《电阻式传感器 》PPT课件.ppt
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1、第二章 电阻式传感器,第一节 电位器式电阻传感器 第二节 应变式电阻传感器第三节 电阻应变片的测量电路第四节 电阻传感器应用,第一节 电位器式电阻传感器,一、电位器式电阻传感器常用形式,1、滑线式位移传感器,2、角位移传感器,3、分段电阻角位移传感器,4、分段电阻直线位移传感器,二、线绕式电位器结构和工作原理,若线绕式电位器的线绕截面积均匀,则其电阻值变化均匀(线形)。若电位器为空载时,根据分压原理得:,而对应的电阻变化为:,表明改变测量电阻值所引起输出电压的变化为线性变化。,他们分别标明了电刷单位位移所能引起的输出电阻和输出电压的变化量。均为常数,若电位器的负载电阻,则输出电压为:,表明当负
2、载电阻不为零时,Y与r为非线性关系,则线绕电位器式传感器的负载特性为非线性。当负载电阻为空载时,U0与x才满足线性关系,则线绕电位器式传感器的负载特性为线性。,第二节 应变式电阻传感器,一、工 作原理,1、应变效应 导体或半导体材料在外(拉力或压力)力的作用时,产生机械变形,导致其电阻值相应发生变化,这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。,2、金属电阻丝应变原理,一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为,式中:电阻丝的电阻率;l电阻丝的长度;A电阻丝的截面积。,如果对电阻丝长度作用均匀应力,则、L、A的变化d、d L、d A将引起电阻d R的变化,可以通过对上式做全微分求得:,
3、其相对变化量为:,若电阻丝是圆形的,则,r为电阻丝的半径,对r 微分得:d A=2r d r,则,为径向应变,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,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,为电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。,或,通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为,灵敏系数K受两个因素影响:一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化,即1+2;另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化,即(d/)/x。对金属材料来说,电阻丝灵敏度系数表达式中1+2的值要比(d/)/x大得多,而半导体材料的
4、(d/)/x项的值比1+2大得多。大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,电阻的相对变化与应变成正比,即K为常数。,得到:,或,表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。,3、半导体应变原理,半导体应变片是用半导体材料制成的,其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时,它的电阻率会发生显著变化,这种现象称为半导体的压阻效应。利用压阻效应制成的传感器称为压阻传感器或半导体应变片。,当半导体应变片受轴向力作用时,其电阻相对变化为,式中d/为半导体应变片的电阻率相对变化量,其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关,其关系为,式中:半导体材料的压阻系数;半导体材料的
5、所受应变力;E半导体材料的弹性模量;半导体材料的应变。,实验证明,E比1+2大上百倍,所以1+2可以忽略,因而半导体应变片的灵敏系数为,半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍,但半导体材料的温度系数大,应变时非线性比较严重,使它的应用范围受到一定的限制。用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时,便可得到被测对象的应变值,根据应力与应变的关系,得到应力值为,=E,式中:试件的应力;E试件材料的弹性模量;试件的应变。,由此可知,应力值正比于应变,而应变又正比于电阻值
6、的变化,所以应力正比于电阻值的变化。这就是利用应变片测量的基本原理。,二、应变片的结构、材料和粘贴,1、应变片的结构,1-敏感栅,2-基底,3-盖片,4-引线,(1)敏感栅:由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格,以120最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度,应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。,对敏感栅的材料的要求:应变灵敏系数大,并在所测应变范围内保持为常数;电阻率高而稳定,以便于制造小栅长的应变片;电阻温度系数要小;抗氧化能力高,耐腐蚀性能强;在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度;加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔
7、材;易于焊接,对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况,合理选择。,(2)基底和盖片:基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置,盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置,还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长,其宽度称为基底宽。,(3)引线:是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求:电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。,(4)粘结剂:用于将敏感栅固定于基底上,并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时,也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。常用的粘结
8、剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂,聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温,常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。,2、金属电阻应变片的材料 对电阻丝材料应有如下要求:灵敏系数大,且在相当大的应变范围内保持常数;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;电阻温度系数小,否则因环境温度变化也会改变其阻值;与铜线的焊接性能好,与其它金属的接触电势小;机械强度高,具有优良的机械加工性能。,康铜是目前应用最广泛的应变丝材料,这是由于它有很多优点:灵敏系数稳定性好,不但在弹性变形范围内能保持为常数,进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数;
9、康铜的电阻温度系数较小且稳定,当采用合适的热处理工艺时,可使电阻温度系数在5010-6/的范围内;康铜的加工性能好,易于焊接,因而国内外多以康铜作为应变丝材料。,3、金属电阻应变片的粘贴 应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。选择粘结剂时必须考虑应变片材料和被测件材料性能,不仅要求粘接力强,粘结后机械性能可靠,而且粘合层要有足够大的剪切弹性模量,良好的电绝缘性,滞后小,耐湿,耐油,耐老化,动态应力测量时耐疲劳等。还要考虑到应变片的工作条件,如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。,常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙
10、稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。粘贴工艺包括被测件粘贴表面处理、贴片位置确定、涂底胶、贴片、干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。粘结剂的性能及应变片的粘贴质量直接影响应变片的工作特性,如零漂、滞后、灵敏系数、线性以及它们受温度变化影响的程度。可见,选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。,4、金属箔式应变片 箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅,而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅,故称箔式电阻应变片,如图。金属箔的厚度般为(0.0030.010)mm,它的基片和盖片多为胶质膜,基片厚度一般为(
11、0.030.05)mm。,金属箔式应变片和丝式应变片相比较,有如下特点。金属箔栅很薄,因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。其次,当箔材和丝材具有同样的截面积时,箔材与粘接层的接触面积比丝材大,使它能更好地和试件共同工作。第三,箔栅的端部较宽,横向效应较小,因而提高了应变测量的精度。箔材表面积大,散热条件好,故允许通过较大电流,因而可以输出较大信号,提高了测量灵敏度。箔栅的尺寸准确、均匀,且能制成任意形状,特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件,从而扩大了应变片的使用范围。便于成批生产。缺点:电阻值分散性大,有的相差几十,故需要作阻值调整;生产工序较为复杂,因引出线的焊点采用
12、锡焊,因此不适于高温环境下测量;此外价格较贵。,第三节 电阻应变片的测量电路,目的:将微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来,同时,要把电阻相对变化 转换为电压或电流的变化。,E:为电源电压R1、R2、R3及R4:桥臂电阻RL:为负载电阻,一、测量电路,当RL时,电桥输出电压为,当电桥平衡时,Uo=0,则有,为电桥平衡条件。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。,1、电桥平衡,2、动态时电阻变化与输出关系,忽略分母中 项、分子中忽略 的二次交叉项:,3、电压灵敏度,实际使用中是第一桥臂R1为应变片,当受应变时,若应变片电阻变化为R,其它桥臂固定不变,电桥输
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