Transcript 第三章电阻式传感器
长治医学院 第三章 电阻式传感器 Resistive Sensor 非电量 R 金属应变片式传感器 电阻式传感器 半导体应变片式传感器 生物医学工程系 长治医学院 3.1 金属应变片式传感器 Metal Strain Gauge Sensor 一、工作原理 金属应变片式传感器 弹性元件 金属应变片（金属应变效应） 其它附件 生物医学工程系 长治医学院 金属应变效应 金属应变片在受到外界力的作用下，产生 机械 形变而导致其 阻值变化的现象。 一段长为L，截面积为A，电阻率为 的金属导体 L R A D D dD ln R ln ln L ln A dR d dL dA R L A L F F L dL 生物医学工程系 长治医学院 dR d dL dL dA A R L : 应变 A D / 4 D 2 : dA 2 dD dR dL d (1 2 ) R L dL dA dD 2 2 A D L 泊松系数 压阻效应 尺寸效应 生物医学工程系 长治医学院 dR dL d (1 2 ) R L 通常把单位应变所引起的电阻的相对变化量 称为灵敏系数。 d dR R 常数 K (1 2 ) dL dL L L d 金属应变片 1 2 K 1 2 dL L 一般 0.3, 所以 K 1.6 生物医学工程系 长治医学院 非电量 弹性元件形变 金属应变片应变 金属应变片电阻变化 测量电路 生物医学工程系 长治医学院 二、金属应变片的结构种类 （一）基本结构 覆盖层（保护和定位） 底基 （绝缘和保护） 金属丝或金属箔（敏感核心） 引出线（测量的连接线） 生物医学工程系 长治医学院 （二）种类 金属丝式应变片 金属丝式应变片是将金属电阻丝（一般是合金，电阻 率较高，直径约0.02mm）均匀地按栅状排列粘贴在绝缘基 片上，上面覆盖一层薄膜，使它们变成一个整体。 （a） U形丝式应变片 （b）短接式应变片 常用材料：康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂 乌合金等。 特点：制作简单，性能稳定，成本低。 生物医学工程系 长治医学院 金属箔式应变片 金属箔式应变片是将金属电阻材料通过特殊的碾压而得 到厚度为0.003---0.005mm的极薄的膜，加上绝缘底基以后， 再通过光刻工艺将电阻箔刻成所需的栅状电阻丝，然后再将 这个箔栅加上覆盖层和引出线就构成了箔式应变片。 图6 常见金属箔式应变片 优点：①.可制成多种复杂形状尺寸 准确的敏感栅，其栅长可做到0.2mm， 以适应不同的测量要求；②.与被测 件粘贴结面积大；③.散热条件好， 允许电流大，提高了输出灵敏度。 在常温下，金属箔式应变片已逐步取代了金属丝式应变片。 生物医学工程系 长治医学院 三、金属应变片式传感器在医学中的应用 简支架结构的血压传感器 膜片 （弹性元件） 连杆 电阻 应变片 应变的大小 弹簧片 （弹性元件） 压力的大小 (血压的大小) 生物医学工程系 长治医学院 总结 当弹性元件在非电量的作用下发生形变时，粘 贴其上的金属应变片随之变形，并把变形转化为电 阻值的变化。我们通过对电阻值的测量就可达到对 非电量测量的目的。 生物医学工程系 长治医学院 3.2 半导体应变片式传感器 Semiconductor Strain Gauge Sensor 压阻效应：半导体材料在机械应力的作用下，使 （方向性强）得材料本身的电阻率发生较大变化的 现象。 压阻式传感器 体型半导体应变片 半导体应变片 扩散式半导体应变片 生物医学工程系 长治医学院 一、体型半导体应变片 体型半导体应变片是采用P型或N型硅材料按其 压阻效应最强的方向切割成厚度为0.02—0.05mm， 宽度为0.2—0.5mm，长度为几个毫米的薄片，然后 用底基、覆盖层、引出线将其组合成应变片。 dR d dL dA R L A dR dL d (1 2 ) R L dL 杨氏模量 e y L d 半导体材料的压阻系数 生物医学工程系 长治医学院 dR dL (1 2 e y ) R L 1 2 e y dR dL e y R L dR K R e y dL L 半导体应变片的灵敏度系数：50—200 金属应变片的灵敏度系数：2—4 生物医学工程系 长治医学院 二、扩散式半导体应变片 扩散式半导体应变片是随着近代半导体工艺的 发展而出现的新型元件，例如将p型半导体扩散到n 型硅基底上，从而形成一层极薄的导电p型层线条， 连接引线后就形成了扩散式半导体应变片，通常称 之为压敏电阻片。 生物医学工程系 长治医学院 上节课内容回顾： 1、传感器的定义 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用 被测量 可用 信号的器件或装置。 信号 器件或装置 非电量,可能是物理量，也可 便于处理和输出的另一种 能是化学量、生物量等 物理量,可以是气、光、电 物理量，主要是电物理量 2、传感器的组成 敏感元件 传感器 转换元件 3、医用传感器（medical senser） 能够感知多数为非电量的生物信息并将其转换成电学 量的器件或装置。 生物医学工程系 长治医学院 4、医用传感器的分类 按工作原理分类 物理传感器 化学传感器 生物传感器 金属应变片式传感器 电阻式传感器 半导体应变片式传感器 生物医学工程系 长治医学院 非电量 弹性元件形变 金属应变片应变 金属应变片电阻变化 测量电路 生物医学工程系 长治医学院 3.3 电阻传感器的测量电路 测量电路的作用就是把敏感元件的电阻变化转换成电压 或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换。 直流电桥：如果电桥线路采用直流电源作为驱动电源， 则称其为直流电桥。 R2 R1 Uo E R3 R4 生物医学工程系 长治医学院 c R1 一、直流电桥的平衡条件 平衡状态：c、d之间的电势差为0 的状态。即若在c、d间接入检流 计，检流计中无电流通过，此时电 桥达到平衡状态。 R3 R1 U0 U ( ) R1 R2 R3 R4 R3 R4 R1 R2 Rk R1 R2 R3 R4 U0 If Rk R f R2 a b Rf R3 If R4 d U R1 惠斯通电桥电路R3 R2 U0 R4 Rf If 惠斯通电桥电路等效电路 R1 R4 R2 R3 U R f ( R1 R2 )(R3 R4 ) R1 R2 ( R3 R4 ) R3 R4 ( R1 R2 ) 生物医学工程系 长治医学院 当电桥处于平衡状态时，即 I f 0 电桥的平衡条件为 R1R4 R2 R3 或： 二、直流电桥的灵敏度 R1 R3 R2 R4 1、灵敏度的定义 电桥的灵敏度用电桥测量臂的单位相对变化量引出输出端 电压或电流的变化来表示。 U 0 I 0 Su 或S i R R R R 电压灵敏度 电流灵敏度 目的：获得最大的灵敏度 生物医学工程系 长治医学院 2、灵敏度的计算 应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压 也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入 阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。 R3 R1 U0 U ( ) R1 R2 R3 R4 R1、R2、R3、R4为应变片，当其因应变而产生增量R1、R2、R3、R4 R3 R4 Δ R3 Δ R4 R1 R2 Δ R1 Δ R2 Δ U0 U ( ) U ( ) 2 2 ( R1 R2 ) R1 R2 ( R3 R4 ) R3 R4 若电桥最初平衡，则初始输出电压为0 R1R4 R2 R3 R3 R4 R1 R2 R1 R2 1 1 2 2 2 2 R R R R ( R1 R2 ) ( R R ) R1 2 R1 R2 R2 1 2 3 4 3 4 2 2 R2 R1 R4 R3 生物医学工程系 长治医学院 R1R2 R1 R2 R3 R4 U 0 U 0 U ( ) 2 ( R1 R2 ) R1 R2 R3 R4 R1R2 U ( R1 R2 ) 2 Rn n 1 Rn 4 当 R1 R2 R3 R4 R（等臂电桥）时 (1) 单臂变化 R2 R R R1R2 R2 U 0 U ( ) 0.25U 2 ( R1 R2 ) R2 R Su 0.25U 生物医学工程系 长治医学院 (2) 两臂变化 R4 R R2 R R R1R2 R2 R4 U 0 U ( ) 0.5U 2 ( R1 R2 ) R2 R4 R Su 0.5U (3) 四臂变化 R1 R R4 R R2 R R3 R U 0 U R R Su U 生物医学工程系 长治医学院 结论： 1）测量电桥的输出电压与桥臂电阻的相对变化量，应变， 驱动电源电压成正比。 2）输出电压大小与桥臂变化元件有关，桥臂变化越多，输 出电压越大。 3）提高驱动电源电压和增加变化的桥臂可提高测量电桥的 灵敏度。 生物医学工程系 长治医学院 三、直流电桥的各种补偿 1、零位补偿 没有输入信号下的输出信号称为零位输出。直流电桥的 零位补偿可在电桥中的适当位置配置可变电阻予以解决。 1）、小电阻串联零位补偿电路 R1 补偿 R1 后 R1 R2 R1 R1 R2 R3 R4 R U0 在未补偿 R 前 ，会有输出U ， 1 R3 R4 U 补偿后输出为0 U 0U 0 0.25U U 0 R1 4 R U 0 R1 R 适用范围：桥臂电阻小的直流电桥（如金属应变片组成的电桥）。 优点：简便、体积小 缺点：不能随时调节零位输出 生物医学工程系 长治医学院 2）、大电阻串联零位补偿电路 R1 R2 R3 W U U0 R4 当改变电势差计W 滑动触点的 位置后，桥臂R3 R4的阻值同时变化， 连续调节电势差计并观察输出电压， 直到零位输出达到理想值后，调节 结束。 适用范围：桥臂电阻大的直流电桥（如半导体压阻电 桥）。 优点：能随时调节零位输出 缺点：滑动触头容易接触不良;体积大;传感器到电势差计间 的连线容易产生干扰或带来引线电阻的温度漂移影响 生物医学工程系 长治医学院 3）、并联调节零位输出（应用广泛） R1 R2 R5 U0 R3 R4 U R8 W R6 原理：相当于在R3 R4上各并联了一电阻，通过调节电 势差计W调节并联的电阻，使得U0 =0 生物医学工程系 长治医学院 4）、双桥平衡法 R1 r1 R2 U2 r4 r3 U01 I R3 wt r2 U0 U R4 II U I 工作电桥 II 补偿电桥 原理：调节wt ,用II 的不平衡输出抵消I的零位输出 适用范围：要求较高的仪器 生物医学工程系 长治医学院 2、温漂补偿 桥臂的电阻随着温度的变化而变化。 温度漂移对电桥长时间连续测量影响较大，其产生的原 因与电桥元件的温度系数不一致、环境温度的变化、结构零 件的热膨胀系数不一致、焊点及引出线的电阻不对称或不稳 定等因素有关。 r1 r2 1)热敏补偿法： Rt R1 R2 用温度系数较大的电阻接入某 Uo 个桥臂实现。 r1为减小热敏电阻Rt达到所需 R3 R4 补偿范围而接入的非热敏电阻。 E r R 平衡电阻 r 1 t 2 r1 R t 生物医学工程系 长治医学院 若 a1 a2 2）非热敏元件补偿法： 用温度系数较小的电阻接入某个桥臂实现。 R1、Rc、Rs的等效电阻RD的温 Rc 度系数要小于R1的温度系数。 Rs dRs dRc 0 dt dt R c ( R s R1 ) RD R c R s R1 2 Rc dRD d R1 2 ( R c R s R1 ) R2 R1 Uo R3 R4 E d RD Rc R1 Rc dR1 aD a1 R D dt ( Rs R1 )( Rc Rs R1 ) dt ( Rs R1 )( Rc Rs R1 ) 生物医学工程系 长治医学院 3、灵敏度温漂补偿 原因：测量臂电阻本身的灵敏度随温度变化 电桥的有关机械结构的弹性模数随温度变化 系统的热膨胀系数的影响 补偿方法：用一些热敏元件串 入电桥的输入端来进行补偿， 并通过并联电阻r来控制补偿作 U 用的大小。 Rs r R1 R2 R3 R4 原理：用热敏元件控制供给电 U0 桥的电源电压的变化，从而使 电桥的测量灵敏度随温度而发生变化，这一变化量仔细调 整后可以与电桥本身的灵敏度温漂相抵消，从而达到补偿 的目的。 生物医学工程系 长治医学院 4、非线性补偿 输入输出关系的非线性 原因：电桥线路本身的非线性；电桥元件的非线性；机械 结构的非线性。 补偿方法：通过控制电桥的电源随输入信号变化而进行补偿。 5、直流电桥的标准化补偿 Rk Rk ：灵敏度标准化补偿电阻 R1 R2 （温度系数很低的电阻，如锰铜 丝），微调电源的实际供给电桥 U Ri 的电压，从而微调灵敏度。 R3 Ri ：微调 Ri 使电桥的输入电 R4 阻达到较好的一致。 U 0 生物医学工程系 长治医学院 5、综合补偿 电桥在实际补偿时往往 选择误差影响较大的指标， 并不是对所有指标一一补偿， 如果要求作较综合的补偿采 用如图所示电路。 Rs Rt R R R Rm U R R0 U0 Rm:灵敏度温漂补偿电阻 Rs:灵敏度标准化补偿电阻 Rt:温漂补偿电阻 R0:零位平衡补偿电阻 生物医学工程系 长治医学院 课后作业： 1、6、7、8、9、10 生物医学工程系