《传感器原理及应用全套配套课件ppt动画教学大纲第3章电阻式传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器原理及应用全套配套课件ppt动画教学大纲第3章电阻式传感器（150页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、,第3章 电阻式传感器,传感器原理与应用,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,主要内容 3.1 金属丝电阻应变片 3.2 电阻应变片测量电路 3.3 电阻应变式传感器的应用 3.4 半导体压阻式传感器的应用,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,电阻应变式传感器是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转换电路变换成电量(电流、电压)输出。 电阻应变式传感器也是应用最广泛的传感器，可用于应变力、压力、转矩、位移、加速度。据统计日本力传感器中应变片占70%，美国占90%。 测力范围：小到肌肉纤维（510-5N)，大到登月火箭(5107N)； 精确度：在0.010.1%，有10年以上的校准稳定
2、性。 应变式传感器主要特征 有不同材料类型，金属应变片、半导体应变片; 优点，结构简单、精度高、范围大体积小； 缺点，电阻、半导体会随温度变化。,概述,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,电阻应变式传感器广泛应用于各种衡器和应变测量,1） 用于各种电子秤,电 子 天 平,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,吊秤,遥 动 遥 控 吊 秤,液 压 叉 车 秤,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,电子皮带秤,行李秤,钢包电子秤,行车电子秤,防爆汽车衡,给料秤,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,机 械 秤 包 装 机,动 态 电 子 秤,自动称重给料机,给料斗秤,称重包装机,定量包装
3、机,灌装机,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,2）用于应变仪 全自动应力、应变实时监测仪,动态监测各种工件施工中的应变、应力、载荷或合成应力；可检测振动时效果。,可静态地测量内应力、接触应力，如焊接件、铸件、锻件、水坝、岩石、混凝土内的内应力；焊接、铸造、机加工、热加工、锻造、冷凝、体变等残余接触应力；,用于各种弹性固体材料、构建的应变测量、应力检测及监测，如：钢结构、合金件、机床、大坝体、隧道、桥梁、高楼、建筑、土建、管道、输水管、岩石、地震、船舶、海洋平台、油井、小堤坝、电缆、锅炉，,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,上海卢浦大桥通车应变试验,传感器原理及应用,第3章 应变式传
4、感器,上海国际会议中心模型试验,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,打桩船吊塔 强度试验,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,金属应变片结构： 网状敏感栅 高阻金属丝、金属箔 基片 绝缘材料 盖片 保护层,1. 应变片结构,金属丝式应变片结构,金属箔式应变片结构,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,1. 应变片结构,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,1. 应变片结构,单体型半导体应变片,半导体应变片结构,硅片,基片,集成式应变传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,金属电阻应变片的基本原理基
5、于电阻应变效应： 即导体在外力作用下产生机械形变时阻值发生变化。,2. 工作原理,当电阻丝受到轴向拉力F 作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻值的相对变化,与电阻率变化成正比,一根长L，截面积为S，电阻率为的金属丝电阻,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,径向应变为： （截面积相对变化量）,轴向应变为：,横向变形系数： （泊松系数）,在弹性范围内金属丝受拉时，轴向应变和径向应变的关系，负号表示应变受力方向相反,2. 工作原理,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,用轴向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：,定义金属电阻丝的灵敏系数为k0 ； 即：单位应变能引起的金属丝电阻相对变化,金属
6、丝受力后主要引起两个方面的变化： 材料几何尺寸变化（1+2）； 材料电阻率的变化（/）/,2. 工作原理,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,金属丝灵敏系数k0 主要由材料的几何尺寸变化引起的 应力 =E（E 弹性模量） ，R / R 应力 应变 R/R 电阻变化（反映应力大小） 通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量通过应力变化，并转换为电阻的变化进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。,已知泊松系数 = 0.250.5 (钢 = 0.285),因为,所以近似： k0 1+2， k0 1.52,2. 工作原理,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,弹性
7、元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位，首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。,3. 弹性敏感元件,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,常用弹性元件的结构和特性,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,a） 刚度 刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变
8、形下所需要的力，用C 表示，其数学表达式为,3. 弹性敏感元件,式中: F 作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（N）； x 弹性元件所产生的变形，单位为毫米（mm）。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用S 表示，其表达式为,3. 弹性敏感元件,从上式可以看出，灵敏度是单位力作用下弹性元件产生变形的大小，灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变量，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的.,弹性特性曲线
9、,b） 灵敏度,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,各种形式的金属式电阻应变片,金属式电阻应变片常见的有丝式、箔式、薄膜型,4. 应变片种类,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,按材料分为 体型 丝式、箔式 金属式： 薄膜型 半导体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型 按结构分：单片、双片、特殊形状 按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下,4. 应变片种类,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,金属丝式 敏感栅用0.025mm金属丝（康铜、贵金属）； 金属箔式 通过照相制版，光刻腐蚀工艺作成金属薄栅， 厚度在0.0030.01mm，敏感栅截面为矩形，
10、 可通过大电流，工艺适于批量生产； 金属薄膜型采用真空技术，在基片上蒸镀金属薄膜， 厚度为纳米级。 半导体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型,4. 应变片种类,体型半导体电阻应变片,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,k0 表征金属丝的灵敏系数，但金属丝做成应变片后，电阻应变特征与单根金属丝不同。 实际的灵敏系数包括基片、粘合剂、敏感栅的横向效应等因素。做成应变片以后灵敏系数k0不同，必须重新标定。,3.1 金属丝电阻应变片,（1）应变片灵敏系数 k,通常采用实验的方法，按统一的标准，如受单向力拉力或压力，试件材料为钢，箔松系数=0.285； 取成品的 5% 进行测定，取平均值做产
11、品的灵敏系数，称标称灵敏系数k ，即产品出厂时标注的灵敏系数。 实验表明，应变片灵敏系数小于电阻丝灵敏系数，即kk0 如果实际应用与标定条件不同时，k 误差较大需要修正。,5. 主要特性,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但圆弧部分应变状态不同，圆弧段电阻的变化小于沿轴向摆放的电阻丝电阻变化。 实际应变变化 = L/L 比拉直了看要小，可见直线的电阻丝作成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同。,（2）横向效应,园弧部分使灵敏系数 k0下降，这种现象 称为横向效应。敏感栅越窄、基长越长， 横向效应越小。,为减小横向效应产生的测量误差，一般多采用箔式应变片
12、，圆弧部分尺寸较大。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。,已知电阻丝阻值与温度关系为,（3）应变片温度误差及补偿,环境温度变化t 时，电阻丝的电阻变化为,1） 应变片温度误差,式中：R0 是温度为t0 时的金属丝电阻值；t 是应变片电阻温度系数。,应变片温度误差来源有两个主要因素：,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（3）应变片温度误差及补偿,因试件随温度变化使应变片电阻产生 附加形变造成的电阻变化,温度变化t 时引起总的电阻变化为Rt,式中：k 为应变片灵敏系数; t
13、电阻温度系数; g 试件膨胀系数，s 电阻丝膨胀系数。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（3）应变片温度误差及补偿,根据电阻丝阻值与温度关系：,因环境温度改变引起的附加电阻变化与以下内容有关: 环境温度变化t； 应变片本身的性能参数应变片灵敏度 k ； 电阻丝温度系数t 、试件参数g；电阻丝膨胀系数s 。,折合成应变量 （温度变化引起）,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（3）应变片温度误差及补偿,温度补偿方法有：线路补偿、自补偿、辅助测量补偿、 热敏电阻补偿、计算机补偿等。,自补偿法，具有温度补偿作用的应变片RB称为补偿片,用特 制的温度补偿片进行补偿。当温度变化时产生的附加应
14、变 相互抵消，补偿片制作的原理是使t=0。,被测材料g给定，制作中改变栅丝的合金成分，控制温度 系数t，使s、g 抵消。,2） 应变片温度补偿,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（3）应变片温度误差及补偿,如果 R1R3 = RBR4，电桥平衡时输出为零； 若R1、RB温度系数相同，当无应变而温度 变化时R1 = RB ，电桥为平衡状态； 当有应变时，R1有增量R1，R1=R1k0 补偿片无变化，RB = 0； 电桥输出为 U0 R1R3 k0 可见此时电桥的输出电压与温度无关,线路补偿（电桥补偿）：被测试件位置上安装一个补偿片处于相同的温度场；等臂电桥输出U0 与桥臂参数的关系为,R1
15、应变片，RB补偿片,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（3）应变片温度误差及补偿,电桥补偿方法,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.2 电阻应变片测量电路,一般应变片阻值变化很小 若k0 =2，应变片电阻 R=120， =1000时 电阻变化仅0.24。 要检测如此微小电阻的变化必须经过放大电路放大输出。 放大器前通常采用 直流电桥或交流电桥。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器, 直流电桥的平衡条件,电桥平衡时: I0 = 0 ，U0 = 0,（1）直流电桥,要满足电桥平衡条件，必须有对比积相等，邻臂比相等,E 直流供电 R1-R4桥臂电阻,当负载 RL（放大器的输入阻抗比桥路阻抗大的多，可视为开路）电桥输出电压为：,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,设R1为应变片，应变时R1变化量为R1 ， 应变片阻值变化电桥失衡，不平衡输出电压为, 电桥电压灵敏度,R1,（1）直流电桥,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,电桥输出的电压灵敏度为,电桥输出电压可近似为,，忽略分母中,由于,设桥臂比,考虑平衡条件,对于, 电桥电压灵敏度,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,电桥电压灵敏度讨论： 1. 电桥的电压灵敏度 Ku 越大，电桥输出电压越大， Ku 与电桥电源 E 成正比，但供电受应变片允许功耗限制； 2. Ku 是桥臂比n的函数，
