电阻应变式传感器

电阻应变式传感器

1 引 言

把位移、力、压力、加速度、扭矩等非电物理量转换为电阻值变化的传感器。【1】它主要包括电阻应变式传感器、电位器式传感器(见位移传感器)和锰铜压阻传感器等。电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测压、称重、测位移、加速度、扭矩等测量仪表是冶金、电力、交通、石化、商业、生物医学和国防等部门进行自动称重、过程检测和实现生产过程自动化不可缺少的工具之一。

2 电阻应变式传感器

以电阻应变计为转换元件的电阻式传感器。电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变计、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变计一起变形。电阻应变计再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。常用的电阻应变式传感器有应变

式测力传感器、应变式压力传感器、应变式扭矩传感器（见转矩传感器）、应变式位移传感器（见位移传感器）、应变式加速度传感器（见加速度计）和测温应变计等。电阻应变式传感器的优点是精度高，测量范围广,寿命长,结构简单，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。因此它广泛应用于自动测试和控制技术中。

3 金属箔式电阻应变片

电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻发生变化，这就是电阻应变效应，描述电阻应变效应的关系式为：△R/R=Kε式中△R/R为电阻丝电阻相对变化，K为应变灵敏系数，ε=△l/l为电阻丝相对长度变化，电阻箔式应变片就是通过光刻、腐蚀等工艺制成的应变敏感元件，通过它转换被测部位受力状态变化、电桥的作用完成电阻到电压的比例变化，电桥的输出电压反映了相应的受力状态，对单臂电桥输出电压Uo1= EKε/4。 4 电阻应变式传感器的测量 4.1 实验原理

（1）直流电桥

由图1（a）桥电路可知：当电源电压为U，其内阻为零，桥臂电阻为R1、R2、R3及R4，负载电阻为R。根据等效电压源定理。可计算出负载电流与电桥各参数间的关系为:

I=（R1 R4- R2 R3）/[R(R1+ R2)( R3+ R4)+ R1R2 ( R3+ R4)+ R3R4 ( R1+ R2)]; （9-1-10）

当I=0时成电桥平衡，其条件为

R1 R4=R2 R3或R1/R2 =R3/R4 （9-1-11）

平衡条件可以表述为电桥相对两臂电阻的乘积相等，或相邻两臂的电阻比相等。

电阻应变片工作时，通常其电阻变化是很小的，电桥相应的输出电压也很小。要推动检测或记录仪器工作，必须将电桥输出电压进行放大，为此必须了解△R/R与电桥输出电压的关系。

在四臂电桥中，如只有R1为工作应变片，由于应变而产生那个的电阻变化为R1，而R2、R3及

图1 电桥电路

R4为固定电阻，则此电桥称为单臂电桥。U0为电桥输出电压，并设负载电阻R开路，电桥电路如图1（b）所示。无应变时，△R1=0，电桥处于平衡状态，U0=0；若应变片受力产生应变，则该臂阻值为R1+△R1时，电桥就有输出电压U0为 U0=U(R1+R2)/(R1+△R1+R2)-R3U/(R3+R4) =U(R3/R4)( △R1/R1)/[1+(△

R1/R1)+(R2/R1)][1+(R4/R3)] （9-1-12）

设电桥初始平衡时R2/R1=R4/R3=n时。且若△R1/R1<

U01≈[nU/[（1+n）（1+n）]]* R1/R1

（9-1-13）

定义KV=U0/（R1/R1）为单臂工作应变片的电桥（输出）电压灵敏度，其物理意义时单位电阻相对变化量引起电桥（输出）电压的大小变化。

KV = nU/[（1+n）（1+n）] （9-1-14）

由此可以看出KV值的大小由电桥电源电压U和桥臂n决定。电桥电源电压越高，输出电压的灵敏度越高，但提高电源电压使应变片和桥臂电阻功耗增加，温度误差增大，一般电源电压取2~4V为宜。桥臂比n取何值时KV最大？KV是n的函数，取dKV/dn=0时有KV最大值，显然n=1，R1=R2=R3=R4，可求的最大电压灵敏度为

KV1=U/4

（9-1-15）

式（9-1-13）中求出的输出电压值是近似值，实际值应按（9-1-12）计算，其结果为

U01=nU(△R1/R1)/[(1+n)(1+n+△R1/R1)]

（9-1-16） 因此有非线性误差

δ=（U0-U01）/U0=(△R1/R1)/(1+n+△R1/R1)

（9-1-17）

为了减小和克服非线性误差，常用的方法就是采用差动电桥，如图1（c）所示，在试件上安装两个工作应变片，一片受拉力，一片受压力。两者应变符号相反，接入点桥相邻桥臂，称作半桥差动电桥。输出电压为

U02=[U(R1+△R1)]/[(R1+△R1+R2-△R2)-R3/(R3+R4)]

(9-1-18)

设电桥平衡时R1=R2=R3=R4, △R1=△R2，则

U02=(U/2)*（△R1/R1）

（9-1-19）

因此，输出电压U02与电阻变化△R1/R1呈线性关系，没有线性误差，并且电桥灵敏度KV2=U/2比单臂电桥时提高1倍，还具有温度补偿作用。

为了提高输出电压的灵敏度或进行温度补偿，在桥臂中往往安置多个应变内

片。电桥也可采用四臂电桥或称为全桥差动电桥，如图1（d）所示。电桥平衡时R1=R2=R3=R4，若忽略高阶微小量，可得

U02=U*(△R1/R1)

（9-1-20）

可见此时没有非线性误差，而且输出电压为单臂的4倍。 （2）交流电桥

采用直流电桥的优点是稳定性高，直流电源易于获得，电桥调节平衡电路简单，连接导线分布参数影响小。但是输出电压采用直流放大器，易产生零点漂移，线路也较复杂，因此应变电桥现在多采用交流电桥，用交流电桥时，其连接导线分布电容影响、平衡调节、信号放大电路等均与直流电桥有明显不同。

交流电桥线路与直流电桥相似，只是各桥臂均含有L、C、R或任意组合的复阻抗。设交流电桥的四臂Z1、Z2、Z3、Z4为阻抗，U为交流电源，开路输出电压为U0。根据电路分析，同直流电桥一样有

U0=(U*Z1)/(Z1+Z2)-(U*Z3)/(Z3+Z4)

=[U*(Z1Z4-Z2Z3)]/[(Z1+Z2)(Z3+Z4)]

(9-1-21)

要满足电桥平衡条件，即U0=0.则应有

Z1Z4-Z2Z3=0或Z1/Z2=Z3/Z4

（9-1-22）

设四桥臂阻抗分别为

Zi=Ri+jXi=Ziejsi，i=1，2，3，4

（9-1-23）

上式中Ri为各桥臂电阻，Xi为各桥臂的阻抗，Zi和Si分别为各桥臂复阻抗的模值和幅角。将这些值代入式（9-1-22）中，的交流电桥的平衡条件是

Z1Z4=Z2Z3且S1+S4=S2+S3

（9-1-24）

上式说明交流电桥平衡条件为：相对桥臂阻抗模值积相等，相对桥臂阻抗幅角之和相等。

设交流电桥的初始状态是平衡的，当工作应变片电阻Ri改变△Ri后，引起

阻抗Z1变化△Z1，代入式（9-1-21）中，有

U01=[(U*Z1/Z3)*（△Z1/Z1）]/[(1+Z3/Z1+△

Z1/Z1)(1+Z4/Z3)] (9-1-25)

略去上式分母中的△Z1/Z1项，并设初始Z1=Z2，Z3=Z4，则有

U01=（U/4）*（△Z1/Z1）

五电桥的线路补偿 1）初始平衡补偿

对平衡位置（零点）的改变进行的补偿。

如果某一对桥臂电阻的乘积较小，可对这两个电阻中的任一个串联小的补偿电阻进行补偿，以满足电桥的初始平衡条件。

（3）弹性模量补偿

弹性材料受环境影响，如升温变软，弹性模量减小；老化变硬，弹性模量增大等。

对于升温变软，可采用铜丝或镍丝制成补偿电阻RE进行补偿。

分析：当弹性材料升温变软，同样受力引起的应变ε增大，测量电路输出会增大。

加上RE之后，由于RE升温增大，电桥电路供电电压减小，补偿了升温引起的输出增大。

调零

温度补偿

弹性模量补偿 一新型电子天平

1．引言

电子天平具有测量速度快，精度高，操作简单方便，能够实现自动校

准，自动去皮重等一系列优点，使得它广泛应用于国防、科研、工业、农业 及人们的日常生活之中。

2、硬件设计

基于电阻应变式传感器的电子天平的结构框图如图l所示。

2．1系统的工作过程

电阻应变式传感器输出信号很小，系统中使用了两级运算放大电路，第 一级选用仪表放大器AD620，AD620线性度好，增益设定方便，共模抑制

比高，直流漂移小，往往用来精确放大载于高共模电压上的小差动信号，第 二级运算放大电路采用低失调精密运算放大~OP07，两级放大电路均采用 ±12V 双电源供电，以提高系统精度，称重传感器在供桥电压激励下输出 的电压信号经过放大，在进入ADC转换之前须进行滤波和负压保护处理； A／D 转换器选ADS1100，它是一款高精度自校正的差分输入转换器，l6 位转换精度，内置可编程增益放大器，采样速率可在8、l6、32、128SPS

之间选取，且功耗较低。 2_2比例测量技术 ·

所谓比例测量技术，是指ADC参考电压与称重传感器的激励电压由 同一电源提供以提高测量精度，如图2所示，设ADC 输出为OUT D ，

放大电路部分的总增益为A ，结合电阻应变式称重传感器的工作原理，我

们有

可见，采用比例测量方法，ADC 输出只与传感器的应变杼陛和运算放大

电路的总增益成正比，而与ADC的基准源和称重传感器的激励源都没有关系。

3测量传感器的输入输出电压信号

(I)传感器正常工作时，必须首先由称重仪表提供给它一个稳定的直流供桥电压Ui(激励电压)，其值一般在10～15v范围内，具体可查阅传感器合格证，当传感器激励电压改变时，由式二可知其输出电压信号U。必然发生变化。

(2)在电子衡器系统内安装好的传感器由于受秤体自身重力作用，应变片会发生微小变形，同时考虑传感器本身的零点不平衡输出，在空秤时，传感器输出直流电压信号一般在1—2my左右，若过大或过小则该传感器很可能已损坏。

(3)对电子衡器加载时传感器输出电压信号必然随载荷量的加大而增加，因此通过测量加载状态下传感器的不同输出电压信号并与空秤时传感器输出电压信号相比较也可判断出传感器的好坏。

二 电阻式触摸屏原理

四线电阻式触摸屏由3层构成：底层是绝缘层— — 玻璃基板，上面涂有两层透明电阻层。每一电阻涂层各在X／Y方向上有两条检测线，共有4条检测线：x+、x一、Y+、Y一。没有触摸信号时，两层电阻层没有接触点，互不导通；当某一触摸时，则在这一点上两层电阻短接，测量Y轴方向阻值变化，只需在Y+与Y一方向施加电压，将x+读出的压降值送入到A／D转换器，经过A／D转换即可得到相应的Y轴坐标。同理，测量x轴方向阻值变化，则在x轴方向上施加电压，读取Y+的输出值到A／D转换器即可。在智能仪表设计中，触摸屏的接口技术主要有：与内置A／D的单片机直接接口；与专用A／D的接口。

三电阻式半导体气体传感器

气体的方法和手段已经非常多,主要包括电化学法、气相色普 法、导热法、红外吸收法、接触燃烧法、半导体气体传感器检测

法、光纤法。半导体传感器包括电阻式气体传感器和非电阻式气体传感器,电阻式是利用其阻值变化来检测气体浓度,而非电阻式主要是利用一些物理效应与器件特性来检测气体

【1】百度百科对电阻式传感器的定义

【2】自动检测技术第三版 马西秦主编 2011 【3】传感器及应用 王煜东主编

【4】电阻应变式传感器在新型电子天平中的应用

魏雨辰滕春阳白岩中国矿业大学信息与电气工程学院江苏徐州22111 6 【5】电阻式触摸屏在智能仪表中的应用 郑戍华，王向周，南顺成，王渝

北京理工大学自动控制系，北京 100081) 【6】电阻应变式称重传感器原理及故障分析检测 刘丹，高彬，郑一畅

(安阳钢铁集团公司计控处，河南安阳455000 【7】电阻式半导体气体传感器 张 强,管自生

(南京工业大学 材料科学与工程学院,江苏南京 210009)

【8】鲜跃仲,薛建,张文,等. 新型二氧化硫气体电化学传感器的研究. 高等学校化学学报,2000 ,21(9) :1375 - 1376.

【9】 王云川,李红,刘伟成,等. 采用气相色谱质谱分析啤酒中的风味 物质. 食品与发酵工业, 2004 ,3 (11) :90 - 94.

【10】熊友辉,蒋泰毅. 电调制非分光红外(NDIR) 气体传感器. 仪表技术 与传感器,2003 (11) :4 - 9.