电阻式传感器

1.电阻式传感器的定义，并简单说明它的优缺点。

答：电阻式传感器是一种能把非电物理量(如位移、力、压力、加速度、扭矩等)转换成与之有确定对应关系的电阻阻值，再经过测量电桥转换成便于传送和记录的电压(电流)信号的一种装置。它在非电量检测中应用十分广泛。

电阻式传感器具有一系列的优点，如结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等；但它受环境条件(如温度)影响较大，且有分辨力不高等不足之处。

2.说明电阻应变片的组成、规格及分类。

答：组成：电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引出线等部分组成。规格：应变片规格一般是以有效使用面积和敏感栅的电阻值来表示。分类：电阻应变片按其敏感栅的材料不同，可分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。常见的金属电阻应变片的有丝式、箔式和薄膜式三种形式。

3.什么叫应变效应?利用应变效应解释金属电阻应变片的工作原理。

答：电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其阻值发生变化，此现象称为电阻“应变效应”。根据这种效应，将应变片用特制胶水粘在被测材料的表面，被测材料在外力的作用下产生的应变就会传送到应变片上，使应变片的阻值发生变化，通过测量应变片电阻值的变化就可得知被测量的大小。

4.金属电阻应变片与半导体应变片的工作原理有何区别?各有何优缺点？

答：金属电阻应变片可分为：(1)丝式应变片：其优点是粘贴性能好，能保证有效地传递变形，性能稳定．且可制成满足高温、强的磁场、核辐射等特殊条件使用的应变片。缺点是U形应变片的圆弧形弯曲段呈现横向效应，H形应变片的焊点过多，可靠性下降； (2)箔式应变片：优点是黏合情况好，散热能力较强，输出功率较大，灵敏度高等。在工艺上可按需要制成任意形状，易于大量生产，成本低廉，在电测中获得广泛应用。尤其在常温条件下，箔式应变片已逐渐取代了丝式应变片。(3)薄膜型是在薄绝缘基片上蒸镀金属制成。它灵敏度系数高，易于实现工业化；特别是它可以直接制作在弹性敏感元件上，形成测量元件或传感器。由于这种方法免去了应变片的粘贴工艺过程，因此具有一定优势。

半导体应变片:是用锗或硅等半导体材料制成敏感栅。半导体应变片最突出的优点：灵敏度高，可测微小应变、机械滞后小、横向效应小、体积小。主要缺点：温度稳定性差、灵敏度系数分散性大，所以在使用时需采用温度补偿和非线性补偿措施。

5.简单介绍应变片的粘贴工艺步骤：

答：①应变片的检查与选择  首先要对采用的应变片进行外观检查，观察应变片的敏感栅是否整齐、均匀，是否有锈斑以及短路和折弯等现象。其次要对选用的应变片的阻值进行测量，阻值选取合适将对传感器的平衡调整带来方便。

②试件的表面处理  为了获得良好的粘合强度，必须对试件表面进行处理，清除试件表面杂质、油污及疏松层等。一般的处理办法可采用砂纸打磨，较好的处理方法是采用无油喷砂法，这样不但能得到比抛光更大的表面积，而且可以获得质量均匀的结果。为了表面的清洁，可用化学清洗剂如氯化碳、丙酮、甲苯等进行反复清洗，也可采用超声波清洗。值得注意的是，为避免氧化，应变片的粘贴尽快进行。如果不立刻贴片，可涂上一层凡士林暂作保护。

③底层处理  为了保证应变片能牢固地贴在拭件上，并具有足够的绝缘电阻，改善胶接性能，可在粘贴位置涂上一层底胶。

④贴片  将应变片底面用清洁剂清洗干净，然后在试件表面和应变片底面各涂上一层薄而均匀的粘合剂。待稍干后，将应变片对准划线位置迅速贴上，然后盖一层玻璃纸，用手指或胶锟加压，挤出气泡及多余的胶水，保证胶层尽可能薄而均匀。

⑤固化  粘合剂的固化是否完全，直接影响到胶的物理机械性能。关键是要掌握好温度、时间和循环周期。无论是自然干燥还是加热固化都要严格按照工艺规范进行。为了防止强度降低、绝缘破坏以及电化腐蚀，在固化后的应变片上应涂上防潮保护层，防潮层一般可采用稀释的粘合胶。

⑥粘贴质量检查  首先是从外观上检查粘贴位置是否正确，粘合层是否有气泡、漏粘、破损等。然后是测量应变片敏感栅是否有有断路或短路现象，测量敏感栅的绝缘电阻以及线和试件之间的绝缘电阻。一般情况下，绝缘电阻为50MΩ即可，有些高精度测量，则需要200MΩ以上。

⑦引线焊接与组桥连线  检查合格后既可焊接引出导线，引线应适当加以固定。应变片之间通过粗细合适的漆包线连接组成桥路。连接长度应尽量一致，且不宜过多。

⑧防护和屏蔽 为了保证应变片工作的长期稳定性，应采取防潮、防水等措施，如在应变片及其引出线上涂以石蜡、石蜡松香混合剂、环氧树脂、有机硅、清漆等保护层。

6.说明差动电桥减小温度误差的原理。

答：巧妙地安装应变片而不需补偿并能得到灵敏度的提高。如图2-1，测悬梁的弯曲应变时，将两个应变片分别贴于上下两面对称位置，R1与RB特性相同，所以两电阻变化值相同而符号相反。将R1与RB按图2-4装在R1和R2的位置，因而电桥输出电压比单片时增加1倍。当梁上下温度一致时，RB与R1可起温度补偿作用。

 

2-1 应变片受力变化图

7.电阻应变片的基本测量电路有哪些?试比较它们的特点。

答：直流电桥：(1)等臂电桥：电桥供电电压U越高，输出电压U0越大，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3V~6V为宜。增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。(2)差动电桥：克服和减小非线性误差．提高电桥灵敏度。半桥差动电路：是单臂工作时的2倍，同时还具有温度补偿作用。全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。 

交流电桥：与直流电桥相比，应用交流电桥时应注意以下几个方面的问题；(1)交流电桥的电源通常为正弦波电源，在分析、计算时，仅对基波而言，而在误差分析中需考虑高次谐波的影响。 (2)可以用线性电路和方法分析交流电桥，但对非线性元件需在规定的条件下进行线性化处理。 (3)交流电桥至少需要两个可调参数才能保证电桥平衡，调整参数时必须满足平衡条件。

8.说明电桥的工作原理。若按不同的桥臂工作方式，可分为哪几种?各自的输出电压如何计算?

答：由于应变片电桥电路的输出信号一般比较微弱，所以目前大部分电阻应变式传感器的电桥输出端与直流放大器相连，如图2-2所示

 

 

图2-2直流电桥

(1)等臂电桥  当R1R4＝R2R3时，称为等臂电桥，即电桥处于平衡状态时，输出电压U0＝0。若电桥各臂均有相应电阻增量，得

 

当R1＝R2＝R3=R4＝R时，又 (i＝1，2，3，4)很小，上式可简化为

 

 

(2)差动电桥  

①半桥差动电路：若电桥桥臂两两相等，即R1=R2=R，R3=R4= 

 

若 ， ， 则得

 

②全桥差动电路：若将电桥4个臂接入4个应变计，即2个受拉应变，2个受压应变，将2个应变相同的应变计接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。若 且 则 ，  。

9.如何提高应变片电桥的输出电压灵敏度及线性度？

答：(1)由 可知，当电源电压U及应变片电阻相对变化一定时，电桥得输出电压及其电压灵敏度与各桥臂得阻值无关。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3V~6V为宜。

(2) 一般消除非线性误差的方法有以下几种：

① 采用差动电桥。利用桥路电阻变化的特点，可使桥路形成差动电桥(半桥或全桥)。

②采用高内阻的恒流源电桥。采用恒流源比采用恒压源的非线性误差减小一倍。一般半导体应变片的桥路采用恒流源供电。

10.如果将 电阻应变片贴在弹性试件上，若试件受力横截面积 ，弹性模量 ，若有 的拉力引起应变电阻变化为 。试求该应变片的灵敏度系数？

解：由题意得应变片电阻相对变化量 。

根据材料力学理论可知：应变 ( 为试件所受应力， )，故应变

 

应变片灵敏度系数

 

11.一台用等强度梁作为弹性元件的电子秤，在梁的上、下面各贴两片相同的电阻应变片(K=2)如图2-3(a)所示。已知 ， 。现将四个应变片接入图(b)直流桥路中，电桥电源电压 。当力 时，求电桥输出电压 ？

 

图2-3

解：由图(a)所示四片相同电阻应变片贴于等强度梁上、下面各两片。当重力F作用梁端部后，梁上表面 和 产生正应变电阻变化而下表面 和 则产生负应变电阻变化，其应变绝对值相等，即

 

电阻相对变化量为

 

现将四个应变电阻按图(b)所示接入桥路组成等臂全桥电路，其输出桥路电压为

 

                      

12.如将两个 电阻应变片平行地粘贴在钢制试件上，试件初载等截面积为 ，弹性模量E=200GN/m2，由50kN的拉力所引起的应变片电阻变化为1 。把它们接入惠斯登电桥中，电桥电源电压为1V，求应变片灵敏系数和电桥输出电压为多少？

解:因为，应力/应变=E所以，

应变 =应力/E=50000N/(0.5×10-4m2×200×109N/m2)=0.005

故应变片灵敏系数k为

 

当电阻应变片与匹配电阻构成惠斯登电桥时，两应变片处于不同的桥臂将会有不同的输出：

(1)两应变片接在相邻的桥臂时，由于两应变片平行贴在试件上，两电阻变化值都是1 ，且符号相同，故它们对电桥的作用相互抵消，输出电压为零。这种效果在应变片温度补偿中得到了应用。

(2)两应变片接在相对的桥臂时，因那时它们对电桥的贡献就相当于两个单臂电桥，故其输出电压U0为

 

                           = 

                            

应当指出，如果把两应变片平行粘贴在水平放置的悬臂梁的上、下两侧，并把它们接入相邻的两桥臂，则组成了差动电桥，输出电压U0也将是5mV，因为那时两应片的电阻变化值的符号相反。

13.图2-4为一直流电桥。图中E＝4V， R1＝R2＝R3＝R4＝120 ，试求：

(1)R1为金属应变片，其余为外接电阻，当Rl的增量△R＝1.2 时，电桥输出电压Uo是多少？

(2)R1、R2都是应变片，型号规格相同，感应应变的极性和大小都相同，其余为外接电阻，电桥输出电压U0是多少？

(3)题(2)中，如果R2和R1感受应变的极性相反，且 R1＝ R2＝1.2 时．电桥输出电压Uo是多少？

 

图2-4直流电桥

解：(1)根据式 ，其中 ，因为已知R1＝R2＝R3＝R4 ，所以n=1，所以，电桥输出电压为

 。

(2) 当双桥臂变化时， ，因为R1＝R2， ，所以 。

(3)因为R2和R1感受应变的极性相反，所以输出电压为

 ，将已知条件代入得

 。

14.简要说明筒式应变压力传感器的工作原理。

答：压力传感器主要用来测量流体的压力。视其弹性体的结构形式有单一式和组合式之分。单一式是指应变片直接粘贴在受压弹性膜片或筒上。膜片式应变压力传感器的结构、应力分布及布片，与固态压阻式传感器雷同。图2-5为筒式应变压力传感器。图中(a)为结构示意；(b)为材料取E和μ的厚底应变筒；(c)为4片应变片布片,工作应变片R1、R3沿筒外壁周向粘贴，温度补偿应变片R2、R4贴在筒底外壁，并接成全桥。当应变筒内壁感受压力P时，筒外壁的周向应变为：?

 

 

(a) 结构示意；       (b)筒式弹性元件；        (c)应变片布片

  1—插座；2—基体；3—温度补偿应变片；4—工作应变片；5—应变筒

图2-5筒式应变压力传感器

对厚壁筒 ：                        

 对薄壁筒 ：                          

组合式压力传感器则由受压弹性元件(膜片、膜盒或波纹管)和应变弹性元件(如各种梁)组合而成。前者承受压力，后者粘贴应变片。两者之间通过传力件传递压力作用。这种结构的优点是受压弹性元件能对流体高温、腐蚀等影响起到隔离作用，使传感器具有良好的工作环境。?