傳感器技術(shù)第3講電阻式傳感器ppt課件

1、第第3講講 電阻式傳感器電阻式傳感器目的：目的：1、了解電阻式傳感器丈量原理；、了解電阻式傳感器丈量原理； 2、掌握丈量方法。、掌握丈量方法。內(nèi)容：內(nèi)容：1、電位器式傳感器；、電位器式傳感器； 2、應(yīng)變式傳器；、應(yīng)變式傳器； 重點(diǎn)重點(diǎn) 3、壓阻式傳感器。、壓阻式傳感器。 難點(diǎn)難點(diǎn)學(xué)時(shí)：學(xué)時(shí)：2小時(shí)小時(shí)什么是電阻式傳感器？什么是電阻式傳感器？ 將位移、應(yīng)變、振動(dòng)等非電量的變化轉(zhuǎn)換成導(dǎo)電資料的電阻變化的安裝，稱為電阻式傳感器。電阻式傳感器分類：電阻式傳感器分類： 1 1、變阻器式；、變阻器式； 2 2、電阻應(yīng)變式；、電阻應(yīng)變式； 3 3、固態(tài)壓阻式傳感器。、固態(tài)壓阻式傳感器。第一節(jié)第一節(jié) 電位器式

2、傳感器電位器式傳感器1、什么是電位器傳感器？、什么是電位器傳感器？ 基于在勻質(zhì)導(dǎo)體中，電阻基于在勻質(zhì)導(dǎo)體中，電阻R與其長度與其長度L成正比成正比的關(guān)系制造的一種位移量的電阻式傳感器。的關(guān)系制造的一種位移量的電阻式傳感器。ALR式中式中:R電阻電阻; 電阻率；電阻率；L導(dǎo)體長度；導(dǎo)體長度；A橫面積橫面積第一節(jié)第一節(jié) 電位器式傳感器電位器式傳感器2、電位器傳感器的類型、電位器傳感器的類型1角位移電阻式傳感器角位移電阻式傳感器2線位移的電阻式傳感器。線位移的電阻式傳感器。角位移傳感器角位移傳感器線位移傳感器線位移傳感器第一節(jié)第一節(jié) 電位器式傳感器電位器式傳感器3、電位器傳感器的原理、電位器傳感器的原

3、理輸出電壓輸出電壓UL與與位移位移X呈非線性呈非線性關(guān)系。只需關(guān)系。只需RL無限大時(shí)輸出電無限大時(shí)輸出電壓壓UL與位移與位移X間間才是線性關(guān)系。才是線性關(guān)系。a角位移電阻式角位移電阻式 b線位移電阻式傳感線位移電阻式傳感)1 (1xxRRxUULL第一節(jié)第一節(jié) 電位器式傳感器電位器式傳感器2、電位器傳感器的類型、電位器傳感器的類型1角位移電阻式傳感器角位移電阻式傳感器2線位移的電阻式傳感器。線位移的電阻式傳感器。高精度位移傳感器高精度位移傳感器第二節(jié)第二節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器第二節(jié)第二節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器一、絲柵式應(yīng)變片一、絲柵式應(yīng)變片標(biāo)距：標(biāo)距：0.2mm 200mm短接式應(yīng)變

4、片短接式應(yīng)變片二、箔式應(yīng)變片二、箔式應(yīng)變片m80m3的金屬箔片的金屬箔片光刻腐蝕工藝光刻腐蝕工藝箔式應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：箔式應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)：1、尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，靈敏系數(shù)、電阻值離散小。、尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，靈敏系數(shù)、電阻值離散小。2、橫向效應(yīng)小，粘結(jié)面積大，粘貼結(jié)實(shí)，散熱性好。、橫向效應(yīng)小，粘結(jié)面積大，粘貼結(jié)實(shí)，散熱性好。3、光刻腐蝕可制成各種應(yīng)變花及小標(biāo)距應(yīng)變片。、光刻腐蝕可制成各種應(yīng)變花及小標(biāo)距應(yīng)變片。4、耐潮濕，絕緣性好，蠕變及機(jī)械滯后小。、耐潮濕，絕緣性好，蠕變及機(jī)械滯后小。5、便于成批消費(fèi)，質(zhì)量好，廢品率高。、便于成批消費(fèi)，質(zhì)量好，廢品率高。第二節(jié)第二節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 金屬導(dǎo)

5、體或半導(dǎo)體在遭到外力作用時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，其電阻也將隨之發(fā)生變化，這種物理景象稱為“應(yīng)變效應(yīng)，用來產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)的細(xì)導(dǎo)體稱為“應(yīng)變絲敏感柵第二節(jié)第二節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 設(shè)有圓形截面導(dǎo)線,長度為 L ,截面積為 A ,資料的電阻率為，這段導(dǎo)線的電阻值 R 為：2rLALR當(dāng)導(dǎo)體受力時(shí)，其長度當(dāng)導(dǎo)體受力時(shí)，其長度L L，截面積，截面積 A A ，電阻率，電阻率 相應(yīng)發(fā)生相應(yīng)發(fā)生變化為變化為dLdL、d(r2)d(r2)、d,d,因此引起電阻變化因此引起電阻變化dRdR第二節(jié)第二節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器2rLALR對(duì)上式全微分，那么：對(duì)上式全微分，那么：drdrLdLRdR2式中：式

6、中：LdLrdryrdrxLdL電阻絲軸向應(yīng)變電阻絲軸向應(yīng)變電阻絲徑向應(yīng)變電阻絲徑向應(yīng)變軸向應(yīng)變與徑向軸向應(yīng)變與徑向應(yīng)變的關(guān)系是：應(yīng)變的關(guān)系是：y= -x第二節(jié)第二節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器電阻變效率為幾何項(xiàng)和壓阻效應(yīng)項(xiàng)綜合的結(jié)果電阻變效率為幾何項(xiàng)和壓阻效應(yīng)項(xiàng)綜合的結(jié)果dRdRx)21 (三、應(yīng)變片的型號(hào)及類型三、應(yīng)變片的型號(hào)及類型三、應(yīng)變片的型號(hào)及類型三、應(yīng)變片的型號(hào)及類型三、應(yīng)變片的型號(hào)及類型三、應(yīng)變片的型號(hào)及類型一應(yīng)變片的挑選一應(yīng)變片的挑選1、外觀檢查、外觀檢查2、丈量應(yīng)變片的初始電阻值、丈量應(yīng)變片的初始電阻值二構(gòu)件外表處置二構(gòu)件外表處置三貼片三貼片四固化四固化五導(dǎo)線焊接與固定五導(dǎo)線焊

7、接與固定接線端子接線端子六粘貼質(zhì)量檢查六粘貼質(zhì)量檢查七應(yīng)變片的防潮維護(hù)七應(yīng)變片的防潮維護(hù)四、應(yīng)變片的粘貼技術(shù)和防四、應(yīng)變片的粘貼技術(shù)和防護(hù)護(hù)四、應(yīng)變片的粘貼技術(shù)和防四、應(yīng)變片的粘貼技術(shù)和防護(hù)護(hù)第二節(jié)第二節(jié) 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 應(yīng)變片直接感受應(yīng)變或應(yīng)力。應(yīng)變片直接感受應(yīng)變或應(yīng)力。 丈量時(shí)，將應(yīng)變片粘貼在彈性元件試件上，當(dāng)外力丈量時(shí)，將應(yīng)變片粘貼在彈性元件試件上，當(dāng)外力作用到彈性元件試件上時(shí)，彈性元件被緊縮或拉伸，作用到彈性元件試件上時(shí)，彈性元件被緊縮或拉伸，即產(chǎn)生微小的機(jī)械變形，粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片感遭到即產(chǎn)生微小的機(jī)械變形，粘貼在彈性元件上的應(yīng)變片感遭到應(yīng)力應(yīng)力的作用，根據(jù)虎克定律，

8、應(yīng)變的作用，根據(jù)虎克定律，應(yīng)變與應(yīng)力與應(yīng)力成正比，成正比，=E 又由應(yīng)變效應(yīng)可知，應(yīng)變片的應(yīng)變又由應(yīng)變效應(yīng)可知，應(yīng)變片的應(yīng)變與電阻值的相對(duì)變化與電阻值的相對(duì)變化dR/R成正比，所以，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小機(jī)械變量的丈量。成正比，所以，實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小機(jī)械變量的丈量。五、應(yīng)變式傳感器丈量電路五、應(yīng)變式傳感器丈量電路一單臂義務(wù)一單臂義務(wù) U E K/ 4 二半橋義務(wù)二半橋義務(wù) U E K/ 2 三全橋義務(wù)三全橋義務(wù) U E k 六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償1 1應(yīng)變片的電阻絲具有一定溫度系數(shù)；應(yīng)變片的電阻絲具有一定溫度系數(shù)； 1、溫度誤差、溫度誤差 應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度應(yīng)變片的阻值受環(huán)

9、境溫度(包括被測(cè)試件的溫包括被測(cè)試件的溫度度)影響很大。主要要素有兩點(diǎn)：影響很大。主要要素有兩點(diǎn)： 設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為t時(shí)，粘貼在試件外表的應(yīng)變片敏感柵資料的電阻溫度系數(shù)為t,那么應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為:ttRR 12 2電阻絲資料與測(cè)試資料的線膨脹系數(shù)不同。電阻絲資料與測(cè)試資料的線膨脹系數(shù)不同。1、溫度誤差、溫度誤差由于敏感柵資料和被測(cè)構(gòu)件資料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)由于敏感柵資料和被測(cè)構(gòu)件資料兩者線膨脹系數(shù)不同，當(dāng)t t 存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，其值為存在時(shí)，引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變，其值為tget)(2式中e 試件資料的線性膨脹系數(shù)； g為敏感柵資料的線膨脹系數(shù)。tgeKRR

10、 )(2相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為：相應(yīng)的電阻相對(duì)變化為：六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償1、溫度誤差、溫度誤差tgetttKRRRRRR)(21溫度變化構(gòu)成的總電阻相對(duì)變化為：六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償1 1單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片選擇與膨脹使應(yīng)選擇與膨脹使應(yīng)變片產(chǎn)生電阻變化相反的敏感柵資料。變片產(chǎn)生電阻變化相反的敏感柵資料。 2、溫度補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償常見的溫度補(bǔ)償措施有主要有以下三方面：常見的溫度補(bǔ)償措施有主要有以下三方面：tgetttKRRRRRR)(21由溫度變化構(gòu)成的總電阻相對(duì)變化表達(dá)式

11、得知：0)(tgettKtgetK)(只需只需六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償1 1單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片2、溫度補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償常見的溫度補(bǔ)償措施主要有以下三方面：常見的溫度補(bǔ)償措施主要有以下三方面：2 2雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片由兩種不同電阻溫度系數(shù)由兩種不同電阻溫度系數(shù)( (一種為正值，一種為負(fù)值一種為正值，一種為負(fù)值) )的的資料串聯(lián)組成敏感柵資料串聯(lián)組成敏感柵 六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償1 1單絲自實(shí)償應(yīng)變片單絲自實(shí)償應(yīng)變片 2、溫度補(bǔ)償、溫度補(bǔ)償常見的溫度補(bǔ)償措施有主要有以下三方面：常見的溫度補(bǔ)償措施有主要有

12、以下三方面：2 2雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片3 3電路補(bǔ)償法電路補(bǔ)償法利用利用電橋相鄰相等二臂同時(shí)產(chǎn)生電橋相鄰相等二臂同時(shí)產(chǎn)生太小相等、符號(hào)一樣的電阻太小相等、符號(hào)一樣的電阻量不會(huì)破壞電橋平衡的特性量不會(huì)破壞電橋平衡的特性來到達(dá)補(bǔ)償?shù)哪康摹淼竭_(dá)補(bǔ)償?shù)哪康摹?六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償六、應(yīng)變片的溫度誤差與補(bǔ)償要到達(dá)完全補(bǔ)償，需滿足以下三個(gè)條件要到達(dá)完全補(bǔ)償，需滿足以下三個(gè)條件 Rl和R2須屬于同一批號(hào)，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)都應(yīng)一樣，兩片的初始電阻值也要求一樣； 用于粘補(bǔ)助償片的構(gòu)件和粘貼義務(wù)片的試件兩者資料必需一樣，即要求兩者線膨脹系數(shù)相等； 兩應(yīng)

13、變片處于同一溫度環(huán)境中。 七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用應(yīng)變式傳感器廣泛運(yùn)用于稱重和測(cè)力領(lǐng)域。應(yīng)變式傳感器廣泛運(yùn)用于稱重和測(cè)力領(lǐng)域。 一是作為敏感元件，直接用于被測(cè)試件的應(yīng)變丈量；二是作為轉(zhuǎn)換元件，經(jīng)過彈性元件構(gòu)成傳感器，用以對(duì)任何能轉(zhuǎn)變成彈性元件應(yīng)變的其他物理量作間接丈量。 應(yīng)變式傳感器有兩種類型：應(yīng)變式傳感器有兩種類型：1 1、柱式力傳感器、柱式力傳感器2 2、梁式力傳感器、梁式力傳感器七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用 ( (一一) )柱式力傳感器原理柱式力傳感器原理外形圖內(nèi)部圖七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用 ( (一一) )柱式力傳感器原理柱式力傳

14、感器原理外形圖展開圖七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用 ( (一一) )柱式力傳感器運(yùn)用柱式力傳感器運(yùn)用1 1、稱重式料位計(jì)、稱重式料位計(jì)七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用 ( (一一) )柱式力傳感器運(yùn)用柱式力傳感器運(yùn)用2 2、電子皮帶秤、電子皮帶秤電子皮帶稱的稱重框架表示圖電子皮帶稱的稱重框架表示圖七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用 ( (一一) )柱式力傳感器運(yùn)用柱式力傳感器運(yùn)用2 2、電子吊車秤、電子吊車秤荷重傳感器安裝在吊車上的方式荷重傳感器安裝在吊車上的方式傳感器傳感器防改動(dòng)臂防改動(dòng)臂信號(hào)電纜信號(hào)電纜荷重傳感器安裝在鋼絲繩固定端方式荷重傳感器安裝在鋼絲

15、繩固定端方式傳感器傳感器動(dòng)滑輪動(dòng)滑輪卷揚(yáng)筒卷揚(yáng)筒定滑輪定滑輪七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用 ( (二二) )梁式力傳感器原理梁式力傳感器原理 梁的固定端寬度為梁的固定端寬度為b0b0，自在端寬度，自在端寬度為為b b，梁長為，梁長為L L，梁厚為，梁厚為h h。這種彈性元。這種彈性元件的特點(diǎn)是，其截面沿粱長方向按一定件的特點(diǎn)是，其截面沿粱長方向按一定規(guī)律變化，當(dāng)囊中力規(guī)律變化，當(dāng)囊中力F F作用在自在端時(shí)，作用在自在端時(shí)，距作用力任何間隔距作用力任何間隔z z的截面上應(yīng)力的截面上應(yīng)力a a相等。相等。因此，沿著這種梁的長度方向上的截面因此，沿著這種梁的長度方向上的截面抗彎模量抗彎

16、模量的變化與彎矩的變化與彎矩M M的變化成正的變化成正比即：比即：EhbFxx26七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用 ( (二二) )梁式力傳感器運(yùn)用梁式力傳感器運(yùn)用 1 1、手提電子稱、手提電子稱 手提式電子秤，本錢低，稱重手提式電子秤，本錢低，稱重精度高，攜帶方便，適于購物時(shí)用。精度高，攜帶方便，適于購物時(shí)用。 它采用準(zhǔn)s型的雙孔彈性體作為稱重傳感器的測(cè)力元件，重力P作用在中心線上。四片箔式電阻應(yīng)變片粘貼在彈性體雙孔的外側(cè)位置處。雙孔彈性體可簡化為在一端遭到力偶M的作用，其大小與重力P及雙孔彈性體長度有關(guān)。 七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用七、應(yīng)變式傳感器的運(yùn)用 ( (二二) )梁式力傳感

17、器運(yùn)用梁式力傳感器運(yùn)用 2 2、應(yīng)變式加速度傳感器、應(yīng)變式加速度傳感器 它由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊它由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m m的的懸臂梁及貼在粱根部的應(yīng)變片、基座及懸臂梁及貼在粱根部的應(yīng)變片、基座及外殼等組成，是一種慣性式傳感器。外殼等組成，是一種慣性式傳感器。 丈量時(shí)，根據(jù)所測(cè)振動(dòng)體加速度的丈量時(shí)，根據(jù)所測(cè)振動(dòng)體加速度的方向，把傳感器固定在被測(cè)部位。當(dāng)被方向，把傳感器固定在被測(cè)部位。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭測(cè)點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭n n所示方向時(shí)，所示方向時(shí)，懸臂粱自在端受慣性力懸臂粱自在端受慣性力F F硼的作用，質(zhì)量硼的作用，質(zhì)量塊向箭頭。相反的方向相對(duì)于基座運(yùn)動(dòng)，塊向箭頭。相反的

18、方向相對(duì)于基座運(yùn)動(dòng)，使梁發(fā)生彎曲變形，應(yīng)變片電阻發(fā)生變使梁發(fā)生彎曲變形，應(yīng)變片電阻發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)大小與加化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)大小與加速度成正比。速度成正比。 質(zhì)量塊質(zhì)量塊M第三節(jié)第三節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 什么叫壓阻式傳感器？什么叫壓阻式傳感器？ 利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的傳感器利用硅的壓阻效應(yīng)和微電子技術(shù)制成的傳感器 特點(diǎn)：特點(diǎn)： 靈敏度高、動(dòng)態(tài)呼應(yīng)好、精度高、易于微靈敏度高、動(dòng)態(tài)呼應(yīng)好、精度高、易于微型化和集成化等型化和集成化等構(gòu)造：構(gòu)造： 1 1、固定環(huán)、固定環(huán) 2 2、力敏電阻、力敏電阻 3 3、硅膜片、硅膜片第三節(jié)第三節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器

19、 一、壓阻效應(yīng)與壓阻系數(shù)一、壓阻效應(yīng)與壓阻系數(shù) 在半導(dǎo)體資料上施加一作用力時(shí)，在半導(dǎo)體資料上施加一作用力時(shí)，其電阻率將發(fā)生顯著的變化，這種景象其電阻率將發(fā)生顯著的變化，這種景象稱為壓阻效應(yīng)。稱為壓阻效應(yīng)。 什么叫壓阻效應(yīng)？什么叫壓阻效應(yīng)？第三節(jié)第三節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 二、義務(wù)原理二、義務(wù)原理 經(jīng)過分散雜質(zhì)使其構(gòu)經(jīng)過分散雜質(zhì)使其構(gòu)成四個(gè)成四個(gè)P P型力敏電阻，型力敏電阻，與硅膜片組成一體，并組與硅膜片組成一體，并組成電橋。當(dāng)膜片受力后，成電橋。當(dāng)膜片受力后，由于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，由于半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)，電阻阻值發(fā)生變化，使電電阻阻值發(fā)生變化，使電橋有相應(yīng)的輸出。橋有相應(yīng)的輸出。 ERR

20、EERR半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)半導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng) 彈性元件的虎克定律彈性元件的虎克定律 得得第三節(jié)第三節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 二、義務(wù)原理二、義務(wù)原理 對(duì)分散硅壓力傳感器，敏感元件通常都是周邊固定的圓膜片。對(duì)分散硅壓力傳感器，敏感元件通常都是周邊固定的圓膜片。假設(shè)膜片下部受均勻分布的壓力作用時(shí)，由圖假設(shè)膜片下部受均勻分布的壓力作用時(shí)，由圖216216所示膜片的所示膜片的應(yīng)力分布曲線可知以下結(jié)論。應(yīng)力分布曲線可知以下結(jié)論。 縱向應(yīng)力橫向應(yīng)力0.635r0.812r第三節(jié)第三節(jié) 壓阻式傳感器壓阻式傳感器 二、義務(wù)原理二、義務(wù)原理(1)(1)在膜片的中心處，在膜片的中心處，r=0r=0，具有最大的正應(yīng)力，具有最