自动检测技术及应用-电.ppt

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1、机电类自动检测技术及应用多媒体课件（共（共13章，第二章，章，第二章，第第1节节）统一书号：统一书号：ISBN 978-7-111-34300-4课程配套网站www.sensor-或或 2012年年7月版月版12/24/20221第二章第二章 电阻传感器电阻传感器 本章介绍各种本章介绍各种电阻式传感器的原理及应用，电阻式传感器的原理及应用，包括：包括：应变效应应变效应、电阻应变片电阻应变片、非平衡电桥、非平衡电桥、压阻传感器、压阻传感器、测温热电阻、测温热电阻、气敏电阻气敏电阻、湿敏电湿敏电阻、阻、防爆传感器防爆传感器等等。本段课件介绍。本段课件介绍第二章的第第二章的第一节（电阻应变传感器）一

2、节（电阻应变传感器）的内容。包括：应变的内容。包括：应变片工作原理、应变片的种类、结构与粘贴片工作原理、应变片的种类、结构与粘贴、应、应变片的测量转换电路变片的测量转换电路、应变效应的应用、应变效应的应用、荷重荷重传感器传感器、扭矩、扭矩、压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器 等。等。12/24/20222应变效应及应变片应变效应及应变片应变片应变片的测量转换电路的测量转换电路应变效应的应用应变效应的应用压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器第二章第二章,第一节应变传感器第一节应变传感器 目录目录进入进入进入进入进入进入进入进入12/24/20223第一节第一节 电阻应变传感器电阻应变传

3、感器 导体或半导体材料在导体或半导体材料在外界力外界力的作用下，会的作用下，会产产生机械变形生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为种现象称为应变效应应变效应。电阻应变传感器主要由电阻应变传感器主要由电阻应变片电阻应变片、弹性元、弹性元件件及及测量转换电桥电路测量转换电桥电路等组成等组成。介绍介绍应变效应应变效应、应变片的基本原理和分类，、应变片的基本原理和分类，非平衡电桥的特点、调零及温度补偿非平衡电桥的特点、调零及温度补偿，荷重传荷重传感器、汽车衡感器、汽车衡、力矩传感器力矩传感器，压阻式固态压力压阻式固态压力传感器传感器，投入式液位计等。，投入式液

4、位计等。12/24/20224应变原理演示应变原理演示 金属丝受拉时，金属丝受拉时，l 变长、变长、r 变小，导致变小，导致R变大变大。12/24/20225一、应变片的工作原理一、应变片的工作原理 1拉伸前拉伸前 2拉伸后拉伸后电阻丝受拉后，长度增加，直径变小，电电阻丝受拉后，长度增加，直径变小，电阻变大。阻变大。12/24/20226应变片的结构应变片的结构 1引出线引出线 2覆盖层覆盖层 3基底基底 4电阻丝电阻丝l：应变：应变片片的工作的工作基基长，长，b：应变片基宽：应变片基宽，bl：应变：应变片的有效使用面积片的有效使用面积。12/24/20227金属丝受拉后的电阻变化金属丝受拉后

5、的电阻变化 设设有有一一长长度度为为l、截截面面积积为为A、半半径径为为r、电电阻阻率率为为 的金属单丝的金属单丝，它的电阻值，它的电阻值R及及相对变化相对变化可表示为可表示为 当当沿沿金金属属丝丝的的长长度度方方向向作作用用均均匀匀拉拉力力（或或压压力力）时时,上上式式中中、r、l都都将将发发生生变变化化，从从而而导导致致电电阻阻值值R发发生生变化。变化。当当金属丝受拉金属丝受拉时时,l 将增加将增加、r 变小变小，均导致，均导致R变大变大。12/24/20228半导体受拉后的电阻变化半导体受拉后的电阻变化 某某些些片片状状半半导导体体受受拉拉或或受受压压时时，(/)/x(称称为为压压阻阻系

6、系数数)有有较较大大的的变变化化,导导致致半半导导体体的的体体电电阻阻R变变大大或或变变小小,称称为为压压阻阻效效应应。具具有有较较大大的的灵灵敏敏度度、非非线性和温漂。电阻线性和温漂。电阻相对变化相对变化为：为：式中：式中：晶体晶体导电类型导电类型电阻率电阻率（.m)11 12 44SiPN7.811.7+6.6-102.2-1.1+53.4+138-13.6 受拉时，受拉时，N型硅的灵敏度型硅的灵敏度Ks是负的，而是负的，而P型硅的型硅的Ks是是正的。不同的切片方向的正的。不同的切片方向的Ks也有所不同，见下表。也有所不同，见下表。P型型硅的硅的1414方方向切片的灵敏度较高，约为金属的向

7、切片的灵敏度较高，约为金属的70倍。倍。12/24/20229应变片的电阻相对变化量与力的关系应变片的电阻相对变化量与力的关系 应应变变片片中中的的电电阻阻丝丝的的电电阻阻相相对对变变化化量量 R/R，与与材材料料力学中的轴向应变力学中的轴向应变 x的关系在很大范围内是线性的，即的关系在很大范围内是线性的，即 x=F/(AE），设设K为为灵灵敏敏度度，金金属属材材料料的的面面积积为为A，弹性模量弹性模量 为为E，则，则 R/R又可表示为又可表示为 设设应应变变片片牢牢固固粘粘贴贴在在被被测测试试件件上上，与与试试件件有有相相同同的的轴轴向向应应变变及及径径向向应应变变，应应变变片片的的灵灵敏敏

8、度度K、试试件件的的横横截截面面积积A以以及及材材料料的的弹弹性性模模量量E均均为为已已知知，则则只只要要设设法法测测出出应应变变片片的的R/R值值，即即可可获获知知试试件件受受力力的的大大小小。依此原理，可用于依此原理，可用于测量拉力测量拉力和物体的和物体的称重称重等等。12/24/202210微应变（微应变（）对于不同的金属材料，对于不同的金属材料，K 略有不同，一般为略有不同，一般为2左左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率电阻率 会产生很大的变化会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料，所以灵敏度比金属材料大大50200倍倍。在在

9、材材料料力力学学中中，x=l/l称称为为电电阻阻丝丝的的轴轴向向应应变变，也也 称称 纵纵 向向 应应 变变。x通通 常常 很很 小小。例例 如如，当当 x为为0.000001（10-6）时时，在在工工程程中中常常表表示示为为1 m/m或或 1微应变微应变(1 )。对金属材料而言，受力之后所产生的轴向应变对金属材料而言，受力之后所产生的轴向应变最好最好不要大于不要大于1 10-3，即应小于，即应小于1000 m/m（1000 ），否则有可能超过材料的极限强度而导致，否则有可能超过材料的极限强度而导致非线性非线性或或断裂断裂。12/24/202211应变片的分类应变片的分类 应应变变片片可可分分

10、为为金金属属应应变变片片及及半半导导体体应应变变片片两两大大类。前者可分成类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式金属丝式、箔式、薄膜式等。等。a）金属丝式）金属丝式 b）金属箔式）金属箔式 c）金属箔式外形）金属箔式外形 d）半导体应变片）半导体应变片1电阻丝电阻丝 2金属箔金属箔 3半导体半导体 4基片基片 5引脚引脚 6定位标记定位标记 7金丝金丝12/24/202212金属丝式应变片的金属丝式应变片的结构结构12/24/202213金属丝式与箔式应变片的区别金属丝式与箔式应变片的区别金属丝式应变片金属丝式应变片蠕变较大蠕变较大，金属丝，金属丝易脱胶易脱胶，逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片

11、逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便价格便宜宜，多用于，多用于大批量大批量、一次性试验一次性试验。箔式箔式应变应变片中的箔片中的箔栅栅是金属箔是金属箔通通过过光刻、腐光刻、腐蚀蚀等工等工艺艺制成的。制成的。箔式箔式应变应变片与片基的片与片基的接触面接触面积积大大得多，得多，散散热热条件条件较较好好，在，在长时间长时间测测量量时时的的蠕蠕变较变较小小，一致性较好一致性较好，目前广泛用于电子秤等各种应变目前广泛用于电子秤等各种应变式传感器中。式传感器中。焊接温度焊接温度25012/24/202214不同测量方向的金属箔式应变片图形不同测量方向的金属箔式应变片图形.12/24/202215半导体

12、应变片半导体应变片以以N型和型和P型硅为基底，利用扩散、外延和薄膜工艺型硅为基底，利用扩散、外延和薄膜工艺制成的。主要优点是制成的。主要优点是灵敏度比金属应变片高很多灵敏度比金属应变片高很多。缺点是：灵敏度的缺点是：灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重间非线性严重。在使用时，在使用时，需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补偿措施偿措施。12/24/202216某系列应变片主要性能指标某系列应变片主要性能指标上表中，哪几个型号是上表中，哪几个型号是半导体应变片半导体应变片？依据？依据是什么？是什么？12/24/202217应变

13、片的粘贴应变片的粘贴 1.检查通断。检查通断。12/24/2022182.在选定贴应变片的位置划出十字线。在选定贴应变片的位置划出十字线。12/24/2022193.再用细砂纸精磨（再用细砂纸精磨（45度交叉纹）。度交叉纹）。12/24/2022204.用棉纱或脱脂棉花沾丙酮清洁结构表面，用棉纱或脱脂棉花沾丙酮清洁结构表面，擦几遍后，不可再用手接触表面。擦几遍后，不可再用手接触表面。12/24/2022215.用透明胶带将应变片与构件在引脚处临时用透明胶带将应变片与构件在引脚处临时固定，移动胶带位置使应变片达到正确定位。固定，移动胶带位置使应变片达到正确定位。12/24/2022226.在应变

14、片在应变片的反面涂上一滴快干胶水，的反面涂上一滴快干胶水，视视应变片面积而定应变片面积而定，胶水量不宜过多胶水量不宜过多。12/24/2022237.将塑料薄膜盖在应变片上，用母指按压挤出将塑料薄膜盖在应变片上，用母指按压挤出多余胶水多余胶水,按压时间一般按压时间一般1分钟，室温低时适当延分钟，室温低时适当延长。长。12/24/2022248.为了使胶水可靠固化，可用电吹风微加热为了使胶水可靠固化，可用电吹风微加热处理（注意距离和均匀）处理（注意距离和均匀）,用万用表测量应变片用万用表测量应变片绝缘电阻值，应大于绝缘电阻值，应大于20M12/24/2022259.将应变片引线焊接在接线片上，焊

15、点要光将应变片引线焊接在接线片上，焊点要光滑牢固。引线不能绷紧，需形成弧线与接线片滑牢固。引线不能绷紧，需形成弧线与接线片相连。相连。12/24/20222610.将连接应变仪的导线焊接在接线片上将连接应变仪的导线焊接在接线片上（焊接时间尽量短）（焊接时间尽量短）,把导线用绝缘胶带固定在把导线用绝缘胶带固定在构件上，再一次检查应变片质量构件上，再一次检查应变片质量 12/24/20222711.11.在应变片周围涂上软硅胶在应变片周围涂上软硅胶(防潮、防损伤）。防潮、防损伤）。12/24/20222812.硅胶固化后硅胶固化后,应变片粘贴工作完毕。但要应变片粘贴工作完毕。但要再次检查应变片的阻

16、值和绝缘情况。再次检查应变片的阻值和绝缘情况。12/24/20222913.固定：固定：粘贴、焊接粘贴、焊接后，用胶布将后，用胶布将引线和被测对引线和被测对象固定在一起，象固定在一起，防止拉动引线防止拉动引线和应变片。和应变片。12/24/202230材料受拉应变的测量材料受拉应变的测量将应变片粘贴在受力的斜拉桥上的斜拉绳端部的圆将应变片粘贴在受力的斜拉桥上的斜拉绳端部的圆柱上，测量每一根斜拉绳的应变，从而计算出所受的拉柱上，测量每一根斜拉绳的应变，从而计算出所受的拉力，检验拉力是否超过设计值。力，检验拉力是否超过设计值。12/24/202231管桩材料的受压应变测量管桩材料的受压应变测量预应

17、力管桩的受力预测：预应力管桩的受力预测：工作人员正在贴应变片工作人员正在贴应变片 应变片粘贴在管桩上，应变片粘贴在管桩上，四片应变片可组成全桥四片应变片可组成全桥12/24/202232三、测量转换电路三、测量转换电路非平衡电桥非平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接直接用欧姆表测量用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且其电阻值的变化将十分困难，且误差很大误差很大。例例：金属箔式应变片的标称阻值金属箔式应变片的标称阻值R0为为100，灵敏度灵敏度K=2，粘贴在横截面积为粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质的钢质圆柱体上，钢的弹性模量圆柱体上，钢的弹性

18、模量E=2 1011N/m2，所受所受拉力拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值受拉后应变片的阻值R 的变化量的变化量仅为仅为0.2。所以必须使用所以必须使用非平衡电桥非平衡电桥来测量这一微小的来测量这一微小的变化量，变化量，将将 R/R转换为转换为输出电压输出电压Uo。回目录回目录12/24/202233非平衡电桥属于微差法测量非平衡电桥属于微差法测量用计算机直接测应变片电阻的变化量是很困难。这是用计算机直接测应变片电阻的变化量是很困难。这是因为测量一个因为测量一个在几百欧的基值上附加一个零点几欧的变在几百欧的基值上附加一个零点几欧的变化化的分辨力很低。的分辨力很低。用用电桥可以把被测量的本底

19、去掉电桥可以把被测量的本底去掉，转换成一个在零值转换成一个在零值附近变化的毫伏级的输出电压附近变化的毫伏级的输出电压，这样就可以通过，这样就可以通过“电桥电桥放大电路放大电路”来放大这个微小的变化电压，使之达到几伏来放大这个微小的变化电压，使之达到几伏数量级的有效输出信号数量级的有效输出信号,接到接到A/DA/D转换器。转换器。在非平衡电阻电桥中，可以在非平衡电阻电桥中，可以用电阻传感器来代替某一用电阻传感器来代替某一桥臂电阻，或某几个桥臂的电阻桥臂电阻，或某几个桥臂的电阻。当电阻传感器的阻值当电阻传感器的阻值有所变化时，电桥失去平衡有所变化时，电桥失去平衡，计算机就可以依据电桥的，计算机就可

20、以依据电桥的输出电压来计算出被测值。输出电压来计算出被测值。12/24/202234非平衡电桥的结构非平衡电桥的结构非平衡电桥由四个电阻非平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成一个四组成一个四边形的回路，边形的回路，每一边称作电桥的每一边称作电桥的“桥臂桥臂”。有有4个结个结点点a、b、c、d。在。在a、c结点之间接入电源结点之间接入电源Ui，而另一，而另一对结点（对结点（b、d）之间的电压差作为）之间的电压差作为输出电压输出电压Uo端端。b、d点对负极（点对负极（a点）点）的电压相等时称作的电压相等时称作“电桥电桥平衡平衡”；反之，称作；反之，称作“电电桥不平衡桥不平衡”。电桥平衡的条

21、件是电桥平衡的条件是：上下两个桥臂的左右桥上下两个桥臂的左右桥臂的电阻比例相等臂的电阻比例相等。12/24/202235非平衡电桥的输出电压非平衡电桥的输出电压 若桥路的若桥路的4个桥臂个桥臂相邻电阻的电阻值相邻电阻的电阻值变变化趋势相同化趋势相同，桥路的，桥路的输出电压为零输出电压为零。若相邻电阻的电阻若相邻电阻的电阻值值变化趋势相反变化趋势相反，桥，桥路就产生输出电压：路就产生输出电压：12/24/202236电桥平衡的条件电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3或或R1R3=R4R2 4个桥路电阻的个桥路电阻的比例比例通常通常不可能完全相同不可能完全相同,因此必须因此必须设置设置“调零电位

22、器调零电位器”RP,调节调节RP,最终可以使最终可以使 R1/R2=R4/R3（R1、R2 是是R1、R2并联并联RP后的等效电阻），电桥趋于后的等效电阻），电桥趋于平衡，平衡，Uo被预调到零位，这被预调到零位，这一过程称为一过程称为调零调零。图中的图中的R5的作用是减小调节的作用是减小调节范围，也称范围，也称限流电阻限流电阻。12/24/202237非平衡电桥可以分为单臂、双臂、全桥非平衡电桥可以分为单臂、双臂、全桥单臂半桥单臂半桥:四个桥臂中，只有一四个桥臂中，只有一个电阻的电阻可变，个电阻的电阻可变，R2为应变片为应变片，R3、R4为固为固定电阻（低温漂的锰合定电阻（低温漂的锰合金电阻）

23、金电阻）桥路的输出电桥路的输出电压为：压为：单臂半桥的灵敏度最低，温漂最大。单臂半桥的灵敏度最低，温漂最大。12/24/202238单臂电桥示意图单臂电桥示意图.12/24/202239电桥放大电路（差动减法电路）电桥放大电路（差动减法电路）.12/24/202240例：例：R1的初始值为的初始值为120，R=0.1，桥路激励，桥路激励电压等于电压等于12V，希望放大器的输出电压，希望放大器的输出电压Uo2为为100mV，求，求:放大倍数放大倍数A,以及以及Rf/R11,并选择并选择R R1111的阻值。的阻值。A=Rf/R11=Uo2/Uo=100/2.5=40倍倍R11为桥臂电阻为桥臂电阻

24、的的100倍左右，倍左右，取取10k。解解：桥路输出电压桥路输出电压Uo为：为：12/24/202241双臂半桥双臂半桥R1、R2为应变片为应变片，R3、R4为固定电阻（低温漂为固定电阻（低温漂的锰合金电阻）的锰合金电阻）。应变。应变片片R1 、R2 感受到的应变感受到的应变 1、2相反，产生的电阻相反，产生的电阻增量增量正负号相反正负号相反，可以，可以使使输出电压输出电压Uo成倍地增成倍地增大大：12/24/202242四臂全桥四臂全桥全桥的四个桥臂都为全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试应变片，如果设法使试件受力后，应变片件受力后，应变片R1 R4产生的电阻增量（或感产生的电阻增量（或感

25、受到的应变受到的应变 1 4）正负正负号相间号相间，就可以，就可以使输出使输出电压电压Uo成倍地增大成倍地增大。输出电压：输出电压：单臂、双臂半桥、全桥工作方式中，单臂、双臂半桥、全桥工作方式中，哪一种灵敏度哪一种灵敏度最高最高?哪一种灵敏度最低哪一种灵敏度最低?12/24/202243全桥的温度全桥的温度自补偿原理自补偿原理当环境温度升高时，当环境温度升高时，四个桥臂上的应变片温四个桥臂上的应变片温度度同时升高同时升高，假设温度，假设温度引起的电阻值引起的电阻值漂移数值漂移数值一致一致，就可以，就可以相互抵消相互抵消，所以所以全桥能实现温度全桥能实现温度自自补偿补偿：12/24/202244

26、双臂半桥的双臂半桥的温度自补偿温度自补偿温度升高，温度升高，R1、R2同同时增大时增大(R3、R4不变不变)则则:又由于热胀冷缩，温度升高时，被测物的长度增加，又由于热胀冷缩，温度升高时，被测物的长度增加，应变片被拉长，引起测量误差，必须另外增加一个补应变片被拉长，引起测量误差，必须另外增加一个补偿块。偿块。单臂半桥无法实现温单臂半桥无法实现温度自补偿。度自补偿。12/24/202245四、应变效应的应用四、应变效应的应用 电阻应变片的应用可分为两大类。电阻应变片的应用可分为两大类。第一类第一类：将应变片将应变片粘贴于某些弹性体上，粘贴于某些弹性体上，并将其接到测并将其接到测量转换电路，这样就

27、构成测量各种物理量的量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用专用应变式传感器应变式传感器。应变式传感器应变式传感器中，敏感元件一般中，敏感元件一般为为各种弹性体各种弹性体。第二类第二类：将应变片：将应变片贴于被测试件上贴于被测试件上，然后将其，然后将其接到接到应变仪应变仪上就可直接上就可直接从应变仪上读取被测试件从应变仪上读取被测试件的应变量的应变量。以下重点介绍第一类以下重点介绍第一类“专用应变传感器专用应变传感器”。回目录回目录12/24/202246应变式力传感器应变式力传感器 S型力传感器型力传感器 FFFF12/24/202247各种悬臂梁各种悬臂梁 12/24/202248各种悬

28、臂梁各种悬臂梁F端部固定端部固定螺孔螺孔电缆电缆托盘固定托盘固定螺孔螺孔12/24/202249变换力的各种弹性元件变换力的各种弹性元件a)实心轴实心轴 b)空心轴空心轴 c、d)等截面圆环等截面圆环 e、f、g)变形圆环变形圆环h)等截面悬臂梁等截面悬臂梁i)等强度悬臂梁等强度悬臂梁j)变形的悬臂梁变形的悬臂梁k)扭转轴扭转轴12/24/202250悬臂梁的应变悬臂梁的应变当当力力F垂垂直直向向下下作作用用于于悬悬臂臂梁梁的的末末端端时时，梁梁的的上上表表面面产产生生拉拉应应变变，下下表表面面产产生生压压应应变变。对对于于任任一一指指定定点点，上上下下表表面面的的应应变变大大小小相相等等、符

29、符号号相相反反。设设等等截截面面梁梁的的截截面面厚厚度度为为，宽宽度度为为b，总总长长为为，则则在在距距离离固固定定端端l处处沿沿长长度方向的应变与离根部的距离成正比度方向的应变与离根部的距离成正比:等截面悬臂梁的等截面悬臂梁的最大应变产生在梁的根部，最大应变产生在梁的根部，该部位也是结构最薄弱处。该部位也是结构最薄弱处。等强度悬臂梁等强度悬臂梁12/24/202251应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形演示应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形演示12/24/202252应变式荷重传感器的外形及应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变片的粘贴位置FR1R2 R412/24/202253圆柱形弹性元

30、件（等截面轴）的应变圆柱形弹性元件（等截面轴）的应变设设轴轴的的横横截截面面积积为为A，轴轴材材料料的的弹弹性性模模量量为为E，材材料料的的泊泊松松比比为为，当当等等截截面面轴轴承承受受轴轴向向拉拉力力或或压压力力F时时，轴轴向应变向应变(有时也称为纵向应变有时也称为纵向应变)x为：为：与轴向垂直方向上的径向应变与轴向垂直方向上的径向应变(有时也称横向应变有时也称横向应变)y为为钢的弹性模量约为钢的弹性模量约为2 1011Nm2。当被测力较小时，可用铝合金。当被测力较小时，可用铝合金。铝的弹性模量约为铝的弹性模量约为0.71011 Nm2。材料越软，弹性模量也越小，其材料越软，弹性模量也越小，

31、其灵敏度也越高。灵敏度也越高。12/24/202254应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FFF12/24/202255荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 贴在荷重贴在荷重传感器表面的传感器表面的应变片在应变片在向下向下力的作用下，力的作用下，产生变形。产生变形。轴轴向变短向变短，径向径向变粗变粗。12/24/202256荷重传感器的应用（汽车衡）荷重传感器的应用（汽车衡）用一个桥路激励源来激励用一个桥路激励源来激励4个圆柱状荷重传感器个圆柱状荷重传感器的桥的桥路，路，由由4路路A/D转换器将转换器将4个桥路的输出转换为个桥路的输出转换为4个数字个数字量量

32、，由单片机进行加法运算。，由单片机进行加法运算。12/24/202257汽车衡汽车衡测量测量汽车毛重，汽车毛重，再扣除已知该型再扣除已知该型号汽车的号汽车的自重，自重，就可以就可以判断超载判断超载12/24/202258汽车衡汽车衡称重系统称重系统12/24/202259荷重传感器计算荷重传感器计算 当当KF 为常数时，为常数时，桥路所加的激励源电桥路所加的激励源电压压Ui 越越高，满量程输高，满量程输出电压出电压Uom也越高。也越高。思考：思考：综合考虑灵敏度与功耗、发热等因综合考虑灵敏度与功耗、发热等因数，数，Ui 的取值的取值范围多少为好？范围多少为好？12/24/202260荷重传感器

33、应用估算荷重传感器应用估算 解解：从从该该荷荷重重传传感感器器铭铭牌牌上上得得到到F m=100 103N，KF=2mV/V，可可计计算算得得到到Uom=12mV。根根据据上上述述公公式式计算得被测荷重：计算得被测荷重：例：用某荷重传感器称重。当桥路电压例：用某荷重传感器称重。当桥路电压Ui为为6V时，测得桥路的输出电压时，测得桥路的输出电压Uo为为8mV，求被测荷重为多少吨？求被测荷重为多少吨？12/24/202261荷重传感器用于荷重传感器用于构件的称重构件的称重 荷重传感器荷重传感器（共共 3个个,120度分布度分布,以达到以达到均衡目的均衡目的,另两个未拍进）另两个未拍进）底座底座垫块

34、垫块电缆电缆12/24/202262电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示由单片机扣除温漂和毛重由单片机扣除温漂和毛重12/24/202263电子天平电子天平电子天平的准确度电子天平的准确度可达十万分之一可达十万分之一12/24/202264人体秤人体秤 怎样才能节电？怎样才能节电？怎样才能适合怎样才能适合盲人盲人使用？使用？电电子子人人体体秤秤中中 有有四四个个角角都都装装了了电电阻阻应应变变片片（各各2片片，串串联联），四四角角接接成成全全桥桥，由由单单片片机机测测量量桥桥路路电电压压，并并换换算算出出被被称称量量的体重。的体重。12/24/202265吊钩秤吊钩秤

35、 便携式便携式如何将重量信号如何将重量信号传送到总控室中传送到总控室中的计算机上？的计算机上？12/24/202266电子秤中的各类弹性元件电子秤中的各类弹性元件 12/24/202267应变式力矩（转矩）传感器应变式力矩（转矩）传感器扭扭转转轴轴是是专专门门用用于于测测量量力力矩矩和和力力矩矩的的弹弹性性敏敏感感元元件件。力力矩矩T 等等于于作作用用力力F 和和力力臂臂L的的乘乘积积，即即：T=FL。下下图图中中的的力力臂臂为为轴轴的的半半径径，L=D/2。力力矩矩的的单单位位为为Nm，在在小力矩测量时小力矩测量时,也用也用mNm为单位。为单位。使使机机械械部部件件转转动动的的力力矩矩称称为

36、为“转转矩矩”。任任何何部部件件在在力力矩矩的的作作用用下下，必必定定产产生生某某种种程程度度的的扭扭转转变变形形。因因此此，过过去也常把力矩叫做去也常把力矩叫做“扭矩扭矩”。12/24/202268应变式力矩（转矩）传感器应变式力矩（转矩）传感器1电动机电动机 2联轴器联轴器 3扭转轴扭转轴 4信号引出滑环信号引出滑环 5电刷电刷 6减速器减速器 7转鼓（卷扬机）转鼓（卷扬机）8重物重物 Ti输入力矩输入力矩 ToG输出力矩输出力矩 i减速比减速比12/24/202269应变式力矩（转矩）传感器应变式力矩（转矩）传感器在在扭扭矩矩T的的作作用用下下，扭扭转转轴轴的的表表面面将将产产生生拉拉伸

37、伸或或压压缩缩应应变变。在在轴轴表表面面上上与与轴轴线线成成45 方方向向（如如下下图图中中的的ab方方向向）的的应应变变与与图图中中的的cb方方向向上上的的应应变变数数值值相相等等，但但符符号号相相反反，R1、R2与与粘粘贴贴在在力力矩矩扭扭转转轴轴的的背背面面的的R3、R4可可以以组组成成全全桥桥。桥桥路路的的4个个结结点点a、b、c、d分分别别通通过过4个个信信号号滑滑环环和和电电刷刷引引出出，为为了了克克服服集集电电环环接接触触电电阻阻造造成成的的误误差差，也也可可以以利利用用无无线线电电模模块块，将将旋旋转转轴轴的的应应变变测测量量值值传传送送到到扭扭转转轴轴外外面面的的接接收收器器

38、电电路路。应应变变片片测测量量得得到到的的轴轴表表面面与与轴线成轴线成45 的方向上的应变关系的方向上的应变关系：12/24/202270应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手数数显显扳扳手手可可用用于于汽汽车车、摩摩托托车车、飞飞机机、内内燃燃机机、机机械械制制造造和和家家用用电电器器等等领领域域，准准确确控控制制紧紧固固螺螺栓栓的的装装配配扭扭矩矩。量量程程2500Nm，耗耗电电量量10mA，有有公公制制/英英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。12/24/202271应变式数显扭应变式数显扭矩扳手（续）矩扳手（续）12/24/202272五、压阻式固

39、态压力传感器五、压阻式固态压力传感器 是利用半导体是利用半导体材料的材料的压阻效应压阻效应和和集成电路工艺制成集成电路工艺制成的集成传感器。没的集成传感器。没有可动部分，有时有可动部分，有时也也称为固态传感器称为固态传感器。它在工业中多用于它在工业中多用于与应变有关的力、与应变有关的力、重力、压力、差压、重力、压力、差压、真空度等物理量的真空度等物理量的测量。测量。回目录回目录12/24/202273压阻固态压力传感器工艺压阻固态压力传感器工艺利用扩散工艺制作的四个半导利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，组成体应变电阻处于同一硅片上，组成4臂全桥，称为臂全桥，称为硅微机械加工技

40、术硅微机械加工技术。工艺一致性好工艺一致性好,灵敏度相等灵敏度相等,漂移漂移抵消抵消,迟滞、蠕变非常小迟滞、蠕变非常小,动态响应动态响应快。快。硅片的表面用硅片的表面用SiO2薄膜加以保护，并用超声波焊薄膜加以保护，并用超声波焊上金质细丝，作全桥的引线。硅膜片底部被加工成中上金质细丝，作全桥的引线。硅膜片底部被加工成中间薄（用于产生应变）、周边厚（起支撑作用，所以间薄（用于产生应变）、周边厚（起支撑作用，所以也称为硅杯。硅杯在高温下用玻璃粘接剂粘接在热胀也称为硅杯。硅杯在高温下用玻璃粘接剂粘接在热胀冷缩系数相近的玻璃基板上。将硅杯和玻璃基板紧密冷缩系数相近的玻璃基板上。将硅杯和玻璃基板紧密地安

41、装到壳体中，就制成了压力传感器。地安装到壳体中，就制成了压力传感器。12/24/202274压阻式固态平膜片的应变压阻式固态平膜片的应变 图示的硅膜片的厚度较薄，相图示的硅膜片的厚度较薄，相当于一块等截面弹性平膜片。在当于一块等截面弹性平膜片。在硅膜片上，利用集成电路工艺制硅膜片上，利用集成电路工艺制作作4个阻值相等的电阻。个阻值相等的电阻。等截面平膜片沿直径方向上各点的等截面平膜片沿直径方向上各点的径向应变是不同的径向应变是不同的。虚线圆内是硅杯承受压力的区域。在虚线圆内是硅杯承受压力的区域。在p1和和p2的差压的差压p的的作用下，向下弯曲。由于作用下，向下弯曲。由于R2、R4距圆心很近，它

42、们感受距圆心很近，它们感受的应变是正的（拉应变），的应变是正的（拉应变），而而R1、R3处于膜片的边缘区，处于膜片的边缘区，它们的应变是负的（压应变）它们的应变是负的（压应变）。在距圆心在距圆心0.58r处，应变处，应变为零为零。4个电阻之间利用面积相对较大、阻值较小的扩个电阻之间利用面积相对较大、阻值较小的扩散电阻（图中的阴影区）引线连接散电阻（图中的阴影区）引线连接,构成四臂全桥。构成四臂全桥。12/24/202275压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片 隔离、承压隔离、承压膜膜片片可以将可以将腐蚀性的腐蚀性的气体气体、液体液体与与硅膜硅膜片片 隔离隔离

43、开来。开来。12/24/202276压阻式固态压阻式固态 压力传感器压力传感器 内部结构内部结构信号调理信号调理电路电路p12/24/202277小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口12/24/202278小型压阻式固态差压传感器（续）小型压阻式固态差压传感器（续）可用于呼吸、透析和注射泵等设备可用于呼吸、透析和注射泵等设备p1进气管进气管p2进气管进气管电缆引出电缆引出12/24/202279小型压阻式固态压力传感器（续）小型压阻式固态压力传感器（续）小型表压压力传感器小型表压压力传感器p1进气管进气管P2向大气敞开向大气敞开12/24/2

44、02280汽车子午线轮胎胎压的测量汽车子午线轮胎胎压的测量子午线轮胎子午线轮胎汽车胎压汽车胎压传感器传感器的安装的安装12/24/202281投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力传感器的压阻式固态压力传感器的 p1进气孔用进气孔用柔性不柔性不锈钢隔离膜片隔离锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力。硅杯，并用硅油传导压力。硅杯不与液体相通，耐腐蚀不与液体相通，耐腐蚀。12/24/202282投入式液位计外形（投入式液位计外形（续）续）压阻式压阻式固态压力固态压力传感器传感器 与水位与水位成正比成正比的光柱的光柱 橡胶橡胶 背压管背压管 进水孔进水孔12/24/202283投入式液位传感器投入式液位传感器 投入式液位传投入式液位传感器必须使用安感器必须使用安装支架。装支架。适应于深度为适应于深度为 几米几米 至至 几十米，几十米，且混有且混有 大大 量量 污污物、杂质的水或物、杂质的水或其他液体的液位其他液体的液位测量。测量。12/24/202284投入式液位计液位的计算投入式液位计液位的计算所以：所以：h=h0+h1 =h0+p1/(g)例：例：液位计安装高度为液位计安装高度为1m，测得压力为测得压力为98kPa，求：，求：水的深度水的深度h。安装高度安装高度h0处的水的表压处的水的表压 p1=gh112/24/202285休休 息息 一一 下下回目录回目录12/24/202286