电阻传感器(应变片修改).ppt
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1、第六节第六节 力、转矩和压力传感器力、转矩和压力传感器导体或半导体材料在导体或半导体材料在外界力外界力的作用下,的作用下,会会产生机械变形产生机械变形,其电阻值也将随着发生,其电阻值也将随着发生变化,这种现象称为变化,这种现象称为应变效应应变效应。电阻应变传感器主要由电阻应变传感器主要由电阻应变片电阻应变片及及测量转换电路测量转换电路等组成等组成。一、电阻应变式测力传感器5/13/20241.我我们们先先来来做做一一个个实实验验。当当我我们们用用力力拉拉电电阻阻丝丝时时,电电阻阻丝丝的的长长度度略略有有增增加加,直直径径略略有有减减小小,从从而而导导致致电电阻阻值值R变变大大。在在我我们们这这
2、个个实实验验中中,电电阻阻丝丝的的阻阻值值从从初初始始状状态态的的10.00增增大大到到10.05,如如图图2-4所示。所示。导导体体或或半半导导体体材材料料在在外外界界力力的的作作用用下下,会会产产生生机机械械变变形形,其其电电阻阻值值也也将将随随着着发发生生变变化化,这这种种现现象象称称为为应应变效应。变效应。在在工工业业中中,将将试试材材受受力力后后所所产产生生的的长长度度相相对对变变化化量量xl/l,称为纵向应变。,称为纵向应变。5/13/20242.(一)、(一)、应变原理演示应变原理演示 金属丝受拉时,金属丝受拉时,l变长、变长、r变小,导致变小,导致R变大变大。5/13/2024
3、3.(二)、应变片的工作原理(二)、应变片的工作原理设设有有一一长长度度为为、截截面面积积为为A、半半径径为为r、电电阻阻率率为为 的金属单丝,它的电阻值的金属单丝,它的电阻值R可表示为可表示为K电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度当当沿沿金金属属丝丝的的长长度度方方向向作作用用均均匀匀拉拉力力(或或压压力力)时时,上式中上式中r、l都将发生变化,从而导致电阻值都将发生变化,从而导致电阻值R发生变化。发生变化。当当金属丝受拉金属丝受拉时,时,l将变长将变长、r变小变小,均导致,均导致R变大变大;某些某些半导体受拉半导体受拉时,时,将变大将变大,导致,导致R变大变大。电电阻阻丝丝及及应应变变片片
4、的的电电阻阻相相对对变变化化量量 R R与与材材料料力力学学中的轴向应变中的轴向应变 x的关系在很大范围内是线性的,即的关系在很大范围内是线性的,即5/13/20244.微应变微应变()对于不同的金属材料,对于不同的金属材料,K K 略微不同,一般为略微不同,一般为2 2左左右。而对半导体材料而言,由于其感受到应变时,右。而对半导体材料而言,由于其感受到应变时,电阻率电阻率 会产生很大的变化会产生很大的变化,所以灵敏度比金属材料,所以灵敏度比金属材料大大几十倍几十倍。在在材材料料力力学学中中,x=l/l称称为为电电阻阻丝丝的的轴轴向向应应变变,也也称称纵纵向向应应变变。x通通常常很很小小。例例
5、如如,当当 x为为0.000001(10-6)时时,在在工工程程中中常常表表示示为为1 m/m或或1微微应应变变(1)。对金属材料而言,当它受力之后所产生的轴向应对金属材料而言,当它受力之后所产生的轴向应变最好变最好不要大于不要大于1 10-3,即,即1000 m/m,否则有可能,否则有可能超过材料的极限强度而导致超过材料的极限强度而导致非线性非线性或或断裂断裂。5/13/20245.应变片用于测量力应变片用于测量力F的计算公式的计算公式由由材材料料力力学学可可知知,x=F/(AE),所所以以 R/R又可表示为又可表示为如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面和试件的横截面积积A
6、以及弹性模量以及弹性模量均为已知,则只要设法均为已知,则只要设法测出测出 R/R的数值,即可获知试件受力的数值,即可获知试件受力的的大小,可用于大小,可用于电子秤电子秤的的称重称重和和测量拉力测量拉力等等。5/13/20246.应变片的应用应变片的应用将应变片粘贴在斜拉绳表面,将应变片粘贴在斜拉绳表面,可测量斜拉绳所受的拉力可测量斜拉绳所受的拉力应变片可用于应变片可用于电子秤电子秤5/13/20247.(三)、应变片的种类与结构(三)、应变片的种类与结构 应变片可分为应变片可分为金属应变片金属应变片及及半导体应变半导体应变片片两大类。两大类。金属丝式应变片,金属丝金属丝式应变片,金属丝易脱胶易
7、脱胶,逐渐,逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便宜价格便宜,多用于多用于大批量大批量、一次性试验一次性试验。箔箔式式应应变变片片中中的的箔箔栅栅是是金金属属箔箔通通过过光光刻刻、腐腐蚀蚀等等工工艺艺制制成成的的。箔箔式式应应变变片片与与片片基基的的接接触触面面积积大大得得多多,散散热热条条件件较较好好,在在长长时时间间测测量量时时的的蠕蠕变变较较小小,一一致致性性较较好好,目目前前广广泛泛用用于于各各种种应变式传感器中。应变式传感器中。5/13/20248.金属丝式应变片的金属丝式应变片的结构结构5/13/20249.半导体应变片半导体应变片 半导体应变片的主
8、要优点是灵敏度高;缺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、电阻与点是:灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。应变间非线性严重。在使用时,需采用半桥、全桥温度补偿在使用时,需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补偿措施。及非线性补偿措施。5/13/202410.箔式应变片的外形箔式应变片的外形5/13/202411.应变片主要性能指标举例应变片主要性能指标举例 上表中,哪几个型号是上表中,哪几个型号是半导体应变片半导体应变片?依据是什么?依据是什么?5/13/202412.应变片的粘贴:应变片的粘贴:1.去污:采用去污:采用手持砂轮工具除去手持砂轮工具除去构件
9、表面的油污、构件表面的油污、漆、锈斑等,并用漆、锈斑等,并用细纱布交叉打磨出细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力细纹以增加粘贴力,用浸有酒精或丙,用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。棉球擦洗。5/13/202413.2.2.贴片:在应变贴片:在应变片的表面和处理过的片的表面和处理过的粘贴表面上,各涂一粘贴表面上,各涂一层均匀的粘贴胶层均匀的粘贴胶 ,用镊子将应变片放上用镊子将应变片放上去,并调好位置,然去,并调好位置,然后盖上塑料薄膜,用后盖上塑料薄膜,用手指揉和滚压,排出手指揉和滚压,排出下面的气泡下面的气泡 。5/13/202414.3.测量测量:从:从分开的端子处,分开的
10、端子处,预先用万用表测预先用万用表测量应变片的电阻,量应变片的电阻,发现端子折断和发现端子折断和坏的应变片。坏的应变片。5/13/202415.4.焊接:焊接:将引线和端将引线和端子用烙铁焊接起子用烙铁焊接起来,注意不要把来,注意不要把端子扯断。端子扯断。5/13/202416.5.固定:固定:焊接后用胶焊接后用胶布将引线和布将引线和被测对象固被测对象固定在一起,定在一起,防止损坏引防止损坏引线和应变片。线和应变片。5/13/202417.(四)、应变效应的应用(四)、应变效应的应用 电阻应变片的应用可分为两大类:电阻应变片的应用可分为两大类:第一类:第一类:是将应变片粘贴于是将应变片粘贴于某
11、些弹性体上,某些弹性体上,并将并将其接到测量转换电路,这样就构成测量各种物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,理量的专用应变式传感器。应变式传感器中,敏感元件敏感元件一般为一般为各种弹性体各种弹性体。转换元件转换元件就是就是应应变片变片,测量转换电路测量转换电路一般为一般为桥路桥路;第二类:第二类:是将应变片贴是将应变片贴于被测试件上于被测试件上,然后将其,然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试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。件的应变量。5/13/202418.应变式力传感器应变式力传感器 S型力传感器型力传感器 FFF
12、F5/13/202419.各种悬臂梁各种悬臂梁 5/13/202420.各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆5/13/202421.应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形应变片在悬臂梁上的粘贴及受力变形5/13/202422.应变式荷重传感器的外形及应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变片的粘贴位置FR1R2 R45/13/202423.应变式荷重传感器外形及受力位置(续)应变式荷重传感器外形及受力位置(续)FF5/13/202424.应变式荷重传感器外形及受力位置(续)应变式荷重传感器外形及受力位置(续)FF5/13/202425.荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示贴在荷
13、贴在荷重传感器表面重传感器表面的应变片在向的应变片在向下力的作用下下力的作用下产生变形。产生变形。轴轴向变短向变短,径向径向变长变长。5/13/202426.汽车衡汽车衡测量测量装货量装货量或或判断超载判断超载5/13/202427.电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示5/13/202428.人体秤人体秤 5/13/202429.吊钩秤吊钩秤 便携式便携式5/13/202430.电子秤中的各类弹性元件电子秤中的各类弹性元件 5/13/202431.材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳斜拉桥上的斜拉绳应变测试应变测试 5/13/202432.五、测量转换电路五、
14、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小,如果金属应变片的电阻变化范围很小,如果直直接用欧姆表测量接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难,其电阻值的变化将十分困难,且且误差很大误差很大。例例:金属箔式应变片的标称阻值金属箔式应变片的标称阻值R R0 0为为100100,灵敏度灵敏度K K=2=2,粘贴在横截面积为,粘贴在横截面积为9.8mm9.8mm2 2的钢质圆的钢质圆柱体上,钢的弹性模量柱体上,钢的弹性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2,所受拉,所受拉力力F F=0.2t=0.2t,受拉后应变片的阻值,受拉后应变片的阻值R R 的变化量仅的变化量仅
15、为为0.20.2。所以必须使用所以必须使用不平衡电桥不平衡电桥来测量这一微小来测量这一微小的变化量,的变化量,将将 R/R转换为转换为输出电压输出电压Uo。5/13/202433.什么是电桥什么是电桥不平衡电桥由四个电阻不平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成组成一个四边形的回路,每一边称作电桥的一个四边形的回路,每一边称作电桥的“桥臂桥臂”。有有4个结点。在个结点。在a、c结点之间接入电源结点之间接入电源Ui,而另一,而另一对结点对结点(b、d)之间的电压差作为输出电压端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的对地电压相等时称作“电桥平衡电桥平衡”;反之,;反之,称
16、作称作“电桥不平衡电桥不平衡”。电桥平衡的条件是:电桥平衡的条件是:上下桥臂的左右位置上下桥臂的左右位置电阻比例相等。电阻比例相等。5/13/202434.测量转换电路测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 由由电工学电工学可知:可知:若桥路若桥路4个桥臂个桥臂相邻电阻的电阻相邻电阻的电阻值值变化趋势相反变化趋势相反,桥路的输出电压桥路的输出电压反而反而相互叠加。相互叠加。5/13/202435.电桥平衡的条件电桥平衡的条件:R1/R2=R4/R3调节调节R RP P ,最终,最终可以使可以使R R1 1/R R2 2=R R4 4/R R3 3(R R1 1、R R2 2 是是R R1 1、R R
17、2 2并联并联R RP P后的等效电阻)后的等效电阻),电桥,电桥趋于平衡,趋于平衡,U Uo o被预调到被预调到零位,这一过程称为零位,这一过程称为调调零零。5/13/202436.单臂电桥单臂电桥单臂半桥的单臂半桥的灵敏度最低。灵敏度最低。计算公式计算公式5/13/202437.双臂电桥双臂电桥 R1、R2为应变为应变片片,R3、R4为固定为固定电阻电阻。应变片。应变片R1、R2感受到的应变感受到的应变 1、2以及以及产生的电阻增产生的电阻增量量正负号相间正负号相间,可以,可以使使输出电压输出电压Uo成倍地成倍地增大增大。5/13/202438.四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为全桥的四
18、个桥臂都为应变片,如果设法使试件应变片,如果设法使试件受力后,应变片受力后,应变片R1R4产产生的电阻增量(或感受到生的电阻增量(或感受到的应变的应变 1 4)正负号相间正负号相间,就可以就可以使输出电压使输出电压Uo成倍成倍地增大地增大。上述三种工作方式中,上述三种工作方式中,哪一种灵敏度最高哪一种灵敏度最高?哪一种灵敏度最低哪一种灵敏度最低?5/13/202439.全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理 当环境温度升高当环境温度升高时,桥臂上的应变片时,桥臂上的应变片温度温度同时升高同时升高,温度,温度引起的电阻值引起的电阻值漂移数漂移数值一致值一致,可以,可以相互抵相互抵消消,所以,所以全
19、桥的温漂全桥的温漂最小。最小。采用全桥(或采用全桥(或双臂半桥)能实现双臂半桥)能实现温度温度自补偿自补偿。5/13/202440.5/13/202441.5/13/202442.5/13/202443.应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内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,准确控制燃机、机械制造和家用电器等领域,准确控制紧固螺栓的紧固螺栓的装配扭矩装配扭矩。量程。量程2500Nm,耗电,耗电量量10mA,有公制,有公制/英制单位转换、峰值保持、英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。自动断电等功能。5/13/202444.5
20、/13/202445.应变式数显扭应变式数显扭矩扳手(续)矩扳手(续)5/13/202446.压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器利用扩散工艺制作的利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于四个半导体应变电阻处于同一硅片上,同一硅片上,工艺一致性工艺一致性好好,灵敏度相等灵敏度相等,漂移抵漂移抵消消,迟滞、蠕变非常小,迟滞、蠕变非常小,动态响应快。动态响应快。5/13/202447.压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片隔离、承压隔离、承压膜膜片片可以将可以将腐蚀性的腐蚀性的气体气体、液体液体与与硅膜硅膜片片隔离隔离开来。开来。5/13/202448.压阻式
21、固态压阻式固态压力传感器压力传感器内部结构内部结构信号处理信号处理电路电路p5/13/202449.小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口5/13/202450.小型压阻式固态差压传感器(续)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可用于呼吸、透析和注射泵等设备p1进气管进气管p2进气管进气管电缆引出电缆引出5/13/202451.小型压阻式固态压力传感器(续)小型压阻式固态压力传感器(续)表压压力传感器表压压力传感器p1进气管进气管5/13/202452.汽车子午线轮胎胎压的测量汽车子午线轮胎胎压的测量子午线轮胎子午线轮胎
22、汽车胎压传感器汽车胎压传感器的安装的安装5/13/202453.投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力传感器的压阻式固态压力传感器的p1进气孔用进气孔用柔性不柔性不锈钢隔离膜片隔离锈钢隔离膜片隔离,并用硅油传导压力。硅杯,并用硅油传导压力。硅杯不与液体相通,耐腐蚀不与液体相通,耐腐蚀。5/13/202454.投入式液位计外形(续)投入式液位计外形(续)压阻式压阻式固态压力固态压力传感器传感器 与水位与水位成正比成正比的光柱的光柱 橡胶橡胶背压管背压管 进水孔进水孔5/13/202455.投入式液位传感器投入式液位传感器 投入式液位投入式液位传感器必须使用传感器必须使用安装支架,适应安装支架,
23、适应于深度为于深度为几米几米至至几十米,且混几十米,且混有有大大量量污物、污物、杂质的水或其他杂质的水或其他液体的液位测量。液体的液位测量。5/13/202456.投入式液位计液位的计算:投入式液位计液位的计算:安装高度安装高度h0处水的表压处水的表压p1=gh1所以:所以:h=h0+h1=h0+p1/(g)例:液位计安装高度为例:液位计安装高度为1m,测得压力为,测得压力为98kPa,求水的,求水的深度深度h。5/13/202457.与计算机接口的多路电阻应变测量模块与计算机接口的多路电阻应变测量模块 5/13/202458.第三节第三节 测温热电阻传感器测温热电阻传感器一、金属热电阻一、金
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