自动检测与转换技术（第2版）教学课件作者叶明超第２章　电阻式传感器

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1、第 章 电 阻 式 传 感 器,. 电 位 器 式 传 感 器 . 电 阻 应 变 式 传 感 器 . 测 温 热 电 阻 传 感 器 . 气 敏 电 阻 、 湿 敏 电 阻 传 感 器,返回,. 电 位 器 式 传 感 器,. 绕线电位器式电阻传感器工作原理 绕 线 电 位 器 式 电 阻 传 感 器 的 工 作 原 理 ， 可 用 图 来 说 明 。 图 中 是 电 位 器 工作 电 压 ， 是 电 位 器 电 阻 ， 是 负 载 电 阻 （ 例 如 表 头 的 内 阻 ） ， 是 对 应 于 电 位 器 滑 臂 移 动 到某 位 置 时 的 电 阻 值 ， 是 负 载 两 端 的 电 压

2、 ， 即 电 阻 传 感 器 的 输 出 电 压 。 被 测 量 的 变 化 通 过 机 械 结 构 ， 使 电 位 器 的 滑 臂 产生 相 应 的 位 移 ， 改 变 了 电 路 的 电 阻 值 ， 引 起 输 出 电 压的 改 变 ， 从 而 达 到 测 量 被 测 量 的 目 的 。,下一页,返回,. 电 位 器 式 传 感 器,在 均 匀 绕 制 的 线 性 电 位 器 （ 单 位 长 度 上 的 电 阻 是 常 数 ） 中 ， 设 ， ， 有 . 绕线电位器式电阻传感器结构、 特点及应用范围 常 见 的 绕 线 电 位 器 式 电 阻 传 感 器 有 直 线 位 移 型 、 角 位

3、 移 型 等 ， 如 图 所 示 。 由图 可 知 ， 绕 线 电 位 器 式 电 阻 传 感 器 由 骨 架 、 绕 在 骨 架 上 的 电 阻 丝 及 在 电 阻 丝 上 移 动 的滑 动 触 点 （ 电 刷 ） 组 成 ， 调 节 滑 动 触 点 位 置 可 将 被 测 位 移 等 变 换 为 电 阻 变 化 。,上一页,下一页,返回,. 电 位 器 式 传 感 器,图 （ ） 所 示 为 角 位 移 型 绕 线 电 位 器 式 电 阻 传 感 器 ， 其 电 阻 阻 值 随 转 角 变 化 。 其 灵敏 度 为 图 （ ） 所 示 为 一 种 非 线 性 绕 线 电 位 器 式 传 感

4、 器 。 当 被 测 量 与 变 阻 器 触 点 位 移 形 成某 种 函 数 关 系 ， 若 要 获 得 与 被 测 量 呈 线 性 关 系 的 输 出 ， 则 要 应 用 这 种 非 线 性 的 绕 线 电 位 器 式传 感 器 。 这 种 传 感 器 的 骨 架 形 状 需 根 据 所 要 求 的 输 出 函 数 确 定 。 例 如 被 测 量 为 （ ） ，为 了 使 输 出 电 阻 （ ） 与 （ ） 为 线 性 的 关 系 ， 则 变 阻 器 骨 架 应 采 用 直 角 三 角 形 。 如 （ ） ， 则 应 采 用 抛 物 线 形 的 骨 架 。,上一页,下一页,返回,. 电 位

5、 器 式 传 感 器,绕 线 电 位 器 式 电 阻 传 感 器 在 多 数 情 况 下 均 采 用 直 流 电 源 ， 但 有 时 因 测 量 电 路 的 需 要 也 采用 交 流 电 源 ， 此 时 需 要 考 虑 由 于 集 肤 效 应 而 使 绕 线 的 交 流 电 阻 大 于 直 流 电 阻 的 变 化 。 当 频 率较 高 时 ， 还 要 考 虑 绕 线 的 自 感 和 绕 线 分 布 电 容 的 影 响 。 普 通 绕 线 电 位 器 式 电 阻 传 感 器 结 构 简 单 ， 价 格 便 宜 ， 输 出 功 率 大 ， 一 般 情 况 下 可 直 接 接指 示 仪 表 ， 简

6、化 了 测 量 电 路 。 但 由 于 分 辨 力 有 限 ， 所 以 一 般 精 度 不 高 。 另 外 动 态 响 应 差 ， 不适 宜 测 量 快 速 变 化 量 。 通 常 可 用 于 测 量 压 力 、 位 移 、 加 速 度 等 。,上一页,下一页,返回,. 电 位 器 式 传 感 器,. 绕线电位器式压力传感器的应用 绕 线 电 位 器 式 压 力 传 感 器 是 利 用 弹 性 元 件 （ 如 弹 簧 管 、 膜 片 或 膜 盒 ） 把 被 测 的 压 力 变换 为 弹 性 元 件 的 位 移 ， 并 使 此 位 移 变 为 电 刷 触 点 的 移 动 。 从 而 引 起 输

7、出 电 压 或 电 流 相 应 的 变化 。 图 所 示 为 型 远 程 压 力 传 感 器 的 结 构 。 它 是 由 一 个 弹 簧 管 和 绕 线 电 位 器组 成 的 压 力 传 感 器 。 绕 线 电 位 器 固 定 在 壳 体 上 ， 而 电 刷 与 弹 簧 管 的 传 动 机 构 相 连 接 。 当 被 测压 力 变 化 时 ， 弹 簧 管 的 自 由 端 移 动 ， 通 过 传 动 机 构 ， 一 面 带 动 压 力 表 指 针 转 动 ， 一 面 带 动 电刷 在 绕 线 电 位 器 上 滑 动 ， 从 而 将 被 测 压 力 值 转 换 为 电 阻 变 化 ， 因 而 输

8、出 一 与 被 测 压 力 成 正 比的 电 压 信 号 。,上一页,下一页,返回,. 电 位 器 式 传 感 器,图 所 示 为 膜 盒 电 位 器 式 压 力 传 感 器 的 结 构 。 弹 性 敏 感 元 件 膜 盒 的 内 腔 ， 通 入 被 测流 体 压 力 ， 在 此 压 力 作 用 下 ， 膜 盒 硬 中 心 产 生 位 移 ， 推 动 连 杆 上 移 ， 使 曲 柄 轴 带 动 电 刷 在 电位 器 电 阻 丝 上 滑 动 ， 同 样 输 出 一 与 被 测 压 力 成 正 比 的 电 压 信 号 。,上一页,返回,. 电 阻 应 变 式 传 感 器,电 阻 应 变 式 传 感

9、 器 是 利 用 导 体 或 半 导 体 材 料 的 应 变 效 应 制 成 的 一 种 测 量 器 件 ， 用 于 测 量微 小 的 机 械 变 化 量 ， 在 结 构 强 度 实 验 中 ， 它 是 测 量 应 变 的 最 主 要 手 段 ， 也 是 目 前 测 量 应 力 、应 变 、 力 矩 、 压 力 、 加 速 度 等 物 理 量 应 用 最 广 泛 的 传 感 器 之 一 。 . 应变片的工作原理 导 体 或 半 导 体 材 料 在 外 界 作 用 下 （ 如 压 力 等 ） ， 会 产 生 机 械 变 形 ， 其 电 阻 值 也 将 随 着 发生 变 化 ， 这 种 现 象 称

10、 为 应 变 效 应 。 如 图 所 示 ， 以 金 属 丝 应 变 片 为 例 分 析 这 种应 变 效 应 。,下一页,返回,. 电 阻 应 变 式 传 感 器,金 属 丝 应 变 片 的 电 阻 可 表 示 为 实 验 证 明 ， 电 阻 丝 及 应 变 片 的 电 阻 相 对 变 化 量 与 材 料 力 学 中 的 轴 向 应 变 的 关系 在 很 大 范 围 内 是 线 性 的 ， 即,上一页,下一页,返回,. 电 阻 应 变 式 传 感 器,. 电阻应变片的种类与粘贴 .应 变 片 的 类 型 常 用 的 应 变 片 有 两 大 类 ： 一 类 是 金 属 电 阻 应 变 片 ，

11、另 一 类 是 半 导 体 应 变 片 。 （ ） 金 属 电 阻 应 变 片 金 属 电 阻 应 变 片 有 丝 式 应 变 片 和 箔 式 应 变 片 等 。 丝 式 应 变 片 结 构 如 图 所 示 。 它 是用 一 根 金 属 细 丝 按 图 所 示 形 状 弯 曲 后 用 胶 黏 剂 贴 于 衬 底 （ 用 纸 或 有 机 聚 合 物 薄 膜 等 材料 制 成 ） ， 电 阻 丝 两 端 焊 有 引 出 线 ， 电 阻 丝 直 径 为 . . 。,上一页,下一页,返回,. 电 阻 应 变 式 传 感 器,箔 式 电 阻 应 变 片 的 结 构 如 图 所 示 ， 是 用 光 刻 、

12、 腐 蚀 等 工 艺 方 法 制 成 的 一 种 很 薄 的金 属 箔 栅 ， 箔 的 厚 度 一 般 在 . . ， 它 的 优 点 是 表 面 积 和 截 面 积 之 比 大 ， 散 热 条件 好 ， 故 允 许 通 过 较 大 的 电 流 ， 并 可 做 成 任 意 形 状 ， 便 于 大 量 生 产 。 由 于 上 述 一 系 列 优 点 ，所 以 使 用 范 围 日 益 广 泛 ， 有 逐 渐 取 代 丝 式 应 变 片 的 趋 势 。,上一页,下一页,返回,. 电 阻 应 变 式 传 感 器,（ ） 半 导 体 应 变 片 半 导 体 应 变 片 的 结 构 如 图 所 示 。 它

13、 的 使 用 方法 与 电 阻 丝 式 相 同 ， 即 粘 贴 在 被 测 物 上 ， 随 被 测 物 的 应变 ， 其 电 阻 发 生 相 应 变 化 。半 导 体 应 变 片 的 工 作 原 理 是 基 于 半 导 体 材 料 的 压 阻效 应 。 所 谓 压 阻 效 应 是 指 单 晶 半 导 体 材 料 ， 沿 某 一 轴 向受 到 外 力 作 用 时 ， 其 电 阻 率 发 生 变 化 的 现 象 。 半 导 体 应变 片 的 主 要 优 点 是 灵 敏 度 高 （ 灵 敏 度 比 金 属 丝 式 、 箔 式大 几 十 倍 ） ， 主 要 缺 点 是 灵 敏 度 的 一 致 性 差

14、、 温 漂 大 ， 电 阻 与 应 变 间 非 线 性 严 重 。 在 使 用 时 ，需 采 用 温 度 补 偿 及 非 线 性 补 偿 措 施 。 表 给 出 了 电 阻 应 变 片 几 种 常 用 金 属 材 料 的 性 能 。,上一页,下一页,返回,. 电 阻 应 变 式 传 感 器,.应 变 片 的 粘 贴 应 变 片 的 粘 贴 是 应 变 测 量 的 关 键 之 一 ， 它 涉 及 被 测 表 面 的 变 形 能 否 正 确 地 传 递 给 应 变片 。 粘 贴 所 用 的 黏 合 剂 必 须 与 应 变 片 材 料 和 试 件 材 料 相 适 应 ， 并 要 遵 循 正 确 的

15、粘 贴 工 艺 。 粘贴 工 艺 如 下 ： （ ） 试 件 的 表 面 处 理 为 了 保 证 一 定 的 黏 合 强 度 ， 必 须 将 试 件 表 面 处 理 干 净 ， 清 除 杂 质 、 油 污 及 表 面 氧 化 层等 。 粘 贴 表 面 应 保 持 平 整 ， 表 面 光 滑 ， 最 好 在 表 面 打 光 后 ， 采 用 喷 砂 处 理 ， 面 积 为 应 变 片 的 倍 。,上一页,下一页,返回,. 电 阻 应 变 式 传 感 器,（ ） 确 定 贴 片 位 置 在 应 变 片 上 标 出 敏 感 栅 的 纵 、 横 向 中 心 线 ， 在 试 件 上 按 照 测 量 要 求 画 出 中 心 线 。 精 密 的可 以 用 光 学 投 影 方 法 来 确 定 贴 片 位 置 。 （ ） 粘 贴 首 先 用 甲 苯 、 四 氢 化 碳 等 溶 剂 清 洗 试 件 表 面 。 如 果 条 件 允 许 ， 也 可 采 用 超 声 波 清 洗 。 应变 片 的 底 面 也 要 用 溶 剂 清 洗 干 净 ， 然 后 在 试 件 表 面 和 应 变 片 的 底 面 各 涂 一 层 薄 而 均 匀 的 胶 水等 。 贴 片 后 ， 在 应 变 片 上 盖 上 一 张 聚 乙 烯