哈工大-焊接過程測量與控制

第二章傳感器的基本原理 第一節(jié)電阻式傳感器第二節(jié)電容式傳感器第三節(jié)電感式傳感器第四節(jié)磁電感應(yīng)式傳感器第五節(jié)霍爾式傳感器第六節(jié)光電式傳感器第七節(jié)熱電式傳感器 一 電阻應(yīng)變式傳感器二 電位計式傳感器 第一節(jié)電阻式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器的核心器件為電阻應(yīng)變片 一 電阻應(yīng)變效應(yīng)1 概念 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外力作用下產(chǎn)生機械變形 其電阻值也相應(yīng)發(fā)生變化的物理現(xiàn)象叫電阻應(yīng)變效應(yīng) 一 電阻應(yīng)變式傳感器 2 單根導(dǎo)線受拉伸后的電阻變化 材料幾何變形 材料電阻率變化 對于金屬材料 對半導(dǎo)體材料 二 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與分類主要有金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類 1 金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu) 敏感柵 金屬絲 基底 紙 膠膜或玻璃纖維布 覆蓋層 膠膜 引線 銅絲 分類 絲式應(yīng)變片 直徑15 50微米的金屬絲繞成 箔式應(yīng)變片 光刻 腐蝕 膜厚2 5微米 金屬薄膜應(yīng)變片 真空蒸鍍 沉積 膜厚小于0 1微米 一 電阻應(yīng)變式傳感器 2 半導(dǎo)體應(yīng)變片 壓阻效應(yīng) 對一塊半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的載荷而產(chǎn)生應(yīng)力時 它的電阻率會發(fā)生變化 這種物理現(xiàn)象稱之為壓阻效應(yīng) 彈性模量 壓阻系數(shù) 半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)高 是金屬應(yīng)變片的數(shù)十倍 上百倍 一 電阻應(yīng)變式傳感器 三 金屬應(yīng)變片的主要參數(shù)及工作特性 1 幾何尺寸 靈敏軸線 電阻變化最大的方向標(biāo)距 也稱柵長 敏感柵在靈敏軸線方向上的長度 l工作寬度 也稱柵寬 垂直于靈敏軸線方向的寬度 b 2 電阻值 R 未受力前在室溫下測定的電阻值 也稱初始電阻 60歐姆 120歐姆 350歐姆 600歐姆 1000歐姆等 常用為120歐姆應(yīng)變片的規(guī)格 一 電阻應(yīng)變式傳感器 3 應(yīng)變靈敏系數(shù)K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù) 是在試件受一維應(yīng)力作用 應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致 且試件材料的泊松比為0 285的鋼材時測得的 一般K 1 5 3 5 4 橫向效應(yīng)敏感柵彎角處 受橫向負(fù)載影響 也產(chǎn)生電阻變化 帶來誤差 一 電阻應(yīng)變式傳感器 5 應(yīng)變極限對于已經(jīng)安裝好的應(yīng)變片 在一定溫度下 指示應(yīng)變與真實應(yīng)變的相對誤差在一定范圍內(nèi)時 所能測量的最大應(yīng)變量 一 電阻應(yīng)變式傳感器 5 零點漂移和蠕變零漂 對于粘貼好的應(yīng)變片 當(dāng)溫度恒定時 不承受應(yīng)變時 其電阻值隨時間增加而變化的特性 稱為應(yīng)變片的零點漂移 產(chǎn)生原因 敏感柵通電后的溫度效應(yīng) 應(yīng)變片的內(nèi)應(yīng)力逐漸變化 粘結(jié)劑固化不充分等 蠕變 如果在一定溫度下 使應(yīng)變片承受恒定的機械應(yīng)變 其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變 一般蠕變的方向與原應(yīng)變量的方向相反 產(chǎn)生原因 由于膠層之間發(fā)生 滑動 使力傳到敏感柵的應(yīng)變量逐漸減少 這是兩項衡量應(yīng)變片特性對時間穩(wěn)定性的指標(biāo) 在長時間測量中其意義更為突出 實際上 蠕變中包含零漂 它是一個特例 一 電阻應(yīng)變式傳感器 四 金屬應(yīng)變片的溫度誤差及補償措施 產(chǎn)生原因 應(yīng)變片的電阻絲 敏感柵 具有一定溫度系數(shù) 電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同 補償措施 自補償法 線路補償法1 自補償法 是由兩種不同電阻溫度系數(shù) 一種為正值 一種為負(fù)值 的材料串聯(lián)組成敏感柵 以達到一定的溫度范圍內(nèi)在一定材料的試件上實現(xiàn)溫度補償 要求兩段敏感柵 隨溫度變化而產(chǎn)生的電阻增量大小相等 符號相反 Ra Rb 一 電阻應(yīng)變式傳感器 2 線路補償法 補償塊 直接補償 為達到完全補償 需滿足下列三個條件 R1和R2須屬于同一批號的 即它們的電阻溫度系數(shù) 線膨脹系數(shù) 應(yīng)變靈敏系數(shù)K都相同 兩片的初始電阻值也要求相同 用于粘貼補償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同 即要求兩者線膨脹系數(shù)相等 兩應(yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中 一 電阻應(yīng)變式傳感器 二 電位計式傳感器 x R Rx Ui Uo 電阻分壓原理 RL 階梯特性優(yōu)點 結(jié)構(gòu)簡單 輸出信號強 易實現(xiàn)線性缺點 電刷與導(dǎo)線間的磨損 抗沖擊及振動性能差分辨力低 能耗大 應(yīng)變片應(yīng)用舉例 問題 電阻點焊熔核尺寸波動大 影響焊點質(zhì)量 方案 用電阻應(yīng)變片測量電極位移變化 反饋控制焊接電流及通電時間 效果 良好 第二節(jié)電容式傳感器 應(yīng)用 位移 振動 壓力 物位等量的測量 一 工作原理 當(dāng)平行板的間距d遠(yuǎn)小于平行板的尺寸時 對精度要求不是特別嚴(yán)格的條件下 邊緣效應(yīng)即可忽略 變極距型電容式傳感器 初始時 當(dāng)x減小 x時 C增加 C 即 第二節(jié)電容式傳感器 變極板面積型電容傳感器 1 角位移傳感器兩半圓形板極 定板極和動板極 的間距為d 面積均為S 可繞同圓心轉(zhuǎn)動 其夾角為 C與 角位移 成線性關(guān)系 第二節(jié)電容式傳感器 變極板面積型電容傳感器 2 同心圓筒形線位移傳感器 C與a成線性關(guān)系 當(dāng)內(nèi)筒上移為a時 內(nèi)外筒間的電容C為 第二節(jié)電容式傳感器 變介電常數(shù)型電容傳感器 這種電容可以看成是CA CB兩個電容的并聯(lián) 設(shè)板極寬度為b則 C與a成線性關(guān)系 可以用來測量位移 物位 電介質(zhì)的厚度 根據(jù)介電常數(shù)隨溫度 濕度變化的規(guī)律 還可以測量溫度 濕度等 第二節(jié)電容式傳感器 二 電容式傳感器的典型特點 1 高阻抗直流電阻趨于無窮大 交流阻抗1 j C 由于C一般較小 當(dāng)頻率