检测技术及仪表电阻传感器 第二章汇编

《检测技术及仪表电阻传感器 第二章汇编》由会员分享，可在线阅读，更多相关《检测技术及仪表电阻传感器 第二章汇编（120页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章 电阻传感器 本章学习电阻式传感器的原理及应用， 包括：电位器、电阻应变片、测温热电阻、 气敏电阻及湿敏电阻等。 第二章 电阻传感器 第三节 气敏电阻传感器 第二节 测温热电阻传感器 第一节 电阻应变传感器 第四节 湿敏电阻传感器 1.1 工作原理 1.2 应变片的结构、种类、技术指标及粘贴 1.3 应变式传感器的测量电路 1.4 应变式传感器的应用 第一节 电阻应变传感器 1.1 工作原理 1.2 应变片的结构、种类、技术指标及粘贴 1.3 应变式传感器的测量电路 1.4 应变式传感器测量电路的温度补偿 1.5 应变式传感器的应用 第一节 电阻应变传感器 1.1 工作原理 应变效应：金

2、属导体或半导体在受到外力作用时 ，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化 。 金属导体或半导体的电阻与其电阻率及几 何尺寸（长度、面积）有关，当其受到外力作用 时，这些参数发生变化，因而引起电阻的变化， 进而引起电流的变化。 电阻应变片的工作原理是基于应变效应。 图2-1 金属电阻丝应变效应 1.1 工作原理 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，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d， 从而引起电阻值相对变化量为 （2-1） 式中：dL/L长度相对变化量，用应变表示为 （2-2） 1.1 工作原理 dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半 径，微

3、分后可得 dA = 2rdr，则 （2-3） 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，令dL/L =为金属电阻丝的轴向应变， 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为 式中, 为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。 （2-4） 式2-1变为: （2-5） 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 （2-6） 应变效应 压阻效应 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/）/。 对金属材料来说，

4、电阻丝灵敏系数表达式中1+2的值要比 (d/)/大得多; 而半导体材料的(d/)/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。可以表示为R/R=K。K为为应变应变 片 的灵敏度。 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。压阻效应是指半 导体材料当某一轴向受外力作用时， 其电阻率发 生变化的现象。 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。 由材料力学可知：=F/(AE) 即 其中：K是应变片的灵敏度，A为试件的横截面积

5、， E为试件的弹性模量。 如果AE已知，应变片灵敏度已知，则测出 R/R值，即可得到测试件受力大小。 第一节 电阻应变传感器 1.1 工作原理 1.2 应变片的结构、种类、技术指标及粘贴 1.3 应变式传感器的测量电路 1.4 应变式传感器测量电路的温度补偿 1.5 应变式传感器的应用 图1 金属电阻应变片的结构 一、结构 1.2 应变片的结构、种类、技术指标及粘贴 （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。 （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

6、感栅。 一、结构 （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。 一、结构 金属电阻应变片：丝式、箔式和薄膜式三种。 （1）丝式应变片是将金属丝按图示形状弯曲后 用粘合剂贴在衬底上而成,使用时只要将应变片贴 于弹性体上就可构成应变式传感器。 二、种类 常用应变片一（丝式）常用应变片一（丝式） （2）箔式应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工 艺制成。箔栅厚度一般在0.003-0.01mm之间。箔式 应变片与丝式应变片比较其面积大，散热性好，允 许通过较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较

7、 好的可绕性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以 根据需要制成任意形状，适合批量生产。 二、种类 常用应变片二（箔式）常用应变片二（箔式） 箔式应变片箔式应变片 原理： 它是利用光刻腐蚀法将电 阻箔材在绝缘基底上制成各种 图形的应变片； 优点： 敏感栅尺寸准确，线条均 匀； 其弯头横向效应可以忽略 ； 可通过较大的电流； 散热性好，寿命长； 生产效率高； 箔式应变片的外形 （3）金属薄膜应变片 采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基 底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。 这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大， 工作温度范围较广。 二、种类 三、技术指标 1000(110%

8、) 120(110%) 140(15%) 120(15%) 40 40 1. 去污：采用手持砂 轮工具除去构件表面 的油污、漆、锈斑等 ，并用细纱布交叉打 磨出细纹以增加粘贴 力 ，用浸有酒精或丙 酮的纱布片或脱脂棉 球擦洗。 四、粘贴 2.贴片：在应变片的 表面和处理过的粘贴 表面上，各涂一层均 匀的粘贴胶 ，用镊 子将应变片放上去， 并调好位置，然后盖 上塑料薄膜，用手指 揉和滚压，排出下面 的气泡 。 四、粘贴 3.测量 ：从分开的 端子处，预先用万 用表测量应变片的 电阻，发现端子折 断和坏的应变片。 四、粘贴 四、粘贴 4.焊接：将引线和 端子用烙铁焊接起 来，注意不要把端 子扯断。

9、 四、粘贴 5.固定：焊接后 用胶布将引线和 被测对象固定在 一起，防止损坏 引线和应变片。 第一节 电阻应变传感器 1.1 工作原理 1.2 应变片的结构、种类、技术指标及粘贴 1.3 应变式传感器的测量电路 1.4 应变式传感器测量电路的温度补偿 1.5 应变式传感器的应用 例：金属箔式应变片的标称阻值R0为100，灵敏 度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上 ，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t， 受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为0.2。 可知电阻变化范围很小，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。 1.3 应变式传感器的测量电

10、路 G（被测量） 弹性体形变 电阻应变片形变 应变片电阻（R）变化 1.3 应变式传感器的测量电路 应变片电阻（R）变化一般比较小（欧姆表不易测 ） 通过测量电路，将电阻的变化转换为电压输出 测量电路采用桥式测量转换电路 1.3 应变式传感器的测量电路 图2 桥式测量转换电路图 Ui R1 R4 R2 R3 U0 Ui为电源电压（供桥电压） U0为桥路输出电压 R1、R2、R3、R4为桥臂电阻 根据电工学知识可得出开路 电压U0为： （2-1） （2-2） （2-3） 由公式（2-2）可以看出，当 时电桥 平衡，此时电桥输出 。 一个桥臂是应变片一个桥臂是应变片 单臂 二个桥臂是应变片二个桥臂

11、是应变片 半桥 四个桥臂均是应变片四个桥臂均是应变片 全桥 单臂1 图3 单臂测量电路图 图中R1为应变片，其余 为固定电阻。应变片未受力 时R1=R2=R3=R4=R，即电桥 处于平衡状态（U0=0）。当 应变片受力后，根据公式 （2-3）可得输出电压U0为： R1 R4 R2 R3 （2-4） 半桥2 R1 R3 R2 R4 图4 半桥测量电路图 （2-5） 图中R1和R2为应变片， 其余为固定电阻。 R1受拉， R2受压，即根据公式（2-3） 可得输出电压U0为： 全桥3 图中R1 、R2 、R3 和R4均 为应变片，邻臂异性，对臂 同性，根据公式（2-3）可 得出全桥的输出电压U0为：

12、 （2-6） R1 R4 R2 R3 图5 全桥测量电路图 总结4 四个桥臂均用应变片：邻臂异性，对臂同性。 减小了非线性误差，灵敏度是单臂的4倍。 全桥 两个桥臂用应变片：邻臂异性。 减小了非线性误差，灵敏度是单臂的2倍。 半桥 半桥 单臂 只有一个桥臂用应变片，其余三个是固定电阻。 存在非线性误差。 总结4 由式（2-3）： 应变片灵敏度： 得： 当R1=R2=R3=R4=R，且1= -2 = 3 = -4时， 第一节 电阻应变传感器 1.1 工作原理 1.2 应变片的结构、种类、技术指标及粘贴 1.3 应变式传感器的测量电路 1.4 应变式传感器测量电路的温度补偿 1.5 应变式传感器的

13、应用 1.4 应变式传感器测量电路的温度补偿 1.单臂电桥测量电路 2.半桥测量电路 3.全桥测量电路 第一节 电阻应变传感器 1.1 工作原理 1.2 应变片的结构、种类、技术指标及粘贴 1.3 应变式传感器的测量电路 1.4 应变式传感器测量电路的温度补偿 1.5 应变式传感器的应用 1. 应变式力传感器 被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力 传感器。其主要用途是作为各种电子秤与材料试验机的测力元件 、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在 受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的 影响。 1.5

14、应变式传感器的应用 应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件， 利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等） 转换为弹性体的应变值； 另一个是应变片，作为转换元件将应变转换为电阻 的变化。 u柱式力传感器 u梁式力传感器 u应变式加速度传感器 柱式力传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。 柱式力传感器 -2 +1 截面积S F F F 面积S -1 +2 b）a） 在轴向布置一个或几个应变片， 在圆周方向布置同样数目的应变 片，后者取符号相反的横向应变 ，从而构成了差动对。 荷重传感器原理演示 荷重传感器 上的应变片在 重力作用下产 生变形。轴向 变短，径向变 长。 汽车衡

15、称重 汽车衡称重系统 梁式力传感器 等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂 梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁 长为L，粱厚为h。 L R1 R3 R2 R4 x F h b 等强度梁弹性元件 b0 力F作用于梁端三 角形顶点上，梁内各 断面产生的应力相等 。 2. 应变式加速度传感器 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其基本 工作原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比， 与物体的质量成反比，即a = F/m。 案例：电子秤 原理 将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。 远距离 显示 案例：机器人握力测量 电子秤 磅秤 超市打印秤 远距离 显示 电子天平 人体秤 吊钩秤 便携式 第二章 电阻传感器 第三节 气敏电阻传感器 第二节 测温热电阻传感器 第一节 电阻应变传感器 第四节 湿敏电阻传感器 一、金属热电阻(Thermal Resistance) 温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧， 从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻 碍增大