第二章应变电阻传感器分解.ppt

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第二章 电阻传感器 本章学习电阻式传感器的原理及应用,包括:电位器、电阻应变片、测温热电阻、气敏电阻及湿敏电阻等。 第二章 电阻传感器 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。 用途 电子秤 第一节 电阻应变式传感器 一、应变片的工作原理 一、应变片的工作原理 设有一长度为l、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 微应变(με) 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。 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E均为已知,则只要设法测出?R /R的数值,即可获知试件受力F的大小,例如可用于电子秤的称重。 二、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。 箔式应变片的外形 半导体应变片是用半导体材料作敏感栅而制成的。当它受力时,电阻率随应力的变化而变化。它的主要优点是灵敏度高(灵敏度比丝式、箔式大几十倍),主要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,需采用温度补偿及非线性补偿措施。 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 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? 三、测量转换电路——不平衡电桥 三、测量转换电路——不平衡电桥 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。 单臂电桥 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。 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。 四臂全桥 全桥的温度补偿原理 四、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。 应变式力传感器 应变式力传感器 各种悬臂梁 各种悬臂梁 应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 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) 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。 汽车衡 汽车衡(以下参考北京远亚兴业商贸有限公

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