传感器与检测技术精品课件 第二章 电阻式传感器(120P).ppt

第二章、电阻式传感器,本章学习要求：,1.了解电阻式传感器的分类 2.掌握电阻式传感器测量原理3.了解传感器测量电路,2.1 概述,1.传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,2.传感器的构成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,第二章 电阻传感器,利用电阻传感器可以测量角位移、直线位移、应变、力、加速度、重量、转矩、温度、湿度、气体成分及浓度、磁场强度等。,第一节 电位器式传感器,电位器是大家十分熟悉的三端电子器件，改变其滑动臂的位置，也就改变了电路的分压比。电位器有直线式和圆盘式之分，在非电量电测中，可分别用于测量直线位移x和角位移。电子电路中使用的电位器性能较差，检测技术中使用的电位器传感器耐磨程度是普通电位器的数百倍甚至数千倍，温漂也小于万分之一,2.2 电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,1 变阻器式传感器,等效电路分析:,x,L,2.2 电阻式传感器,L-变阻器总长;x-电刷移动量.R-总电阻;RL电刷电阻;,R=K*L,x=L*E1/E,分压比电路的计算公式如下：,直滑电位器式传感器的输出电压Uo与滑动触点C的位移量x成正比：,对圆盘式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度成正比：,(2)变阻器式传感器的性能参数:1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命;,(3)变阻器式传感器的分类,2.2 电阻式传感器,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,变阻器式传感器产品,2.2 电阻式传感器,1,图2-1 电位器传感器a）圆盘式 b）直线式,360度圆盘形电位器传感器(测量角位移),右图所示的360度圆盘形电位器的中间焊片为滑动片，右边焊片接地，左边焊片接电源。,接地,直线式电位器传感器,运动方向,直线电位器传感器用于测量直线位移,外壳接地,电位器的滑动片随不锈钢滑竿而左右移动。,360度圆盘形电位器传感器也可以用于测量直线位移位移,钢丝绕在圆盘形电位器传感器的转轴上。测量转轴转动的圈数（角度），再乘以转轴的直径和，就等于钢丝拉出的长度。,接地,案例：重量的自动检测-配料设备,2.2 电阻式传感器,原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,2.2 电阻式传感器,原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码）,2.2 电阻式传感器,原理：电机-转角-电位器-电阻,我们先来做一个实验。当我们用力拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加，直径略有减小，从而导致电阻值R变大。在我们这个实验中，电阻丝的阻值从初始状态的10.00增大到10.05，如图2-4所示。,导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。在工业中，将试材受力后所产生的长度相对变化量xl/l，称为纵向应变。,一、应变原理演示,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,二、应变片的工作原理,设有一长度为、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为,K电阻应变片的灵敏度,当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。当金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即,应变片用于测量力F的计算公式,由材料力学可知，x=F/(AE)，所以R/R又可表示为,如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面积A以及弹性模量均为已知，则只要设法测出R/R的数值，即可获知试件受力的大小，可用于电子秤的称重和测量拉力等。,应变片的应用,将应变片粘贴在斜拉绳表面，可测量斜拉绳所受的拉力,应变片可用于电子秤,2 电阻应变式传感器-应变片,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化现象。,2.2 电阻式传感器,一、电阻应变片的工作原理,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,1)工作原理,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,2.2 电阻式传感器,金属应变片的电阻R为,代入,2.2 电阻式传感器,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,2.2 电阻式传感器,有：,对金属材料，导电率不变：,金属丝应变片：,2.2 电阻式传感器,半导体应变计,简化为：,优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,设有一长度为L、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。,K0电阻应变片的灵敏度,1.应变()在材料力学中，=l/l 称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。通常很小，常用10-6表示之。例如，当 为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。,2.应变灵敏度系数(K0)K0表示单位应变所引起的电阻相对变化，其大小由两个因素影响：(12)表示由几何尺寸改变所引起的变化；(/)/(l/l)表示材料的电阻率随应变所引起的变化。对于金属材料，以前者为主。K0 略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，以后者为主，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化。所以灵敏度比金属材料大几十倍。,应变计,2.2 电阻式传感器,金属应变计,二、应变片的种类与结构 应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。薄膜式应变片采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成金属薄膜形成应变片。其灵敏度系数较高，允许电流密度大，工作范围广。,二、应变片的种类与结构,应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便宜，多用于大批量、一次性试验。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，目前广泛用于各种应变式传感器中。,箔式应变片的外形,半导体应变片及金属丝式应变片的结构,半导体应变片外形,金属丝式应变片的内部结构,3)应变片的主要参数,4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,2.2 电阻式传感器,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应变计的原始电阻值。,3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,应变片主要性能指标举例,上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？,三、应变片的粘贴：1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。,3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,2.2 电阻式传感器,电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆.,3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,2.2 电阻式传感器,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。,4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,2.2 电阻式传感器,3)应变片测量电路,2.2 电阻式传感器,令：,金属丝应变片：,V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变,由材料力学可知，=F/（AE），所以R/R又可表示为 如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面积A以及弹性模量均为已知，则只要设法测出R/R的数值，即可获知试件受力的大小，例如可用于电子秤的称重。,3.应变片用于测量力F的计算公式,测量转换电路电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。如有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R/R转换为输出电压Uo的。,1.4 电桥的输出与和差特性,（1）全等臂电桥的输出,假设各桥臂分别有电阻增量，代入下式：,如果电桥初始状态是平衡的，即有R1R3=R2R4，略去R/R 的平方项，化简则得电桥的输出电压增量为：,第一节 电桥 1.直流电桥,若采用等臂电桥，即 R1=R2=R3=R4=R，则有：,当采用相同的应变片时，灵敏度系数均为 K（R/R=K），则上式可以写成：,第一节 电桥 1.直流电桥,（2）等臂电桥的和差特性,以下讨论中，设：R1=R2=R3=R4=R,半桥单臂,桥臂 R1 R1+R,电桥灵敏度：,输出电压：,第一节 电桥 1.直流电桥,半桥双臂（异号）,电桥灵敏度：,输出电压：,可得：邻臂异号变化，输出电压为两臂变化之 和，电桥灵敏度是半桥单臂的二倍。,第一节 电桥 1.直流电桥,半桥双臂（同号）,输出电压：,可得：邻臂同号变化，输出为两臂变化之差。,第一节 电桥 1.直流电桥,全桥四臂,电桥灵敏度：,可得：邻臂异号，对臂同号，电桥输出为单臂时的 四倍，电桥灵敏度是半桥单臂的四倍。若邻 臂同号，对臂异号，则电桥输出为 0。,输出电压：,第一节 电桥 1.直流电桥,单臂电桥,全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。,双臂电桥,R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2 感受到的应变12以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。,四臂全桥,全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1 R4产生的电阻增量（或感受到的应变14）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥还能实现温度自补偿。,全桥的温度补偿原理,当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,五、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：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体。传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,2 电阻应变式传感器-应变片,2.2 电阻式传感器,2.2 电阻式传感器,2.2 电阻式传感器,标准产品,案例：机器人握力测量,2.2 电阻式传感器,应变式力传感器,应变式力传感器,F,F,F,F,2.2 电阻式传感器,电阻应变式传感器的应用：测力,应变式力传感器,S型力传感器,F,F,F,F,各种悬臂梁,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,荷重传感器原理演示,贴在荷重传感器表面的应变片在向下力的作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,测量装货量或判断超载,汽车衡称重系统（参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）,荷重传感器计算公式,当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压Ui 越高，满量程输出电压Uom也越高。,思考：综合考虑灵敏度与功耗、发热等因数，Ui 的取值范围多少为好？,荷重传感器应用估算,例 现用某荷重传感器称重。当桥路电压Ui为6V时，测得桥路的输出电压Uo为8mV，求被测荷重为多少吨。解 从该荷重传感器铭牌上得到F m=100103N，KF=2mV/V，可计算得到Uom=12mV。根据上述公式计算得被测荷重：,荷重传感器用于构件的称重,荷重传感器（共 3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）,底座,垫块,电缆,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,案例：电子称,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,2.2 电阻式传感器,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,怎样改造，才能适合盲人使用？,吊钩秤,便携式,如何将信号传送到计算机中？,电子秤中的各类弹性元件,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,材料应变的测量（续）,预应力管桩的质量检验：工作人员正在贴应变片,应变片粘贴在管桩上，引出线应良好固定,应变式数显扭矩扳手,数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺栓的装配扭矩。量程2500Nm，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,应变式数显扭矩扳手（续）,2.2 电阻式传感器,压阻式固态压力传感器 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，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。,压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片,隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。,压阻式固态 压力传感器 内部结构,信号处理电路,p,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,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,p1进气管,p2进气管,电缆引出,小型压阻式固态压力传感器（续）,表压压力传感器,p1进气管,汽车子午线轮胎胎压的测量,子午线轮胎,汽车胎压传感器的安装,投入式液位计,压阻式固态压力传感器的p1进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力。硅杯不与液体相通，耐腐蚀。,投入式液位计外形（续）,压阻式固态压力传感器,与水位成正比的光柱,橡胶 背压管,进水孔,投入式液位传感器,投入式液位传感器必须使用安装支架，适应于深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他液体的液位测量。,投入式液位计液位的计算：安装高度h0处水的表压 p1=gh1,所以：h=h0+h1=h0+p1/（g）,例：液位计安装高度为1m，测得压力为98kPa，求水的深度h。,与计算机接口的多路电阻应变测量模块,各种悬臂梁,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,汽车衡,汽车衡,汽车衡称重系统,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,案例：桥梁固有频率测量,2.2 电阻式传感器,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,2.2 电阻式传感器,案例：电子称,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,2.2 电阻式传感器,案例：冲床生产记数 和生产过程监测,2.2 电阻式传感器,2.2 电阻式传感器,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,思考题1.金属电阻应变片与半导体材料的电阻应变效应有什么不同?2.采用阻值R=120灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片与阻值R=120的固定电阻组成电桥，供桥电压为10V。当应变片应变为1000时，若要使输出电压大于10mV，则可采用何种工作方式（设输出阻抗为无穷大）？,