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文檔簡介

1、電視大學(xué)電視大學(xué)1頁電視大學(xué)電視大學(xué)2頁第第3章章 電阻式傳感器電阻式傳感器主要內(nèi)容主要內(nèi)容:1 1、介紹、介紹應(yīng)變式電阻傳感器應(yīng)變式電阻傳感器的工作原理、金屬應(yīng)變片的的工作原理、金屬應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)、類型、主要特性、溫度補償、選擇與粘貼工藝、結(jié)構(gòu)、類型、主要特性、溫度補償、選擇與粘貼工藝、轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。2 2、介紹、介紹壓阻式傳感器壓阻式傳感器的工作原理、半導(dǎo)體應(yīng)變片的的工作原理、半導(dǎo)體應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與主要特性、壓阻式傳感器的溫度補償、轉(zhuǎn)換電結(jié)構(gòu)與主要特性、壓阻式傳感器的溫度補償、轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。路及典型應(yīng)用。3 3、介紹、介紹熱阻式傳感器熱阻式傳感器的工作原理、類型

2、、轉(zhuǎn)換電路及的工作原理、類型、轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。典型應(yīng)用。4 4、介紹、介紹電位計式傳感器電位計式傳感器的工作原理、類型、轉(zhuǎn)換電路的工作原理、類型、轉(zhuǎn)換電路及典型應(yīng)用。及典型應(yīng)用。電視大學(xué)電視大學(xué)3頁第第3章章 電阻式傳感器電阻式傳感器3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:p53p533.1.1金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng):金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng):電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時,其電阻值發(fā)生變化,這一現(xiàn)象就是電阻絲的應(yīng)變效應(yīng)應(yīng)變效應(yīng)。設(shè)有一段長為l ,截面為s ,電阻率為 的金屬絲,則它的電阻為: 電視大學(xué)電視大學(xué)4頁當(dāng)它受到軸向力f而被拉伸(或壓縮)時,其l、s、 均發(fā)生變化,如圖所示,

3、如取金屬絲是半徑為r 的圓形截面s=r2 ,那么 3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:3.1.1金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng):金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng):故電阻的相對變化為 電視大學(xué)電視大學(xué)5頁若金屬絲沿長度方向受力而伸長l,通常將l/l 稱為縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變,標(biāo)為 。它是長度方向的相對變形或稱長度變化率,是一無量綱的量。因為它的數(shù)值在通常的測量中甚小,故常用10-6作為單位來表示,稱為微應(yīng)變,標(biāo)以。例如=0.001就可以表示為1000,稱為具有1000微應(yīng)變。3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:3.1.1金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng):金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng):由材料力學(xué)得知,在彈性范圍內(nèi),金屬

4、絲受拉力時,沿軸向伸長,沿徑向縮短,哪么軸向應(yīng)變和徑向應(yīng)變的關(guān)系為:(電阻絲的泊松比)兩端同除有:k0稱為金屬絲的靈敏系數(shù),它表示金屬絲發(fā)生單位軸向應(yīng)變時所引起的電阻值的相對變化。電視大學(xué)電視大學(xué)6頁3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:3.1.1金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng):金屬絲的電阻應(yīng)變效應(yīng):k0物理意義:單位應(yīng)變所引起的電阻相對變化。此式表明:因應(yīng)變導(dǎo)致金屬電阻值的變化,由兩項組成:第一項(1+2)表示由于幾何尺寸改變引起的電阻變化;另一項(d/)/表示單位軸向應(yīng)變引起電阻率的變化。對于大多數(shù)金屬電阻絲金屬電阻絲材料說,則有此式表明:加載后金屬絲金屬絲電阻相對變化量與軸向應(yīng)變成正比。

5、k0是一個常數(shù),不同的金屬材料,k0不同。由于k0為常數(shù),可將靈敏系數(shù)表達(dá)式改寫為:電視大學(xué)電視大學(xué)7頁3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:3.1.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型(p55)應(yīng)變片阻值尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn),常用的有60、120、200、320、350、500、1000,其中120最為常用。應(yīng)變片的結(jié)構(gòu):應(yīng)變片的結(jié)構(gòu):應(yīng)變片主要是由金屬絲柵(敏感柵)、絕緣基片及覆蓋片三部分組成。引線覆蓋層基片電阻絲式敏感柵lb電視大學(xué)電視大學(xué)8頁中央電大往屆試題中央電大往屆試題3.1.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型(p55)1、填空題、填空題:(:(2分;分; 04.1. p5

6、5)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu):應(yīng)變片主要是由應(yīng)變片的結(jié)構(gòu):應(yīng)變片主要是由 、 及覆及覆蓋片三部分組成。蓋片三部分組成。2、填空題:(、填空題:(2分;分;2004.1. p53)電阻絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時,其電阻值發(fā)生變化,這一現(xiàn)象就是電阻絲的 。電視大學(xué)電視大學(xué)9頁3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:3.1.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型(p55)電阻應(yīng)變片的種類:電阻應(yīng)變片的種類:根據(jù)制作方法,一般可將金屬應(yīng)變片分為二類:電阻絲應(yīng)變片:電阻絲應(yīng)變片:電阻絲應(yīng)變片有圓角線柵式和直角線柵式兩種。前者制造方便,為最常見形式,但它的橫向效應(yīng)較大。金屬箔式應(yīng)變片:金屬箔式應(yīng)變片:敏感柵

7、由高阻值的金屬鉑片經(jīng)光刻腐蝕技術(shù)制成。電視大學(xué)電視大學(xué)10頁3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:3.1.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型(p55)電阻應(yīng)變片的種類:電阻應(yīng)變片的種類:電視大學(xué)電視大學(xué)11頁3.1.2應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與類型(p55)3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:電阻應(yīng)變片的種類:電阻應(yīng)變片的種類:電視大學(xué)電視大學(xué)12頁電阻應(yīng)變片的種類:電阻應(yīng)變片的種類:中央電大往屆試題中央電大往屆試題問答題:問答題:(6分;分;2008.1. ; p56)金屬應(yīng)變片有哪些類型?金屬應(yīng)變片有哪些類型?根據(jù)制作方法,一般可將金屬應(yīng)變片分為二類:電阻絲

8、應(yīng)變片;金屬箔式應(yīng)變片。電視大學(xué)電視大學(xué)13頁3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器是以電阻應(yīng)變片為轉(zhuǎn)換元件的傳感器,公式:利用應(yīng)變片測量力的基本原理:利用應(yīng)變片測量力的基本原理:力的變化力的變化機(jī)械形變機(jī)械形變電電阻變化阻變化r應(yīng)變值應(yīng)變值 根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變根據(jù)應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系:的關(guān)系:=e=e:應(yīng)力(單位面積受力);e:彈性模量。 應(yīng)變值應(yīng)變值 應(yīng)力值應(yīng)力值 力力f f標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品電視大學(xué)電視大學(xué)14頁第第3章章 電阻式傳感器電阻式傳感器3.1.3應(yīng)變片的主要特性應(yīng)變片的主要特性(p56)電阻應(yīng)變片靈敏系數(shù)為k=r/(r)。電阻絲(半成品)靈敏系數(shù)為k0,k不等于k0且

9、恒小于k0 。應(yīng)變片靈敏系數(shù)k必須重新實驗測定。因粘貼式應(yīng)變片一經(jīng)粘貼測試就無法取下重用,一批產(chǎn)品只能采取抽樣(如5%)測定,取平均k值及允許的公差值標(biāo)注在該批的每個應(yīng)變片包裝袋上,也稱“標(biāo)稱靈敏系數(shù)”。應(yīng)變片靈敏系數(shù)測定是在某種特定實驗裝置上進(jìn)行的,如采用純彎梁(等應(yīng)力梁)或等強度懸臂梁。試件材料必須是泊松系數(shù)=0.285的鋼材,受單向應(yīng)力狀態(tài)且應(yīng)變力軸向與主應(yīng)力方向一致。由此可見,應(yīng)變片靈敏系數(shù)是在二維應(yīng)變場中進(jìn)行標(biāo)定的。實驗證明,在相當(dāng)大的應(yīng)變范圍內(nèi),應(yīng)變片靈敏系數(shù) 是常數(shù)。(1)(1)靈敏系數(shù):靈敏系數(shù):電視大學(xué)電視大學(xué)15頁3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器: 沿應(yīng)變片軸

10、向的應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向的應(yīng)變x x 必然引起應(yīng)變片電阻的必然引起應(yīng)變片電阻的相對變化,而沿垂直于應(yīng)變片軸向的橫向應(yīng)變相對變化,而沿垂直于應(yīng)變片軸向的橫向應(yīng)變y y 也也會引起其電阻的相對變化,這種現(xiàn)象稱為會引起其電阻的相對變化,這種現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)。3.1.3應(yīng)變片的主要特性應(yīng)變片的主要特性(p56)(2)橫向效應(yīng):橫向效應(yīng):橫向效應(yīng)與應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)有關(guān),敏感柵端部具有半圓形橫柵的絲繞應(yīng)變片橫向效應(yīng)較為嚴(yán)重?,F(xiàn)在一般多采用箔式應(yīng)變片,其圓弧部分尺寸較柵絲尺寸大得多,電阻值較小,因而電阻的變化量也就小得多。電視大學(xué)電視大學(xué)16頁3.1.3應(yīng)變片的主要特性應(yīng)變片的主要特性(p56)3.13.1

11、應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:(3)(3)溫度效應(yīng):溫度效應(yīng): 粘貼到試件上的電阻應(yīng)變片,除感受機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對變化外,在環(huán)境溫度變化時,也會引起電阻的相對變化,產(chǎn)生虛假應(yīng)變,這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。電視大學(xué)電視大學(xué)17頁中央電大往屆試題中央電大往屆試題1、問答題:(、問答題:(07.1 ; 08.7.)p56什么是金屬應(yīng)變片的橫向效應(yīng)?(6分)答:沿應(yīng)變片軸向的應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向的應(yīng)變x 必然引起應(yīng)變片電阻的相對變化,必然引起應(yīng)變片電阻的相對變化,而沿垂直于應(yīng)變片軸向的橫向應(yīng)變而沿垂直于應(yīng)變片軸向的橫向應(yīng)變y 也會引起其電阻的相對變也會引起其電阻的相對變化,這種現(xiàn)象稱為化,這種現(xiàn)象稱

12、為橫向效應(yīng)橫向效應(yīng)。2 2、問答題:(、問答題:(04.1.04.1.;04.7. p5704.7. p57)為什么用應(yīng)變片測量時必須采用溫度補償措施?答:粘貼到試件上的電阻應(yīng)變片,除感受機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對變化外,在環(huán)境溫度變化時,也會引起電阻的相對變化,產(chǎn)生虛假應(yīng)變,因此需采用溫度補償措施。 3.1.3應(yīng)變片的主要特性應(yīng)變片的主要特性(p57)電視大學(xué)電視大學(xué)18頁(3)(3)溫度效應(yīng):溫度效應(yīng): p57p57單絲自補償法:單絲自補償法:由式(3-9)可知,為使因溫度變化而產(chǎn)生的虛假應(yīng)變t=0,只要滿足條件:t=-k(g-s)(3-10)在研制和選用應(yīng)變片時,若選擇敏感柵的合金材料,使其

13、t,s能與試件材料的相匹配,即滿足式(3-10),就能達(dá)到溫度自補償?shù)哪康?。這種溫度自補償方法的最大優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單,制造、使用方便。雙絲自補償法:雙絲自補償法:這種應(yīng)變片的敏感柵是由電阻溫度系數(shù)為一正一負(fù)的兩種合金絲串接而成。應(yīng)變片電阻由電阻ra和rb兩部分組成,即r=ra+rb。當(dāng)工作溫度變化時,若ra柵產(chǎn)生正的虛假應(yīng)變(即附加應(yīng)變)at與rb柵產(chǎn)生負(fù)的虛假應(yīng)變bt大小相等或相近,就可達(dá)到溫度誤差自補償?shù)哪康?。arbr絲繞式arbr短接式3.1.3應(yīng)變片的主要特性應(yīng)變片的主要特性(p58)為消除溫度誤差,采取如下溫度補償措施:為消除溫度誤差,采取如下溫度補償措施:橋路補償法:橋路補償法:利用

14、電橋電路的和差原理來達(dá)到補償溫度誤差的目的。電視大學(xué)電視大學(xué)19頁3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:中央電大往屆試題(中央電大往屆試題(04.104.1;04.7.04.7.)p58p58 為了消除應(yīng)變片的溫度誤差,可采用的溫度補償措施包括: 、 和 。a、雙絲自補償法 b、溫度補償法c、單絲補償法 d、電流補償法e、電壓補償法 f、橋路補償法電視大學(xué)電視大學(xué)20頁中央電大往屆試題中央電大往屆試題3.1.3應(yīng)變片的主要特性應(yīng)變片的主要特性(p56)1、選擇題:(、選擇題:(2分;分;05.1. p56)金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比應(yīng)變電阻材料本身的靈敏系數(shù)。a、小b、大c、相等2、問答

15、題:(、問答題:(10分;分;04.7. ;07.7. ;p57)粘貼到試件上的電阻應(yīng)變片,環(huán)境溫度變化會引起電阻的相粘貼到試件上的電阻應(yīng)變片,環(huán)境溫度變化會引起電阻的相對變化,產(chǎn)生虛假應(yīng)變,這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng),簡述產(chǎn)生對變化,產(chǎn)生虛假應(yīng)變,這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng),簡述產(chǎn)生這種現(xiàn)象的原因。這種現(xiàn)象的原因。答:環(huán)境溫度變化時,敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)存在,引起應(yīng)變片電阻的相對變化。環(huán)境溫度變化時,敏感柵材料和試件材料的膨脹系數(shù)不同,應(yīng)變片產(chǎn)生附加的拉長(或壓縮),引起電阻的相對變化。電視大學(xué)電視大學(xué)21頁3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:3.1.3應(yīng)變片的主要特性應(yīng)變片的主要特性(

16、p58)(5)(5)零漂及蠕變:零漂及蠕變:粘貼在試件上的應(yīng)變片,在恒溫恒載條件下,指示應(yīng)變量隨時間單向變化的特性稱為蠕變。如圖中。當(dāng)試件初始空載時,應(yīng)變片示值仍會隨時間變化的現(xiàn)象稱為零漂。如圖中p0。電視大學(xué)電視大學(xué)22頁 (6)(6)應(yīng)變極限應(yīng)變極限:3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:3.1.3應(yīng)變片的主要特性應(yīng)變片的主要特性(p59) 應(yīng)變片的線性特性(靈敏系數(shù)為常數(shù))是在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才保持。當(dāng)試件輸入的真實應(yīng)變超過某一極限時,應(yīng)變片的輸出特性將出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下,使非線性達(dá)到10%時的真實應(yīng)變值,稱為應(yīng)變極限應(yīng)變極限 。真實應(yīng)變()lim指示應(yīng)變()10%真

17、實應(yīng)變電視大學(xué)電視大學(xué)23頁(7)(7)絕緣電阻絕緣電阻:3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:3.1.3應(yīng)變片的主要特性應(yīng)變片的主要特性(p59)應(yīng)變片絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測試件之間的電阻值,通常要求在50100m以上。 應(yīng)變片安裝之后,其絕緣電阻下降將使測量系統(tǒng)靈敏度降低,使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。 rm的大小取決于粘合劑及基底材料的種類及固化工藝,在常溫使用條件下要采取必要的防潮措施,而在中溫或高溫條件下,要注意選取電絕緣性能良好的粘結(jié)劑和基底材料。中央電大往屆試題(中央電大往屆試題(05.105.1、07.7; 08.7./07.7; 08.7./09.1.

18、09.1.)p59p59 應(yīng)變片的絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的 之間的電阻。 a、覆蓋片與被測試件 b、引線與被測試件 c、基片與被測試件d、敏感柵與被測試件r的范圍是的范圍是(50100m以上)以上) 08.7.選擇題試題。選擇題試題。電視大學(xué)電視大學(xué)24頁3.1.4 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路(p60)3.13.1應(yīng)變式電阻傳感器:應(yīng)變式電阻傳感器:(1)直流電橋:直流電橋:應(yīng)變片將試件應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻相對變化r/r,由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小,要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測量出來,同時要把電阻相對變化r/ r轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。因此,需要有專用測量電路用于測量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測量電路,通常

19、采用直流電橋和交流電橋。電橋線路是由聯(lián)接成環(huán)形的四個電阻所組成。ac接電源,bd為電橋輸出可接后續(xù)放大器等。兩對角線將相對的兩個定點連通起來,就好像在它們之間架起了一座“橋”,故而得名。電視大學(xué)電視大學(xué)25頁(1)直流電橋:直流電橋:p61假設(shè)輸入端u是一個恒壓源,由于輸出端接高阻抗的指示表或放大器,近似看成開路:urrrrrru)(4342110直流電橋特性公式:直流電橋特性公式:acbd+-1r2r3r4r0uu直流電橋1i2i直流電橋平衡條件:直流電橋平衡條件: r1r3=r2r4輸出電壓為零稱為電橋處于平衡狀態(tài)電視大學(xué)電視大學(xué)26頁若r1r3=r2r4,則輸出電壓為零,稱為電橋處于平衡

20、狀態(tài),此等式稱為直流電橋平衡條件。下面分別討論橋臂電阻的變化與輸出電壓的關(guān)系:一個橋臂電阻有變化(單臂電橋):一個橋臂電阻有變化(單臂電橋):例如橋臂r1電阻有r1 的變化(只有一臂工作),成為r1+r1則電橋的輸出電壓為 :若取r1=r2=r3=r4=r0urrurru01010414若電橋用于微電阻變化測量,有:acbd+-11rr2r3r4r0uu單臂電橋1i2iurrrrrru)(4342110直流電橋特性公式:直流電橋特性公式:(1)直流電橋:直流電橋:p61電視大學(xué)電視大學(xué)27頁 如橋臂電阻r1 和鄰邊橋臂電阻r2 的阻值都有電阻變化,即r1 變?yōu)閞1+r1 , r2變?yōu)閞2 -

21、r2,當(dāng)若取r1=r2=r3=r4=r0,且r1= r2= r時, 這稱為半橋雙臂工作電橋。 兩個橋臂電阻有變化兩個橋臂電阻有變化(雙臂電橋雙臂電橋):半橋差動:在試件上安裝兩個工作應(yīng)變片,一個受拉應(yīng)變,一個受壓應(yīng)變, 接入電橋相鄰橋臂。(相鄰臂一拉一壓、相對臂同拉同壓) 該電橋輸出電壓為 acbd+-11rr22rr3r4r0uu雙臂電橋1i2iurru0021 urrrrrru)(4342110由直流電橋特性公式:由直流電橋特性公式:urrrrurrrrrrrrru000043422111102)(1)直流電橋:直流電橋:p62電視大學(xué)電視大學(xué)28頁四個橋臂電阻均有變化四個橋臂電阻均有變化

22、(全橋全橋):全橋差動:電橋四臂接入四片應(yīng)變片,即兩個(相對臂)受拉應(yīng)變,兩個(相對臂)受壓應(yīng)變,將兩個應(yīng)變符號相同的接入相對橋臂上。若r1=r2=r3=r4,且r1=r2=r3=r4=r0,則其輸出電壓為: acbd+-11rr22rr0uu44rr33rr全橋1i2iurrrrrrrrrrrru)(4433442211110urrrrrru)(4342110直流電橋特性公式:直流電橋特性公式:urru00結(jié)論:全橋電路電壓靈敏度為單片工作時的4倍。 (1)直流電橋:直流電橋:p62電視大學(xué)電視大學(xué)29頁電橋輸出電壓小結(jié):電橋輸出電壓小結(jié):單臂電橋:單臂電橋:urru0041 雙臂電橋:雙臂

23、電橋:urru0021 全橋全橋:urru00(1)直流電橋:直流電橋:p62電視大學(xué)電視大學(xué)30頁(1)直流電橋:直流電橋:p62中央電大往屆試題中央電大往屆試題兩金屬應(yīng)變片r1和r2阻值均為120,靈敏系數(shù)k=2;兩應(yīng)變片一受拉,另一受壓,應(yīng)變均為1000.兩者接入直流電橋組成半橋雙臂工作電橋,電源電壓u=5v。求(1)r和r/r;(2)電橋的輸出電壓u0。(14分;2006.7.p80)答:=1000=0.001acbd+-11rr22rr3r4r0uu雙臂電橋1i2ivurru005. 05002. 0212100002. 0001. 02krr24. 0002. 0120002. 0

24、rr電視大學(xué)電視大學(xué)31頁(2)交流電橋:交流電橋:3.1.4 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路(p63) :ou&u1i2i1z2z3z4zabcd 交流電橋電路的電路結(jié)構(gòu)形式與直流電橋相同。但在電路具體實現(xiàn)上與直流電橋有兩個不同點,一是其激勵電源是高頻交流電壓源或電流源(電源頻率一般是被測信號頻率的十倍以上);二是交流電橋的橋臂可以是純電阻,但也可以是包含有電容、電感的交流阻抗。交流電橋的平衡條件是: 其物理含義是交流電橋要達(dá)到平衡需使該電橋的四個橋臂中對邊阻抗的模乘積相等,對邊阻抗角之和相等。所以交流電橋的平衡較之直流電橋要復(fù)雜一些。zi各橋臂的復(fù)數(shù)阻抗;zi-復(fù)數(shù)阻抗的模;i 復(fù)數(shù)阻抗的阻抗角。交流電

25、橋平衡條件還可表為:)()(即4231423142314231jjjjjjezzezzezezezez若要此方程成立,須同時滿足下面兩個條件:電視大學(xué)電視大學(xué)32頁中央電大往屆試題(中央電大往屆試題(04.704.7、08.108.1)p6163p61633.1.4 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換電路(p63) :畫出直流電橋和交流電橋原理圖,并分別寫出電橋平衡條件。(12分)(04.7)電橋是傳感器的常用變換電路,請畫出直流電橋和交流電橋原理圖,并說明兩者的平衡條件各是什么?(16分)(08.1)直流電橋平衡條件:r1r3=r2r4ou&u1i2i1z2z3z4zabcd交流電橋的平衡條件:)()(即4231

26、423142314231jjjjjjezzezzezezezez電視大學(xué)電視大學(xué)33頁3.1.5應(yīng)變片選擇與粘貼工藝應(yīng)變片選擇與粘貼工藝(p64) :(1)應(yīng)變片的選擇:應(yīng)變片的選擇:類型的選擇類型的選擇(絲繞式、箔式)材料的選用材料的選用(基底材料:酚醛類、聚酯類)阻值的選擇阻值的選擇(標(biāo)稱阻值:120、350等)尺寸的選擇尺寸的選擇(應(yīng)變片柵長(mm):3mm、12mm.應(yīng)變片型號代號7部分的含義:電視大學(xué)電視大學(xué)34頁中央電大往屆試題(中央電大往屆試題(05.1.05.1.;07.7.07.7.)p65p653.1.5應(yīng)變片選擇與粘貼工藝應(yīng)變片選擇與粘貼工藝(p65) :選擇題(每空2分

27、)應(yīng)變片的選擇包括類型的選擇、材料的選用、和等。a、測量范圍的選擇b、電源的選擇c、阻值的選擇d、尺寸的選擇e、精度的選擇f、結(jié)構(gòu)的選擇電視大學(xué)電視大學(xué)35頁3.1.5應(yīng)變片選擇與粘貼工藝應(yīng)變片選擇與粘貼工藝(p65) :準(zhǔn)備工作:a.試件的準(zhǔn)備:在粘貼部位的表面,用砂布在與軸向成45的方向交叉打磨至粗糙度ra為63m清洗凈打磨面劃線即確定粘貼坐標(biāo)線均勻涂一薄層粘接劑作底。b.應(yīng)變片的準(zhǔn)備:外表和阻值檢查劃線軸向標(biāo)記清洗。涂膠涂膠: :在準(zhǔn)備好的試件表面和應(yīng)變片的基底上均勻涂一薄層粘接劑。貼片:貼片:將涂好膠的應(yīng)變片與試件,按坐標(biāo)線對準(zhǔn)貼上用手指順軸向滾壓,去除氣泡和多余膠液按固化條件固化處理

28、。復(fù)查:復(fù)查:a.貼片偏差應(yīng)在許可范圍內(nèi);b.阻值變化應(yīng)在測量儀器預(yù)調(diào)平范圍內(nèi);c.引線和試件間的絕緣電阻應(yīng)大于50m。接線:接線:根據(jù)工藝條件選擇好導(dǎo)線,然后通過中介接線片(柱)把應(yīng)變片引線和導(dǎo)線焊接在一起,并加以固定。防護(hù):防護(hù):在安裝好的應(yīng)變片和引線上涂以中性凡士林油、石蠟(短期防潮),或石蠟松香黃油的混合劑(長期防潮),或環(huán)氧樹脂、氯丁橡膠、清漆等(防機(jī)械劃傷)作防護(hù)用,以保證 應(yīng)變片工作性能穩(wěn)定可靠。(2)應(yīng)變片的粘貼應(yīng)變片的粘貼電視大學(xué)電視大學(xué)36頁電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)1.1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕目測電阻應(yīng)變片有無折痕. .斷絲等斷絲等 缺陷,有缺

29、陷的應(yīng)變片不能粘貼。缺陷,有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。2.2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大 小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5歐姆歐姆. .3.3.試件表面處理:貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈,用試件表面處理:貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈,用 酒精棉球反復(fù)擦洗貼處,直到棉球無黑跡為止。酒精棉球反復(fù)擦洗貼處,直到棉球無黑跡為止。4.4.應(yīng)變片粘貼應(yīng)變片粘貼: :在應(yīng)變片基底上擠一小滴在應(yīng)變片基底上擠一小滴502502膠水,膠水, 輕輕涂抹均勻,立即放在應(yīng)變貼片位置。輕輕涂抹均勻,立即放在應(yīng)變貼片位置。3.1.5應(yīng)變

30、片選擇與粘貼工藝應(yīng)變片選擇與粘貼工藝(參考)(參考) :電視大學(xué)電視大學(xué)37頁3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器5.5.焊線焊線: :用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。6.6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織,應(yīng)用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織,應(yīng) 大于大于500m500m歐。歐。7.7.應(yīng)變片保護(hù):用應(yīng)變片保護(hù):用704704硅橡膠覆于應(yīng)變片上,防止硅橡膠覆于應(yīng)變片上,防止 受潮。受潮。電視大學(xué)電視大學(xué)38頁中央電大往屆試題(中央電大往屆試題(04.704.7)p65p653.1.5應(yīng)變片選擇與粘貼工藝應(yīng)變片選擇與粘貼工藝(p65) :選擇

31、題(每空2分)粘貼應(yīng)變片做好準(zhǔn)備工作后要進(jìn)行的工作是:。a、涂膠貼片復(fù)查接線防護(hù)b、涂膠接線復(fù)查貼片防護(hù)c、涂膠防護(hù)貼片復(fù)查接線d、涂膠接線貼片復(fù)查防護(hù)電視大學(xué)電視大學(xué)39頁 應(yīng)變式傳感器包括兩個主要部分:一個是彈性敏感元件亦稱彈性體,利用它把被測的物理量 (如力、扭矩、壓力、加速度等)轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值;另一個是應(yīng)變片,它作為傳感元件,將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。按照用途不同,應(yīng)變式傳感器可以分為應(yīng)變式測力傳感器、應(yīng)變式壓力傳感器、應(yīng)變式加速度傳感器等。3.1.6 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(p66) (1)應(yīng)變式測力傳感器應(yīng)變式測力傳感器被測物理量為荷重或力的應(yīng)變式傳感

32、器,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機(jī)的測力元件、發(fā)動機(jī)的推力測試等。測力傳感器的彈性元件就是力敏元件,它將被測力的大小的變化轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量的變化。彈性元件的形式有柱式、環(huán)式、懸臂梁式等。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,對稱地粘貼多片, 可承受很大載荷,最大可達(dá)107n,環(huán)式彈性體一般用于測量500n以上的荷載與柱式相比,特點是應(yīng)力分布均勻,便于接成差動電橋。懸臂梁式彈性元件結(jié)構(gòu)簡單、加工容易、應(yīng)變片粘貼容易、靈敏度較高。它適用于小載荷的測量,約1103n。電視大學(xué)電視大學(xué)40頁2008-4-222008-4-223.1.6 電阻應(yīng)變式

33、傳感器的應(yīng)用(電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(p66) 電視大學(xué)電視大學(xué)41頁(2)應(yīng)變式加速度傳感器應(yīng)變式加速度傳感器3.1.6 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(p66) 應(yīng)變片式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖,圖中2是懸臂梁,自由端安裝質(zhì)量塊1,另一端固定在基座4上。懸臂梁上粘貼四個電阻應(yīng)變片3 。 測量時,將傳感器基座與被測對象剛性連接,當(dāng)被測物體以加速度a 運動時,質(zhì)量塊受到一個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a值的大小。電

34、視大學(xué)電視大學(xué)42頁3.1.6 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(p66) (3)應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)變式壓力傳感器主要用來測量流動介質(zhì)的動態(tài)或靜態(tài)壓力a圖為筒式壓力傳感器,圓柱體內(nèi)有一盲孔,被測壓力進(jìn)入應(yīng)變筒腔內(nèi),使筒發(fā)生變形,它將流體壓力的變化轉(zhuǎn)換成應(yīng)變量的變化,因而得到壓力p。b圖盲孔外端實心部分貼一片應(yīng)變片r2,當(dāng)筒內(nèi)有壓力時,實心部分不變形,只用作溫度補償。c圖沒有端部,r1和r2垂直粘貼,r1沿圓周,r2沿筒長,沿筒長方向r2做溫度補償用。電視大學(xué)電視大學(xué)43頁案例:案例:電子稱電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。3.1.6 電阻應(yīng)變式

35、傳感器的應(yīng)用(電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(p66) 電視大學(xué)電視大學(xué)44頁案例:沖床生產(chǎn)記數(shù)案例:沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過程監(jiān)測和生產(chǎn)過程監(jiān)測3.1.6 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用(p66) 電視大學(xué)電視大學(xué)45頁3.2 壓阻式傳感器壓阻式傳感器p67沿一塊半導(dǎo)體某一軸向施加一定應(yīng)力時,除了產(chǎn)生沿一塊半導(dǎo)體某一軸向施加一定應(yīng)力時,除了產(chǎn)生一定應(yīng)變外,材料的電阻率也要發(fā)生變化,這種現(xiàn)象一定應(yīng)變外,材料的電阻率也要發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為半導(dǎo)體的稱為半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng)。3.2.1 壓阻效應(yīng)壓阻效應(yīng):壓阻式傳感器的電阻相對變化率:其中半導(dǎo)體電阻率的相對變化起主要作用,則有:errl

36、l1為壓阻系數(shù);為應(yīng)力;為應(yīng)變;e為彈性模量。e半導(dǎo)體電阻的相對變化近似等于電阻率的相對變化與應(yīng)變成正比。兩邊同除有:常數(shù)errkl/0)21 (rr0rr金屬絲和箔式電阻應(yīng)變片在應(yīng)變式傳感器中得到廣泛應(yīng)用,主要缺點是靈敏度系數(shù)小。20世紀(jì)50年代出現(xiàn)半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的傳感器(稱為固態(tài)壓阻式傳感器),固態(tài)壓阻式傳感器的突出優(yōu)點是靈敏度高(比金屬絲高5080倍),尺寸小,橫向效應(yīng)也小,滯后和蠕變都小,適用于動態(tài)測量。電視大學(xué)電視大學(xué)46頁中央電大往屆試題(中央電大往屆試題(05.705.7;06.706.7、07.1/07.1/09.109.1. .)p65p65選擇題(每空2分)固態(tài)壓阻式傳感

37、器靈敏度高,尺寸小,橫向效應(yīng)也小,滯后和蠕變都小,因此適用于測量。a、靜態(tài)b、動態(tài)c、精確d、隨機(jī)3.2 壓阻式傳感器壓阻式傳感器p67電視大學(xué)電視大學(xué)47頁3.2 壓阻式傳感器壓阻式傳感器p693.2.2 結(jié)構(gòu)與特性結(jié)構(gòu)與特性a-單晶錠;b-按一定晶軸方向切成薄片;c-進(jìn)行研磨加工;d-切成細(xì)條經(jīng)過光刻腐蝕工序;e-安裝內(nèi)引線;f-粘貼在基底上并安裝外引線。敏感柵形狀有條形e圖;u型左圖;w型左圖。敏感柵長度一般為19mm.電視大學(xué)電視大學(xué)48頁3.2 壓阻式傳感器壓阻式傳感器p703.2.3 固態(tài)壓阻傳感器的測量電路固態(tài)壓阻傳感器的測量電路壓阻式應(yīng)變片(切片)的靈敏系數(shù)雖然比金屬高得多,但

38、還覺得不夠高。為了進(jìn)一步增大靈敏度,首先選定基底(即硅膜片),利用半導(dǎo)體擴(kuò)散技術(shù),將p型雜質(zhì)擴(kuò)散到n型硅膜片上,制成p型擴(kuò)散電阻(壓敏電阻),裝上引線后,即形成擴(kuò)散性半導(dǎo)體應(yīng)變片。使用時,外界的壓力作用先引起硅膜形變,形變使壓敏電阻承受應(yīng)力,該應(yīng)力比壓力直接作用在壓敏電阻上產(chǎn)生的應(yīng)力要大得多,好像硅膜起了放大作用。 若在圓形硅膜上擴(kuò)散出若在圓形硅膜上擴(kuò)散出4個個p型電阻構(gòu)成電橋的型電阻構(gòu)成電橋的4個橋臂,這樣的敏感器個橋臂,這樣的敏感器件稱為件稱為固態(tài)壓阻器件固態(tài)壓阻器件。r3r1r2r4r3r1r2r4 固體受力后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。壓阻式壓力傳感器是基于半導(dǎo)體材料(單晶硅)的

39、壓阻效應(yīng)原理制成的傳感器,就是利用集成電路工藝直接在硅平膜片上按一定晶向制成擴(kuò)散壓敏電阻,當(dāng)硅膜片受壓時,膜片的變形將使擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化。硅平膜片上的擴(kuò)散電阻通常構(gòu)成橋式測量電路,相對的橋臂電阻是對稱布置的,電阻變化時,電橋輸出電壓與膜片所受壓力成對應(yīng)關(guān)系。常采用的測量電路有:恒壓源供電、恒流源供電和放大電路。恒壓源供電、恒流源供電和放大電路。電視大學(xué)電視大學(xué)49頁(1)壓阻式壓力傳感器壓阻式壓力傳感器固態(tài)壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。傳感器硅膜片兩邊有兩個壓力腔。一個是和被測壓力相連接的高壓腔,另一個是低壓腔,通常和大氣相通。 當(dāng)膜片兩邊存在壓力差時,膜片上各點存在應(yīng)力。膜片上的四個

40、電阻在應(yīng)力作用下,阻值發(fā)生變化,電橋失去平衡,其輸出的電壓與膜片兩邊壓力差成正比。這樣測得不平衡電橋的輸出電壓就能求得膜片所受的壓力差。3.2.4 壓阻式傳感器應(yīng)用壓阻式傳感器應(yīng)用 p74電視大學(xué)電視大學(xué)50頁(2)壓阻式加速度傳感器:壓阻式加速度傳感器:3.2.4 壓阻式傳感器應(yīng)用壓阻式傳感器應(yīng)用 p74壓阻式加速度傳感器是利用單晶硅作懸臂梁,在其根部擴(kuò)散出4個電阻(上下面各兩個等值電阻),當(dāng)懸臂梁自由端的質(zhì)量塊受到外界加速度作用時,就將感受到的加速度轉(zhuǎn)變?yōu)閼T性力,產(chǎn)生應(yīng)力,使4個電阻值發(fā)生變化。使電橋產(chǎn)生不平衡,從而輸出與外界的加速度成正比的電壓值。kulitegae813固態(tài)壓阻式加速度計的有關(guān)參數(shù):量程10100g;靈敏度:15v/g;非線性誤差:土1;溫度范圍:-40一+200;固有頻率:10002000hz。1-基座;2-擴(kuò)散電阻;3-單晶硅懸臂梁;4-質(zhì)量塊。1234圖2.3.4 壓阻式加速度傳感器1-基座 2-擴(kuò)散電阻3-質(zhì)量塊 4-硅梁電視大學(xué)電視大學(xué)51頁3.3 熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器 p75利用導(dǎo)電材料的電阻率隨本身溫度變化而變化的利用導(dǎo)電材料的電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度效應(yīng)制成的傳感器,稱為溫度效應(yīng)制成的傳感器,稱為熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器。3.3.1 工作原理工作

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