《傳感器與檢測技術》課件第二章電阻式傳感器(120P)

1、第二章、電阻式傳感器本章學習要求：1.了解電阻式傳感器的分類 2.掌握電阻式傳感器測量原理3.了解傳感器測量電路2.1 概述1. 傳感器定義 傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。 物理量電量 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。2. 傳感器的構成 傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。 dV第二章 電阻傳感器 利用電阻傳感器可以測量角位移、直線位移、應變、力、加速度、重量、轉(zhuǎn)矩、溫度、

2、濕度、氣體成分及濃度、磁場強度等。第一節(jié) 電位器式傳感器 電位器是大家十分熟悉的三端電子器件，改變其滑動臂的位置，也就改變了電路的分壓比。電位器有直線式和圓盤式之分，在非電量電測中，可分別用于測量直線位移x和角位移。電子電路中使用的電位器性能較差，檢測技術中使用的電位器傳感器耐磨程度是普通電位器的數(shù)百倍甚至數(shù)千倍，溫漂也小于萬分之一2.2 電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器,按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應變式、熱敏式、光敏式、電敏式.1 變阻器式傳感器等效電路分析:xL2.2 電阻式傳感器L-變阻器總長;x-電刷移動量.R-總電阻; RL電刷電阻;R=K*LL=

3、R/KEE1Lx=RRL=EE1x=L*E1 / E分壓比電路的計算公式如下： 直滑電位器式傳感器的輸出電壓Uo與滑動觸點C的位移量x成正比： 對圓盤式電位器來說，Uo與滑動臂的旋轉(zhuǎn)角度成正比： (2) 變阻器式傳感器的性能參數(shù): 1)線性(或曲線的一致性); 4)移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍; 2) 分辨率; 5)電阻溫度系數(shù); 3)整個電阻值的偏差; 6)壽命;(3)變阻器式傳感器的分類2.2 電阻式傳感器按測量類型：單圈電位器多圈電位器直線滑動式電位器變阻器式傳感器產(chǎn)品2.2 電阻式傳感器1 圖2-1 電位器傳感器a）圓盤式 b）直線式 360度圓盤形電位器傳感器(測量角位移) 右圖所示的360度

4、圓盤形電位器的中間焊片為滑動片，右邊焊片接地，左邊焊片接電源。 接地直線式電位器傳感器 運動方向 直線電位器傳感器用于測量直線位移外殼接地電位器的滑動片隨不銹鋼滑竿而左右移動。 360度圓盤形電位器傳感器也可以用于測量直線位移位移 鋼絲繞在圓盤形電位器傳感器的轉(zhuǎn)軸上。測量轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動的圈數(shù)（角度），再乘以轉(zhuǎn)軸的直徑和，就等于鋼絲拉出的長度。接地案例：重量的自動檢測-配料設備 比較重量設定原材料2.2 電阻式傳感器原理：彈簧-力-位移 -電位器-電阻案例：煤氣包儲量檢測煤氣包鋼絲2.2 電阻式傳感器原理：鋼絲-收線圈數(shù) -電位器 -電阻案例：玩具機器人（廣州中鳴數(shù)碼 ）2.2 電阻式傳感器原理：電機

5、-轉(zhuǎn)角 -電位器 -電阻 我們先來做一個實驗。當我們用力拉電阻絲時，電阻絲的長度略有增加，直徑略有減小，從而導致電阻值R變大。在我們這個實驗中，電阻絲的阻值從初始狀態(tài)的10.00增大到10.05，如圖2-4所示。導體或半導體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)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。在工業(yè)中，將試材受力后所產(chǎn)生的長度相對變化量xl/l，稱為縱向應變。一、應變原理演示 金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大 。二、應變片的工作原理 設有一長度為、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 K電阻應變片的靈敏度 當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓

6、力）時，上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導致電阻值R發(fā)生變化。 當金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導致R變大； 某些半導體受拉時，將變大，導致R變大。 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x的關系在很大范圍內(nèi)是線性的，即 應變片用于測量力F的計算公式 由材料力學可知，x=F /(AE)，所以R /R又可表示為 如果應變片的靈敏度K 和試件的橫截面積A以及彈性模量均為已知，則只要設法測出R /R的數(shù)值，即可獲知試件受力的大小，可用于電子秤的稱重和測量拉力等。應變片的應用將應變片粘貼在斜拉繩表面，可測量斜拉繩所受的拉力應變片可用于電子秤2 電阻應變式傳感器-應變片 電阻應變

7、片工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化現(xiàn)象。 2.2 電阻式傳感器一、電阻應變片的工作原理金屬絲受拉時，l變長、r變小，導致R變大 。1) 工作原理上述任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變化,求導數(shù)2.2 電阻式傳感器金屬應變片的電阻R為代入2.2 電阻式傳感器有：金屬絲：金屬絲體積不變：2.2 電阻式傳感器有：對金屬材料，導電率不變：金屬絲應變片：2.2 電阻式傳感器半導體應變計簡化為：優(yōu)點：靈敏度大;體積小;缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。 設有一長度為L、截面積為A、半徑為r、電阻率為的金屬單絲

8、，它的電阻值R可表示為 當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中、r、l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，l將變長、r變小，均導致R變大；又如，某些半導體受拉時，將變大，導致R變大。 K0電阻應變片的靈敏度 1.應變() 在材料力學中，=l/l 稱為電阻絲的軸向應變，也稱縱向應變，是量綱為1的數(shù)。 通常很小，常用10-6表示之。例如，當 為0.000001時，在工程中常表示為110-6或m/m。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(chǎn)生的軸向應變最好不要大于110-3，即1000m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導致斷裂

9、。 2.應變靈敏度系數(shù)(K0) K0表示單位應變所引起的電阻相對變化，其大小由兩個因素影響： (12)表示由幾何尺寸改變所引起的變化； (/) / (l/l)表示材料的電阻率隨應變所引起的變化。 對于金屬材料，以前者為主。K0 略微不同，一般為2左右。而對半導體材料而言，以后者為主，由于其感受到應變時，電阻率 會產(chǎn)生很大的變化。所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。 應變計2.2 電阻式傳感器金屬應變計 二、應變片的種類與結構 應變片可分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。 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

10、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、一次性試驗。 箔式應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。 薄膜式應變片采用真空蒸鍍或濺射式陰極擴散等方法，在薄的基底材料上制成金屬薄膜形成應變片。其靈敏度系數(shù)較高，允許電流密度大，工作范圍廣。二、應變片的種類與結構 應變片可分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。 金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，逐漸被箔式所取代。但金屬絲式應變片價格便宜，多用于大批量、一次性試驗。 箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔式應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量

11、時的蠕變較小，一致性較好，目前廣泛用于各種應變式傳感器中。箔式應變片的外形半導體應變片及金屬絲式應變片的結構半導體應變片外形金屬絲式應變片的內(nèi)部結構3) 應變片的主要參數(shù) 4）其它表示應變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。 2.2 電阻式傳感器1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用 bL表示。2）電阻值：應變計的原始電阻值。 3）靈敏系數(shù)：表示應變計變換性能的重要參數(shù)。 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？依據(jù)是什么？ 三、應變片的粘貼： 1. 去污：采用手持砂輪工具除去構件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼

12、力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。 2.貼片：在應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 。 3.測量 ：從分開的端子處，預先用萬用表測量應變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應變片。 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。 5.固定： 焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應變片。2.2 電阻式傳感器電阻應變片的選擇、粘貼技術 1.目測電阻應變片有無折痕.斷絲等 缺陷，有缺陷的應變片不能粘貼。2.用數(shù)字萬用表測量應變片電阻值大 小。同一電橋中各應變片

13、之間阻值 相差不得大于0.5歐姆.3.試件表面處理：貼片處置用細紗紙打磨干凈，用 酒精棉球反復擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。2.2 電阻式傳感器5.焊線:用電烙鐵將應變片的引線焊接到導引線上。6.用兆歐表檢查應變片與試件之間的絕緣組織，應大于500M歐。7.應變片保護：用704硅橡膠覆于應變片上，防止受潮。4.應變片粘貼:在應變片基底上擠一小滴502膠水，輕輕涂抹均勻，立即放在應變貼片位置。2.2 電阻式傳感器3) 應變片測量電路VER1R2R3R42.2 電阻式傳感器令：金屬絲應變片：V與應變成線形關系，可以用電橋測量電壓測量應變 由材料力學可知，=F /（AE），所以R /R又可表示為 如

14、果應變片的靈敏度K 和試件的橫截面積A以及彈性模量均為已知，則只要設法測出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。 3.應變片用于測量力F的計算公式測量轉(zhuǎn)換電路電橋 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，且誤差很大。 如有一金屬箔式應變片，標稱阻值R0為100，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應變片的阻值R 的變化量僅為0.2，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(zhuǎn)換電路是如何將R /R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo的。 1.4

15、 電橋的輸出與和差特性（1）全等臂電橋的輸出假設各橋臂分別有電阻增量，代入下式：如果電橋初始狀態(tài)是平衡的，即有R1R3 = R2R4，略去R/R 的平方項，化簡則得電橋的輸出電壓增量為：第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋若采用等臂電橋，即 R1 = R2 = R3 = R4 =R ，則有：當采用相同的應變片時，靈敏度系數(shù)均為 K（ R/R =K），則上式可以寫成：第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋（2）等臂電橋的和差特性以下討論中，設：R1= R2=R3= R4= R 半橋單臂橋臂 R1 R1+R電橋靈敏度：輸出電壓：dcabUU0R1R2R3R4第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋 半橋雙臂（異號）電橋靈敏度：

16、輸出電壓：橋臂 R1 R1+R R2 R2 -R可得：鄰臂異號變化，輸出電壓為兩臂變化之 和，電橋靈敏度是半橋單臂的二倍。dcabUU0R1R2R3R4第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋 半橋雙臂（同號）輸出電壓：橋臂 R1 R1+R R2 R2 +R可得：鄰臂同號變化，輸出為兩臂變化之差。dcabUU0R1R2R3R4第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋 全橋四臂電橋靈敏度：可得：鄰臂異號，對臂同號，電橋輸出為單臂時的 四倍，電橋靈敏度是半橋單臂的四倍。若鄰 臂同號，對臂異號，則電橋輸出為 0。橋臂 R1 R1+R R2 R2 -R R3 R3+R R4 R4 -R輸出電壓：dcabUU0R1R2R3R4

17、第一節(jié) 電橋 1. 直流電橋單臂電橋 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。 雙臂電橋 R1、 R2為應變片， R3、R4為固定電阻 。應變片R1 、R2 感受到的應變12以及產(chǎn)生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。四臂全橋 全橋的四個橋臂都為應變片，如果設法使試件受力后，應變片R1 R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應變14）正負號相間，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。采用全橋還能實現(xiàn)溫度自補償。全橋的溫度補償原理 當環(huán)境溫度升高時，橋臂上的應變片溫度同時升高，溫度引起的

18、電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較?。话霕蛞餐瑯幽芸朔仄?。 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。電阻應變片的應用可分為兩大類：第一類是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。應變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；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從應變儀上讀取被測試件的應變量。五、應變效應的應用四、應變效應的應用 電阻應變片的應用可分為兩大類：第一類是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣

19、就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。應變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體。傳感元件就是應變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路； 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從應變儀上讀取被測試件的應變量。 2 電阻應變式傳感器-應變片2.2 電阻式傳感器2.2 電阻式傳感器2.2 電阻式傳感器標準產(chǎn)品案例：機器人握力測量2.2 電阻式傳感器應變式力傳感器 應變式力傳感器 FFFF2.2 電阻式傳感器電阻應變式傳感器的應用：測力應變式力傳感器 S型力傳感器 FFFF各種懸臂梁 各種懸臂梁 FF固定點固定點電纜應變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置

20、FR1R2 R4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)）FF荷重傳感器原理演示 貼在荷重傳感器表面的應變片在向下力的作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。測量裝貨量或判斷超載汽車衡稱重系統(tǒng)（參考北京遠亞興業(yè)商貿(mào)有限公司資料 ）荷重傳感器計算公式 當KF 為常數(shù)時，橋路所加的激勵源電壓Ui 越高，滿量程輸出電壓Uom也越高。 思考：綜合考慮靈敏度與功耗、發(fā)熱等因數(shù)， Ui 的取值范圍多少為好？荷重傳感器應用估算 例 現(xiàn)用某荷重傳感器稱重。當橋路電壓Ui為6V時，測得橋路的輸出電壓Uo為8mV，求被測荷重為多少噸。 解 從該荷重傳感器銘牌上得到F m=100103

21、N，KF= 2mV/V， 可計算得到Uom=12mV。根據(jù)上述公式計算得被測荷重：荷重傳感器用于構件的稱重 荷重傳感器（共 3個，120度分布，以達到均衡目的，另兩個未拍出）底座墊塊電纜電子秤 磅秤超市打印秤遠距離顯示案例：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結構變形再通過應變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。2.2 電阻式傳感器電子天平電子天平的精度可達十萬分之一人體秤 怎樣改造，才能適合盲人使用？吊鉤秤 便攜式如何將信號傳送到計算機中？電子秤中的各類彈性元件 材料應變的測量斜拉橋上的斜拉繩應變測試 材料應變的測量（續(xù)）預應力管樁的質(zhì)量檢驗：工作人員正在貼應變片 應變片粘貼在管樁上，引出線應良好固定應變式數(shù)顯

22、扭矩扳手 數(shù)顯扳手可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺栓的裝配扭矩。量程2500Nm，耗電量10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。應變式數(shù)顯扭矩扳手（續(xù)）2.2 電阻式傳感器壓阻式固態(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，動態(tài)響應快。 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。 壓阻式固態(tài) 壓力傳感器 內(nèi)部結構信號處理電路p小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器高壓進氣口低壓進氣口小型壓阻式固態(tài)差壓傳感器（續(xù)）可用于呼吸、透析和注射泵等設備p1進氣管p2進氣管電纜引出小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）表壓壓力傳感器p1進氣管汽車子午線輪胎胎壓的測量子午線輪胎汽車胎壓傳感器的安裝投入式液位計