(课件)电阻式传感器及应用.ppt
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- 课件 电阻 传感器 应用
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1、第第2 2章章 电阻式传感器及其应用电阻式传感器及其应用 本章学习本章学习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:电阻应变片、电位器、热电阻、包括:电阻应变片、电位器、热电阻、气敏电阻及湿敏电阻等气敏电阻及湿敏电阻等。2.1 2.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 应变效应应变效应:导体或半导体材料在外界:导体或半导体材料在外界力力的作用的作用下,会产生下,会产生机械变形机械变形,其,其电阻值电阻值也将随着发生也将随着发生变化,这种现象称为应变效应。变化,这种现象称为应变效应。电阻应变式传感器主要由电阻应变式传感器主要由电阻应变片电阻应变片及及测量转测量转换电路换电路等组成
2、。等组成。1.1.电阻应变片的结构电阻应变片的结构 电阻应变片由电阻应变片由敏感栅敏感栅、基片基片、覆盖层覆盖层和和引线引线等部等部分组成。分组成。一、应变片的结构与粘贴一、应变片的结构与粘贴(1 1)敏感栅)敏感栅 感受应变,并将应变转换为电阻的变化感受应变,并将应变转换为电阻的变化。敏。敏感栅有丝式、感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式和薄膜式三种。(2 2)基片)基片 绝缘及传递应变绝缘及传递应变。测量时应变片的基底粘在。测量时应变片的基底粘在试件上,要求基底准确地把试件应变传递给敏感试件上,要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好,否则应变片微小电栅。同时基片绝缘性能要
3、好,否则应变片微小电信号就要漏掉。信号就要漏掉。由纸薄、胶质膜等制成。由纸薄、胶质膜等制成。(3 3)覆盖层)覆盖层 保护作用保护作用。防湿、蚀、尘。防湿、蚀、尘。(4 4)引线)引线 连接电阻丝与测量电路连接电阻丝与测量电路,输出电参量。,输出电参量。应变片的内部结构应变片的内部结构分类分类金属电阻金属电阻应变片应变片半导体半导体应变片应变片丝式丝式箔式箔式薄膜式薄膜式 2.2.应变片的种类应变片的种类金属丝式应变片使用最早,有纸基、胶基之分。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
4、的趋势。但其被箔式所取代的趋势。但其价格便宜价格便宜,多用于应变、应力,多用于应变、应力的大批量、一次性试验。的大批量、一次性试验。金属丝式金属丝式 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制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。成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与基片的接触面积大得多,箔式应变片与基片的接触面积大得多,散热条件较好散热条件较好,在,在长时间测量时的蠕变较小,一致性较好,适合于大批量生长时间测量时的蠕变较小,一致性较好,适合于大批量生产。目前广泛用于各种应变式传感器中。产。目前广泛用于各
5、种应变式传感器中。箔式应变片的外形箔式应变片的外形 半导体应变片的主要特点是:当受力时,其电阻率半导体应变片的主要特点是:当受力时,其电阻率随应力的变化而变化,故随应力的变化而变化,故灵敏度高灵敏度高,横向效应小横向效应小。实验发现,实际应变片的实验发现,实际应变片的K K值比单丝的值比单丝的K K值要小,造成此值要小,造成此现象原因是现象原因是横向效应横向效应,还有粘结层传递,还有粘结层传递变形失真变形失真。横向效应横向效应:将直的电阻丝绕成敏感栅后:将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变虽然长度不变,应变状态相同应变状态相同,但圆弧段但圆弧段横向收缩横向收缩引起引起阻值减小量阻值减小量对对
6、轴向轴向伸长伸长引起引起阻值增加量阻值增加量起着抵消作用。因而同样应变阻值变起着抵消作用。因而同样应变阻值变化减小,化减小,K K值减小,此现象为横向效应。值减小,此现象为横向效应。为了减小横向效应产生的测量误差,现在一般多采用为了减小横向效应产生的测量误差,现在一般多采用箔箔式应变片式应变片,其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多,电阻值较,其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多,电阻值较小,因而电阻变化量也就小得多。小,因而电阻变化量也就小得多。.应变片的粘贴:应变片的粘贴:1)去污:采用手持砂去污:采用手持砂轮工具除去构件表面的轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等,并油污、漆、锈斑等,并用细纱布交叉用细
7、纱布交叉打磨打磨出细出细纹以增加粘贴力纹以增加粘贴力,用,用浸有酒精或丙酮的纱布浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球片或脱脂棉球擦洗擦洗。2.2.贴片:在应变片的贴片:在应变片的表面和处理过的粘贴表表面和处理过的粘贴表面上,各涂一层均匀的面上,各涂一层均匀的粘贴胶粘贴胶 ,用镊子将应,用镊子将应变片放上去,并调好位变片放上去,并调好位置,然后盖上塑料薄膜,置,然后盖上塑料薄膜,用手指揉和滚压,排出用手指揉和滚压,排出下面的气泡。下面的气泡。3.3.测量:从分开的测量:从分开的端子处,预先用万端子处,预先用万用表测量应变片的用表测量应变片的电阻,发现端子折电阻,发现端子折断和坏的应变片。断和坏的应变
8、片。4.4.焊接:检查合格焊接:检查合格后用烙铁焊接引出后用烙铁焊接引出线,注意不要把端线,注意不要把端子扯断。子扯断。5.5.固定:焊接后固定:焊接后用胶布将引线和用胶布将引线和被测对象固定在被测对象固定在一起,防止损坏一起,防止损坏引线和应变片。引线和应变片。二、二、应变片的工作原理应变片的工作原理 2llRAr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。设有一长度为设有一长度为l、截面积为、截面积为A、半径为、半径为r、电阻率、电阻率为为 的金属单丝,它的电阻值的金属单丝,它的电阻值R可表示为可表示为:当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力(或压力)当沿金属丝的
9、长度方向作用均匀拉力(或压力)时,上式中时,上式中、r r、l都将发生变化,从而导致电阻都将发生变化,从而导致电阻值值R发生变化。发生变化。例如例如金属丝金属丝受拉时,受拉时,l将变长、将变长、r r变小,均导致变小,均导致R变大;变大;又如,又如,某些半导体某些半导体受拉时,受拉时,将变大,导致将变大,导致R R变大。变大。2llRAr 以圆柱形导体为例:电阻以圆柱形导体为例:电阻R R(根据电阻的定义式)(根据电阻的定义式)电阻丝变形过程电阻丝变形过程图图2-3 金属电阻丝应变效应金属电阻丝应变效应2llRAr电阻丝电阻丝半径半径 电阻丝电阻丝长度长度电阻丝电阻丝截面积截面积电阻丝电阻丝电
10、阻率电阻率 当导体因某种原因产生应当导体因某种原因产生应变时,其长度变时,其长度L L、截面积、截面积A A和和电阻率电阻率的变化为的变化为dLdL、dAdA、dd相应的电阻变化为相应的电阻变化为dRdR。对。对电阻定律电阻定律全微分得电阻变化全微分得电阻变化率率 dR/RdR/R为:为:AEFldlx(2-2)由材料力学得由材料力学得 为电阻丝材料的泊松比为电阻丝材料的泊松比。(。(2-2)式经整理可得下式:)式经整理可得下式:2dRdldrdRlr径向应变 y轴向(纵向)应变 xy012ddRkR(单丝)金属材料(单丝)金属材料的灵敏度系数,表的灵敏度系数,表示单位应变所引起示单位应变所引
11、起的电阻相对变化,的电阻相对变化,主要取决于其几何主要取决于其几何效应,取效应,取1.71.7 3.63.6材料的电阻率材料的电阻率 随应变所引随应变所引起的变化起的变化“压阻效应压阻效应”。这是由于材料发生变化时,其这是由于材料发生变化时,其自由电子的活动能力和数量均自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故发生了变化的缘故 电阻丝几何尺寸电阻丝几何尺寸形变所引起的变形变所引起的变化化几何效应几何效应 材料的轴材料的轴向应变向应变 即横向收缩与纵即横向收缩与纵向伸长之比。即向伸长之比。即 x xx xx x 实验证明,电阻丝及应变片的实验证明,电阻丝及应变片的电阻相对变化量电阻相对变化量 R
12、 R/R R与材料力学中的与材料力学中的轴向应变轴向应变 x x(x x=l/l)的关的关系在很大范围内是系在很大范围内是线性线性的,即的,即 2-1xRKRK电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度对于不同的对于不同的金属材料金属材料,K略微不同,一般为略微不同,一般为2 2左右。左右。而对而对半导体材料半导体材料而言,由于其感受到应变时,电阻率而言,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。会产生很大的变化,所以灵敏度比金属材料大几十倍。在材料力学中,在材料力学中,x x=l/l称为电阻丝的称为电阻丝的轴向应变轴向应变,也称也称纵向应变纵向应变。x x通常很小
13、,常用通常很小,常用1010-6-6表示之。表示之。例如,当例如,当 x x为为0.0000010.000001时,在工程中常表示为时,在工程中常表示为1 1 1010-6-6或或 m/mm/m。在应变测量中,也常将之称为。在应变测量中,也常将之称为微应变微应变()。对金属材料而言,当它受力之后所产生的轴向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最好不要大于1 1 1010-3-3,即,即10001000 m/mm/m,否则有可能超过,否则有可能超过材料的材料的极限强度极限强度而导致断裂。而导致断裂。应变片用于测量力应变片用于测量力F F的计算公式:的计算公式:由材料力学可
14、知:由材料力学可知:x xF/AEF/AE (E (E为弹性模量为弹性模量)而而 R R/R RK K x x 故:故:R R/R RK K(F F/AE/AE)如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K K和和试件的横截面积试件的横截面积A A以及弹以及弹性模量性模量E E均为已知,则只要设法测出均为已知,则只要设法测出 R R/R R的数值,的数值,即可获知试件受力即可获知试件受力F F的大小。的大小。例如可用于例如可用于电子称的称重电子称的称重。分析与总结分析与总结影响电阻值变化的因素:影响电阻值变化的因素:1 1、电阻丝长度的变化;、电阻丝长度的变化;2 2、电阻丝面积的变化;、电阻丝面积
15、的变化;3 3、压阻效应的作用。、压阻效应的作用。电阻丝几电阻丝几何尺寸何尺寸金属导体金属导体电阻率电阻率半导体半导体压阻效应压阻效应:半导体沿某一轴向受到应力而发生应变:半导体沿某一轴向受到应力而发生应变时,其电阻率发生变化,此现象为压阻效应。时,其电阻率发生变化,此现象为压阻效应。由于半导体电阻率变化明显,所以其灵敏度系数由于半导体电阻率变化明显,所以其灵敏度系数很大,故可测很大,故可测微小应变微小应变。三、测量转换电路三、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 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
16、。通常采用电量其电阻值的变化将十分困难,且误差很大。通常采用电桥电路实现桥电路实现微小电阻值微小电阻值变化的电压输出。变化的电压输出。例如,例如,有一金属箔式应变片,受拉后应变片的阻有一金属箔式应变片,受拉后应变片的阻值值R R 的变化量仅为的变化量仅为0.20.2,所以必须使用电桥来测量,所以必须使用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是如何将 R R/R R转换为输出电压转换为输出电压U Uo o的。的。根据电源的不同,可将电桥分为直流电桥和根据电源的不同,可将电桥分为直流电桥和交流电桥。交流电桥。电桥按读数方法可分为电
17、桥按读数方法可分为平衡电桥平衡电桥(零读法)(零读法)和和不平衡电桥不平衡电桥(偏差法)两种。(偏差法)两种。平衡电桥仅适合与测量平衡电桥仅适合与测量静态参数静态参数,而不平衡,而不平衡电桥对电桥对静、动态参数静、动态参数都可测量。都可测量。我们只讨论我们只讨论直流不平衡电桥直流不平衡电桥。直流电桥电路如下图,它的四个桥臂由电阻直流电桥电路如下图,它的四个桥臂由电阻R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4组成。它们可以全部或部分是应变片。组成。它们可以全部或部分是应变片。34端接直流电压端接直流电压U12端输出电压端输出电压U01 1不平衡电桥的工作原理不平衡电桥的工作原理 u
18、初始状态下,电桥是平衡的,输出为初始状态下,电桥是平衡的,输出为零零。u 当其中一个桥臂(或两个、三个、四个)上受当其中一个桥臂(或两个、三个、四个)上受到应变作用后,则阻值将发生变化,桥路失去平到应变作用后,则阻值将发生变化,桥路失去平衡,就会有信号衡,就会有信号U U0 0输出。输出。当电桥平衡时当电桥平衡时,有:有:R R1 1R R4 4=R=R2 2R R3 3 或或4321RRRR电桥平衡条件:电桥平衡条件:相邻两臂电阻的比值应相等相邻两臂电阻的比值应相等,或相对或相对两臂电阻的乘积相等两臂电阻的乘积相等。当电桥不平衡时当电桥不平衡时:则:则:U Uo o=0=01 1)单臂电桥)
19、单臂电桥 R R1 1为工作应变片,为工作应变片,R R2 2、R R3 3、R R4 4为固定电阻为固定电阻。假设桥臂假设桥臂R R1 1的阻值变为的阻值变为R R1 1+R+R1 1。则输出电压:则输出电压:U UO O=U=U1414-U-U2424 =R=R2 2/(R/(R1 1+R+R1 1+R+R2 2)-R -R4 4/(R/(R3 3+R+R4 4)UU经运算:经运算:U U0 0=-R=-R1 1R R4 4/(R R1 1+R+R1 1+R+R2 2)()(R R3 3+R+R4 4)UU 分子分母同除以分子分母同除以R R1 1R R3 3,设桥臂比设桥臂比n=Rn=R
20、2 2/R/R1 1R R3 3/R/R4 4,分母中分母中RR1 1/R/R1 1相对来说是微小项相对来说是微小项,故可略去。故可略去。略去后产生电桥非线性误差,讨论误差需要幂级数略去后产生电桥非线性误差,讨论误差需要幂级数展开数学知识。展开数学知识。U U0 0-n/(1+n)-n/(1+n)2 2(RR1 1/R/R1 1)U U 单臂电桥单臂电桥电压灵敏度为电压灵敏度为:K Ku u=n/(1+n)=n/(1+n)2 2UU 可知:可知:K Ku u与电桥电源成正比,同时与桥臂比有关。与电桥电源成正比,同时与桥臂比有关。对于我们讨论的等臂电桥来说,对于我们讨论的等臂电桥来说,R R1
21、1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4,即,即n=1n=1,则上式化则上式化为:为:U U0 0=-=-(RR1 1/4R/4R1 1)U U 此时此时,电桥电压灵敏度最高。电桥电压灵敏度最高。K Ku u=U/4=U/42 2)双臂电桥)双臂电桥 R R1 1、R R2 2为工作应变片,为工作应变片,R R3 3、R R4 4为固定电阻。为固定电阻。工作应变片工作应变片R R1 1、R R2 2接入接入电桥两相邻臂,跨在电电桥两相邻臂,跨在电源两端源两端。感受到的应变感受到的应变 1 1、2 2以及产生的电阻增量以及产生的电阻增量RR1 1、RR2 2大小相等,大小相等,方向相反。方向
22、相反。假设:假设:R R1 1阻值变为阻值变为R R1 1+R+R1 1;R R2 2阻值变为阻值变为R R2 2-R-R2 2。且:且:R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R,RR1 1=R=R2 2=R=R,则由电桥输出电压:则由电桥输出电压:U U0 0=(R R2 2-R-R2 2)/(R R1 1+RR1 1+R R2 2-RR2 2)-R-R4 4/(R R3 3+R+R4 4)UU =-(R/2RR/2R)U U 严格的线性关系,没有线性误差严格的线性关系,没有线性误差。双臂电桥电压的灵敏度为:双臂电桥电压的灵敏度为:K Ku u=U/2=U/2 由上式可
23、知:双臂电桥由上式可知:双臂电桥灵敏度灵敏度比单臂电桥提高一倍,而且还比单臂电桥提高一倍,而且还具有具有温度误差补偿温度误差补偿作用。作用。3 3)四臂全桥)四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应全桥的四个桥臂都为应变片,变片,两个受拉,两个受压。两个受拉,两个受压。将两个变形符号相同的应将两个变形符号相同的应变片接在电桥的相对臂,变片接在电桥的相对臂,符号不同的接在相邻臂。符号不同的接在相邻臂。假设假设4 4个桥臂的阻值分别变为:个桥臂的阻值分别变为:R R1 1+R+R1 1、R R2 2-R-R2 2、R R3 3+R+R3 3、R R4 4+R+R4 4;且:且:R R1 1=R=R2 2=R
24、=R3 3=R=R4 4=R=R,RR1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R,则电桥输出电压:则电桥输出电压:U U0 0=(R R2 2+R+R2 2)/(R R1 1+R+R1 1+R R2 2-R-R2 2 )-(R R4 4+R+R4 4)/(R R3 3+R+R3 3+R R4 4-R-R4 4 )UU =-=-(R/RR/R)U U 四臂全桥电压的灵敏度为四臂全桥电压的灵敏度为:K Ku u=U=U 由上式可知:四臂全桥由上式可知:四臂全桥灵敏度灵敏度是单臂电桥的是单臂电桥的4 4倍,其灵敏度倍,其灵敏度最高,能实现最高,能实现温度自补偿温度自补偿。对于四臂全桥:
25、对于四臂全桥:接法如前面方式,若接法如前面方式,若R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R,RR1 1=RR2 2=R=R3 3=RR4 4忽略高阶微小量(计算较复杂,略去),则有:忽略高阶微小量(计算较复杂,略去),则有:U UO O=U(R=U(R1 1RR2 2+R+R3 3RR4 4)/4R)/4R 结论:结论:U UO O=(U/4)(R=(U/4)(R1 1/R/R1 1RR2 2/R/R2 2+R+R3 3/R/R3 3RR4 4/R/R4 4)全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理 利用电桥相邻相等两臂同利用电桥相邻相等两臂同时产生大小相等,符号相同时产生大
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