊，2為彈性元件，作為敏感元件，感知簧片的應變，3為殼體和基座，4為應變片，作為轉換元件，將應變變化轉換為電阻變化輸出。當物體和加速度計一起以加速度沿圖方向運動時，量塊感受到慣性力，引起簧片的彎曲，其上粘貼的應變片可測出受力的大小和方向，從而確定物體運動的加速度大小和方向。
一、測量原理
電阻式傳感器的基本工作原理是將被測的非電量轉化成電阻值的變化，再經過轉換電路變成電量輸出。根據傳感器組成材料變化或傳感器原理變化，產生了各種各樣的電阻式傳感器，主要包括壓敏式傳感器、熱敏傳感器、光敏傳感器、濕敏傳感器、壓力傳感器。
電阻傳感器可以測量力、壓力、位移、應變、加速度和溫度等非電量參數。電阻式傳感器結構簡單，性能穩定，靈敏度較高，有的還可用于動態測量。
滄正壓力傳感器CAZF-LY88
二、測量電路
以典型的固態壓阻式壓力傳感器為例，硅單晶材料在受到外力作用產生極微小應變時，其內部原子結構的電子能級狀態會發生變化，從而導致其電阻率劇烈變化。用此材料制成的電阻也就出現極大變化，這種物理效應稱為壓阻效應。利用壓阻效應原理，采用集成工藝技術經過摻雜、擴散，沿單晶硅片上的特點晶向，制成應變電阻，構成惠斯登電橋，利用硅材料的彈性力學特性，在同一片硅材料上進行各向異性微加工，就制成了一個集力敏與力電轉換檢測于一體的擴散硅傳感器。 再給傳感器匹配一個放大電路及相關外圍部件，使之輸出一個標準信號，就組成了一臺完整的變送器。
硅壓阻式傳感器一般對溫度比較敏感，但隨著集成工藝技術的進步，擴散硅敏感膜的四個電阻一致性也得到進一步提高，而且在新一代的傳感器中，原始的手工補償已被激光調阻、計算機自動修調等技術所替代，傳感器的溫度系數已經非常小了，工作溫度范圍也大幅度提高了。
電阻式傳感器測量電路
以典型的固態壓阻式壓力傳感器為例，硅單晶材料在受到外力作用產生極微小應變時，其內部原子結構的電子能級狀態會發生變化，從而導致其電阻率劇烈變化。用此材料制成的電阻也就出現極大變化，這種物理效應稱為壓阻效應。利用壓阻效應原理，采用集成工藝技術經過摻雜、擴散，沿單晶硅片上的特點晶向，制成應變電阻，構成惠斯登電橋（Wheats tone bridge），利用硅材料的彈性力學特性，在同-片硅材料上進行各向異性微加工，就制成了一個集力敏與力電轉換檢測于一體的擴散硅傳感器。再給傳感器匹配一個放大電路及相關外圍部件，使之輸出一一個標準信號，就組成了一臺完整的變送器。
硅壓阻式傳感器一般對溫度比較敏感，但隨著集成工藝技術的進步，擴散硅敏感膜的四個電阻一致性也得到進一步提高，而且在新一代的傳感器中，原始的手工補償已被激光調阻、計算機自動修調等技術所替代，傳感器的溫度系數已經非常小了，工作溫度范圍也大幅度提高了。
熱電阻式傳感器測量電路
熱電阻的測量電路通常采用不平衡電橋來轉換，熱電阻在工業測量橋路中的接法常采用兩線制（如圖2所示）和三線制（如圖3所示）兩種。采用三線制電橋可消除和減小引線電阻的影響。
2熱電阻兩線測量橋路
1—電阻體 2—引出線 3—顯示表
3熱電阻三線測量橋路
1—電阻體 2—引出線 3—顯示表
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