第2章--電阻式傳感器PPT課件

1、2.1 2.1 彈性敏感元件彈性敏感元件 物體在外力作用下改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為變形。若外力去掉后物體又能完全恢復其原來的尺寸和形狀，這種變形稱為彈性變形。具有彈性變形特性的物體稱為彈性元件。 彈性元件在傳感器技術中占有極其重要的地位。它首先把力、力矩或壓力轉(zhuǎn)換成相應的應變或位移，然后配合各種形式的傳感元件，將被測力、力矩或壓力變換成電量。 根據(jù)彈性元件在傳感器中的作用，它基本上可以分為兩種類型：彈性敏感元件和彈性支承。前者感受力、力矩、壓力等被測參數(shù)，并通過它將被測量變換為應變、位移等，也就是通過它把被測參數(shù)由一種物理狀態(tài)轉(zhuǎn)換為另一種所需要的相應物理狀態(tài)。它直接起到測量的作用，故稱為彈

2、性敏感元件。 第1頁/共45頁2.1 2.1 彈性敏感元件彈性敏感元件 彈性敏感材料的彈性特性 作用在彈性敏感元件上的外力與由該外力所引起的相應變形（應變、位移或轉(zhuǎn)角）之間的關系稱為彈性元件的彈性特性。 1.1.剛度剛度 剛度是彈性敏感元件在外力作用下抵抗變形的能力 。 2.2.靈敏度靈敏度 靈敏度是剛度的倒數(shù)。 與剛度相似，如果元件彈性特性是線性的，則靈敏度為常數(shù)；若彈性特性是非線性的，則靈敏度為變數(shù)。 0dlimdxFFkxx ddxKF第2頁/共45頁 3.3.彈性滯后彈性滯后 彈性元件在彈性變形范圍內(nèi)，彈性特性的加載曲線與卸載曲線不重合的現(xiàn)象稱為彈性滯后現(xiàn)象 。 4.4.彈性后效彈性后

3、效 彈性敏感元件所加載荷改變后，不是立即完成相應的變形，而是在一定時間間隔中逐漸完成變形的現(xiàn)象稱為彈性后效現(xiàn)象。由于彈性后效存在，彈性敏感元件的變形不能迅速地隨作用力的改變而改變，引起測量誤差。圖2.1 彈性特性 圖2.2 彈性滯后現(xiàn)象 第3頁/共45頁 彈性敏感元件的材料及其基本要求 具有良好的機械特性（強度高、抗沖擊、韌性好、疲勞強度高等）和良好的機械加工及熱處理性能； 良好的彈性特性（彈性極限高、彈性滯后和彈性后效小等）； 彈性模量的溫度系數(shù)小且穩(wěn)定，材料的線膨脹系數(shù)小且穩(wěn)定； 抗氧化性和抗腐蝕性等化學性能良好。 彈性敏感元件的變換原理 1 1彈性圓柱彈性圓柱 柱式彈性元件具有結(jié)構簡單的

4、特點，可承受很大的載荷，根據(jù)截面形狀可分為圓筒形與圓柱形兩種，如圖2.3所示。 軸向應力的應變量 橫向應力的應變量 圖2.3 彈性圓柱 xFSxFSEyFS yFSE 第4頁/共45頁 2. 2.懸臂梁懸臂梁 （1）等截面梁。一端固定，另一端自由，且截面為矩形的梁稱為等截面懸臂梁。等截面懸臂梁所受作用力 F 與某一位置處的應變關系可按下式計算： （2）等強度梁。等截面梁的不同部位所產(chǎn)生的應變是不相等的，當作用力 F 加在梁的兩斜邊的交匯點處時，等強度梁各點的應變值為： 6xFlxESh()26xlFEb h圖2.4 等截面懸臂梁 圖2.5 等強度懸臂梁 第5頁/共45頁 3 3薄壁圓筒薄壁圓筒

5、 薄壁圓筒與彈簧管等彈性元件可將氣體壓力轉(zhuǎn)換為應變。筒壁的每一單元將在軸線方向和圓周方向產(chǎn)生拉伸應力， 軸向應力sx與周向應力st相互垂直， 應用虎克定律，可求得這種彈性敏感元件 壓力-應變關系式： 它的應變與圓筒的長度無關，而僅取決于圓筒的半徑 r0、厚度 h 和彈性模量 E，而且軸線方向應變與圓周方向應變不相等。 02xrph0rph0122xrpEh()022rpEh()圖2.6 薄壁圓筒受力分忻 第6頁/共45頁 4 4彈簧管彈簧管 彈簧管的截面形狀為橢圓形、卵形或更復雜的形狀。它主要在流體壓力測量中作為壓力敏感元件，將壓力轉(zhuǎn)換為彈簧管端部的位移。 圖2.7 C形彈簧管的結(jié)構與截面示意

6、圖 圖2.8 螺旋形彈簧管 圖2.9 特性曲線 對于橢圓形截面的薄壁彈簧管，管壁厚與短半軸之比應不超過0.70.70.80.8。在一定范圍內(nèi)，其自由端位移 d d 和所受壓力 p p之間的關系呈線性特性，如圖2.92.9所示。當壓力超過某一壓力值 p p 時，特性曲線將偏離直線而上翹。 第7頁/共45頁 5 5膜片膜片 （1）圓形平膜片 在壓力均勻分布的情況下，圓形平膜片各點對應的縱向應力和橫向應力（切向應力） 。 在圓膜的中心處，r = 0，具有最大的正應力（拉應力），且sr=st； 在圓膜的邊緣處，r = r0，縱向應力sr為最大的負應力（壓應力）； 當 r0，為正應力（拉應力）； 當 r

7、=0.635r0 時，縱向應力sr=0； 當 r0.635r0 時，縱向應力sr0，為負應力（壓應力）； 當 r=0.812r0 時，橫向應力st=0，但縱向應力sr0。圖2.10 圓形平膜片應力分布 第8頁/共45頁 （2）波紋膜片 波紋膜片的形狀可以做成多種形式，通常采用正弦形、梯形、鋸齒形波形。在一定的壓力作用下，正弦形波紋膜片給出最大的撓度；鋸齒形波紋膜片給出最小的撓度，但它的特性比較接近于直線；梯形波紋膜片的特性介于上述二者之間。 6 6波紋管波紋管 金屬波紋管的軸向容易變形，即靈敏度非常好，在變形量允許的情況下，壓力或軸向力的變化與伸縮量是成比例的，所以利用它可把壓力或軸向力轉(zhuǎn)換為

8、位移。圖2.13 波紋管外形 圖2.11 膜片的軸向截面 圖2.12 波紋形狀與膜片特性的關系 第9頁/共45頁 電位式傳感器可以測量位移、壓力、加速度、容量、高度等多種物理量。 線性電位器 線性電位器由繞于骨架上的電阻絲線圈和沿電位器滑動的滑臂，以及安裝在滑臂上的電刷組成。線繞電位器傳感元件有直線式、旋轉(zhuǎn)式或兩者相結(jié)合的形式。線性線繞電位器骨架的截面處處相等，由材料和截面均勻的電阻絲等節(jié)距繞制而成。 2.2 2.2 電位式傳感器電位式傳感器 圖2.14 直線位移電位式傳感器示意圖 UUxxUUL圖2.15 電位器式角度傳感器 第10頁/共45頁 線繞電位器的階梯特性如圖2.16所示。 對理想

9、階梯特性的線繞電位器，在電刷行程內(nèi)，電位器輸出電壓階梯的最大值與最大輸出電壓之比的百分數(shù)，稱為電位器的電壓分辨率，其公式為 線性電位器誤差的大小可由下式計算： 由圖2.18可見，無論m為何值，X=0和X=1，即電刷分別在起始位置和最終位置時，負載誤差都為0；當X=1/2時，負載誤差最大，且增大負載系數(shù)時，負載誤差也隨之增加。 圖2.16 線繞電位器的理想階梯特性 /1100%U neUn圖2.17 帶負載的電位器電路 圖2.18 線性電位器誤差df與m、X的曲線關系 f11100%11mXXd()第11頁/共45頁 非線性電位器 非線性電位器是指在空載時其輸出電壓（或電阻）與電刷行程之間具有非

10、線性函數(shù)關系的一種電位器，也稱函數(shù)電位器。它可以實現(xiàn)指數(shù)函數(shù)、對數(shù)函數(shù)、三角函數(shù)及其他任意函數(shù)，因此可滿足控制系統(tǒng)的特殊要求，也可滿足傳感、檢測系統(tǒng)最終獲得線性輸出的要求。常用的非線性線繞電位器有變骨架式、變節(jié)距式、分路電阻式及電位給定式四種。 圖2.19 變骨架高度式非線性電位器 圖2.20 對稱變骨架高度式非線性電位器 第12頁/共45頁 電位器式傳感器應用 1 1位移傳感器位移傳感器 電位器式位移傳感器常用于測量幾毫米到幾十米的位移和幾度到360的角度。 電位器傳感器結(jié)構簡單，價格低廉，性能穩(wěn)定，能承受惡劣環(huán)境條件，輸出功率大，一般不需要對輸出信號放大就可以直接驅(qū)動伺服元件和顯示儀表。

11、2 2電位器式壓力傳感器電位器式壓力傳感器 電位器式壓力傳感器由彈簧管和電位器組成。 電位器被固定在殼體上，電刷與彈簧管的傳動機構相連。當被測壓力p變化時，彈簧管的自由端產(chǎn)生位移，帶動指針偏轉(zhuǎn)，同時帶動電刷在線繞電位器上滑動，就能輸出與被測壓力成正比的電壓信號。圖2.21 推桿式位移傳感器 圖2.22 電位器式壓力傳感器 第13頁/共45頁第14頁/共45頁 電阻應變式傳感器可測量位移、加速度、力、力矩、壓力等各種參數(shù)，是目前應用最廣泛的傳感器之一。 電阻應變片的種類與結(jié)構 1 1絲式應變片絲式應變片 2 2箔式應變片箔式應變片 3 3薄膜應變片薄膜應變片 4 4半導體應變片半導體應變片 1基

12、底；2電阻絲；3覆蓋層；4引線圖2.23 電阻絲應變片的基本結(jié)構 圖2.24 箔式應變片 第15頁/共45頁 電阻的應變效應 金屬的電阻應變效應：金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應變化。 當金屬絲受拉時，其長度伸長dl，橫截面將相應減小dS，電阻率也將改變dr r，這些量的變化，必然引起金屬絲電阻改變dR，即 令 金屬絲的軸向應變量； 金屬絲的徑向應變量。 根據(jù)材料力學原理，金屬絲受拉時，沿軸向伸長，而沿徑向縮短，二者之間應變的關系為 lRSr2ddddllRlSSSSrrrdxlldyrrdd2xyRRrryx dd12xRRr r()第16頁/共45頁 令 K

13、稱為金屬絲的靈敏系數(shù)，表示金屬絲產(chǎn)生單位變形時，電阻相對變化的大小。顯然，越大，單位變形引起的電阻相對變化越大，故靈敏度越高。 金屬絲的靈敏系數(shù) K 受兩個因素影響： 第一項（1+2 ），它是由于金屬絲受拉伸后，材料的幾何尺寸發(fā)生變化而引起的； 第二項 ，它是由于材料發(fā)生變形時，其自由電子的活動能 力和數(shù)量均發(fā)生變化的緣故，這項可能是正值，也可能為負值，但作為應變片材料都選為正值，否則會降低靈敏度。金屬絲電阻的變化主要由材料的幾何形變引起。 實驗證明，在金屬 絲 變 形 的 彈性范圍內(nèi)，電阻的相對變化dR/R與應變 x是成正比。 d /d /12xxR RKr r()xRKRd /xr r第1

14、7頁/共45頁應變片的粘貼 1. 檢查通斷。檢查通斷。 第18頁/共45頁2 .在選定貼應變片的位置劃出十字線。在選定貼應變片的位置劃出十字線。 第19頁/共45頁3 .再用細砂紙精磨（再用細砂紙精磨（45度交叉紋）。度交叉紋）。 第20頁/共45頁4 .用棉紗或脫脂棉花沾丙酮清潔結(jié)構表面，用棉紗或脫脂棉花沾丙酮清潔結(jié)構表面，擦幾遍后，不可再用手接觸表面。擦幾遍后，不可再用手接觸表面。 第21頁/共45頁5 .用透明膠帶將應變片與構件在引腳處臨時固定，移動膠帶位置使應變用透明膠帶將應變片與構件在引腳處臨時固定，移動膠帶位置使應變片達到正確定位。片達到正確定位。 第22頁/共45頁6. 在應變片

15、的反面涂上一滴快干膠水，在應變片的反面涂上一滴快干膠水，視應變片面積而定視應變片面積而定 ，膠水量膠水量不宜過多不宜過多。 第23頁/共45頁7.將塑料薄膜蓋在應變片上，用母指按壓擠出多余膠水將塑料薄膜蓋在應變片上，用母指按壓擠出多余膠水,按壓時間一般按壓時間一般1分分鐘，室溫低時適當延長。鐘，室溫低時適當延長。 第24頁/共45頁8 .為了使膠水可靠固化，可用電吹風微加熱處理（注意距離和均勻）為了使膠水可靠固化，可用電吹風微加熱處理（注意距離和均勻）,用萬用表測量應變片絕緣電阻值，應大于用萬用表測量應變片絕緣電阻值，應大于20M第25頁/共45頁9 .將應變片引線焊接在接線片上，焊點要光滑牢

16、固。引線不能繃緊，將應變片引線焊接在接線片上，焊點要光滑牢固。引線不能繃緊，需形成弧線與接線片相連。需形成弧線與接線片相連。 第26頁/共45頁10 .將連接應變儀的導線焊接在接線片上（焊接時間盡量短）將連接應變儀的導線焊接在接線片上（焊接時間盡量短）,把導線把導線用絕緣膠帶固定在構件上，再一次檢查應變片質(zhì)量用絕緣膠帶固定在構件上，再一次檢查應變片質(zhì)量 第27頁/共45頁11.11.在應變片周圍涂上軟硅膠在應變片周圍涂上軟硅膠( (防潮、防損傷）。防潮、防損傷）。 第28頁/共45頁12 .硅膠固化后硅膠固化后,應變片粘貼工作完畢。但要再次檢查應變片的阻值和應變片粘貼工作完畢。但要再次檢查應變

17、片的阻值和絕緣情況。絕緣情況。 第29頁/共45頁13.固定：固定：粘貼、焊接后，用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止拉動引線和應變片。第30頁/共45頁材料受拉應變的測量將應變片粘貼在受力的斜拉橋上的斜拉繩端部的圓柱上，測量每一根斜拉繩的應變，從而計算出所受的拉力，檢驗拉力是否超過設計值。第31頁/共45頁管樁材料的受壓應變測量預應力管樁的受力預測：工作人員正在貼應變片 應變片粘貼在管樁上，應變片粘貼在管樁上，四片應變片可組成全橋四片應變片可組成全橋第32頁/共45頁 應變片測試原理 用應變片測量應變或應力時，是將應變片粘貼于被測對象上的。在外力作用下，被測對象表面產(chǎn)生微小機械變形，粘貼在

18、其表面上的應變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因此應變片的電阻也發(fā)生相應的變化。根據(jù)應力-應變關系可以得到應力值 。 通過彈性敏感元件轉(zhuǎn)換作用，將位移、力、力矩、加速度、壓力等參數(shù)轉(zhuǎn)換為應變，因此可以將應變片由測量應變擴展到測量上述參數(shù)，從而形成各種電阻應變式傳感器。 P34 例2.1 測量電路 1 1直流電橋工作原理直流電橋工作原理 輸出端電壓Uo為 電橋的平衡條件 E圖2.25 電阻電橋 o13UUU14231234R RR RERRRR1423R RR R第33頁/共45頁 2 2電阻應變片測量電橋電阻應變片測量電橋 （1）應變片單臂工作直流電橋 （2）應變片雙臂直流電橋（半橋） 3 3應變片直

19、流全橋電路應變片直流全橋電路 全橋工作時，輸出電壓最大，檢測的靈敏度最高。 o4EUK圖2.26 單臂工作直流電橋 圖2.27 雙臂直流電橋 圖2.28 直流全橋電路 o2EUKEKU0第34頁/共45頁 4 4應變片的溫度誤差及其補償應變片的溫度誤差及其補償 （1）溫度誤差:因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個主要因素是：一、應變片的電阻絲具有一定的溫度系數(shù)；二、電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同。由溫度變化形成的總電阻變化為 電阻的相對變化量為 （2）溫度補償 單絲自補償應變片 雙絲組合式自補償應變片 橋式電路補償法 熱敏電阻補償 0)(RtKtRgetKtRRge)(egK ()圖2.2

20、9 橋式電路補償電路 圖2.30 熱敏電阻補償電路 第35頁/共45頁2.4 2.4 電阻應變式傳感器的應用電阻應變式傳感器的應用 1 1測力傳感器測力傳感器 電阻應變式傳感器的最大用武之地是在稱重和測力領域。這種測力傳感器由應變計、彈性元件、測量電路等組成。根據(jù)彈性元件結(jié)構形式（柱形、筒形、環(huán)形、梁式、輪輻式等）和受載性質(zhì)（拉、壓、彎曲、剪切等）的不同，它們可分為許多種類。 （1）柱式力傳感器。圓柱式傳感器的彈性元件如圖2.31所示。圖2.31 應變片粘貼在柱形彈性元件上 oomfmmFEUUKFFF第36頁/共45頁 用柱式力傳感器可制成稱重式料位計。 如圖2.32所示。 （2 2）梁式力

21、傳感器：可制成稱重電子秤、加速度傳感器等。如圖2.33所示。 P39 例2.3 圖2.32 稱重式料位計 1等強度懸臂梁；2應變片；3質(zhì)量塊圖2.33 應變式加速度傳感器 第37頁/共45頁 2 2壓力傳感器壓力傳感器 壓力傳感器主要用于測量流體的壓力。根據(jù)其彈性體的結(jié)構形式可分為單一式和組合式兩種。 1插座；2基體；3溫度補償應變計；4工作應變計；5應變筒圖2.34 筒式應變壓力傳感器 第38頁/共45頁 3 3位移傳感器位移傳感器 應變式位移傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應變，然后通過應變計和應變電橋，輸出正比于被測位移的電量。它可用于近測或遠測靜態(tài)或動態(tài)的位移量。 如圖2.3

22、5（a）所示為國產(chǎn)YW系列應變式位移傳感器結(jié)構。這種傳感器由于采用了懸臂梁-螺旋彈簧串聯(lián)的組合結(jié)構，因此它適用于10100mm位移的測量。其工作原理如圖2.35（b）所示。 1測量頭；2彈性元件；3彈簧；4外殼；5測量桿；6調(diào)整螺母；7應變計圖2.35 YW型應變式位移傳感器第39頁/共45頁2.5 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 壓阻效應與壓阻系數(shù) 半導體材料受到應力作用時，其會發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為壓阻效應。常見的半導體應變片采用鍺和硅等半導體材料作為敏感柵。根據(jù)壓阻效應，半導體和金屬絲同樣可以把應變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。 由于半導體材料的各向異性，當硅膜片承受外應力時，同時產(chǎn)生縱向（擴散電阻長度方

23、向）壓阻效應和橫向（擴散電阻寬度方向）壓阻效應。則有 半導體應變片的靈敏系數(shù)為 測量原理 只要位置合適，可滿足 rrttRR /xR RKE 圖2.36 膜片上電阻布置圖 32142314RRRRRRRR 就可以形成差動效果，通過測量電路，獲得最就可以形成差動效果，通過測量電路，獲得最大的電壓輸出靈敏度。大的電壓輸出靈敏度。第40頁/共45頁 溫度補償 壓阻式傳感器受到溫度影響后，會引起零位漂移和靈敏度漂移，因而會產(chǎn)生溫度誤差。 當溫度升高，壓阻系數(shù)減小，則傳感器的靈敏度要減?。环粗?，靈敏度增大。零位溫度一般可用串聯(lián)電阻的方法進行補償，如圖2.37所示。 壓阻式傳感器的應用 1 1壓力測量壓力測量 壓阻式壓力傳感器 由外殼、硅杯和引線組成。 圖2.37 溫漂補償電路1單晶硅膜片；2擴散型應變片；3擴散電阻引線；4電極及引線圖2.38 壓阻式壓力傳感器 o12UKppK p()第41頁/共45頁 2 2液位測量液位測量 壓阻式壓力傳感