電阻式傳感器的測(cè)量電路：應(yīng)變式電阻傳感器原理和測(cè)量電路詳析
應(yīng)變式電阻傳感器是借助于彈性元件，將力的變化轉(zhuǎn)化為變形，然后利用導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，將力轉(zhuǎn)化變成電阻的變化，終利用測(cè)量電路得到被測(cè)量（力）的電信號(hào)。應(yīng)變式電阻傳感器主要包括彈性元件，電阻應(yīng)變片及測(cè)量電路。
電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)及工作原理說(shuō)明：
（1）結(jié)構(gòu)
電阻應(yīng)變式片的結(jié)構(gòu)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(guò)引線出，絲柵上面再粘貼一層絕緣保護(hù)膜。把應(yīng)變片貼于被測(cè)變形物體上，敏感柵隨被測(cè)物體表面的變形而使電阻值改變，只要測(cè)出電阻的變化就可得知變形量的大小。電阻應(yīng)變片主要恩威金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，常見(jiàn)的金屬應(yīng)變片有絲式，箔式和薄膜式三種（如圖），半導(dǎo)體應(yīng)變片是在硅上利用擴(kuò)散技術(shù)形成電阻。
1.電阻絲；2.金屬箔；3.半導(dǎo)體；4.基片
2.應(yīng)變效應(yīng)
導(dǎo)體貨半導(dǎo)體收外力作用變形時(shí)，其電阻值也將隨之變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為：應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)有一金屬導(dǎo)體，長(zhǎng)度為I，界面劑為S，電阻率為P，則該導(dǎo)體的電阻R為：
如上圖所示，當(dāng)金屬導(dǎo)體收到拉力作用時(shí)，長(zhǎng)度Δ1,截面積將縮小ΔS，從而導(dǎo)致電阻增加ΔR，這樣，導(dǎo)體的電阻變?yōu)镽+ΔR。通過(guò)推導(dǎo)，可以得出導(dǎo)體電阻的相對(duì)變化量為：
由上圖式中可以得出，Σ=ΔI/I成為縱向應(yīng)變式；K為金屬導(dǎo)體的應(yīng)變靈敏度。下圖為金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)
金屬應(yīng)變片的靈敏度主要與導(dǎo)體的幾何尺寸有關(guān)。近似等于2，如果沒(méi)有特別說(shuō)明。一般K=2。但道題應(yīng)變片的靈敏度主要與半導(dǎo)體材料有關(guān)，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于金屬應(yīng)變片的靈敏度。
（2）測(cè)量電路
為了檢測(cè)應(yīng)變片電阻的微小變化，需通過(guò)測(cè)量電路把電阻的變化轉(zhuǎn)化為電壓和電流后由儀表讀出。在應(yīng)變式傳感器中常用的轉(zhuǎn)換電路是橋式電路。按輸入電源性質(zhì)的不同，橋式電路可分為交流電橋和直流電橋兩類(lèi)。在大多數(shù)情況下，采用的是直流電橋電路。下面以直流電橋?yàn)槔臃治鏊墓ぷ髟砗吞匦浴?br/>直流電橋的基本電路示意圖
在未施加作用力時(shí)，應(yīng)變?yōu)閛，此時(shí)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(yīng)使4個(gè)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(shí)輸入電壓Ui保持恒定不變，當(dāng)4個(gè)橋臂電阻的變化值Δ遠(yuǎn)小于初始電阻。且電橋負(fù)載電阻為無(wú)窮大時(shí)，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(jù)以上的根式可以變?yōu)椋?/p>
根據(jù)圖上可知，ΔR/R=KΣx，其中KI為電阻應(yīng)變片的靈敏度；ΣX為軸向應(yīng)變。則式中可以寫(xiě)成：
根據(jù)應(yīng)用要求的不同，可接入不同數(shù)目的都電阻應(yīng)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。
電阻式傳感器的測(cè)量電路：應(yīng)變片式電阻傳感器的測(cè)量電路
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1、2.2.4應(yīng)變片式電阻傳感器的測(cè)量電路電阻應(yīng)變計(jì)可把機(jī)械量變化轉(zhuǎn)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(cè)出來(lái)。例如，常規(guī)金屬應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)值一般在之間，機(jī)械應(yīng)變?cè)谥g，那么電阻相對(duì)變化量就很小。例1設(shè)某被測(cè)試件在額定負(fù)載下產(chǎn)生的應(yīng)變?yōu)椋迟N的應(yīng)變計(jì)阻值為，靈敏系數(shù)為，則其電阻的相對(duì)變化（電阻變化率）為可見(jiàn)，電阻變化率僅為，這樣小的電阻變化，必須用專(zhuān)門(mén)的電路才能測(cè)量。測(cè)量電路把微弱的電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化，電橋電路就是實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)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(fù)載電阻時(shí)的開(kāi)路電壓為由戴維寧定
2、理，任何復(fù)雜的二端網(wǎng)絡(luò)都可以化成一個(gè)等效的實(shí)際電壓源，其電動(dòng)勢(shì)為該網(wǎng)絡(luò)開(kāi)路電壓，其內(nèi)阻為該網(wǎng)絡(luò)的輸出電阻。可將電橋看成一個(gè)實(shí)際電壓源，其內(nèi)阻為，其電動(dòng)勢(shì)為。 接入負(fù)載后，流過(guò)負(fù)載電阻的電流為所有電橋在使用前都用調(diào)平衡，使得。這樣得到電橋平衡條件為（或）即相對(duì)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(yīng)變片工作時(shí)的電阻變化很小，相應(yīng)的電橋輸出電壓也很小，必須要對(duì)電壓進(jìn)一步放大，故需了解與輸出電壓之間的關(guān)系。假設(shè)橋臂中為應(yīng)變片，其應(yīng)變產(chǎn)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(lái)直接驅(qū)動(dòng)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(nèi)阻高得多，故可認(rèn)為電橋輸出端為開(kāi)路，為無(wú)窮大，基本無(wú)電流流過(guò)，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(jiǎn)寫(xiě)成定義 電橋電壓靈敏度為實(shí)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(shí)際輸出電壓由（1）式得把代入上式得到非線性誤差為可見(jiàn)非線性誤差與成正比，有時(shí)能達(dá)到可觀測(cè)的程度。為了減小和克服非線性誤差，可采用差動(dòng)電橋，如圖2.2.7（c）所示，在試件上安裝兩個(gè)工作應(yīng)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(shí)電橋輸出電壓為設(shè)初始時(shí)，則可見(jiàn)這時(shí)的輸出電壓與成線性關(guān)系，沒(méi)有線性誤差，而且靈敏度比單臂時(shí)提高了一倍，還具有溫度補(bǔ)償作用。為了提高電橋的靈敏度，或?yàn)榱诉M(jìn)行溫度補(bǔ)償，在橋臂中往往安置多個(gè)應(yīng)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(yōu)點(diǎn)是高穩(wěn)直流電源容易獲得，電橋平衡調(diào)節(jié)簡(jiǎn)單，導(dǎo)線分布參數(shù)影響小。但是使用直流電橋還需要后續(xù)電路，如放大電路等，這就容易產(chǎn)生零點(diǎn)漂移，且線路變得較為復(fù)雜。因此，應(yīng)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(fù)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(yīng)有或若用復(fù)指數(shù)形式表示復(fù)阻抗，代入上式，可將上述平衡條件寫(xiě)成這說(shuō)明交流電橋平衡需要滿足兩個(gè)條件：相對(duì)兩臂復(fù)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(yīng)變電橋的輸出特性及平衡調(diào)節(jié)電橋在使用前都應(yīng)調(diào)平衡，當(dāng)工作臂變化，可算出略去分母中的，并設(shè)滿足條件，則若一交流電橋如圖2.2.8（b）所示，其中、為應(yīng)變片導(dǎo)線或電纜的分布電容。各臂復(fù)阻抗分別為，按平衡條件得到實(shí)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(jiàn)，對(duì)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(shè)電阻平衡調(diào)節(jié)器外，還有電容平衡調(diào)節(jié)器。常見(jiàn)的調(diào)平衡電路如圖2.7.9所示。圖2
6、.7.9 常見(jiàn)交流電橋的電容調(diào)平衡電路2.2.5 應(yīng)變片式電阻傳感器的應(yīng)用在測(cè)量試件應(yīng)變時(shí)，只要直接將應(yīng)變片貼在試件上，即可用電阻應(yīng)變儀測(cè)量出其應(yīng)變大小。然而，如果要測(cè)量力、加速度、位移等物理量時(shí)，就需要一些輔助構(gòu)件（如彈性元件、補(bǔ)償元件等），將這些物理量轉(zhuǎn)換成應(yīng)變，然后再用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量。因此，應(yīng)變片式傳感器的基本構(gòu)成通常可分為兩部分，即彈性敏感元件及應(yīng)變片。彈性敏感元件在被測(cè)物理量作用下產(chǎn)生一個(gè)與之成正比的應(yīng)變，然后用應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化輸出。例 應(yīng)變式加速度傳感器圖2.2.10 應(yīng)變片是加速度傳感器圖2.7.10為應(yīng)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(yīng)變，3為殼體和基座，4為應(yīng)變片，作為轉(zhuǎn)換元件，將應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換為電阻變化輸出。當(dāng)物體和加速度計(jì)一起以加速度沿圖方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，量塊感受到慣性力，引起簧片的彎曲，其上粘貼的應(yīng)變片可測(cè)出受力的大小和方向，從而確定物體運(yùn)動(dòng)的加速度大小和方向。
電阻式傳感器的測(cè)量電路：電阻式傳感器測(cè)量原理與測(cè)量電路
一、測(cè)量原理
電阻式傳感器的基本工作原理是將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)化成電阻值的變化，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出。根據(jù)傳感器組成材料變化或傳感器原理變化，產(chǎn)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(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、加速度和溫度等非電量參數(shù)。電阻式傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的還可用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。
滄正壓力傳感器CAZF-LY88
二、測(cè)量電路
以典型的固態(tài)壓阻式壓力傳感器為例，硅單晶材料在受到外力作用產(chǎn)生極微小應(yīng)變時(shí)，其內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)的電子能級(jí)狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻率劇烈變化。用此材料制成的電阻也就出現(xiàn)極大變化，這種物理效應(yīng)稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。利用壓阻效應(yīng)原理，采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過(guò)摻雜、擴(kuò)散，沿單晶硅片上的特點(diǎn)晶向，制成應(yīng)變電阻，構(gòu)成惠斯登電橋，利用硅材料的彈性力學(xué)特性，在同一片硅材料上進(jìn)行各向異性微加工，就制成了一個(gè)集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)于一體的擴(kuò)散硅傳感器。 再給傳感器匹配一個(gè)放大電路及相關(guān)外圍部件，使之輸出一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，就組成了一臺(tái)完整的變送器。
硅壓阻式傳感器一般對(duì)溫度比較敏感，但隨著集成工藝技術(shù)的進(jìn)步，擴(kuò)散硅敏感膜的四個(gè)電阻一致性也得到進(jìn)一步提高，而且在新一代的傳感器中，原始的手工補(bǔ)償已被激光調(diào)阻、計(jì)算機(jī)自動(dòng)修調(diào)等技術(shù)所替代，傳感器的溫度系數(shù)已經(jīng)非常小了，工作溫度范圍也大幅度提高了。
電阻式傳感器的測(cè)量電路：電阻式傳感器測(cè)量電路
電阻式傳感器測(cè)量電路
以典型的固態(tài)壓阻式壓力傳感器為例，硅單晶材料在受到外力作用產(chǎn)生極微小應(yīng)變時(shí)，其內(nèi)部原子結(jié)構(gòu)的電子能級(jí)狀態(tài)會(huì)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致其電阻率劇烈變化。用此材料制成的電阻也就出現(xiàn)極大變化，這種物理效應(yīng)稱(chēng)為壓阻效應(yīng)。利用壓阻效應(yīng)原理，采用集成工藝技術(shù)經(jīng)過(guò)摻雜、擴(kuò)散，沿單晶硅片上的特點(diǎn)晶向，制成應(yīng)變電阻，構(gòu)成惠斯登電橋（Wheats tone bridge），利用硅材料的彈性力學(xué)特性，在同-片硅材料上進(jìn)行各向異性微加工，就制成了一個(gè)集力敏與力電轉(zhuǎn)換檢測(cè)于一體的擴(kuò)散硅傳感器。再給傳感器匹配一個(gè)放大電路及相關(guān)外圍部件，使之輸出一一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，就組成了一臺(tái)完整的變送器。
硅壓阻式傳感器一般對(duì)溫度比較敏感，但隨著集成工藝技術(shù)的進(jìn)步，擴(kuò)散硅敏感膜的四個(gè)電阻一致性也得到進(jìn)一步提高，而且在新一代的傳感器中，原始的手工補(bǔ)償已被激光調(diào)阻、計(jì)算機(jī)自動(dòng)修調(diào)等技術(shù)所替代，傳感器的溫度系數(shù)已經(jīng)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(cè)量電路
熱電阻的測(cè)量電路通常采用不平衡電橋來(lái)轉(zhuǎn)換，熱電阻在工業(yè)測(cè)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(cè)量橋路
1—電阻體 2—引出線 3—顯示表
3熱電阻三線測(cè)量橋路
1—電阻體 2—引出線 3—顯示表
