傳感器技術(shù)課件——電阻應變式傳感器

1、第四章 敏感元件及與傳感器技術(shù),2,1）傳感器的定義 傳感器（Transducer/sensor）的定義為：“能感受（或響應）規(guī)定的被測量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。 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。,4.1 傳感器概論,2）傳感器的組成,3,敏感元件(Sensing element) 是指傳感器中能直接感受被測量的部分,轉(zhuǎn)換元件(Transition element) 是指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。,信號調(diào)理電路：能把轉(zhuǎn)換輸出的電信號轉(zhuǎn)換

2、為便于顯示、記錄和控制的有用信號的電路。常用電橋、放大器、阻抗變換器等,4,3） 傳感器分類 （1）按被測量分類 機械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振動、噪聲 熱工量：溫度、熱量、流量（速）、風速、壓力（差）、液位 物性參量：濃度、粘度、比重、酸堿度 狀態(tài)參量：裂紋、缺陷、泄漏、磨損、表面質(zhì)量 （2）按測量原理分類 按傳感器的工作原理可分為電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、光纖、磁敏式、激光、超聲波等傳感器。,5,（3）按信號變換特征分類 結(jié)構(gòu)型：主要是通過傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實現(xiàn)信號變換的。例如:電容式和電感式傳感器. 物性型：利用敏感元件材料本身物理屬性的變化來實現(xiàn)信號變換

3、。例如:水銀溫度計,壓電測力計. （4）按能量關系分類 能量轉(zhuǎn)換型：傳感器直接由被測對象輸入能量使其工作。例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.也稱有源傳感器。 能量控制型：傳感器從外部獲得能量使其工作，由被測量的變化控制外部供給能量的變化。例如:電阻式、電容式、電感式.也稱無源傳感器。,6,4.2 電阻式傳感器,電位器式,電阻應變式,熱敏效應式,其結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、價格便宜、性能穩(wěn)定、輸出功率大，是目前在非電量檢測技術(shù)中應用最廣、最成熟和最重要的傳感器之一.,把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器，是一種能量控制型傳感器,可用于測量應變、位移、力、壓力和加速度等參數(shù)。,7,電阻應變式,金屬電阻應

4、變片,半導體應變片,按應變片所用的材料可分為：,導體或半導體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化。,主要作用是敏感元件實現(xiàn)應變電阻的變換。,8,（1）電阻應變片工作原理：,工作原理：,電阻絲電阻值：,縱向應變,橫向應變：當電阻絲沿軸向伸長時，必沿徑向縮小,對上式進行全微分，并用相對變化量來表示：,泊松比,電阻絲電阻率相對變化，與電阻絲軸向所受正應力 有關。,彈性模量,縱向壓阻系數(shù),9,因此：,分析：,是由電阻絲幾何尺寸改變引起的。,是由電阻絲的電阻率隨應變的改變引起的。,注意：對金屬電阻絲來說， 是很小的，可忽略；對半導體應變片來說， 是很小的，可忽略。 這正是兩類電阻應變

5、式傳感器原理的主要區(qū)別。,10,電阻絲應變片,金屬電阻應變片：,常用的電阻材料：康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金,靈敏度：,敏感元件是金屬絲柵。,常用的結(jié)構(gòu)形式：絲式、箔式、薄膜式,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，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。,11,箔式應變片,1. 金屬箔柵很薄，感受的應力狀態(tài)與試件表面應力狀態(tài)更接近 2. 箔材表面積大，散熱條件好，所以允許通過較大電流，因而可以輸出較大信號，提高了測量靈敏度 3. 箔柵的尺寸準確、均勻，能制成任意形狀，擴大了應變片的使用范圍,優(yōu)點：,敏感元件是通過照相制版或光刻腐蝕等工藝

6、制成的薄金屬箔柵。,缺點：,1. 生產(chǎn)工序較復雜； 2. 引出線的焊點采用錫焊，因此不適于高溫環(huán)境下測量。 3. 價格較貴,12,一般市售電阻應變片的標準阻值有60、120、350、600、1000歐等，其中120歐應用最多。,通常靜態(tài)測量時，允許的電流一般規(guī)定為25mA，動態(tài)測量時可達75100mA，箔式應變片則可更大些。,選用應變片時，要考慮應變片的性能參數(shù)，主要是應變片的電阻值、靈敏度、允許電流、應變極限等。,13,優(yōu)點：靈敏度高，機械滯后小，橫向效應小，體積小. 缺點：溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。,半導體應變片：,壓阻效應是指當半導體受到應力作用時，由于載流子遷移率的變化，使其

7、電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象 。,工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。因此，有時也稱為壓阻傳感器。,靈敏度：,從半導體物理可知，半導體在壓力、溫度及光輻射作用下，能使電阻率發(fā)生很大變化。,目前，國產(chǎn)半導體應變片大都采用P型硅單晶制成。,14,金屬電阻應變片,半導體應變片,利用金屬導體形變引起電阻的變化 。一般制作應變片的金屬絲的靈敏度K0在1.73.6之間，有些工程書上，直接將金屬絲應變片的靈敏度K0定義為2。,利用半導體電阻率變化引起電阻的變化。用半導體應變片制成的傳感器亦稱為壓阻傳感器。半導體應變片具有很高的靈敏度（是金屬絲應變片靈敏度大5070倍 ），但其最大的特點是溫度靈敏度高，非線性嚴重及安

8、裝困難。,當測量較小應變時，一般選用壓阻 效應工作的應變片，而測量大應變時，一般選用應變效應工作的應變片,15,（2） 電阻式傳感器的測量電路 由于機械應變一般都很小，要把微小應變引起的微小電阻值的變化測量出來，同時，要把電阻相對變化 轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，因此，需要設計專用的測量電路，常用橋式測量電路。 該電路目標：提高輸出靈敏度、進行溫度補償,16,當 時，電橋的輸出電壓 應為： 當電橋平衡時， ，由上式可得到 或 稱為電橋平衡條件,1）直流電橋平衡條件 直流電橋的基本形式如圖，R1，R2，R3，R4稱為電橋的橋臂，RL為其負載（可以是測量儀表內(nèi)阻或其他負載）。,電橋線路原理圖,17,不

9、受力時，使電橋平衡,受應力或溫度使電阻值變化時：,為使分析簡化，選擇,2）常用電橋電路,18,一般情況下， ，化簡得到：,利用上式的和差特點，可進行溫度補償和提高測量的靈敏度。,19,為達到完全補償，需滿足下列三個條件： 互相補償?shù)膽兤殞儆谕慌柕?，即它們的電阻溫度系?shù)、線膨脹系數(shù)、應變靈敏系數(shù)都相同，互補應變片的初始電阻值也要求相同； 用于粘貼補償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件材料必須相同，即要求其線膨脹系數(shù)相等； 互相補償?shù)膽兤幱谕粶囟拳h(huán)境中。,20,根據(jù)工作中電阻值參與變化的橋臂的個數(shù)， 將電橋分為： 半橋式、全橋式,半橋單臂,只有一個橋臂 阻值隨被測量而變化,若四個橋臂的初始電

10、阻值相等， 且 時,21,半橋雙臂,工作時，有相鄰兩個橋臂 阻值隨被測量而變化。,若四個橋臂的初始電阻值相等，,設相鄰兩個橋臂阻值變化量相等時，為使輸出不為零且提高靈敏度，使電阻變化方向相反（即一個阻值增大，另一個則減小）.,22,全橋接法,工作時四個橋臂都隨被測量變化。,設四個橋臂的阻值變化量相等：,若四個橋臂的初始電阻值相等，,為使輸出不為零且提高輸出靈敏度，任意兩相鄰橋臂電阻值變化方向均相反，此時：,23,將 作為輸入（有的僅把 當作輸入），由此可以求得上述各種電橋的靈敏度分別為 半橋單臂： 半橋雙臂： 全橋：,比較：,根據(jù)理想線性關系分析所得,24,當僅橋臂AB單臂承受應變 ，產(chǎn)生 時

11、，,上式是在假定 時得到的。,此時電橋的實際輸出是：,電橋的相對非線性誤差為：,如果已知 ，并對非線性誤差 提出要求，則通過上式可計算出允許測量的最大應變量。,當RiR時，輸出電壓與應變呈線性關系。,25,結(jié)論：如果被測應變大于10000，采用等臂電橋時的非線性誤差大于1%。,例：設K=2，要求非線性誤差1%，試求允許測量的最大應變值max。,26,（3）電阻應變式傳感器的應用,直接用來測定結(jié)構(gòu)的應變或應力，如為了研究某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的受力、變形情況，可利用不同形狀的應變片，粘貼在構(gòu)件的選定部位，測得構(gòu)件的拉、壓應力或彎矩等，為結(jié)構(gòu)設計、應力校核或構(gòu)件破壞的預測等提供可靠的試驗數(shù)據(jù)。 將應

12、變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。在這種情況下，彈性元件得到與被測量成比例的應變，再由應變片轉(zhuǎn)換為電阻的變化。,注意：電阻應變片必須被粘貼在試件或彈性單元上才能工作，應將其粘貼在應變最大的部位。粘合劑和粘合技術(shù)對測量結(jié)果有直接影響。,27,因此，軸向應變片感受到的應變?yōu)椋?）：,圓周方向應變片感受到的應變?yōu)椋?）：,彈性元件分為實心和空心兩種。實心圓柱可承受較大負荷；空心圓桶橫向鋼度大，穩(wěn)定性好。,在軸向布置一個或幾個應變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應變片，后者取符號相反的橫向應變，從而構(gòu)成了差動對。在與軸線任意夾角的方向，其應變?yōu)?：,載荷,楊氏模量,1、

13、柱式力傳感器,28,29,30,2、梁式力傳感器,等強度梁彈性元件是一種特殊形式的懸臂梁。,這種彈性元件的特點是：其截面按一定的規(guī)律變化，當集中力作用在自由端時，距作用力任何距離的截面上應力相等。,31,32,3、 應變式壓力傳感器,測量氣體或液體壓力的薄板式傳感器，如圖所示。當氣體或液體壓力作用在薄板承壓面上時，薄板變形，粘貼在另一面的電阻應變片隨之變形，并改變阻值。這時測量電路中電橋平衡被破壞，產(chǎn)生輸出電壓。,（b）,（a）,應變式壓力傳感器,圓形薄板固定形式：采用嵌固形式，如圖（a）或與傳感器外殼作成一體，如圖 (b)。,應變片,33,根據(jù)力學公式，當均勻壓力作用在薄板上時：,圓板內(nèi)任一

14、點的應變值為：,徑向和切向應力,徑向和切向應變,圓板的半徑和厚度,與圓心的徑向距離,34,4、應變式加速度傳感器,由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應變片、基座及外殼等組成。是一種慣性式傳感器。,測量時，根據(jù)所測振動體加速度的方向，把傳感器固定在被測部位。當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向,時，懸臂梁自由端受慣性力F=ma的作用，質(zhì)量塊向箭頭a相反的方向相對于基座運動，使梁發(fā)生彎曲變形，應變片電阻也發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號，輸出信號大小與加速度成正比。,35,圖4-5沖床生產(chǎn)量和生產(chǎn)過程監(jiān)測,圖4-6電阻應變式電子秤,圖4-7機械手,36,作 業(yè),1. 電阻應變片的種類有哪些？各有何特點？ 2. 電阻應變片阻值為120，靈敏度系數(shù)為K=2，沿縱向粘貼于直徑為0.05的圓柱形鋼柱表面，鋼材的彈性模量為 ，