電阻應(yīng)變傳感器課件

1、2.1 電阻傳感器 本小節(jié)學(xué)習(xí)電阻式傳感器的原理及應(yīng)用，包括：電位器、電阻應(yīng)變片、測(cè)溫?zé)犭娮琛饷綦娮杓皾衩綦娮璧?。?頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/20221 電阻應(yīng)變式傳感器 導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會(huì)產(chǎn)生機(jī)械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。 電阻應(yīng)變式傳感器主要由電阻應(yīng)變片及測(cè)量轉(zhuǎn)換電路等組成。第2頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/20222一、工作原理應(yīng)變片的工作原理 金屬絲受拉時(shí)，l變長(zhǎng)、r變小，導(dǎo)致R變大 。第3頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/20223二、應(yīng)變片的工作原理 設(shè)有一長(zhǎng)度為、截面積為A、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R可表示為 當(dāng)沿金屬絲的長(zhǎng)度方向作用均勻

2、拉力（或壓力）時(shí)，上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時(shí)，l將變長(zhǎng)、r變小，均導(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉時(shí)，將變大，導(dǎo)致R變大。 實(shí)驗(yàn)證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量R R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即 K電阻應(yīng)變片的靈敏度第4頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/20224微應(yīng)變() 對(duì)于不同的金屬材料，K 略微不同，一般為2左右。而對(duì)半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時(shí)，電阻率 會(huì)產(chǎn)生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。 在材料力學(xué)中，x =/稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變，是量綱為1的數(shù)。 x通常很小，常用10-6表示之。例如，當(dāng)

3、 x為0.000001時(shí)，在工程中常表示為110-6或m/m。在應(yīng)變測(cè)量中，也常將之稱為微應(yīng)變()。 對(duì)金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于110-3，即1000m/m，否則有可能超過材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致斷裂。 第5頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/20225應(yīng)變片用于測(cè)量力F的計(jì)算公式 由材料力學(xué)可知，x=F /（AE），所以R /R又可表示為 如果應(yīng)變片的靈敏度K 和試件的橫截面積A以及彈性模量均為已知，則只要設(shè)法測(cè)出R /R的數(shù)值，即可獲知試件受力的大小，例如可用于電子秤的稱重。 第6頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/20226二、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu) 應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類

4、。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。目前箔式應(yīng)變片應(yīng)用較多。金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢(shì)。但其價(jià)格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗(yàn)。 第7頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/20227箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)；厚度薄，因此具有較好的可繞性；橫向效應(yīng)小；便于批量生產(chǎn)生產(chǎn)效率高。第8頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/20228半導(dǎo)體應(yīng)變片有如下優(yōu)點(diǎn)：1.靈敏

5、度高。比金屬應(yīng)變片的靈敏度約大50-100倍。工作時(shí)可不必用放大器就可用電壓表或示波器等簡(jiǎn)單儀器記錄測(cè)量結(jié)果。2.體積小，耗電省。3.由于有正、負(fù)兩種符號(hào)的應(yīng)力效應(yīng)，則可以用有正、負(fù)兩種符號(hào)應(yīng)力效應(yīng)的半導(dǎo)體應(yīng)變片組成同一應(yīng)力方向的電橋兩臂，提高靈敏度。第9頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/20229箔式應(yīng)變片的外形第10頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202210半導(dǎo)體應(yīng)變片及金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片外形金屬絲式應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第11頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202211應(yīng)變片的粘貼： 1. 去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或

6、脫脂棉球擦洗。 第12頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202212 2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡 。第13頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202213 3.測(cè)量 ：從分開的端子處，預(yù)先用萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。第14頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202214 4.焊接： 將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。 第15頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202215 5.固定： 焊接后用膠布將引線和被測(cè)對(duì)象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。 第16頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/20221

7、6制作應(yīng)變片敏感元件的金屬材料應(yīng)有如下要求：1.k0大，并在盡可能大的范圍內(nèi)保持常數(shù)。2.電阻率大，這樣，在一定阻值要求下，同樣線徑，所需電阻絲長(zhǎng)度短。3.電阻溫度系數(shù)小。還要求耐高溫氧化性能好。4.具有良好的加工焊接性能。常溫下，使用的應(yīng)變片多由康銅（銅鎳合金）制成。第17頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202217三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路不平衡電橋 金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。 第18頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202218三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路不平衡電橋 第19頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202219電橋平衡的條件 ：R1/R2=R4/R3 調(diào)節(jié)RP，最終可以使R

8、1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。 第20頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202220單臂電橋 全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。第21頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202221 雙臂電橋 R1、 R2為應(yīng)變片， R3、R4為固定電阻 。應(yīng)變片R1 、R2 感受到的應(yīng)變12以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號(hào)相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。第22頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202222四臂全橋 全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1 R4產(chǎn)生的電阻增量

9、（或感受到的應(yīng)變14）正負(fù)號(hào)相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。第23頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202223全橋的溫度補(bǔ)償原理 當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較小；半橋也同樣能克服溫漂。 第24頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202224電橋輸出電壓Uo=A(R1R4-RbR3)式中，A為由橋臂電阻和電源電壓決定的常數(shù)。由式可知，當(dāng)R3和R4為常數(shù)時(shí)，R1和Rb對(duì)電橋輸出電壓Uo的作用方向相反。利用這一基本關(guān)

10、系可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的補(bǔ)償。第25頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202225四、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用 應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測(cè)量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測(cè)量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應(yīng)變片，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；第二類是將應(yīng)變片貼于被測(cè)試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測(cè)試件的應(yīng)變量。 第26頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202226應(yīng)變式力傳感器的彈性元件有柱式、懸臂式、環(huán)式、框式等數(shù)種。柱式力傳感器的彈性元件分為實(shí)

11、心和空心兩種，實(shí)心圓柱可以承受較大的負(fù)荷，空心圓筒多用于小集中力的測(cè)量。第27頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202227應(yīng)變式力傳感器 應(yīng)變式力傳感器 FFFF第28頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202228各種懸臂梁 第29頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202229各種懸臂梁 FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜第30頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202230應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2 R4第31頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202231應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF第32頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202232應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF第33頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202233荷重傳感器原理演示 荷重傳感

12、器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。 第34頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202234汽車衡第35頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202235汽車衡（以下參考北京遠(yuǎn)亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料 ）第36頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202236電子秤 磅秤超市打印秤遠(yuǎn)距離顯示第37頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202237應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形 第38頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202238電子天平電子天平的精度可達(dá)十萬(wàn)分之一第39頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202239人體秤 第40頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202240吊鉤秤 便攜式第41頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202241應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手 可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃

13、機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電等功能。第42頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202242壓阻式固態(tài)壓力傳感器 利用擴(kuò)散工藝制作的四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變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，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。 第43頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202243壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片 隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片 隔離開來。 第44頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202244壓阻式固態(tài) 壓力傳感器 內(nèi)部結(jié)構(gòu)信號(hào)處理電路第45頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202245小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進(jìn)氣口低壓進(jìn)氣口絕對(duì)壓力傳感器第46頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202246投入式液位計(jì) 壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計(jì)：p1的進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。 第47頁(yè)，共50頁(yè)。8/5/202247投入