传感器与检测技术第二章

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1、第2章 电阻式传感器第2章 电阻式传感器Date第2章 电阻式传感器2.2 热电阻式传感器22.1 电阻应变式传感器12.3 气敏电阻式传感器32.4 湿敏电阻式传感器42.5 电阻式传感器的应用5Date第2章 电阻式传感器知识目标： （1）了解电阻应变片的结构和特性，掌握电阻式传 感器的工作原理。 （2）掌握电阻应变式传感器的测量转换电路。 （3）熟悉电阻式传感器在工程上的应用。教学目标技能目标： （1）能够根据检测要求选择合适的电阻式传感器。 （2）能够根据被测信号的特点设计出简单合理的传 感器检测电路。 （3）能够正确维护常用电子检测设备。 Date第2章 电阻式传感器情感目标： （1

2、）养成良好的工作责任心、坚强的意志力和严谨 的工作作风。 （2）培养良好的合作精神、创新精神和竞争意识。教学重难点教学重点：电阻式传感器的工作原理和应用。教学难点： 电阻式传感器的测量电路。Date第2章 电阻式传感器电阻式传感器是一种指将各种被测非电 量（如力、位移、形变、速度和加速度 等）的变化量，转换成与其有一定关系 的电阻的变化，通过对电阻的测量达到 测量非电量的目的的传感器。 电阻式传感器包括电阻应变式传感器、 热电阻式传感器、气敏电阻式传感器和 湿敏电阻式传感器等几种。电阻式传感器Date第2章 电阻式传感器2.1 电电阻应变应变 式传传感器电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转

3、换电路 等组成。应变效应：导体或半导体材料在外力作用下会产生机械变形，其 电发生变化的现象称为应变效应。Date第2章 电阻式传感器2.1.1电阻应变式传感器的工作原理金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。Date第2章 电阻式传感器2.1.2 电电阻应变应变 片的类类型结结构、粘贴贴与特性应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分 成金属丝式、金属箔式、金属薄膜式三种。目前箔式应变片 应用较多。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，有逐渐被箔 式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批 量、一次性试验。金 属 应 变

4、片金属丝式金属箔式金属薄膜式Date第2章 电阻式传感器1.电阻应变片的类型结构Date第2章 电阻式传感器10金属箔式应变片 是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其横向部分 特别粗，可大大减小横向效应，且敏感栅的粘贴面积大，能更好地 随同被测物体变形。此外，与金属丝式应变片相比，它还具有散热 条件好，允许通过的电流较大，可根据使用要求制成各种形状，便 于批量生产等优点，所以其使用范围日益扩大，已逐渐取代金属丝 式应变片。Date第2章 电阻式传感器箔式应变片的外形Date第2章 电阻式传感器金属薄膜式应变片 金属薄膜式应变片是采用真空蒸发或真空 沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.

5、1 m 以下的金属电阻薄膜的敏感栅，其加上保 护层。它的优点是应变灵敏度高、允许电 流密度大、工作范围广。Date第2章 电阻式传感器半导导体应变应变 片 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。所谓压阻效应是指半导体材料在某一 轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。它的突出优 点是灵敏度高、尺寸小、横向效应小、动态响应好。但它有 温度系数大，应变时非线性关系比较严重等缺点。Date第2章 电阻式传感器1）电阻应变片的检查 电阻应变片的检查包括外观检查和电阻检查。 （1）外观检查。检查敏感栅排列是否整齐、均匀、破损，引出线是 否焊接牢固等。 （2）电阻检查

6、。电阻检查要精确到0.05。2.电阻应变片的粘贴2）被测物体的表面处理 为了保证一定的黏合强度 ，须将被测物体表面处理 干净，清除杂质、油污和 表面氧化层。粘贴表面应 保持平整、光滑。粘贴表 面面积约为应变片的35 倍。Date第2章 电阻式传感器3）确定贴贴片位置 可用笔在被测物体表面划出定位线，粘贴时应使电阻应变片中心线 与定位线对准。精密要求较高时，可以用光学投影的方法来确定贴 片位置。4）粘贴应变贴应变 片： 首先用甲苯、丙酮酮等溶剂剂清洗 被测测物体表面，然后在清洗过过 的表面上均匀地涂一薄层层黏合 剂剂作底层层。待其晾干后，再在 此底层层和电电阻应变应变 片基片的底 面（也要先用溶

7、剂剂清洗)各涂一 层层薄而均匀的黏合剂剂，待稍干 后将电电阻应变应变 片贴贴在划线处线处 ，在电电阻应变应变 片上放一张张玻璃 纸纸，用手指按压压，将多余的黏 合剂剂和气泡挤挤出。Date第2章 电阻式传感器5）黏合剂剂的固化处处理 粘贴好电阻应变片后，根据所使用黏合剂的固化工艺要求进行固化 处理。6）粘贴质贴质 量检查检查 ： 检查检查 粘贴贴位置是否正确，黏合 层层是否有气泡和漏贴贴，敏感栅栅 是否有短路和断路现现象，以及 敏感栅绝缘栅绝缘 性能是否良好等。Date第2章 电阻式传感器7）引出线线的焊焊接与防护护： 将引线线和端子用烙铁焊铁焊 接 起来，注意不要把端子扯 断。电电阻应变应变

8、 片的引出线线 最好采用中间连间连 接片引出 ，并加以固定。为为保证电证电 阻应变应变 片工作的长长 期稳稳定性，应应采取防潮措施， 如在电电阻应变应变 片及其引线线上涂 以石蜡、环环氧树树脂等防护层护层 。 Date第2章 电阻式传感器3.电电阻应变应变 片的特性1）电电阻应变应变 片的横向效应应 敏感栅是由N条长度为l的直线段和直线段端部的（N-1）个半径为r的半圆圆弧 组成的，若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变 时，则各直线段的电阻 将增加，但半圆则受到从 到 之间变化的应变，其电阻的变化将小于沿轴向 安放的同样长度电阻丝电阻的变化，因而将直的电阻丝绕成敏感栅后，虽然长 度不变，应变

9、状态相同，但由于电阻应变片敏感栅的电阻变化减小，因而其灵 敏度较整个电阻丝的灵敏度要小，这种现象称为电阻应变片的横向效应。Date第2章 电阻式传感器（a） （b）图2-4 电阻应变片的轴向受力图及横向效应图为了减小电阻应变片横向效应产生的测量误差，现在一般多采用金属箔式应变 片。Date第2章 电阻式传感器2）电阻应变片的初始电阻电阻应变片未粘贴时，在室温下所测得的电阻称为电阻 应变片的初始电阻，用符号R0表示。R0越大，其允许的工作电压也越大，有利于灵敏度的提 高。R0常用的有60、120、250、350和1000等，其 中以120最为常用。 Date第2章 电阻式传感器2.1.3 电电阻

10、应变应变 式传传感器的测测量转换电转换电 路Date第2章 电阻式传感器电桥电桥 平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3 调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平 衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图 中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。 Date第2章 电阻式传感器 Ri R时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出 电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者 之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为 两者之差。 电桥供电电压U越高

11、，输出电压U0越大。但是，当U大时，电阻应 变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流 ，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。Date第2章 电阻式传感器全桥四臂工作方式的灵 敏度最高，双臂半桥次 之，单臂半桥灵敏度最 低。Date第2章 电阻式传感器R1、 R2为受力应变片， R3、R4为固定电阻 。应 变片R1 、R2 感受到的应 变12以及产生的电阻 增量正负号相间，可以 使输出电压Uo成倍地增 大。双臂电桥Date第2章 电阻式传感器U0R1R1R4R3UR2R2 R1R2F电桥灵敏度比单臂时提高一倍温度补偿作用Date第2章

12、 电阻式传感器四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应 变片R1 R4产生的电阻增量（或感受到的应变14）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂电桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。Date第2章 电阻式传感器U0R1R1UR2R2R4R4R3R3电桥电桥 灵敏度是单单臂时时的四倍 温度补偿补偿 作用Date第2章 电阻式传感器单臂电桥时实际输出 与电阻变化值及应变之间存在 一定的非线性关系 。对于半桥工作方式和全桥工作方式，两应变片处于 差分工作状态，即一个应变片感受正应变，另一个

13、应 变片感受负应变，经推导可证明理论上不存在非线性 关系。采用恒流源作为桥路电源也能减小非线性误差。 Date第2章 电阻式传感器电阻应变片的温度误差及补偿（1）产生温度误差的原因。 因环境温度改变而引起电阻变化主要有两个因素：其一是电阻应变片的 电阻丝具有一定温度系数；其二是电阻丝材料与被测物体的线膨胀系数 不同。 ：敏感栅材料的电阻温度系数:分别为电阻丝和被测物体线膨胀系数Date第2章 电阻式传感器（2）温度补偿方法。 线路补偿法。电桥补偿法是最常用的且效果较好的线路补偿法。 Date第2章 电阻式传感器电桥的输出电压仅与被测物体的应变有关，而与环境温度无关。 若要实现完全补偿，上述分析

14、过程必须满足以下三个条件： i）两个应变片应具有相同的电阻温度系数、膨胀系数、灵敏度和初始 电阻。 ii）黏贴补偿应变片的补偿块材料和黏贴工作应变片的被测物体材料必须 一样，两者的膨胀系数必须相同。 iii）两个应变片应处于同一温度场中。Date第2章 电阻式传感器全桥的温度补偿原理当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样 能克服温漂。 Date第2章 电阻式传感器电阻应变片的自补偿法。 当温度发生变化时，电阻应变片自身的阻值为零，这种 特殊的电阻应变片称为自补偿电阻应变片。由式(2-12)可知，欲使 不受t的影响

15、，需满 足Date第2章 电阻式传感器电阻应变式传感器的应用1.应变式荷重传感器Date第2章 电阻式传感器应变片在等截面圆柱展开图上的位置 Date第2章 电阻式传感器应变式荷重传感器外形及受力位置Date第2章 电阻式传感器FFDate第2章 电阻式传感器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。Date第2章 电阻式传感器汽车衡Date第2章 电阻式传感器汽车衡称重系统Date第2章 电阻式传感器2.应变式加速度传感器图2-22 应变式加速度传感器的结构 1惯性质量块； 2悬臂梁； 3腔体； 4应变片； 5壳体Date第2章 电阻式传感器压阻式

16、固态压力传感器利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一 致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。 （a）结构原理图 （b）电阻分布图图2-24 压阻式压力传感器的结构 1低压腔； 2高压腔； 3硅杯； 4引线； 5硅膜片Date第2章 电阻式传感器Date第2章 电阻式传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器Date第2章 电阻式传感器小型压阻式固态压力传感器呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管p2进气管固态压力传感器Date第2章 电阻式传感器小型压阻式固态压力传感器表压压力传感器p1进气管Date第2章 电阻式传感器2.2 热电热电 阻式传传