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文檔簡介
1、第二章第二章 電阻傳感器電阻傳感器 本章學習本章學習電阻式傳感器的原電阻式傳感器的原理及應用,包括:電位器、電阻理及應用,包括:電位器、電阻應變片、測溫熱電阻、氣敏電阻應變片、測溫熱電阻、氣敏電阻及濕敏電阻等及濕敏電阻等。第二章第二章 電阻傳感器電阻傳感器第一節(jié)第一節(jié) 電阻應變式傳感器(重點)電阻應變式傳感器(重點)第二節(jié)第二節(jié) 測溫熱電阻傳感器(了解)測溫熱電阻傳感器(了解)第四節(jié)第四節(jié) 濕敏電阻傳感器(了解)濕敏電阻傳感器(了解)第三節(jié)第三節(jié) 氣敏電阻傳感器(了解)氣敏電阻傳感器(了解)小結與習題小結與習題第一節(jié)第一節(jié) 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器 導體或半導體材料在外界力的作用導體或
2、半導體材料在外界力的作用下,會產生機械變形,其電阻值也將隨下,會產生機械變形,其電阻值也將隨著發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為應變效應。著發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為應變效應。 電阻應變式傳感器主要由電阻應變電阻應變式傳感器主要由電阻應變片及測量轉換電路等組成片及測量轉換電路等組成。用途用途 電子秤電子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤遠距離遠距離顯示顯示第一節(jié)第一節(jié) 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器一、應變片的工作原理一、應變片的工作原理二、應變片的種類與結構二、應變片的種類與結構四、應變效應的應用四、應變效應的應用 三、測量轉換電路三、測量轉換電路不平衡電橋不平衡電橋 小結小結一、一、應變應變片的工作原理的
3、工作原理 2llRAr金屬絲受拉時,金屬絲受拉時,l變長、變長、r變小,導致變小,導致R變大變大 。一、應變片的工作原理一、應變片的工作原理 設有一長度為設有一長度為l、截面積為、截面積為A、半徑為、半徑為r、電阻率、電阻率為為 的金屬單絲,它的電阻值的金屬單絲,它的電阻值R可表示為可表示為 當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力(或壓力)當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力(或壓力)時,上式中時,上式中 、r、l都將發(fā)生變化,從而導致電阻值都將發(fā)生變化,從而導致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時,發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時,l將變長、將變長、r變小,變小,均導致均導致R變大;又如,某些半導體受拉時,變
4、大;又如,某些半導體受拉時, 將變大將變大,導致,導致R變大。變大。 實驗證明,電阻絲及應變片的電阻相對變化量實驗證明,電阻絲及應變片的電阻相對變化量 R R與材料力學中的軸向應變與材料力學中的軸向應變 x的關系在很大范圍內是的關系在很大范圍內是線性的,即線性的,即 2llRAr 2-1xRKRK電阻應變片的靈敏度電阻應變片的靈敏度微應變微應變() 對于不同的金屬材料,對于不同的金屬材料,K K 略微不同,一般為略微不同,一般為2 2左左右。而對半導體材料而言,由于其感受到應變時,右。而對半導體材料而言,由于其感受到應變時,電阻率電阻率 會產生很大的變化,所以靈敏度比金屬材料會產生很大的變化,
5、所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。大幾十倍。 在材料力學中,在材料力學中, x = l/l稱為電阻絲的軸向應變,也稱為電阻絲的軸向應變,也稱縱向應變,是量綱為稱縱向應變,是量綱為1的數(shù)。的數(shù)。 x通常很小,常用通常很小,常用10-6表示之。例如,當表示之。例如,當 x為為0.000001時,在工程中常表示為時,在工程中常表示為1 10-6或或 m/m。在應變測量中,也常將之稱為微應變。在應變測量中,也常將之稱為微應變()。 對金屬材料而言,當它受力之后所產生的軸向應對金屬材料而言,當它受力之后所產生的軸向應變最好不要大于變最好不要大于1 10-3,即,即1000 m/m,否則有可能超,否則有可能超
6、過材料的極限強度而導致斷裂。過材料的極限強度而導致斷裂。 應變片用于測量力應變片用于測量力F的計算公式的計算公式 由材料力學可知,由材料力學可知, x=F /(AE),所以),所以 R /R又又可表示為可表示為 如果應變片的靈敏度如果應變片的靈敏度K K 和試件的橫截面積和試件的橫截面積A A以及以及彈性模量彈性模量均為已知,則只要設法測出均為已知,則只要設法測出 R R / /R R的數(shù)值的數(shù)值,即可獲知試件受力,即可獲知試件受力的大小,例如可用于電子秤的大小,例如可用于電子秤的稱重。的稱重。 2-2RFKRAE二、應變片的種類與結構二、應變片的種類與結構 應變片可分為應變片可分為金屬應變片
7、金屬應變片及及半導體應變片半導體應變片兩大類。前者兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。目前箔式應變片應用可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。目前箔式應變片應用較多。較多。金屬絲式應變片使用最早,有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應變片使用最早,有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應變片蠕變較大,金屬絲易脫膠,有逐漸被箔式所金屬絲式應變片蠕變較大,金屬絲易脫膠,有逐漸被箔式所取代的趨勢。但其價格便宜,多用于應變、應力的大批量、取代的趨勢。但其價格便宜,多用于應變、應力的大批量、一次性試驗。一次性試驗。 箔式應變片中箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制
8、成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔。箔式應變片與片基的接觸面積大得多,散熱條件較好,在長時式應變片與片基的接觸面積大得多,散熱條件較好,在長時間測量時的蠕變較小,一致性較好,適合于大批量生產。還間測量時的蠕變較小,一致性較好,適合于大批量生產。還可以對金屬箔式應變片進行適當?shù)臒崽幚?,使其線脹系數(shù)、可以對金屬箔式應變片進行適當?shù)臒崽幚?,使其線脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消,電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消,從而將溫度影響減小到最小的程度,目前廣泛用于各種應變從而將溫度影響減小到最小的程
9、度,目前廣泛用于各種應變式傳感器中。式傳感器中。箔式應變片的外形箔式應變片的外形n半導體應變片是用半導體材料作敏感柵而半導體應變片是用半導體材料作敏感柵而制成的。當它受力時,電阻率隨應力的變制成的。當它受力時,電阻率隨應力的變化而變化。它的化而變化。它的主要優(yōu)點主要優(yōu)點是是靈敏度高靈敏度高(靈(靈敏度比絲式、箔式大幾十倍)敏度比絲式、箔式大幾十倍),主要缺點是主要缺點是靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應變靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應變間非線性嚴重。在使用時,需采用溫度補間非線性嚴重。在使用時,需采用溫度補償及非線性補償措施。償及非線性補償措施。半導體應變片半導體應變片及金屬及金屬絲式應變
10、片的結構絲式應變片的結構半導體應變片半導體應變片外形外形金屬絲式應變片的金屬絲式應變片的內部結構內部結構應變片主要性能指標舉例應變片主要性能指標舉例 上表中,哪幾個型號是半導體應變片?上表中,哪幾個型號是半導體應變片?依據(jù)是什么?依據(jù)是什么? 三、測量轉換電路三、測量轉換電路不平不平衡電橋衡電橋 金屬應變片的電阻變化范圍很小,如果直金屬應變片的電阻變化范圍很小,如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難,接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難,且誤差很大。且誤差很大。 例例如,如,有一金屬箔式應變片,標稱阻值有一金屬箔式應變片,標稱阻值R R0 0為為100100 ,靈敏度靈敏度K K=2=
11、2,粘貼在橫截面積為,粘貼在橫截面積為9.8mm9.8mm2 2的鋼質圓柱體上,的鋼質圓柱體上,鋼的彈性模量鋼的彈性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2,所受拉力,所受拉力F F=0.2t=0.2t,受拉,受拉后應變片的阻值后應變片的阻值R R 的變化量的變化量RR僅為僅為0.20.2 (式式2-2),),所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量。所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量。下面分析該橋式測量轉換電路是如何將下面分析該橋式測量轉換電路是如何將 R /R轉換為轉換為輸出電壓輸出電壓Uo的。的。 )F/(AE*K*RR 三、測量轉換電路三、測量轉換電路不平衡
12、電橋不平衡電橋 3i124o1234() 2-34RURRRURRRR誤差小于5%電橋平衡的條件電橋平衡的條件 :R1/R2=R4/R3電橋平衡的條件電橋平衡的條件 :R1/R2=R4/R3 調節(jié)調節(jié)RPRP,最終可以,最終可以使使R R1 1 / /R R2 2 = =R R4 4/ /R R3 3( R R1 1 、R R2 2 是是R R1 1、R R2 2并聯(lián)并聯(lián)RPRP后的后的等效電阻)等效電阻),電橋趨于,電橋趨于平衡,平衡,U Uo o被預調到零位,被預調到零位,這一過程稱為調零。圖這一過程稱為調零。圖中的中的R R5 5是用于減小調節(jié)是用于減小調節(jié)范圍的限流電阻。范圍的限流電阻
13、。 單臂電橋單臂電橋 全橋四臂工全橋四臂工作方式的靈敏作方式的靈敏度最高,雙臂度最高,雙臂半橋次之,單半橋次之,單臂半橋靈敏度臂半橋靈敏度最低。最低。 雙臂電橋雙臂電橋 R1、 R2為應變?yōu)閼兤?,片?R3、R4為固定為固定電阻電阻 。應變片。應變片R1 、R2 感受到的應變感受到的應變 1 2以及產生的電以及產生的電阻增量正負號相間,阻增量正負號相間,可以使輸出電壓可以使輸出電壓Uo成倍地增大。成倍地增大。四臂全橋四臂全橋 全橋的四個橋臂都為應變片,全橋的四個橋臂都為應變片,如果設法使試件受力后,應變如果設法使試件受力后,應變片片R1 R4產生的電阻增量(或產生的電阻增量(或感受到的應變感
14、受到的應變 1 4)正負號相)正負號相間,就可以使輸出電壓間,就可以使輸出電壓Uo成倍成倍地增大。上述三種工作方式中,地增大。上述三種工作方式中,全橋四臂工作方式的靈敏度最全橋四臂工作方式的靈敏度最高,雙臂半橋次之,單臂半橋高,雙臂半橋次之,單臂半橋靈敏度最低。采用全橋(或雙靈敏度最低。采用全橋(或雙臂半橋)還能實現(xiàn)溫度自補償。臂半橋)還能實現(xiàn)溫度自補償。全橋的溫度補償原理全橋的溫度補償原理 當環(huán)境溫度升高當環(huán)境溫度升高時,橋臂上的應變片時,橋臂上的應變片溫度同時升高,溫度溫度同時升高,溫度引起的電阻值漂移數(shù)引起的電阻值漂移數(shù)值一致,可以相互抵值一致,可以相互抵消,所以全橋的溫漂消,所以全橋的
15、溫漂較?。话霕蛞餐瑯幽茌^?。话霕蛞餐瑯幽芸朔仄???朔仄?四、應變效應的應用四、應變效應的應用 應變效應的應用十分廣泛。它可以測量應應變效應的應用十分廣泛。它可以測量應變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應變片的應用可分為兩大類:電阻應變片的應用可分為兩大類:第一類是將第一類是將應變片粘貼于某些彈性體上,并將其接到測量應變片粘貼于某些彈性體上,并將其接到測量轉換電路,這樣就構成測量各種物理量的專用轉換電路,這樣就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。應變式傳感器。應變式傳感器應變式傳感器中,敏感元件一中,敏感元件一般為各種彈性體,傳感元件
16、就是應變片,測量般為各種彈性體,傳感元件就是應變片,測量轉換電路一般為橋路;轉換電路一般為橋路;第二類是將應變片貼于第二類是將應變片貼于被測試件上,然后將其接到應變儀上就可直接被測試件上,然后將其接到應變儀上就可直接從應變儀上讀取被測試件的應變量。從應變儀上讀取被測試件的應變量。 應變式力傳感器應變式力傳感器 應變式力傳感器應變式力傳感器 FFFF各種懸臂梁各種懸臂梁 各種懸臂梁各種懸臂梁 FF固定點固定點固定點固定點電纜應變片在懸臂梁上的粘貼及變形應變片在懸臂梁上的粘貼及變形 應變式荷重傳感器的外形及應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置應變片的粘貼位置FR1R2 R4應變式荷重傳感器外形
17、及受力位置(續(xù))應變式荷重傳感器外形及受力位置(續(xù))FF應變式荷重傳感器外形及受力位置(續(xù))應變式荷重傳感器外形及受力位置(續(xù))FF荷重傳感器原理演示荷重傳感器原理演示 荷重傳荷重傳感器上的應感器上的應變片在重力變片在重力作用下產生作用下產生變形。軸向變形。軸向變短,徑向變短,徑向變長。變長。 汽車衡汽車衡汽車衡汽車衡(以下參考(以下參考北京遠亞興業(yè)商貿有限公司資料 )汽車衡汽車衡稱重系統(tǒng)稱重系統(tǒng)荷重傳感器計算公式荷重傳感器計算公式 當當KF 為常數(shù)時,橋路所加的激勵源電壓為常數(shù)時,橋路所加的激勵源電壓Ui 越高,滿越高,滿量程輸出電壓量程輸出電壓Uom也越高。也越高。 KF = Uom/ U
18、i (2-5) 思考:綜合考慮靈敏度與功耗發(fā)熱,思考:綜合考慮靈敏度與功耗發(fā)熱, Ui 的取值范圍多少為好?的取值范圍多少為好?ioommmFK UFUUFFF(2-7)荷重傳感器應用估算荷重傳感器應用估算( (難點,重點)難點,重點) 例例2-2 現(xiàn)用圖現(xiàn)用圖2-8所示的荷重傳感器稱重。當橋路所示的荷重傳感器稱重。當橋路電壓為電壓為12V時,測得橋路的輸出電壓為時,測得橋路的輸出電壓為8mV,求被測,求被測荷重為多少噸。荷重為多少噸。 解解 從圖從圖2-8所示的荷重傳感器銘牌上得到所示的荷重傳感器銘牌上得到F m=100 103N,KF= 2mV/V,根據(jù)式(,根據(jù)式(2-5)得)得Uom=
19、24mV。被測荷重。被測荷重 ioommmFK UFUUFFF333O3Fi100 106 1012.5 10 N 1.3t2 1024mF UFK U 12833.33.39t荷重傳感器應用估算荷重傳感器應用估算 在上面介紹過的汽車衡示意圖中,共使用了在上面介紹過的汽車衡示意圖中,共使用了4個個荷重傳感器,量程荷重傳感器,量程Fm =20t, 靈敏度靈敏度KF =2.5mV/V,使用使用4個獨立的橋路電源,每一個電源電壓均相等,個獨立的橋路電源,每一個電源電壓均相等, Ui =12V,四個荷重傳感器的輸出串聯(lián),總的輸出電,四個荷重傳感器的輸出串聯(lián),總的輸出電壓壓Uo =24mV, 請估算汽車
20、的質量。請估算汽車的質量。(16t) 汽車在鋼板上有少許的前、后、左、右偏位,汽車在鋼板上有少許的前、后、左、右偏位,是否會影響測量結果?為什么?是否會影響測量結果?為什么? ioommmFK UFUUFFF荷重傳感器用于構件荷重傳感器用于構件的稱重的稱重 荷重傳感器荷重傳感器(共(共 3個,個,120度分布,以達到度分布,以達到均衡目的,另兩個未拍出)均衡目的,另兩個未拍出)底座底座墊塊墊塊電纜電纜休休 息息 一一 下下電子秤電子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤遠距離遠距離顯示顯示電子天平電子天平電子天平的精度電子天平的精度可達十萬分之一可達十萬分之一人體秤人體秤 吊鉤秤吊鉤秤 便攜式便攜式
21、應變式數(shù)顯扭矩扳手應變式數(shù)顯扭矩扳手 可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域,準確控制緊固螺紋的制造和家用電器等領域,準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程裝配扭矩。量程2500N.m,耗電量,耗電量10mA,有公制有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。等功能。壓阻式固態(tài)壓力傳感器壓阻式固態(tài)壓力傳感器 利用擴散工藝制作的四個半導體應變利用擴散工藝制作的四個半導體應變電阻處于同一硅片上,工藝一致性好,靈電阻處于同一硅片上,工藝一致性好,靈敏度相等,漂移抵消,遲滯、蠕變非常小,敏度相等,漂移抵消,遲滯、蠕
22、變非常小,動態(tài)響應快。動態(tài)響應快。 壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片 隔離、承壓隔離、承壓膜片可以將腐膜片可以將腐蝕性的氣體、蝕性的氣體、液體與硅膜片液體與硅膜片 隔離開來。隔離開來。 壓阻式固態(tài)壓阻式固態(tài) 壓力傳感器壓力傳感器 內部結構內部結構信號處理電路信號處理電路小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進氣口高壓進氣口低壓進氣口低壓進氣口絕對壓力傳感器絕對壓力傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器(續(xù))小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器(續(xù))呼吸、透析和注射泵設備中用的壓力傳感器呼吸、透析和注射泵設備中用的壓力傳感器p1進氣管進氣管p2進氣管進氣管固態(tài)壓力固態(tài)壓力傳感器傳感器小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器(續(xù))小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器(續(xù))表壓壓力傳感器表壓壓力傳感器p1進氣管進氣管投入式液位計投入式液位計 壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計:壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計:p1的進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離,并用的進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離,并用硅油傳導壓力而與液體相通。硅油傳導壓力而與液體相通。 投入式液位計外形(續(xù))投入式液位計外形(續(xù)) 壓阻式壓阻式固態(tài)壓力固態(tài)
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