第3章-电阻式传感器分析

医学传感技术工程学院杨燕婷复习第2章传感器的基本特性–静态特性•静态特性方程•静态特性指标–测量范围–灵敏度–线性度–迟滞–重复性2012nnyaaxaxax第3篇物理传感器§3章电阻式传感器§4章电容式传感器§5章电感式传感器§6章压电式传感器§7章光学式传感器§8章热电式传感器本篇内容：按被测量分类（一种宏观分类方法）物理传感器:用于测量血压、体温、血流量、生物磁场等，被测量都是物理量。设计时利用这些非电量的物理性质和物理效应。化学传感器:用于测量人体内某些化学成分、浓度、PH值等，被测量都属于化学量（被测物质分子量较小）。设计时多利用电化学原理或物理效应。生物传感器：用于测量酶、抗原、抗体、激素、DNA、RNA等物质，被测量都属于化学量（被测物质分子量较大）。对这些物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测的仪器。生物医学传感器的分类物理传感器概述物理传感器是检测物理量的传感器。它是利用某些物理效应（如光电效应、压电效应、电磁效应、热电效应等)，把被测量的物理量转化成为便于处理的能量形式的信号（通常是电信号）的装置。其输出的信号和输人的信号有确定的函数关系。物理传感器是目前应用该范围最广，使用量最大的传感器。按工作原理分类：光电式传感器压电式传感器应变式传感器电容式传感器电感式传感器磁电式传感器热电式传感器………..从被测对象分类：心音传感器压力传感器血流传感器呼吸传感器温度传感器………..物理传感器分类在这一节里，介绍电阻传感器，例如：电位器、电阻应变片、测温热电阻。它们的基本原理都是将各种被测非电量的变化转换成电阻的变化量，然后通过对电阻变化量的测量，达到非电量电测的目的。利用电阻传感器可以测量角位移、直线位移、应变、力、加速度、重量、转矩、温度、湿度、气体成分及浓度、磁场强度等。3章电阻式传感器本章内容3.1电位器式传感器3.2电阻应变式传感器3.3固态压阻式传感器3.4电阻式传感器的测量电路3.5电阻式传感器的应用前言：工作原理电阻式传感器测量原理:被测的非电量ΔR电量输出其基本原理为：设有一根长度为L，截面积为A，电阻率为ρ的金属丝，则它的电阻值R可用下式表示：AlR三个参数：长度L，截面积A，电阻率ρ，如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变化，构成不同电阻传感器：1、长度L发生变化——电位器式传感器；2、截面积A、长度L发生变化——电阻应变片传感器；3、电阻率ρ发生变化——热敏电阻、光导性光检测器等。电位器是一种机电转换元件，可将位移(直线位移或线位移)转换成电阻或电压输出。优点：结构简单，尺寸小，重量轻，价格便宜，输出信号大，受环境影响小。缺点：由于有摩擦，要求输出信号大，可靠性和寿命差，动态特性不好，干扰大，一般用于静态或缓变量的检测。电位器分类:线性电位器和非线性电位器3.1电位器式传感器电位器接负载，此时的输出特性为负载特性，不接负载或负载无穷大，输出特性称空载特性。3.1.1线性电位器空载特性maxmaxxxRRx假定全长xmax的电位器，总电阻为Rmax,电阻沿长度的分布是均匀的,则当滑臂由A向B移动x后,A点到电刷间的阻值为若把它作为分压器使用,且假定加在电位器A、B之间的电压为Umax,则输出电压为maxmaxxxUUx右图为电位器式角度传感器。作变阻器使用,则电阻与角度的关系为maxmaxaaRRa其他内容参看教材44-44页3.1.5电位器的负载特性上面讨论的电位器空载特性相当于负载开路或为无穷大时的情况,而一般情况下,电位器接有负载,接入负载时,由于负载电阻和电位器的比值为有限值,此时所得的特性为负载特性,负载特性偏离理想空载特性的偏差称为电位器的负载误差。带负载的电位器的电路如图所示。电位器的负载电阻为Rf,则此电位器的输出电压为图带负载的电位器电路电阻相对变化:电位器的负载系数为:maxfRmRmaxRRrx2maxmaxmaxxxffxxfRRRRRRRUU教材中：a=1/m在未接入负载时,电位器的输出电压Ux为则接入负载Rf后的简化的输出电压Uxf表达式为:)1()1(1maxmaxrraarUrmrrUUxfUx=rUmax00100xxfxfUUU比较两式可知，Rf不是无穷大，负载与空载输出之间产生偏差，则负载误差为：00100)1(111rmrf由图可见,无论m为何值,电刷在起始和最终位置时,负载误差都为零;当X=1/2时,可求导,负载误差最大,且增大负载系数时,负载误差也随之增加。3.2.电阻应变片式传感器应变式传感器特征：材料类型：金属应变片、半导体应变片应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度主要优点：使用简单、精度高、范围大、体积小工作原理：由弹性元件、电阻应变片和其他附件组成。弹性元件受力变形，张贴在表面的应变片随之变形，并产生相应的电阻变化。应变式电阻传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到0.01-0.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。应变式力传感器S型力传感器FFFF应用实例应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形各种悬臂梁电子秤磅秤超市打印秤远距离显示电子天平电子天平的精度可达十万分之一电子秤中的各类弹性元件2llRAr金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。1.金属丝的应变效应xSKRdR1.金属丝的应变效应应变效应:金属导线在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。根据应力σ和应变ε的关系:应力σ=εE，金属丝的应变效应ll+dl2r2(r-dr)FFxSKRdR金属的电阻相对变化与应变成正比关系。通过弹性元件，可将应力转换为应变，这是应变式传感器测量应力的基本原理。1.金属丝的应变效应KS为金属丝的灵敏系数，p47注释金属的径向应变—金属的轴向应变—令yxrdrLdL//在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为εy=-μεxμ为金属材料的泊松系数。应变式传感器的核心元件：电阻应变片，试件上的应力变化转换成电阻变化。应变效应应变是量纲为1的数。通常应变很小，常用10-6来表示。例如，当应变为0.000001时，在工程中常表示为1×10-6或μm/m。在应变测量中，也常称为微应变。金属丝式应变片的结构视频：应变片半导体应变片又称为压阻式传感器。基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。压阻效应：半导体材料的电阻率随作用应力的变化而发生变化的现象。3.3固态压阻式传感器半导体材料敏感条电阻率的相对变化值与其在轴向所受的应力之比为一常数。即xllEdxlERdR)21（πl半导体材料的压阻系数。式中1+2μ项随几何形状而变化，πlE项为压阻效应，随电阻率而变化。当半导体材料受轴向力作用时，电阻相对变化为dRdRx)21（ERdRKlxB/实验证明πlE比1+2μ大近百倍，所以1+2μ可以忽略，因而：xlERdR)（灵敏系数半导体应变片的灵敏系数比金属丝式的高50～80倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使应用范围受到一定的限制。半导体应变片的优点：体积小，灵敏度高，频率响应范围宽，输出幅值大，不需要放大器，可直接与记录仪连接，使测量系统简单。电桥电路又叫惠斯登电桥，它是将电阻、电容、电感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量电路。3.4电阻式传感器测量电路应变电桥双臂应变电桥单臂应变电桥全臂应变电桥直流电桥：R交流电桥:R、L、C不平衡桥式：偏差测量法（动态）平衡桥式：零位测量法（静态）工作方式电源工作臂金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例：金属箔式应变片的标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.2。所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量，将R/R转换为输出电压Uo。为什么要使用不平衡电桥把对某物理量敏感的电阻应变材料加工成传感器，作为电桥中的某一臂电阻，或某几个臂电阻，通过电桥的失衡程度（桥路电流或电压）来判断该物理量的大小。如果直接测应变片电阻的改变，可能很困难。因为测量一个在很大的基值上附加的一个很小的信号是很困难的。利用电桥可以把这个信号的基值去掉，变成了一个在零值附近的信号，并且可以通放大电路来增大灵敏度。（1）平衡条件当RL→∞时，电桥输出电压4332110RRRRRREU当电桥平衡时，U0=0，R1R4=R2R3或R1/R2=R3/R4一、直流电桥不平衡电桥法用在动态应变测量中。(2)不平衡电桥法如图，R1为应变片，R2、R3、R4为固定电阻。未承受应变时，R1R4＝R2R3，电桥平衡，Uo＝0。承受应变后，阻值变为R1＋R1，电桥的不平衡输出为设R2/R1＝n，又因ΔR1R1时，R1R4＝R2R3，上式简化为电桥的电压灵敏度(相对灵敏度)为①Su与U（供电电压）成正比，U越高，Su越高。但是U的提高受到应变片允许工作电流的限制，通常为1～5V。②Su与n有关。在U一定时，由灵敏度取极值的条件，可求得n＝1时Su最大。即在U一定、R1＝R2、R3＝R4时，Su最大。通常这种情况称为电桥的第一种对称形式。此时而R1＝R3，R2＝R4则称为电桥的第二种对称形式。第一种对称形式有较高的灵敏度，第二种对称形式线性较好。等臂电桥是其中的一个特例。以上都是基于R1R1，所以得到的是线性关系。但当应变片感受较大应变时，分母上的R1/R1项就不能忽略，此时得到的为非线性关系，从而造成非线性误差。在补偿非线性误差时常用的措施如下(3)电桥电路的非线性误差补偿①采用差动电桥。在电桥的相邻两臂接入两个参数相同的应变片，测量时一个受拉应力，一个受压应力，电阻变化量符号相反，数值相等，即构成半桥差动电路。此时假设432121RRRRRR，，则无需近似即有可见，差动电桥法不仅补偿了非线性误差，且电压灵敏度提高了1倍。另外还能起到温度补偿的作用。全桥差动电路不仅补偿了非线性误差，且电压灵敏度比半桥差动电路补偿时又提高了1倍。也能起到温度补偿的作用。在四臂都接入相同应变片（等臂），相对两个受拉应力，另两个受压应力，构成全桥差动电路。若满足R1＝－R2＝－R3＝R4，则全桥差动电路1.脉象传感器脉搏波经传感顶子作用于等强度悬臂梁的自由端，使之弯曲变形。贴在梁上下面的应变片接入全桥或半桥，输出的电压即反应脉动规律。侧视图上视图3.5电阻式传感器的应用传感器置于体外的测量。图所示为传感器置于体外的有创血压测量，即用血管外传感器测量，是一种常用的血压测量方案。2.血管外血压传感器血管外血压传感器由插管技术将血液压力传到圆帽，膜片产生位移，带动活动元件移动，使R1，R4以及R2,R3发生反方向应变，使连接它们的全桥失去平衡，产生输出。3.水银－橡胶管应变仪传感器可测量心脏，血管，手足，胸腔尺寸变化。可测的应变较小，保证电阻变化与应变成线性关系。频率上限为10Hz。电阻传感器习题1.半导体应变片主要是利用半导体材料的。A．形变B．电阻率的变化C．弹性模量的变化D．泊松比2.常用的应变片有与两大类。应变片的灵敏度表达式为，对于金属电阻应变片来说：S=，而对于半导体应变片来说S＝。前一种应变片的灵敏度比后一种。3.金属电阻应变片的电阻相对变化主要是由于电阻丝的变化产生的。4.一应变片的电阻R0=200Ω，K=2，用作应变为600μm/m的传感元件。(1)求△R与△R/R。；(2)若电源电压Ui=3V,求电桥单臂测量电路的非平衡输出电压Uo。例题如果将100Ω电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积S=0.5×10-4m2，弹性模量E=2×1011