《电阻传感器》课件.ppt
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1、第二章 电阻式传感器 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化,再经过转换电路变成电信号输传感元件电阻值的变化,再经过转换电路变成电信号输出。出。测量电路测量电路 自自动动测测力力或或称称重重中中应应用用最最普普遍遍的的是是电电阻阻应应变变式式传传感感器器,应变式传感器有下列优点:应变式传感器有下列优点:1.精确度,线性度好,灵敏度高精确度,线性度好,灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小,寿命高滞后和蠕变都较小,寿命高 3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测容易与二次仪表相匹配实现自动检测 4.结构较简单,体积较小应用灵活结构较简单,
2、体积较小应用灵活 5.工作稳定、保养方便工作稳定、保养方便 应应变变式式传传感感器器除除可可用用于于测测量量力力参参数数外外,还还可可用用于于测测量量加加速度,振幅等其他物理量。速度,振幅等其他物理量。第一节第一节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 应变式传感器是利用金属的电阻应变效应,将被测量转应变式传感器是利用金属的电阻应变效应,将被测量转换为电量输出的一种传感器。换为电量输出的一种传感器。一、电阻应变效应一、电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化。变化。取一根长度为取一根长度为L,截面积为截面积为S,电阻率为电阻
3、率为 的金属丝,的金属丝,未受力时其电阻未受力时其电阻R为为 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时作用时,将伸长将伸长L,横截面积相应减横截面积相应减小小A(取负号)(取负号),电阻率将因晶格发生变形等因素而改变电阻率将因晶格发生变形等因素而改变,故引起电阻值相对变化量为故引起电阻值相对变化量为式中式中L/L是长度相对变化量是长度相对变化量,用应变用应变表示表示A/A为电阻丝的截面积相对变化量为电阻丝的截面积相对变化量,因因 由材料力学由材料力学,在弹性范围内在弹性范围内,金属丝受拉力时金属丝受拉力时,沿轴向沿轴向伸长伸长,沿径向缩短沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示那么轴向应
4、变和径向应变的关系可表示为为式中式中:材料的泊松比材料的泊松比,负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。材料的应变材料的应变 以以取代取代 和和 ,得,得 从上式中提出从上式中提出 ,得,得 材料的灵敏度系数材料的灵敏度系数K0取决于两个因素取决于两个因素 (1)材料几何尺寸的改变。见上式中的)材料几何尺寸的改变。见上式中的 项。项。(2)应变引起的电阻率改变。见上式中的)应变引起的电阻率改变。见上式中的 项。项。结结论论:金金属属材材料料的的 主主要要受受前前者者影影响响;非非金金属属材材料料主主要受后者影响!要受后者影响!K0为灵敏度系数为灵敏度系数-单位应变能引起的电阻变化。单位应变
5、能引起的电阻变化。二、电阻应变片的结构二、电阻应变片的结构 用应变片测量时,将其贴在被测对象表面上。当用应变片测量时,将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时,应变片也随同变形,其电阻值被测对象受力变形时,应变片也随同变形,其电阻值发生相应变化,通过转换电路转换为电压或电流的变发生相应变化,通过转换电路转换为电压或电流的变化。化。体型体型薄膜型薄膜型扩散型扩散型导体应变片导体应变片三、应变片的粘贴技术三、应变片的粘贴技术(1)应变片的检查与选择应变片的检查与选择(2)试件的表面处理试件的表面处理(3)底层处理底层处理(4)贴片贴片(5)固化固化(6)粘贴质量检查粘贴质量检查(7)引线焊接与
6、组桥连接引线焊接与组桥连接 四、测量电路四、测量电路 作用:将电阻的变化转换为电压输出。作用:将电阻的变化转换为电压输出。(一一)直流电桥直流电桥 空载电压:空载电压:直流电源直流电源U输输出出电电压压R等效电阻:等效电阻:直流电桥直流电桥交流电桥交流电桥直流电桥平衡条件:直流电桥平衡条件:等臂电桥等臂电桥输出对称电桥输出对称电桥电源对称电桥电源对称电桥 如果直流电桥带一个具有内阻如果直流电桥带一个具有内阻RgRg的负载的负载,将输出将输出电流电流Ig.Ig.电流输出电路及其等效电路电流输出电路及其等效电路:(E=U(E=U0 0)由等效电路可求得由等效电路可求得IgIg、UgUg的一般表达式
7、的一般表达式:*当阻抗匹配即当阻抗匹配即Rg=RRg=R时时,Ig,Ig、UgUg表达式可简化为表达式可简化为:设设R1R1为应变电阻,当电阻为应变电阻,当电阻增加增加 R R时,由时,由IgIg简化算式:简化算式:得输出电流为:得输出电流为:即即(2 2)阻抗匹配的电源对称电桥,也有)阻抗匹配的电源对称电桥,也有(1 1)阻抗匹配的输出对称电桥)阻抗匹配的输出对称电桥(3 3)阻抗匹配的等臂电桥,有)阻抗匹配的等臂电桥,有 如果直流电桥输出带运算放大器,负载电阻如果直流电桥输出带运算放大器,负载电阻Rg,Rg,输输出电流出电流Ig0Ig0,输出电压即可认为是电桥电路的开路电压:,输出电压即可
8、认为是电桥电路的开路电压:对于输出对称电桥(右图)对于输出对称电桥(右图)即即 对于电源对称电桥对于电源对称电桥 对于等臂电桥对于等臂电桥 直流电桥实用电路直流电桥实用电路-等臂电桥全桥工作电路等臂电桥全桥工作电路特征:四个电阻相同特征:四个电阻相同 四个电阻全为应变电阻四个电阻全为应变电阻 (两个被拉长,两个被压短)(两个被拉长,两个被压短)与单臂应变相比,与单臂应变相比,灵敏度扩大灵敏度扩大4 4倍!倍!(二二)交流电桥交流电桥 交流电桥采交流电桥采用用正弦交流电源正弦交流电源U,电源频率取,电源频率取被测应变频率的被测应变频率的510倍。倍。各各桥臂采用桥臂采用应变片或定值精应变片或定值
9、精密无感电阻密无感电阻。在频率较高在频率较高时,必须时,必须考虑分考虑分布电容布电容的影响。的影响。如:如:等。等。Z1Z2 Z3Z4设正弦交流电源设正弦交流电源则输出交流电压则输出交流电压交流电桥平衡条件:交流电桥平衡条件:或或(1)等臂电桥单臂应变情况下)等臂电桥单臂应变情况下(2)等臂电桥双臂应变情况下)等臂电桥双臂应变情况下(三三)电桥的线路补偿电桥的线路补偿 (1)初始平衡补偿)初始平衡补偿 对平衡位置(零点)对平衡位置(零点)的改变进行的补偿。的改变进行的补偿。如果某一对桥臂电如果某一对桥臂电阻的乘积较小,可对这阻的乘积较小,可对这两个电阻中的任一个串两个电阻中的任一个串联小的补偿
10、电阻进行补联小的补偿电阻进行补偿,以满足电桥的初始偿,以满足电桥的初始平衡条件。平衡条件。补偿电阻补偿电阻(2)温度补偿)温度补偿a.a.补偿片补偿补偿片补偿b.b.热敏电阻补偿热敏电阻补偿补偿应变片补偿应变片置于相同现场温度置于相同现场温度不受力不受力受力受力工工作作应应变变片片热敏电阻热敏电阻调零调零如图中如图中R2、R4桥臂的总温度系数低桥臂的总温度系数低,可采用高温度系数的可采用高温度系数的RT进行补偿进行补偿(3)弹性模量补偿)弹性模量补偿 弹性材料受环境影响,如升温变软,弹性模量减小;老弹性材料受环境影响,如升温变软,弹性模量减小;老化变硬,弹性模量增大等。化变硬,弹性模量增大等。
11、对于升温变软,可采用铜丝或镍丝制成补偿电阻对于升温变软,可采用铜丝或镍丝制成补偿电阻RE进行进行补偿。补偿。温度补偿温度补偿调零调零弹性模量补偿弹性模量补偿 分析:当弹性材料升分析:当弹性材料升温变软,同样受力引起的温变软,同样受力引起的应变应变增大,测量电路输增大,测量电路输出会增大。出会增大。加上加上R RE E之后,由于之后,由于R RE E升温增大,电桥电路供电升温增大,电桥电路供电电压减小,补偿了升温引电压减小,补偿了升温引起的输出增大。起的输出增大。五、电阻应变式传感器的应用五、电阻应变式传感器的应用(一)测力与称重传感器(一)测力与称重传感器(二)压力传感器(二)压力传感器 补偿
12、片补偿片工作片工作片膜片膜片应变片应变片插座插座(三)加速度传感器(三)加速度传感器质质量量块块应应变变梁梁应应变变片片阻阻尼尼液液密密封封垫垫接接线线板板底座底座(四)位移传感器(四)位移传感器弹簧弹簧插头座插头座应变片应变片等宽悬臂梁等宽悬臂梁调整螺钉调整螺钉顶杆顶杆第二节第二节 固态压阻式传感器固态压阻式传感器 -半导体传感器半导体传感器 压阻效应:固体受到作用力后,电阻率就要发生变化,压阻效应:固体受到作用力后,电阻率就要发生变化,这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。半导体压阻式传感器分类半导体压阻式传感器分类粘贴式应变片粘贴
13、式应变片扩散硅型压阻传感器扩散硅型压阻传感器 特点:灵敏系数大,分辨率高,动态响应快,特点:灵敏系数大,分辨率高,动态响应快,体积小,温度范围宽,便于批量生产,易于集成体积小,温度范围宽,便于批量生产,易于集成化、智能化。化、智能化。本节介绍本节介绍扩散硅型压阻传感器扩散硅型压阻传感器设半导体材料的压阻系数为设半导体材料的压阻系数为 ,材料受到的应力为,材料受到的应力为,有有一、工作原理与结构一、工作原理与结构对于半导体材料,其电阻率的变化为:对于半导体材料,其电阻率的变化为:在弹性变形限度内,压阻效应是可逆的,当应力消失在弹性变形限度内,压阻效应是可逆的,当应力消失时,硅片的电阻会恢复原来数
14、值。时,硅片的电阻会恢复原来数值。注意:晶体在不同的方向上,压阻效应数值不同。注意:晶体在不同的方向上,压阻效应数值不同。压阻效应传感器的核心压阻效应传感器的核心-硅膜片硅膜片内部电路内部电路膜片芯体示意图膜片芯体示意图引引出出线线二、压阻式压力传感器二、压阻式压力传感器硅杯硅杯高高压压腔腔低压腔低压腔硅膜片硅膜片引线引线引线引线三、压阻式加速度传感器三、压阻式加速度传感器基座基座扩散电阻扩散电阻质量块质量块梁梁 四、压阻式传感器的应用四、压阻式传感器的应用 因为压阻式传感器具有灵敏度高、动态响应快、体因为压阻式传感器具有灵敏度高、动态响应快、体积小、温度范围宽、便于批量生产、易于集成化、智能
15、积小、温度范围宽、便于批量生产、易于集成化、智能化的优点。化的优点。在航空、航海、石油、化工、机械、兵器、在航空、航海、石油、化工、机械、兵器、医疗等各方面获得广泛应用。医疗等各方面获得广泛应用。机械机械:实时检测各种机器设备、生产线的气液压力等:实时检测各种机器设备、生产线的气液压力等 航空航空:飞机发动机压力、物体加速度等:飞机发动机压力、物体加速度等兵器兵器:枪炮膛内压力、爆炸压力、冲击波压力等:枪炮膛内压力、爆炸压力、冲击波压力等医疗医疗:测量心脑血管、颅内、尿道、眼球内压力等:测量心脑血管、颅内、尿道、眼球内压力等其他:自来水管网压力检测其他:自来水管网压力检测 震动检测震动检测 过
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