《检测技术 教学课件 ppt 作者 卜云峰 主编 第二章：电阻传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《检测技术 教学课件 ppt 作者 卜云峰 主编 第二章：电阻传感器（56页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1,第二章 电阻传感器,本章学习电阻式（电阻应变式）传感器的原理及应用。,2,第一节 电阻应变式传感器,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。 电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。,电阻应变式传感器有下列优点： 1.精确度，线性度好，灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小，寿命高 3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测 4.结构较简单，体积较小应用灵活 5.工作稳定、保养方便 应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速度，振幅等其他物理量。,3,一、工作原理应变片的工作原理,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。
2、,4,二、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 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。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。 实验证明，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,K电阻应变片的灵敏度,5,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。,在材料力学中
3、，x =/称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。 x通常很小，常用10-6表示之。例如，当 x为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变()。 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断裂。,6,三、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，例如可用于电子秤的称重。,7,应变式传感器是利用金属
4、的电阻应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。 一、电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化。 取一根长度为L，截面积为S，电阻率为 的金属丝，未受力时其电阻R为,8,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（取负号）, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变, 故引起电阻值相对变化量为,式中L/L是长度相对变化量, 用应变表示,A/A为电阻丝的截面积相对变化量, 因,9,由材料力学, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,式中: 材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。 材料的应变, 以
5、取代 和 ，得,10, 从上式中提出 ，得, 材料的灵敏度系数K0取决于两个因素 （1）材料几何尺寸的改变。见上式中的 项。 （2）应变引起的电阻率改变。见上式中的 项 结论：金属材料的 主要受前者影响；非金属材料主要受后者影响！,K0为灵敏度系数-单位应变能引起的电阻变化。,11,三、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。前者可分成金属丝式、箔式、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。 箔式应变片中的箔栅是金
6、属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。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，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。,12,箔式应变片的外形,13,半导体应变片及金属丝式应变片的结构,半导体应变片外形,金属丝式应变片的内部结构,14,应变片主要性能指标举例,上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？,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
7、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。,15,1. 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、应变片的粘贴技术,16,2.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 。,17,3.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。,18,4.焊接： 将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,19,5.固定： 焊
8、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。,20,第二节 测量转换电路及补偿,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。 例如，有一金属箔式应变片，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=？，,仅仅0.2 所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R /R转换为输出电压Uo的。,21,作用：将电阻的变化转换为电压输出。 (一) 直流电桥 空载电压：,直流电源U,输
9、出 电 压,R,输出等效电阻：,直流电桥,交流电桥,直流电桥平衡条件：,电桥,22,等臂电桥 输出对称电桥 电源对称电桥,23,1.直流电桥的电流输出 如果直流电桥带一个具有内阻Rg的负载,将输出电流Ig. 电流输出电路及其等效电路:,(E=U0),24,由等效电路可求得Ig、Ug的一般表达式:,*当阻抗匹配即Rg=R时,Ig、Ug表达式可简化为:,25,设R1为应变电阻，当电阻增加R时，由Ig简化算式：,得输出电流为：,即,（2）阻抗匹配的电源对称电桥，也有,（1）阻抗匹配的输出对称电桥,（3）阻抗匹配的等臂电桥，有,26,2.直流电桥的电压输出,如果直流电桥输出带运算放大器，负载电阻Rg,
10、输出电流Ig0，输出电压即可认为是电桥电路的开路电压：,对于输出对称电桥（右图）,即,对于电源对称电桥,对于等臂电桥,27,直流电桥实用电路-等臂电桥全桥工作电路,特征：四个电阻相同 四个电阻全为应变电阻 （两个被拉长，两个被压短）,与单臂应变相比，灵敏度扩大4倍！,28,(二) 交流电桥,交流电桥采用正弦交流电源U，电源频率取被测应变频率的510倍。 各桥臂采用应变片或定值精密无感电阻。 在频率较高时，必须考虑分布电容的影响。 如：,等。,29,设正弦交流电源,则输出交流电压,交流电桥平衡条件：,或,30,（1）等臂电桥单臂应变情况下,（2）等臂电桥双臂应变情况下,31,(三) 电桥的线路补
11、偿,（1）初始平衡补偿 对平衡位置（零点）的改变进行的补偿。 如果某一对桥臂电阻的乘积较小，可对这两个电阻中的任一个串联小的补偿电阻进行补偿，以满足电桥的初始平衡条件。,补偿电阻,32,（2）温度补偿,a.补偿片补偿,b.热敏电阻补偿,如图中R2、R4桥臂的总温度系数低, 可采用高温度系数的RT进行补偿,33,（3）弹性模量补偿,弹性材料受环境影响，如升温变软，弹性模量减小；老化变硬，弹性模量增大等。 对于升温变软，可采用铜丝或镍丝制成补偿电阻RE进行补偿。,分析：当弹性材料升温变软，同样受力引起的应变增大，测量电路输出会增大。 加上RE之后，由于RE升温增大，电桥电路供电电压减小，补偿了升温
12、引起的输出增大。,34,第三节 应变效应的应用,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。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，传感元件就是应变片，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。,35,应变式力传感器,应变式力传感器,F,F,F,F,36,各种悬臂梁,37,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,38,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,应变
13、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,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。,43,汽车衡,44,汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 ）,汽车衡称重系统,荷重传感器用于构件的称重,荷重传感器 （共 3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）,底座,垫块,电缆,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,吊钩秤,便携式,应变式数显扭矩扳手,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，
14、准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,52,电阻应变仪,下图所示的静态应变仪测量范围：19999； 分辨率： 1；电桥电压：直流2.5V； 应变片：120或其他阻值； 测量点数：8/16点；,53,电阻应变仪（续）,右图所示的静动态 应变仪技术指标： 量程：110000 频率范围：0-150kHz 平衡方式：手动 精度：0.3% 零点飘移： - /：0.1 - /24小时：0.5 灵敏度变化： - /：0.05% - /24小时：0.3% 信噪比：52dB,（参考东方振动和噪声技术研究所资料）,54,电阻应变仪（续）,接线端子,55,与计算机接口的多路电阻应变测量模块,56,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,
