傳感器原理與應(yīng)用課程講稿

1、傳感器原理與應(yīng)用課程講稿授課題目（教學(xué)章、節(jié)或主題）：第二章電阻式傳感器授課方式理論課課時(shí)（請(qǐng)打 ）討論課 實(shí)驗(yàn)課 習(xí)題課 其他 安排教學(xué)要求（分掌握、熟悉、了解三個(gè)層次）：了解電位器式傳感器的類型；掌握應(yīng)變式傳感器的組成及工作原理，了解半導(dǎo)體應(yīng)變?cè)?；掌握?yīng)變片的粘貼方法；掌握直流電橋測(cè)量原理；了解交流電橋原理；了解應(yīng)變傳感器應(yīng)用。教學(xué)重點(diǎn)、難點(diǎn)及關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)：重點(diǎn)：應(yīng)變效應(yīng)、應(yīng)變式傳感器的組成及工作原理；直流電橋測(cè)量電路分析過程；變間隙式電容傳感器的工作原理。難點(diǎn)：應(yīng)變式傳感器原理分析；非線性誤差及其補(bǔ)償方法；方法及手段板書與多媒體相結(jié)合教學(xué)基本內(nèi)容（教學(xué)過程）改進(jìn)設(shè)想第二章電阻式傳感器第一

2、節(jié)電位器式電阻傳感器一、電位器式電阻傳感器常用形式、 滑線式位移傳感器、 角位移傳感器、分段電阻角位移傳感器傳感器原理與應(yīng)用課程講稿1 / 9、 分段電阻直線位移傳感器二、線繞式電位器結(jié)構(gòu)和工作原理R , L若線繞式電位器的線繞截面積均勻，則其電阻值變化均勻（線形）。若電位器為空載時(shí)，根據(jù)分壓原理得：U 0RxRxxU 0 U i R若電位器的負(fù)載電阻RL0 ，則輸出電壓為：U iU 0RL RxU iRL RxU i RxRLIRx RLRL RxRL R Rx R Rx 2RL RxRRx RLRx第二節(jié)應(yīng)變式電阻傳感器一、工作原理、應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外（拉力或壓力）力的作用時(shí)，產(chǎn)

3、生機(jī)械變形，導(dǎo)致其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化， 這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為 “應(yīng)變效應(yīng)”。、金屬電阻絲應(yīng)變?cè)韑lFFrr一根金屬電阻絲，在其未受力時(shí)，原始電阻值為RlA傳感器原理與應(yīng)用課程講稿2 / 9如果對(duì)電阻絲長(zhǎng)度作用均勻應(yīng)力，則、的變化、 、將引起電阻的變化，可以通過對(duì)上式做全微分求得：dRdLLLdA2 dAAA其相對(duì)變化量為：dRdldAdRlA若電阻絲是圓形的，則Ar 2 ，為電阻絲的半徑，對(duì)微分得： ，則dA2 rdr2drAr 2rdldrx為金屬電阻絲的軸向應(yīng)變；y 為徑向應(yīng)變lryxdRddRd(1 2) x或R(1 2 )Rxx通常把單位應(yīng)變能引起的電阻值變化稱為電

4、阻絲的靈敏系數(shù)。其物理意義是單位應(yīng)變所引起的電阻相對(duì)變化量，其表達(dá)式為dRdK sR1 2xx靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素影響：一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化，即；另一個(gè)是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化，即（） 。對(duì)金屬材料來說，電阻絲靈敏度系數(shù)表達(dá)式中的值要比 ( )大得多，而半導(dǎo)體材料的( )項(xiàng)的值比 大得多。 大量實(shí)驗(yàn)證明， 在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即為常數(shù)。dRdR得到K s x KsRRx表示金屬電阻絲的電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比。、半導(dǎo)體應(yīng)變?cè)戆雽?dǎo)體應(yīng)變片是用半導(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)。沿一塊半導(dǎo)體的某一軸向施加壓力使其變形時(shí)

5、， 它的電阻率會(huì)發(fā)生顯著變化，這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。 利用壓阻效應(yīng)制成的傳感器稱為壓阻傳感器或半導(dǎo)體應(yīng)變片。傳感器原理與應(yīng)用課程講稿3 / 9當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻相對(duì)變化為dRdR(12 )xx式中 為半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻率相對(duì)變化量，其值與半導(dǎo)體敏感元件在軸向所受的應(yīng)變力有關(guān)，其關(guān)系為dE xdR(1 2E) xR實(shí)驗(yàn)證明， 比 大上百倍，所以可以忽略，因而半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為dRK sREx根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系，得到應(yīng)力值為 由此可知，應(yīng)力值正比于應(yīng)變，而應(yīng)變又正比于電阻值的變化，所以應(yīng)力正比于電阻值的變化。這就是利用應(yīng)變片測(cè)量的基本原理。二、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、材料和

6、粘貼、應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)柵長(zhǎng)柵寬、金屬電阻應(yīng)變片的材料對(duì)電阻絲材料應(yīng)有如下要求： 靈敏系數(shù)大， 且在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)；值大，即在同樣長(zhǎng)度及橫截面積的電阻絲中具有較大的電阻值； 電阻溫度系數(shù)小，否則因環(huán)境溫度變化也會(huì)改變其阻值； 與銅線的焊接性能好，與其它金屬的接觸電勢(shì)?。?機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。傳感器原理與應(yīng)用課程講稿4 / 9、金屬電阻應(yīng)變片的粘貼常用的粘結(jié)劑類型有硝化纖維素型、氰基丙稀酸型、 聚酯樹脂型、 環(huán)氧樹脂型和酚醛樹脂型等。粘貼工藝包括被測(cè)件粘貼表面處理、貼片位置確定、涂底膠、貼片、干燥固化、貼片質(zhì)量檢查、 引線的焊接與固定以及防護(hù)與屏蔽等。粘結(jié)劑的性能及應(yīng)變片的

7、粘貼質(zhì)量直接影響應(yīng)變片的工作特性，如零漂、滯后、靈敏系數(shù)、線性以及它們受溫度變化影響的程度。可見，選擇粘結(jié)劑和正確的粘結(jié)工藝與應(yīng)變片的測(cè)量精度有著極重要的關(guān)系。、金屬箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片的工作原理基本和電阻絲式應(yīng)變片相同。 它的電阻敏感元件不是金屬絲柵，而是通過光刻、腐蝕等工序制成的薄金屬箔柵，故稱箔式電阻應(yīng)變片，如圖。金屬箔的厚度 般為 ( )，它的基片和蓋片多為膠質(zhì)膜，基片厚度一般為( )。第三節(jié)電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路一、測(cè)量電路目的：將微小應(yīng)變引起的微小電阻值的變化測(cè)量出來，同 時(shí) ， 要 把 電 阻 相 對(duì) 變 化轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。：為電源電壓、及：橋臂電阻：為負(fù)載電阻、電橋平衡當(dāng)

8、 時(shí)，電橋輸出電壓為U oR1R3R1R4 R2 R3ER3 R4ER1 R2R1 R2 R3 R4傳感器原理與應(yīng)用課程講稿5 / 9當(dāng)電橋平衡時(shí)， ，則有 R1R3R2R4為電橋平衡條件。 這說明欲使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應(yīng)相等，或相對(duì)兩臂電阻的乘積應(yīng)相等。、動(dòng)態(tài)時(shí)電阻變化與輸出關(guān)系四個(gè)橋臂電阻分別為： R1R1 , R2R2 , R3R3 , R4R4Uo E R1R1 R4R4R2R2 R3R3R1R1 R2R2 R3R3 R4 R4141441R1 R4232332R2R3ERRRRRRRRRRRR2341234123412341R R R R R R R RR R R RR

9、R R R忽略分母中R 項(xiàng)、分子中忽略R 的二次交叉項(xiàng)：U oE R1R4R1R4 R1R2R3R3 R2R2R3R4ER1R2R1R4R2R3R22R1R4R2R3R1、電壓靈敏度實(shí)際使用中是第一橋臂為應(yīng)變片，當(dāng)受應(yīng)變時(shí)，若應(yīng)變片電阻變化為，其它橋臂固定不變，電橋輸出電壓，則電橋不平衡，輸出電壓為：U oR1R1R3R1 R4ER2 R3 R4( R1R1R2 )( R3 R4 )R1 R1R4R1ER3R1使用單一應(yīng)變片時(shí)ER1R2SVR441R11R1R3、非線性誤差及其補(bǔ)償方法上面的分析過程中略去分母中的 項(xiàng)，電橋輸出電壓與電阻相對(duì)變化成正比的理想情況下得到的，實(shí)際情況則應(yīng)按下式計(jì)算，

10、即nR1U 0 ER1R1 (1 n)1 nR1傳感器原理與應(yīng)用課程講稿6 / 9與的關(guān)系是非線性的，非線性誤差為R1U oU oR1LU o1nR1R1R1R1 R2R3 R4L2R1R112R1例題：一應(yīng)變片，所受應(yīng)變?yōu)?，若取，計(jì)算非線性誤差 .解： R12R1L0.5%1R12R1若, , 6%L對(duì)靈敏度較高的應(yīng)變傳感器， 受到較小的應(yīng)變， 非線性誤差也會(huì)很大。 當(dāng)非線性誤差不能滿足測(cè)量要求時(shí)，必須予以消除。第四節(jié)電阻傳感器應(yīng)用.應(yīng)變式力傳感器被測(cè)物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感器時(shí)，統(tǒng)稱為應(yīng)變式力傳感器。其主要用途是作為各種電子稱與材料試驗(yàn)機(jī)的測(cè)力元件、 發(fā)動(dòng)機(jī)的推力測(cè)試、 水壩壩體承載

11、狀況監(jiān)測(cè)等。應(yīng)變式力傳感器要求有較高的靈敏度和穩(wěn)定性， 當(dāng)傳感器在受到側(cè)向作用力或力的作用點(diǎn)少量變化時(shí)，不應(yīng)對(duì)輸出有明顯的影響。.柱（筒）式力傳感器圖（）、（）分別為柱式、筒式力傳感器，應(yīng)變片粘貼在彈性體外壁應(yīng)力分布均勻的中間部分，對(duì)稱地粘貼多片，電橋連線時(shí)考慮盡量減小載荷偏心和彎矩影響，貼片在圓柱面上的展開位置及其在橋路中的連接如圖（） 、（）所示，和串接，和串接，并置于橋路對(duì)臂上，以減小彎矩影響，橫向貼片和串接，和串接，作溫度補(bǔ)償用，接于另兩個(gè)橋臂上。傳感器原理與應(yīng)用課程講稿7 / 9R 5R 6R7R8R1R 2R3R 4(c)R 1R3R5R 7UoR 6R8R2R 4.應(yīng)變式容器內(nèi)液

12、體重量傳感器(a)(b)?1?D? | ?D?a?t?1? U(d)R 4R2R LR0U 1R tR 1R 3?D?1?hUoR4R2RLR0U 2Rt.應(yīng)變式加速度傳感器R1R應(yīng)變式加速度傳感器主要用于物體加速度的測(cè)量。其基本工作3原理是：物體運(yùn)動(dòng)的加速度與作用在它上面的力成正比， 與物體的質(zhì)量成反比， 即。圖中是等強(qiáng)度梁，自由端安裝質(zhì)量塊， 另一端固定在殼體上。 等強(qiáng)度梁上粘貼四個(gè)電阻應(yīng)變敏感元件 。為了調(diào)節(jié)振動(dòng)系統(tǒng)阻尼系數(shù)，在殼體內(nèi)充滿硅油。2143傳感器原理與應(yīng)用課程講稿1?a?o?2?a?3?a?4?a? | ?D?a?8 / 9測(cè)量時(shí)， 將傳感器殼體與被測(cè)對(duì)象剛性連接，當(dāng)被測(cè)物體以加速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形， 該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應(yīng)變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓， 即可得出加速度值的大小。應(yīng)變片加速度傳感器不適用于頻率較