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1、力、转矩和压力传感器,导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。 电阻应变传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。,一、电阻应变式测力传感器,我们先来做一个实验。当我们用力拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加，直径略有减小，从而导致电阻值R变大。在我们这个实验中，电阻丝的阻值从初始状态的10.00增大到10.05，如图2-4所示。,导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。在工业中，将试材受力后所产生的长度相对变化量xl/l，称为纵向应变。,（一）、应变原理演示,金属丝受拉时，l变长
2、、r变小，导致R变大 。,（二）、应变片的工作原理,设有一长度为、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为,K电阻应变片的灵敏度,当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。 当金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大； 某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。 电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即,微应变(),对于不同的金属材料，K 略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。,在材料力
3、学中，x =l/l称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变。 x通常很小。例如，当 x为0.000001（ 10-6 ）时，在工程中常表示为1m/m或1微应变(1)。 对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致非线性或断裂。,应变片用于测量力F的计算公式,由材料力学可知，x=F /(AE)，所以R /R又可表示为,如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面积A以及弹性模量均为已知，则只要设法测出R /R的数值，即可获知试件受力的大小，可用于电子秤的称重和测量拉力等。,应变片的应用,将应变片粘贴在斜拉绳表面，可测量斜拉绳所受的拉力
4、,应变片可用于电子秤,（三）、应变片的种类与结构,应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。 金属丝式应变片，金属丝易脱胶，逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便宜，多用于大批量、一次性试验。 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，目前广泛用于各种应变式传感器中。,金属丝式应变片的结构,半导体应变片,半导体应变片的主要优点是灵敏度高；缺点是：灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。 在使用时，需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补偿措施。,箔式应变片的外形,应变片主要性能指标举例,上
5、表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？,应变片的粘贴： 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。,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 。,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。,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。,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。,（四）、应变效
6、应的应用,电阻应变片的应用可分为两大类：第一类：是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体。转换元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类：是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,应变式力传感器,S型力传感器,F,F,F,F,各种悬臂梁,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,
7、荷重传感器原理演示,贴在荷重传感器表面的应变片在向下力的作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,汽车衡,测量装货量或判断超载,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,人体秤,吊钩秤,便携式,电子秤中的各类弹性元件,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,2017/11/13,33,五、测量转换电路不平衡电桥,金属应变片的电阻变化范围很小，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。 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。
8、所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量，将R /R转换为输出电压Uo。,2017/11/13,34,什么是电桥,不平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成一个四边形的回路，每一边称作电桥的“桥臂”。有4个结点。在a、c结点之间接入电源Ui，而另一对结点(b、d)之间的电压差作为输出电压端Uo 。b、d的对地电压相等时称作“电桥平衡”；反之，称作“电桥不平衡”。 电桥平衡的条件是：上下桥臂的左右位置电阻比例相等。,2017/11/13,35,测量转换电路不平衡电桥,由电工学可知：若桥路4个桥臂相邻电阻的电阻值变化趋势相反，桥路的输出电压反而相互叠加。,2017/11/13,36,电桥平
9、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。,2017/11/13,37,单臂电桥,单臂半桥的灵敏度最低。,计算公式,2017/11/13,38,双臂电桥,R1、 R2为应变片， R3、R4为固定电阻 。应变片R1 、R2 感受到的应变1、2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。,2017/11/13,39,四臂全桥,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
10、出电压Uo成倍地增大。,上述三种工作方式中，哪一种灵敏度最高? 哪一种灵敏度最低?,2017/11/13,40,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，所以全桥的温漂最小。,采用全桥（或双臂半桥）能实现温度自补偿。,2017/11/13,41,2017/11/13,42,2017/11/13,43,应变式数显扭矩扳手,数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺栓的装配扭矩。量程2500Nm，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,2017/11/13,45,应
11、变式数显扭矩扳手（续）,压阻式固态压力传感器 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。,压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片,隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。,压阻式固态 压力传感器 内部结构,信号处理电路,p,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,小型压阻式固态差压传感器（续）,可用于呼吸、透析和注射泵等设备,p1进气管,p2进气管,电缆引出,小型压阻式固态压力传感器（续）,表压压力传感器,p1进气管,汽车子午线轮胎胎压的测量,子午线轮胎,汽车胎压传感器的安装,投入式液位计,压
12、阻式固态压力传感器的p1进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力。硅杯不与液体相通，耐腐蚀。,投入式液位计外形（续）,压阻式固态压力传感器,与水位成正比的光柱,橡胶 背压管,进水孔,投入式液位传感器,投入式液位传感器必须使用安装支架，适应于深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他液体的液位测量。,投入式液位计液位的计算： 安装高度h0处水的表压 p1=gh1,所以： h=h0+h1=h0+p1 /（g）,例：液位计安装高度为1m，测得压力为98kPa，求水的深度h。,与计算机接口的多路电阻应变测量模块,第三节 测温热电阻传感器,一、金属热电阻,温度升高，金属内部原
13、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，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,测温热电阻可分为金属和半导体两大类。,金属丝电阻随温度增高而变大的演示,我们先来做一个实验。当我们用力拉电阻丝时，电阻丝的长度略有增加，直径略有减小，从而导致电阻值R变大。在我们这个实验中，电阻丝的阻值从初始状态的10.00增大到10.05，如图2-4所示。,超导现象,1911年，荷兰物理学家昂内斯（Kamerlingh Onnes）在用液氦将汞的温度降到4.2K时，,发现汞的电阻降为零。昂内斯将这种现象称为物质的超导性。后来昂内斯和其他
14、科学家陆续发现了其他一些金属也是超导体。昂内斯因为这项重大发现而获得1913年的诺贝尔物理学奖。,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,请挑选适合于制作热电阻的金属材料,金属热电阻材料的主要技术性能,薄膜式及装配式铂热电阻,小型铂热电阻,防爆型铂热电阻,坚实的外壳起“隔爆”作用,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,学习查“铂热电阻分度表”,请判断铂热电阻是否线性,铂电阻温度显示、变送器,上下限设定键,上限,下限,上上限,下下限,测量值,可设定温度的温度控制箱,旋转式机械 设定开关,拨码式 设定开关,哪一种更适合车间使用？,二、热敏电阻,热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC
15、）之分。 NTC又可分为两大类： 第一类的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系，因此可用于测量温度：,第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降 ，可用于控制温度 。,热敏电阻的外形、结构及符号,a）圆片型热敏电阻 b）柱型热敏电阻 c）珠型热敏电阻 d）铠装型 e）厚膜型 f）图形符号1热敏电阻 2玻璃外壳 3引出线 4紫铜外壳 5传热安装孔,PTC热敏电阻,PTC热敏电阻属于临界温度型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降，可用于各种电子电路中抑制浪涌电流。大功率PTC还可用作暖风机中的加热元件。,恒温加热PTC热敏电阻,下图所示的恒温加热PTC热敏电阻的温度将恒定在多少度范围？为什么？,加热电流约为多少A？,将暖风机的“风量”加大后，PTC的温度为什么不会下降？加热功率如何变化？,下图所示的四根曲线分别为哪一种热敏电阻？,热敏电阻的特性曲线如下图2，计算公式如下， R01M， T025，B=4000,求100 时的电阻值,解：T=273+100=373K（开氏）,结论：100 时的阻值只有25 时的1/15 。,
