第3章-电阻式传感器原理及其应用ppt课件.ppt
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1、第第3 3章章 电阻式传感器原理及其应用电阻式传感器原理及其应用 3.1 3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 3.1.1 3.1.1 传感器的工作原理传感器的工作原理 3.1.2 3.1.2 电阻应变片的结构和分类电阻应变片的结构和分类 3.1.3 3.1.3 电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器的测量电路 3.1.4 3.1.4 电阻应变式的粘贴电阻应变式的粘贴 3.1.5 3.1.5 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用3.2 3.2 压阻式传感器压阻式传感器 3.2.1 3.2.1 压阻式传感器的结构压阻式传感器的结构 3.2.2 3.2.2 压阻式传感器的工作原理压
2、阻式传感器的工作原理 3.2.3 3.2.3 压阻式传感器的应用压阻式传感器的应用 电阻式传感器概述电阻式传感器概述电阻式传感器电阻式传感器是利用一定的方式将被测量的变化是利用一定的方式将被测量的变化转化为敏感元件电阻参数的变化,再通过电路转变成转化为敏感元件电阻参数的变化,再通过电路转变成电压或电流信号的输出,从而实现非电量的测量。电压或电流信号的输出,从而实现非电量的测量。可用于各种机械量和热工量的检测,如用来测量可用于各种机械量和热工量的检测,如用来测量力、压力、位移、应变、速度、加速度、温度和湿度力、压力、位移、应变、速度、加速度、温度和湿度等。它结构简单,性能稳定,成本低廉,在许多行
3、业等。它结构简单,性能稳定,成本低廉,在许多行业得到了广泛应用。得到了广泛应用。由于构成电阻的材料及种类很多,引起电阻变化由于构成电阻的材料及种类很多,引起电阻变化的物理原因也很多,这就构成了各种各样的电阻式传的物理原因也很多,这就构成了各种各样的电阻式传感元件以及由这些元件构成的电阻式传感器。感元件以及由这些元件构成的电阻式传感器。3.1 3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 3.1.1 传感器的工作原理传感器的工作原理 电阻应变式传感器是根据电阻应变式传感器是根据电阻应变效应电阻应变效应的原理制的原理制成的,将测量物体的变形转换成电阻的变化。主要用成的,将测量物体的变形转换成电阻的变化
4、。主要用于机械量的检测中,如力、压力等物理量的检测中,于机械量的检测中,如力、压力等物理量的检测中,其应用最为广泛的形式是电阻应变片。其应用最为广泛的形式是电阻应变片。(1)电阻应变效应)电阻应变效应 电阻应变效应:电阻应变效应:导体或半导体材料在外力作用下导体或半导体材料在外力作用下会产生机械形变,其电阻值也发生相应改变,这种现会产生机械形变,其电阻值也发生相应改变,这种现象称为电阻应变效应。象称为电阻应变效应。 金属电阻应变片的工作原理就是电阻应变效应。金属电阻应变片的工作原理就是电阻应变效应。金属导体的电阻值可表示为:金属导体的电阻值可表示为:对上式两边取对数再微分,求得电阻相应变对上式
5、两边取对数再微分,求得电阻相应变化为:化为:对圆形横截面积的电阻丝,若其半径为对圆形横截面积的电阻丝,若其半径为 所以有:所以有: 由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,令沿轴向伸长,沿径向缩短,令 为金属电阻丝的为金属电阻丝的轴向应变,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为:轴向应变,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为:所以:所以:综上可得:综上可得:3.1.2 电阻应变片的结构和分类电阻应变片的结构和分类 (1)电阻应变片的结构)电阻应变片的结构 电阻应变片又称为电阻应变计,它的结构电阻应变片又称为电阻应变计,它
6、的结构形式较多,但其主要组成部分基本相同,是由形式较多,但其主要组成部分基本相同,是由基底、敏感栅和覆盖层等组成。基底、敏感栅和覆盖层等组成。(1)敏感栅)敏感栅实现应变到电阻转换的敏感元件。实现应变到电阻转换的敏感元件。通常由直径为通常由直径为0.0150.05mm的金属丝绕成栅的金属丝绕成栅状,或用金属箔腐蚀成栅状。状,或用金属箔腐蚀成栅状。(2)基底)基底为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置,通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基置,通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。基底必须很薄,一般为底上。基底必须很薄,一般为0.020.04mm。(3)引线)引线起
7、着敏感栅与测量电路之间的过渡连起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约接和引导作用。通常取直径约0.10.15mm的的低阻镀锡铜线,并用钎焊与敏感栅端连接。低阻镀锡铜线,并用钎焊与敏感栅端连接。(4)盖层)盖层用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护用纸、胶作成覆盖在敏感栅上的保护层,起着防潮、防蚀、防损等作用。层,起着防潮、防蚀、防损等作用。(5)粘结剂)粘结剂制造应变计时,用它分别把盖层和制造应变计时,用它分别把盖层和敏感栅固结于基底,使用应变计时,用它把应敏感栅固结于基底,使用应变计时,用它把应变计基底粘贴在试件表面的被测部位,它也起变计基底粘贴在试件表面的被测部位,它也起着传
8、递应变的作用。着传递应变的作用。电阻应变片的要求:电阻应变片的要求:(1)应变灵敏度系数大,且线性范围宽;)应变灵敏度系数大,且线性范围宽;(2)电阻率值大,即在同样长度、同样横截)电阻率值大,即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值;面积的电阻丝中具有较大的电阻值;(3)电阻稳定性能好,温度系数小,其阻值)电阻稳定性能好,温度系数小,其阻值随环境温度变化较小;随环境温度变化较小;(4)易于焊接,对引线材料的接触电势小;)易于焊接,对引线材料的接触电势小;(5)抗氧化能力高、耐腐蚀、耐疲劳,机械)抗氧化能力高、耐腐蚀、耐疲劳,机械强度高,具有优良的机械加工性能。强度高,具有优良的机
9、械加工性能。常用金属电阻丝材料的性能:常用金属电阻丝材料的性能:几种常用的国产应变片的技术数据:几种常用的国产应变片的技术数据:(2)电阻应变片的分类)电阻应变片的分类 根据应变片的制作材料,可以把应变片分为根据应变片的制作材料,可以把应变片分为金属电阻应变片金属电阻应变片和和半导体应变片半导体应变片两大类。两大类。按照电阻应变片的制造方法、工作温度以及按照电阻应变片的制造方法、工作温度以及用途,可以对电阻应变片进行不同的分类。用途,可以对电阻应变片进行不同的分类。u金属丝式应变片由基体材料、金属应变丝或金属丝式应变片由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。应变箔、绝缘保
10、护片和引出线等部分组成。金属丝式应变片有金属丝式应变片有回线式回线式和和短接式短接式二种。回二种。回线式最为常用,制作简单,性能稳定,成本线式最为常用,制作简单,性能稳定,成本低,易粘贴,但横向效应较大。低,易粘贴,但横向效应较大。丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.010.05mm的电阻丝平行排列而成。应变片的的电阻丝平行排列而成。应变片的阻值为几十欧至几十千欧左右。阻值为几十欧至几十千欧左右。u金属箔式电阻应变片的结构金属箔式电阻应变片的结构它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。将合金它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。将合金先轧成厚度为先轧成厚度为0.0
11、02mm0.01mm的箔材,经过热的箔材,经过热处理后在一面图刷一层处理后在一面图刷一层0.030.05mm厚的树脂胶,厚的树脂胶,再经聚合固化形成基底。再经聚合固化形成基底。在另一面经照相制版、光刻、腐蚀等工艺制成敏感在另一面经照相制版、光刻、腐蚀等工艺制成敏感栅,焊上引线,并涂上与基底相同的树脂胶作为覆栅,焊上引线,并涂上与基底相同的树脂胶作为覆盖片。盖片。箔式应变计的主要特点:箔式应变计的主要特点: 工艺上,它能保证敏感栅尺寸准确,线条均匀。大工艺上,它能保证敏感栅尺寸准确,线条均匀。大批量生产时,电阻值一致性好,离散程度小。批量生产时,电阻值一致性好,离散程度小。箔式应变计的敏感栅的横
12、截面积为矩形,表面积和箔式应变计的敏感栅的横截面积为矩形,表面积和截面积之比大,散热性能好,允许通过的电流较大,截面积之比大,散热性能好,允许通过的电流较大,灵敏度系数较高。灵敏度系数较高。箔式应变计比丝式应变计厚度薄,其厚度一般为箔式应变计比丝式应变计厚度薄,其厚度一般为0.0030.01mm,由于它的厚度薄,具有较好的可,由于它的厚度薄,具有较好的可绕性,因此可以根据需要制成任意形状的敏感栅绕性,因此可以根据需要制成任意形状的敏感栅(即应变花)和微型小基长(如基长为(即应变花)和微型小基长(如基长为0.1mm),),有利于传递变形。有利于传递变形。由于箔式应变计的特殊工艺,适合批量生产,且
13、生由于箔式应变计的特殊工艺,适合批量生产,且生产效率高。产效率高。u金属薄膜应变片金属薄膜应变片 :薄膜,一般指厚度不超过:薄膜,一般指厚度不超过0.1m的膜。金属薄膜应变片是采用真空蒸的膜。金属薄膜应变片是采用真空蒸镀、沉积或溅射式阴极扩散等方法按规定图镀、沉积或溅射式阴极扩散等方法按规定图形制成的掩膜版,在很薄的绝缘基底材料上形制成的掩膜版,在很薄的绝缘基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成敏感栅,制成一层金属电阻材料薄膜以形成敏感栅,再加上保护层而制成。再加上保护层而制成。u金属薄膜应变片可以采用一些高温材料制成金属薄膜应变片可以采用一些高温材料制成可在高温条件下工作的电阻应变片。可在
14、高温条件下工作的电阻应变片。 例如,采用铂或铬等材料沉积在蓝宝石例如,采用铂或铬等材料沉积在蓝宝石薄片上或覆有陶瓷绝缘层的钼条上,工作温薄片上或覆有陶瓷绝缘层的钼条上,工作温度范围在度范围在600800。u若按照工作温度进行分类,可将电阻应变计若按照工作温度进行分类,可将电阻应变计分为低温(分为低温(-30-30以下)、常温(以下)、常温(-30-306060)、中温()、中温(6060300300)和高温)和高温(300300以上)几种应变计。以上)几种应变计。3.1.3电阻应变式传感器的测量电路电阻应变式传感器的测量电路 电阻应变式传感器的测量电路按照工作电源分为电阻应变式传感器的测量电路
15、按照工作电源分为直流电源测量电路和交流电源测量电路两种。直流电源测量电路和交流电源测量电路两种。(1)直流电桥电路)直流电桥电路 直流电桥电路是由连接成环形的四个桥臂组成的,直流电桥电路是由连接成环形的四个桥臂组成的,每个桥臂上是一个电阻,分别为每个桥臂上是一个电阻,分别为R1、R2、R3及及R4,他们可全部或部分是应变片。他们可全部或部分是应变片。U为电源电压,给电桥供电,为电源电压,给电桥供电, 为负载电阻。为负载电阻。当当 时,可求得电桥输出电压为:时,可求得电桥输出电压为:当当 时,电桥处于平衡状态,此时电桥无时,电桥处于平衡状态,此时电桥无输出,则有:输出,则有: 当当 时,称为电桥
16、的平衡条件。时,称为电桥的平衡条件。这说明欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比这说明欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积应相等。值应相等,或相对两臂电阻的乘积应相等。u不对称电桥不对称电桥不对称电桥满足电桥平衡条件:不对称电桥满足电桥平衡条件: 若接入桥臂的四个电阻均为应变片,且当受若接入桥臂的四个电阻均为应变片,且当受应力作用时,每个应变片电阻变化量分别为应力作用时,每个应变片电阻变化量分别为 ,此时电桥的输出电压变,此时电桥的输出电压变化为:化为: 假如接入桥臂的四个电阻只有一个为应变片。假如接入桥臂的四个电阻只有一个为应变片。不妨设不妨设 为应变片,且受力时产生的电
17、阻为应变片,且受力时产生的电阻增量为增量为 ,其他三个为固定阻值电阻,其他三个为固定阻值电阻,即即 。 1R01R0432RRR在单臂工作状态下,电桥的输出电压变化为:在单臂工作状态下,电桥的输出电压变化为:把电桥平衡条件把电桥平衡条件 代入上式化简,代入上式化简,并忽略高阶无穷小量得:并忽略高阶无穷小量得:4231RRRRu对称电桥对称电桥:对称电桥在满足电桥平衡的条件:对称电桥在满足电桥平衡的条件下可分为两种。下可分为两种。 桥路输出端对称电桥。满足条件桥路输出端对称电桥。满足条件 当接入桥臂的四个电阻只有一个为应变片时,当接入桥臂的四个电阻只有一个为应变片时,电桥的输出电压变化为:电桥的
18、输出电压变化为:若当桥臂接入两个应变片,若接入的两个应若当桥臂接入两个应变片,若接入的两个应变片关于桥路输出端对称,且这两个应变片变片关于桥路输出端对称,且这两个应变片在工作时所产生电阻增量大小相等符号相反,在工作时所产生电阻增量大小相等符号相反,此时电桥输出电压变化为:此时电桥输出电压变化为:u桥路输出端对称电桥电路图。桥路输出端对称电桥电路图。 电源输入端对称电桥。满足条件电源输入端对称电桥。满足条件 若若接入的两个应变片对于电源输入端对称,且满足两接入的两个应变片对于电源输入端对称,且满足两个应变片在工作时所产生的电阻增量大小相等符号个应变片在工作时所产生的电阻增量大小相等符号相反时,电
19、桥的输出电压变化为:相反时,电桥的输出电压变化为:u全等臂电桥全等臂电桥 当当 时,称之为全等臂电桥。时,称之为全等臂电桥。其输出电压变化为:其输出电压变化为:RRRRR4321接入一个应变片:接入一个应变片:接入两个应变片:接入两个应变片:UKU210KUU40接入四个应变片:接入四个应变片:UKU0(2)交流电桥电路)交流电桥电路 由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用而直流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用交流电桥。交流电桥。交流电桥的平衡条件:交流电桥的平衡条件:4231ZZZZ即:即:4
20、231zzzz4231或或)()(44223311jXRjXRjXRjXR(3)电桥的调平衡)电桥的调平衡在应变片工作之前必须对电桥进行平衡调节。在应变片工作之前必须对电桥进行平衡调节。对于直流电桥可采用串联或并联电位器法。对于直流电桥可采用串联或并联电位器法。常用的电桥调平衡电路如图所示。常用的电桥调平衡电路如图所示。 (a)为串联电阻调平衡法)为串联电阻调平衡法(b)为并联电阻调平衡法)为并联电阻调平衡法 对于交流电桥一般采用阻容调平衡法,如对于交流电桥一般采用阻容调平衡法,如图所示。图所示。 (d)为阻容调平衡法 (c)为差动电容调平衡法 (4)温度补偿)温度补偿应变片的阻值受环境(包括
21、被测试件的温度)的影应变片的阻值受环境(包括被测试件的温度)的影响很大。由于测量现场环境温度的改变而给测量带响很大。由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。来的附加误差,称为应变片的温度误差。因环境温度改变而产生应变片温度误差的主要因素因环境温度改变而产生应变片温度误差的主要因素有有两个方面两个方面:环境温度变化时,敏感栅的电阻值会随温度变化而环境温度变化时,敏感栅的电阻值会随温度变化而引起误差;引起误差;环境温度变化时,试件材料和应变片电阻丝材料的环境温度变化时,试件材料和应变片电阻丝材料的线膨胀系数不同而引起误差。线膨胀系数不同而引起误差。电阻温度系数的影响
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