自动检测技术第2章-电阻式传感器课件.ppt
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- 自动检测 技术 电阻 传感器 课件
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1、 第一节第一节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器第二节第二节 固态压阻式传感器固态压阻式传感器第三节第三节 热电阻式传感器热电阻式传感器第四节第四节 气敏电阻气敏电阻第五节第五节 湿敏电阻湿敏电阻 电阻式传感器的基本原理是将被测量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出。经过转换电路变成电信号输出。测量电路测量电路 自动测力或称重中应用最普遍的是电阻应变式传感器,应变式传感器有下列优点:1.精确度,线性度好,灵敏度高 2.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 4.结构较简单,体积
2、较小应用灵活 5.工作稳定、保养方便 应变式传感器除可用于测量力参数外,还可用于测量加速度,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,将被测量转换为电量输出的一种传感器。一、电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化。取一根长度为L,截面积为S,电阻率为 的金属丝,未受力时其电阻R为ALR 当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长L,横截面积相应减小A(取负号),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:AALLRR式中L/L是长度相对变化量,用应变表示LLA/A为电阻丝的截面积相对变化量,因 d
3、dAA2241dA 由材料力学,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:LLdd式中:-材料的泊松比,负号表示应变方向相反。-材料的应变 LLLLpRR)21()21(LL所以:0)21(KLLpRR从上式中提出,得:材料的灵敏度系数K0取决于两个因素:(1)材料几何尺寸的改变。(2)应变引起的电阻率改变。结论:金属材料主要受前者影响;非金属材料主要受后者影响!K0为灵敏度系数单位应变能引起的电阻变化。二、电阻应变片的结构1.金属电阻应变片 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,电阻值发生相应变化,通
4、过转换电路转换为电压或电流的变化。2.半导体应变片体型薄膜型扩散型半导体应变片三、应变片的粘贴技术(1)应变片的检查与选择(2)试件的表面处理(3)底层处理(4)贴片(5)固化(6)粘贴质量检查(7)引线焊接与组桥连接 四、测量电路 作用:将电阻的变化转换为电压输出。(一)直流电桥 空载电压:直流电源U输输出出电电压压BCACABUUUU0343221RRRURRRUURRRRRRRRU)(432142310R等效电阻:43432121RRRRRRRRR直流电桥交流电桥4231RRRR直流电桥平衡条件:等臂电桥输出对称电桥电源对称电桥1.直流电桥的电流输出 如果直流电桥带一个具有内阻Rg的负载
5、,将输出电流Ig,电流输出电路及其等效电路:gUgI(E=U0)()()(21434321432142310RRRRRRRRRRRRRRRRRURRUIggg 由等效电路可求得Ig、Ug的一般表达式:*当阻抗匹配即Rg=R时,Ig、Ug表达式可简化为:)()(2214343214231RRRRRRRRRRRRUIg)(243214231RRRRRRRRUUg 设R1为应变电阻,当电阻增加R时,由Ig简化算式:RRRRRRUIg22222)(14RRRRURRKUIg4)()(2214343214231RRRRRRRRRRRRUIg得输出电流为:即(2)阻抗匹配的电源对称电桥,也有(1)阻抗匹配
6、的输出对称电桥RRKUIg4(3)阻抗匹配的等臂电桥,有KRUIg82.直流电桥的电压输出如果直流电桥输出带运算放大器,负载电阻Rg,输出电流Ig0,输出电压即可认为是电桥电路的开路电压:URRRRRRRRU)(432142310对于输出对称电桥(右图)0UKUU40RRUURRRRRRU4)(0即 对于电源对称电桥 KRRRRUU20)(对于等臂电桥 KUU40直流电桥实用电路等臂电桥全桥工作电路特征:四个电阻相同四个电阻全为应变电阻(两个被拉长,两个被压短)URRRRRRRRU)(432142310URRRRRR)2)(2()()(22RRUURRR244UKU 0与单臂应变相比,灵敏度扩
7、大4倍!(二)交流电桥交流电桥采用正弦交流电源U,电源频率取被测应变频率的510倍。各桥臂采用应变片或定值精密无感电阻。在频率较高时,必须考虑分布电容的影响。如:1111/CjRZZ1Z2 Z3Z4tUumsintUZZZZZZZZtumsin)()(432142310设正弦交流电源则输出交流电压UZZZZZZZZU)(4321423104231ZZZZ交流电桥平衡条件:或(1)等臂电桥单臂应变情况下UZZU410tUKtumsin41)(0(2)等臂电桥双臂应变情况下UZZU410tUKtumsin41)(0(三)电桥的线路补偿 1、零点补偿 对平衡位置(零点)的改变进行的补偿。如果某一对桥
8、臂电阻的乘积较小,可对这两个电阻中的任一个串联小的补偿电阻进行补偿,以满足电桥的初始平衡条件。补偿电阻补偿电阻2、温度补偿a.补偿片补偿b.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。对于升温变软,可采用铜丝或镍丝制成补偿电阻RE进行补偿。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:当弹性材料升温变软,同样
9、受力引起的应变增大,测量电路输出会增大。加上RE之后,由于RE升温增大,电桥电路供电电压减小,补偿了升温引起的输出增大。五、电阻应变式传感器的应用(一)测力与称重传感器(二)压力传感器 补偿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固态压阻式传感器第二节固态压阻式传感器 固态压阻式传感器是利用硅的压阻效应和集成电路技术制成的新型传感器。它具有灵敏度高、动态响应快、测量精度高、稳定性好、工作温度范
10、围宽、体积小和便于批量生产等特点,因此得到了广泛的应用。由于它克服了半导体应变片存在的问题并能将电阻条、补偿线路、信号转换电路集成在一块硅片上,甚至将计算处理电路与传感器集成在一起,制成了智能型传感器,这是一种具有发展前途的传感器。设半导体材料的压阻系数为 ,材料受到的应力为,有一、固态压阻式传感器的工作原理与结构)21(RR对于半导体材料,其电阻率的变化为:ll 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值。注意:晶体在不同的方向上,压阻效应数值不同。二、压阻式压力传感器 固态压阻式压力传感器的结构如图所示。传感器硅膜片两边有两个压力腔。一个是和被测压力相连接的
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