第二章第一節(jié) 電阻應(yīng)變傳感器的原理及應(yīng)用

“十四五”職業(yè)教育國家規(guī)劃教材自動檢測技術(shù)課程授課教案PAGEPAGE1第二章電阻傳感器Ⅰ課題：電阻應(yīng)變傳感器的原理及應(yīng)用課時安排：2課次編號：3教材分析難點(diǎn)電橋的調(diào)零，溫度補(bǔ)償重點(diǎn)電阻應(yīng)變傳感器的應(yīng)用教學(xué)目的和要求1．了解應(yīng)變效應(yīng)的原理。2．了解應(yīng)變片的類型、結(jié)構(gòu)及其測量轉(zhuǎn)換電路。3．掌握應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用。采用教學(xué)方法和實施步驟講授、課堂討論、分析教具：各種應(yīng)變片各教學(xué)環(huán)節(jié)和內(nèi)容演示先來做一個實驗。當(dāng)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(dǎo)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10.00Ω增大到10.05Ω，如圖所示。電阻絲在拉力作用下阻值增大電阻應(yīng)變式傳感器主要由電阻應(yīng)變片及測量轉(zhuǎn)換電路等組成。用直徑為0.025mm左右的具有高電阻率的電阻絲制成的。為了獲得高的電阻值，電阻絲排列成柵網(wǎng)狀，并粘貼在絕緣基片上，線柵上面粘貼有覆蓋層（保護(hù)用），電阻絲兩端焊有引出線。圖中稱為應(yīng)變片的標(biāo)距或工作基長，b稱為應(yīng)變片基寬。b為應(yīng)變片的有效使用面積。應(yīng)變片規(guī)格一般是用有效使用面積以及電阻值來表示，例如：（310）mm2、350Ω等。圖2-1電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖1－引出線2－覆蓋層3－基底4－電阻絲設(shè)有一長度為、截面積為A、半徑為r、電阻率為ρ的金屬單絲，它的電阻值R可表示為當(dāng)沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中ρ、r、l都將發(fā)生變化（如圖2-2所示），從而導(dǎo)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(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉時，ρ將變大，導(dǎo)致R變大。圖2-2金屬絲的拉伸變形1－拉伸前2－拉伸后實驗證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量ΔRR與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變εx的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即（2-1）式中K——電阻應(yīng)變片的靈敏度對于不同的金屬材料，K略微不同，一般為2左右。而對半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時，電阻率ρ會產(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，εx=Δl/l/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)。εx通常很小，常用10-6表示之。例如，當(dāng)εx為0.000001時，在工程中常表示為110-6或m/m。在應(yīng)變測量中，經(jīng)常將之稱為微應(yīng)變（με）。對金屬材料而言，當(dāng)它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于1000με，即1000mm/m，否則有可能超過材料的極限強(qiáng)度而導(dǎo)致斷裂。由材料力學(xué)可知，εx=F/(AE)，所以ΔR/R又可表示為（2-2）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Ｅ均為已知，則只要設(shè)法測出ΔR/R的數(shù)值，即可獲知試件受力Ｆ的大小。引出結(jié)論：應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(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)。在工業(yè)中，將試材受力后所產(chǎn)生的長度相對變化量εx＝Δl/l，稱為縱向應(yīng)變圖2-3幾種不同類型的電阻應(yīng)變片a）金屬絲式b）金屬箔式c）單軸2元素半導(dǎo)體應(yīng)變片1－電阻絲2－金屬箔3－半導(dǎo)體4－基片5－引腳6－定位標(biāo)記應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度比金屬應(yīng)變片高幾十倍，但一致性差、溫漂大、電阻與應(yīng)變間非線性嚴(yán)重，必須考慮溫度補(bǔ)償。表2-1列出了一些常用應(yīng)變片的主要技術(shù)參數(shù)。表2-1應(yīng)變片主要技術(shù)指標(biāo)參數(shù)名稱電阻值/Ω靈敏度電阻溫度系數(shù)/(1/℃)極限工作溫度/℃最大工作電流/mAPZ-120型PJ-120型BX-200型BA-120型BB-350型PBD-1K型PBD-120型1201202001203501000(1+10%)120(1+10%)1.92.11.92.11.92.21.92.21.92.2145(1+5%)120(1+5%)2010-62010-6－①－－0.4%0.2%-1040-1040-3060-30200-30170404020202525251525提問：表2-1中，哪幾種型號屬于半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？三、測量轉(zhuǎn)換電路金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大，所以多使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量，將電阻的變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo。不平衡電橋測量轉(zhuǎn)換電路如圖2-7a所示。電橋的一個對角線結(jié)點(diǎn)接入電源電壓Ui，另一個對角線節(jié)點(diǎn)為輸出電壓Uo。提問：電橋平衡條件是什么？為了使電橋在測量前的輸出電壓為零，應(yīng)該選擇四個橋臂電阻，使R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3。圖2-4橋式測量轉(zhuǎn)換電路a）基本應(yīng)變橋路b）橋路的調(diào)零原理不平衡電橋的分類：根據(jù)不同的要求，應(yīng)變電橋有3種不同的工作方式。1）單臂半橋工作方式（R1為應(yīng)變片，R2、R3、R4為固定電阻，R2＝R3＝R4＝0）；2）雙臂半橋工作方式（R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻，R3=R4=0）；3）全橋工作方式（電橋的四個橋臂都為應(yīng)變片）。重點(diǎn)：什么是電橋的調(diào)零：實際使用中，R1、R2、R3、R4不可能嚴(yán)格地成比例關(guān)系，所以即使在未受力時，橋路的輸出也不一定能嚴(yán)格為零，因此必須設(shè)置調(diào)零電路。調(diào)節(jié)RP，可以使電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。討論調(diào)零的原理和電位器的調(diào)節(jié)方向。討論圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻的原理。四、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用1．應(yīng)變式力傳感器圖2-5應(yīng)變式測力傳感器的幾種形式a）環(huán)式b）環(huán)式外形c）懸臂梁式解釋什么是懸臂梁？懸臂梁是一端固定、一端自由的彈性敏感元件。懸臂梁的靈敏度較高，多用于較小力的測量。常見的電子秤中就多采用懸臂梁來測量質(zhì)量（重量）。2．應(yīng)變式荷重傳感器測力或荷重（稱重）的傳感器很大一部分采用應(yīng)變式荷重傳感器。荷重傳感器如圖2-11所示，它的輸出電壓Uo正比于荷重F。圖2-7荷重傳感器結(jié)構(gòu)示意圖a）外形圖b）應(yīng)變片在承重等截面圓柱上的粘貼位置荷重傳感器的輸出電壓Uo正比于荷重F。實際運(yùn)用中，生產(chǎn)廠商一般會給出荷重傳感器的靈敏度KF。設(shè)荷重傳感器的滿量程為Fm，橋路激勵電壓為Ui，滿量程時的輸出電壓為Uom，則KF被定義為（2-5）橋路所加的激勵源電壓Ui越高，滿量程輸出電壓Uom也越高，Ui通常為12V左右。由于Uo往往是mV數(shù)量級，而Ui往往是V級（12V左右），所以荷重傳感器的靈敏度以mV/V為單位。在額定荷重范圍內(nèi)，輸出電壓Uo與被測荷重F成正比，所以有（2-6）將式（2-8）代入式（2-9）可得到在被測荷重為F時的輸出電壓Uo為（2-7）例：用某荷重傳感器稱重。當(dāng)橋路電壓Ui為6V時，測得橋路的輸