一文讀懂電阻式傳感器

電阻式傳感器與相應(yīng)的測(cè)量電路組成的測(cè)力、測(cè)壓、稱重、測(cè)位移、加速度、扭矩等測(cè)量?jī)x表是冶金、電力、交通、石化、商業(yè)、生物醫(yī)學(xué)和國(guó)防等部門進(jìn)行自動(dòng)稱重、過(guò)程檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化不可缺少的工具之一。

電阻式傳感器

電阻式傳感器是利用一定的方式將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為敏感元件電阻參數(shù)的變化，再通過(guò)電路轉(zhuǎn)變成電壓或電流信號(hào)的輸出，從而實(shí)現(xiàn)非電量的測(cè)量。

可用于各種機(jī)械量和熱工量的檢測(cè)，如用來(lái)測(cè)量力、壓力、位移、應(yīng)變、速度、加速度、溫度和濕度等。它結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本低廉，在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。

由于構(gòu)成電阻的材料及種類很多，引起電阻變化的物理原因也很多，這就構(gòu)成了各種各樣的電阻式傳感元件以及由這些元件構(gòu)成的電阻式傳感器。

電阻式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)

1、電阻式傳感器的優(yōu)點(diǎn)

1）有較大的非線性、輸出信號(hào)較弱，但可采取一定的補(bǔ)償措施。因此它廣泛應(yīng)用于自動(dòng)測(cè)試和控制技術(shù)中。

2）電阻應(yīng)變式傳感器中的電阻應(yīng)變片具有金屬的應(yīng)變效應(yīng)，即在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械形變，從而使電阻值隨之發(fā)生相應(yīng)的變化

2、電阻式傳感器的缺點(diǎn)

1）對(duì)于大應(yīng)變有較大的非線性、但輸出信號(hào)較弱。

2）隨著時(shí)間和環(huán)境的變化，構(gòu)成傳感器的材料和器件性能會(huì)發(fā)生變化。因此不適用于長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)，因?yàn)闀r(shí)漂、溫漂較大，長(zhǎng)時(shí)間測(cè)的話可能就無(wú)法取得真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。

3）易受到電場(chǎng)、磁場(chǎng)、振動(dòng)、輻射、氣壓、聲壓、氣流等的影響。

電阻應(yīng)變式傳感器

電阻應(yīng)變式傳感器是根據(jù)電阻應(yīng)變效應(yīng)的原理制成的，將測(cè)量物體的變形轉(zhuǎn)換成電阻的變化。主要用于機(jī)械量的檢測(cè)中，如力、壓力等物理量的檢測(cè)中，其應(yīng)用最為廣泛的形式是電阻應(yīng)變片。

電阻應(yīng)變效應(yīng)：導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，其電阻值也發(fā)生相應(yīng)改變，這種現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。

金屬電阻應(yīng)變片的工作原理就是電阻應(yīng)變效應(yīng)。

金屬導(dǎo)體的電阻值可表示為：

1、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片又稱為電阻應(yīng)變計(jì)，它的結(jié)構(gòu)形式較多，但其主要組成部分基本相同，是由基底、敏感柵和覆蓋層等組成。

1）敏感柵——實(shí)現(xiàn)應(yīng)變到電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。通常由直徑為0.015～0.05mm的金屬絲繞成柵狀，或用金屬箔腐蝕成柵狀。

2）基底——為保持敏感柵固定的形狀、尺寸和位置，通常用粘結(jié)劑將其固結(jié)在紙質(zhì)或膠質(zhì)的基底上?；妆仨毢鼙?，一般為0.02～0.04mm。

3）引線——起著敏感柵與測(cè)量電路之間的過(guò)渡連接和引導(dǎo)作用。通常取直徑約0.1～0.15mm的低阻鍍錫銅線，并用釬焊與敏感柵端連接。

4）蓋層——用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的保護(hù)層，起著防潮、防蝕、防損等作用。

5）粘結(jié)劑——制造應(yīng)變計(jì)時(shí)，用它分別把蓋層和敏感柵固結(jié)于基底，使用應(yīng)變計(jì)時(shí)，用它把應(yīng)變計(jì)基底粘貼在試件表面的被測(cè)部位，它也起著傳遞應(yīng)變的作用。

2、電阻應(yīng)變片的要求：

1）應(yīng)變靈敏度系數(shù)大，且線性范圍寬；

2）電阻率值大，即在同樣長(zhǎng)度、同樣橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值；

3）電阻穩(wěn)定性能好，溫度系數(shù)小，其阻值隨環(huán)境溫度變化較?。?/p>

4）易于焊接，對(duì)引線材料的接觸電勢(shì)??；

5）抗氧化能力高、耐腐蝕、耐疲勞，機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。

常用金屬電阻絲材料的性能：

3、電阻應(yīng)變片的分類

按照電阻應(yīng)變片的制造方法、工作溫度以及用途，可以對(duì)電阻應(yīng)變片進(jìn)行不同的分類。

根據(jù)應(yīng)變片的制作材料，可以把應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。

金屬電阻應(yīng)變片

金屬絲式應(yīng)變片由基體材料、金屬應(yīng)變絲或應(yīng)變箔、絕緣保護(hù)片和引出線等部分組成。

金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式二種。回線式最為常用，制作簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，成本低，易粘貼，但橫向效應(yīng)較大。絲式金屬電阻應(yīng)變片的敏感柵由直徑0.01～0.05mm的電阻絲平行排列而成。應(yīng)變片的阻值為幾十歐至幾十千歐左右。

金屬箔式電阻應(yīng)變片

它的敏感柵是通過(guò)光刻、腐蝕等工藝制成。將合金先軋成厚度為0.002mm~0.01mm的箔材，經(jīng)過(guò)熱處理后在一面圖刷一層0.03~0.05mm厚的樹(shù)脂膠，再經(jīng)聚合固化形成基底。在另一面經(jīng)照相制版、光刻、腐蝕等工藝制成敏感柵，焊上引線，并涂上與基底相同的樹(shù)脂膠作為覆蓋片。

箔式應(yīng)變計(jì)的主要特點(diǎn)：

①工藝上，它能保證敏感柵尺寸準(zhǔn)確，線條均勻。大批量生產(chǎn)時(shí)，電阻值一致性好，離散程度小。

②箔式應(yīng)變計(jì)的敏感柵的橫截面積為矩形，表面積和截面積之比大，散熱性能好，允許通過(guò)的電流較大，靈敏度系數(shù)較高。

③箔式應(yīng)變計(jì)比絲式應(yīng)變計(jì)厚度薄，其厚度一般為0.003~0.01mm，由于它的厚度薄，具有較好的可繞性，因此可以根據(jù)需要制成任意形狀的敏感柵（即應(yīng)變花）和微型小基長(zhǎng)（如基長(zhǎng)為0.1mm），有利于傳遞變形。

④由于箔式應(yīng)變計(jì)的特殊工藝，適合批量生產(chǎn)，且生產(chǎn)效率高。

金屬薄膜應(yīng)變片

薄膜，一般指厚度不超過(guò)0.1μm的膜。金屬薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸鍍、沉積或?yàn)R射式陰極擴(kuò)散等方法按規(guī)定圖形制成的掩膜版，在很薄的絕緣基底材料上制成一層金屬電阻材料薄膜以形成敏感柵，再加上保護(hù)層而制成。

金屬薄膜應(yīng)變片可以采用一些高溫材料制成可在高溫條件下工作的電阻應(yīng)變片。例如，采用鉑或鉻等材料沉積在藍(lán)寶石薄片上或覆有陶瓷絕緣層的鉬條上，工作溫度范圍在600℃~800℃。

若按照工作溫度進(jìn)行分類，可將電阻應(yīng)變計(jì)分為低溫（-30℃以下）、常溫（-30℃～60℃）、中溫（60℃～300℃）和高溫（300℃以上）幾種應(yīng)變計(jì)。

4、電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路

電阻應(yīng)變式傳感器的測(cè)量電路按照工作電源分為直流電源測(cè)量電路和交流電源測(cè)量電路兩種。

1）直流電橋電路

直流電橋電路是由連接成環(huán)形的四個(gè)橋臂組成的，每個(gè)橋臂上是一個(gè)電阻，分別為R1、R2、R3及R4，他們可全部或部分是應(yīng)變片。

2）交流電橋電路

由于應(yīng)變電橋輸出電壓很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。

3）電橋的調(diào)平衡

在應(yīng)變片工作之前必須對(duì)電橋進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。對(duì)于直流電橋可采用串聯(lián)或并聯(lián)電位器法。常用的電橋調(diào)平衡電路如圖所示。

（a）為串聯(lián)電阻調(diào)平衡法 （b）為并聯(lián)電阻調(diào)平衡法

對(duì)于交流電橋一般采用阻容調(diào)平衡法，如圖所示。

（c）為差動(dòng)電容調(diào)平衡法 （d）為阻容調(diào)平衡法

5、電阻應(yīng)變式傳感器的粘貼

應(yīng)變片是用粘結(jié)劑粘貼到被測(cè)件上的，粘結(jié)劑形成的膠層必須準(zhǔn)確迅速地將被測(cè)件應(yīng)變傳遞到敏感柵上。選擇粘結(jié)劑時(shí)必須考慮應(yīng)變片材料和被測(cè)件材料性能，不僅要求粘接力強(qiáng)，粘結(jié)后機(jī)械性能可靠，而且粘合層要有足夠大的剪切彈性模量，良好的電絕緣性，蠕變和滯后小，耐濕，耐油，耐老化，動(dòng)態(tài)應(yīng)力測(cè)量時(shí)耐疲勞等。

應(yīng)變片的粘貼步驟一般可分為：

（1）應(yīng)變片的檢查與選擇

（2）試件的表面處理

（3）底層處理

（4）貼片

（5）固化

（6）粘貼質(zhì)量檢查

（7）引線焊接與組橋連線

應(yīng)變片的選用：

（1）選擇類型—使用目的、要求、對(duì)象、環(huán)境

（2）材料考慮—使用溫度、時(shí)間、最大應(yīng)變量及精度。

（3）阻值選擇—根據(jù)測(cè)量電路和儀器選定標(biāo)稱電阻

（4）尺寸考慮—試件表面、應(yīng)力分布、粘貼面積

（5）其他考慮—特殊用途、惡劣環(huán)境、高精度

6、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

電阻應(yīng)變片的應(yīng)用有兩個(gè)方面：一是作為敏感元件，可直接用于被測(cè)試件的應(yīng)變測(cè)量；另一方面作為轉(zhuǎn)換元件，通過(guò)彈性元件構(gòu)成傳感器，可用于對(duì)任何能轉(zhuǎn)換成彈性元件應(yīng)變的其他物理量的間接測(cè)量。

應(yīng)變片式傳感器的特點(diǎn)：

①應(yīng)用和測(cè)量范圍廣；

②分辨率和靈敏度高、精度較高；

③結(jié)構(gòu)輕小，對(duì)試件影響小，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，頻率響應(yīng)好；

④商品化，選用方便，便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測(cè)量。

1）測(cè)力傳感器：

2）壓力傳感器：

3）應(yīng)變式位移傳感器：

應(yīng)變式位移傳感器是把被測(cè)位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應(yīng)變，然后通過(guò)應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變電橋，輸出正比于被測(cè)位移的電量。

4）應(yīng)變式加速度傳感器：

通過(guò)質(zhì)量塊與彈性元件的作用，還可將被測(cè)加速度轉(zhuǎn)換成彈性應(yīng)變，從而構(gòu)成應(yīng)變式加速度傳感器。

壓阻式傳感器

有些固體材料在某一軸向受到外力作用時(shí)，除了產(chǎn)生變形外，其電阻率ρ也要發(fā)生變化，這種由于應(yīng)力的作用而使材料電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特別強(qiáng)。利用壓阻效應(yīng)制成的傳感器稱為壓阻式傳感器。

壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高，頻率響應(yīng)好，體積小。它主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。

1、壓阻式傳感器的分類

壓阻式傳感器是利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。它主要有三種類型：體型、薄膜型和擴(kuò)散型。

1）體型壓阻傳感器

利用半導(dǎo)體材料電阻制成粘貼式的應(yīng)變片（半導(dǎo)體應(yīng)變片），用此應(yīng)變片制成的傳感器稱為半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。這是一種將半導(dǎo)體材料硅或鍺晶體按一定方向切割成的片狀小條，經(jīng)腐蝕壓焊粘貼在基片上而成的應(yīng)變片，其結(jié)構(gòu)如圖。

2）薄膜型壓阻傳感器

薄膜型壓阻傳感器是利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的試件上而制成的，結(jié)構(gòu)如圖。

3）擴(kuò)散型壓阻傳感器

擴(kuò)散型壓阻傳感器是在半導(dǎo)體材料的基片上利用集成電路工藝制成擴(kuò)散電阻。將P型雜質(zhì)擴(kuò)散到N型硅單晶基底上，形成一層極薄的P型導(dǎo)電層，再通過(guò)超聲波和熱壓焊法接上引出線就形成了擴(kuò)散型半導(dǎo)體應(yīng)變片。

它是一種應(yīng)用很廣的半導(dǎo)體應(yīng)變片。擴(kuò)散型壓阻傳感器的基片是半導(dǎo)體單晶硅。

2、壓阻式傳感器的工作原理

1）工作原理

壓阻式傳感器是用半導(dǎo)體材料制成的，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻率 發(fā)生變化。其電阻相對(duì)變化為：

用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化，同時(shí)應(yīng)變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片與金屬應(yīng)變片相比，最突出的優(yōu)點(diǎn)是它的體積小而靈敏度高。

2）溫度誤差及補(bǔ)償

由于半導(dǎo)體材料對(duì)溫度很敏感，壓阻式傳感器的電阻值及靈敏度系數(shù)隨溫度變化而發(fā)生變化，引起的溫度誤差分別為零漂和靈敏度溫漂。壓阻式傳感器一般在半導(dǎo)體基片上擴(kuò)散四個(gè)電阻，當(dāng)四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值相等或相差不大、電阻溫度系數(shù)也相同時(shí)，其零漂和靈敏度溫漂都會(huì)很小，但工藝上難以實(shí)現(xiàn)。由于溫度誤差較大，壓阻式傳感器一般都要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

3、壓阻式傳感器的應(yīng)用

利用半導(dǎo)體壓阻效應(yīng)，可設(shè)計(jì)成多種類型的壓阻式傳感器。壓阻式傳感器體積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，靈敏度高，能測(cè)量十幾微帕的微壓，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。因此，它在測(cè)量壓力、壓差、液位物位、加速度和流量等方面得到了普遍應(yīng)用。

1）壓力測(cè)量

硅壓阻式壓力傳感器由外殼、硅膜片（硅杯）和引線等組成。

2）液位測(cè)量

它是根據(jù)液面高度與液壓成比例的原理工作的。投入式液位傳感器安裝方便，可適應(yīng)于深度為幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測(cè)量。

3）加速度測(cè)量

它的懸臂梁直接用單晶硅制成，在懸臂梁的根部擴(kuò)散四個(gè)阻值相同的電阻，構(gòu)成差動(dòng)全橋。在懸臂梁的自由端裝一質(zhì)量塊，當(dāng)傳感器受到加速度作用時(shí)，由于慣性，質(zhì)量塊使懸臂梁發(fā)生形變而產(chǎn)生應(yīng)力，該應(yīng)力使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化，由電橋的輸出信號(hào)可獲得加速度的大小。

隨著集成化技術(shù)的發(fā)展，集成化、多功能化、智能化的各類混合集成和單片集成式傳感器被廣泛應(yīng)用。集成化傳感器有壓阻式、電容式類型，其中壓阻式集成化傳感器發(fā)展快、應(yīng)用廣。

審核編輯：湯梓紅