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电阻式传感器是一种将非电量参数(如压力

发布日期:2020-08-20 00:08

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  4.1 电阻式传感器 ? 电阻式传感器是一种将非电量参数(如压力、拉力、权 力、位移等)的变化转变为电阻值变化的传感器。 ? 电阻式传感器按工作原理可分为电位器式电阻传感器、 应变式电阻传感器、热敏电阻传感器和气敏电阻传感器。 ? 应变式电阻传感器是一种能将机械构件上应变的变化 转换为电阻变化的传感元件。引起机械构件应变的可 以是压力、荷重、扭力等。 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 1 一、应变片的工作原理 1、概念 ? 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——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。 ?设有一金属 圆导线,受拉 时,l变长、r 变小,导致电 阻值R变大 R?? l ?? l A ?r2 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 2 2、电阻的应变灵敏系数 ? 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力(或压力)时, 上式中ρ 、r、l都将发生变化,从而导致电阻值R发 生变化。 R ? ? l A ? ? l ?r2 当有变化量?ρ 、?l、?A时,其相对变化率为: ln R ? ln L ? ln A ? ln ? dR ? d? ? dl ? dA R ?l A 对于直径为D的圆柱形截面电阻丝,因为A=л D2/4;故: dA ? 2 dD AD 引进力学中的泊松比: ?r ? dD D ? ?? dl l ? ??? 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 3 ?r ? dD D ? ?? dl l ? ??? ? ε =dl/l—电阻丝长度得相对变化量,纵向应变量 ? ε r=dD/D—横向应变 ? μ —材料得泊松系数,不同金属的μ 不同,0.3~0.5 之间,纵向应变和横向应变之间的比例系数; ? 得到下式: dR ? dl (1? 2?) ? d? ? (1? 2? ? d? / ? ) dl ? (1? 2? ? d? / ? )? Rl ? dl / l l ? 定义灵敏系数: k0 ? dR / ? R ?1? 2? ? 1 ? ? d? ? 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 4 k0 ? dR / ? R ?1? 2? ? 1 ? ? d? ? ?(1+2?)是由几何尺寸改变引起,金属导体以此为主 ? (d? / ?) / ? 表示是由材料的电阻率随应变所引起的变化, 半导体材料以此为主。 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 5 二、电阻应变片的结构 1、金属应变片 金属丝式、箔式、薄膜式 ① 金属丝式:使用最早,将金属丝按图示形状弯曲后 用粘合剂贴在衬底上而成,基底可分为纸基,胶基 和纸浸胶基等。电阻丝两端焊有引出线,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。 ? 结构简单(下页图) ? 价格低 ? 强度高 ? 允许通过的电流较小 ? 测量精度较低,适用于测量要求不很高的场合使 用。 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 6 ② 箔式应变片 ? 电阻敏感元件不是金属丝而是用光刻、腐蚀等工艺制成 的一种很薄的金属箔栅,箔栅厚一般在0.003~0.01mm 之间,箔材表面积大,散热条件好。 ? 允许通过较大的电流 ? 灵敏度系数较高 ? 可根据需要制成任意形状,适合批量生产 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 7 2、半导体应变片 ? 半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一 种纯电阻性元件。 ? 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应 力时,它的电阻率会发生变化,这种物理现象称为半导 体的压阻效应。 a)体型半导体应变片: 将半导体材料硅或锗晶 体按一定方向切割成的 片状小条,经腐蚀压焊 粘贴在a) 基丝式片上而成b的) 应箔式 变片。图2.1.1 金属电阻应变片结构 1 2 3 12 3 图2.1.2 体型半导体应变片 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 8 ? b)薄膜型半导体应变片:利用真空沉积技术将半导体材 料沉积在带有绝缘层的试件上而制成。 ? c)扩散型半导体应变片:将P型杂质扩散到N型硅单晶基 底上,形成一层极薄的P型导电层,再通过超声波和热 压焊法接上引出线就形成了。一种应用很广的半导体应 变片。 4 1 3 4 5 2 3 图2.1.3 薄膜型半导体应变片 1–锗膜 2--绝缘层 3–金属箔基底 4--引线 扩散型半导体应变片 1--N型硅 2--P型硅扩散层 3--二氧化硅绝缘层 4–铝电极 5--引线 第四章 非电量的电测技术 9 ? 半导体应变片特点: ? 基于半导体的“压阻效应” ? 体积小、灵敏度高,可测微小应变、机械滞后小 ? 微应变(1μ ε ),ε =0.000001时,工程中常表 示为1×10-6 or 1μ m/m,在应变测量中常称为 一个微应变。 ? 温度稳定性差、非线 第四章 非电量的电测技术 10 三、电阻应变传感器测量电路 电路的作用:将电阻的变化量转换为电压输出。通常 采用直流电桥和交流电桥。 1、电桥测量电路的分析 四个桥臂由电阻R1~R4组成,AC端接直流电压U,BD端输 出电压U0。若电桥负载RL为无穷大,电桥输出端相当于 开路,只能输出电压信号,称为电压输出: U0 ? R1R3 ? R2R4 U (R1 ? R2 )(R3 ? R4 ) 当电桥平衡时, U0=0, 则有 A R1 R2 D C R4 R3 RL U0 B R1R3 ? R2R4 ? 0 U 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 11 电桥平衡条件: R1R3 ? R2R4 ? 0 or R1 ? R3 R2 R4 ? 相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积 相等。 电桥接入的是电阻应变片时,即为应变桥。当一个桥 臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时,相应的电 桥为单臂桥、对称桥、非对称桥和全等电桥。 U0 ? R1R3 ? R2R4 U (R1 ? R2 )(R3 ? R4 ) RL→∞, Δ RiRi U0 ? R1R2 (R1 ? R2 )2 ( ?R1 R1 ? ?R2 R2 ? ?R3 R3 ? ?R4 R4 )U 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 12 (1)单臂电桥 ? R1~R4中只有一个电阻为应变片,例如R1。 ? Δ R1=Δ R,Δ R2=Δ R3=Δ R4=0, 初始 R1=R2=R3=R4 U0 ? R1R2 (R1 ? R2 )2 ( ?R1 R1 ? ?R2 R2 ? ?R3 R3 ? ?R4 )U R4 U0 ? U?R 4R ? U 4 K? KU ? U0 ? ?U 4 K ?电桥电压灵敏度 ? 提高KU的方法: ? 提高电桥电压U(受到应变片允许功耗的限制); ? 选择K(灵敏度系数)高的应变片。 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 13 (2)对称电桥(半桥) ? R1=R2;R3=R4 电源左右两边对称 ? 两臂接入应变片,R1纵向应变ε ,R2横向应变ε r;R3、 R4固定电阻 U0 ? R1R2 (R1 ? R2 )2 ( ?R1 R1 ? ?R2 R2 ? ?R3 R3 ? ?R4 )U R4 ?r ? ??? U0 ?U 4 K(1? ?)? KU ? U0 ? ?U 4 K(1? ?) ? 应变片R1、R2均是纵向应变ε ;R3、R4固定电阻 U0 ? U 2 K? KU ? U0 ? ?U 2 K 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 14 (3)非对称电桥 应变R1=R4、固定R2=R3; 且R2/R1=R3/R4=a U0 ? R1R2 (R1 ? R2 )2 ( ?R1 R1 ? ?R2 R2 ? ?R3 R3 ? ?R4 R4 )U U0 ? aU (1? a)2 K (1? ? )? KU ? U0 ? ? aU (1? a)2 K (1? ?) a ? 1时,KUmax ? UK (1 ? 4 ?) ? 比较对称电桥的电压灵敏度:公式(4-28) ? 对称电桥是非对称电桥的特例 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 15 (4)全等电桥(全桥、差动全桥) R1=R2=R3=R4(均为应变片) R1、R3:ε 纵应变; R2、R4:ε r横应变 U0 ? R1R2 (R1 ? R2 )2 ( ?R1 R1 ? ?R2 R2 ? ?R3 R3 ? ?R4 )U R4 U0 ? U 4 K (? ??r ?? ??r) ? U 2 K (1 ? ?)? KU ? U0 ? ?U 2 K(1? ?) ? 全桥时的电压灵敏度最高,为最常用一种桥路。 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 16 ※ 电阻应变器测量电桥的结论 ① 产生相同应变的应变片,不能接在相邻桥臂。 ? 例:全桥, R1、R2-ε ;R3、R4-ε r。 U0 ? R1R2 (R1 ? R2 )2 ( ?R1 R1 ? ?R2 R2 ? ?R3 R3 ? ?R4 )U R4 U0 ? U 4 K (? ?? ??r ??r) ? 0 A R1 D R4 R2 C R3 ?考虑: R1、R4-ε ;R3、R2-ε r RL U0 又如何? B U 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 17 ② R1~R4桥臂中串接产生相同的应变片Rˊ1~Rˊ4 , 可提高电桥电压灵敏度。 Rˊ1 R1 D Rˊ4 A Rˊ2 R2 C Rˊ3 R4 R3 RL U0 R1、R3、Rˊ1、Rˊ3 :ε R2、R4、Rˊ2、Rˊ4 :ε r B U U0 ? R1R2 (R1 ? R2 )2 ( ?R1 R1 ? ?R2 R2 ? ?R3 R3 ? ?R4 )U R4 U0 ? U 4 K (2? ? 2?r ? 2? ? 2?r ) ? UK(1? ?) 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 18 其他结论 ③ 温度补偿 半桥、全桥温度自补偿 ④ 非线性补偿 ⑤ RL为有限值的输出电压(戴维南定理) ⑥ 电桥电源采用直流电源,其优点是电源稳定度高, 连接导线要求低,电桥平衡电路简单。缺点是直流 放大器复杂,有零漂,且易引入外界的工频干扰。 应变电桥现在多采用交流电桥。 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 19 例4-2 额定载荷为4t得圆柱形电阻应变传感器,展开图如 图。未受载荷时四片应变片阻值均是120Ω ,允许功耗 208.35mW,传感器电压灵敏度kU=0.008V/V,应变片灵敏度 系数k=2。 1. 画出桥路接线. 求桥路供桥电压 R1 R2 R3 R4 3. 载荷4t和2t时,桥路输出电压分别是多少? 4. 载荷2t时, R1~R4的阻值分别为多少? F A 解:1) R1R3相同应变, R1 R2 R2R4相同应变 D 相同应变不能接在相邻桥臂 R4 R3 C RL U0 B 2019/5/13 U 第四章 非电量的电测技术 20 2)供桥电压U,每一应变片承受U/2。 (Umax )2 Pmax ? 2 R (4 ?19) U ? 4PmaxR ? 4? 208.35?10?3 ?120V ? 10V 3)载荷4t时输出电压 1 Uo4 ? KUU ? 0.008V /V ?10V ? 80mV Uo2 ? 2 Uo4U ? 40mV 4) F为拉力,R1R3产生纵应变ε , R2R4产生横应变ε r k ?1? 2? ? 2, ? ? 0.5 R1 ? R3 ? R ? Rk? ? 120.64? ? r ? ??? ? ?1333?10?6 R2 ? R4 ? R ? Rk? r ? 119.68? ? ? 2Uo2 ? 2666 ?10?6 kU(1? 2?) 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 21 (四)电阻应变传感器的应用 ? 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。 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 22 (一)测力传感器 ? 测量荷重、拉压力的弹性元件常作成柱形、筒形、环 形及梁形等。 1、柱式弹性元件 基本原理:将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化, 再经过转换电路变成电信号输出。 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 23 火箭发动机 ? 我国BLR-1型电阻应变式拉压力传感器、BHR型荷 重传感器都采用这种结构。其量程在0.1~100吨之间。 在火箭发动机试验时,台架承受的载荷多用实心结构 的传感器,其额定载荷可达数千吨。 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 24 2、悬臂梁式弹性元件 2019/5/13 ? 它适于测量500Kg以下的载 荷,最小为测几十克重的 力,这种传感器具有结构 简单、加工容易、应变片 易粘贴、灵敏度高等特点。 第四章 非电量的电测技术 25 应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。所以 多用于较小力的测量。例如,民用电子称中就多采用悬臂梁。当力F(例如苹果 的重力)以如图所示的垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时,梁的上 表面产生拉应变,下表面产生压应变,上下表面的应变大小相等符号相反。粘贴 在上下表面的应变片也随之拉伸和缩短。得到正负相间的电阻值的变化,接入桥 路后,就能产生输出电压。 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 26 梁式弹性元件位移传感器 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 27 3、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。 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 28 (二)扭矩传感器 2019/5/13 3 0 1 90 2 180 4 270 第四章 非电量的电测技术 29 (三)加速度传感器 ? 它是一种惯性式传感器。测量时, 将传感器壳体与被 测对象刚性连接。质量块m沿加速度a相反的方向运 动(即相对于基座运动),使梁发生形应变,应变片 的电阻发生变化,产生输出信号,输出信号的大小与 加速度成正比。 5 2 2 1 3 6 1 4 4 3 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 30 (四)材料应变的测量 斜拉桥上的斜拉绳应变测试 2019/5/13 第四章 非电量的电测技术 31