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自动检测技术课程 授课教案
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第二章 电阻传感器Ⅰ
课题:电阻应变传感器的原理及应用课时安排:2课次编号:3教材分析难点:电桥的调零,温度补偿重点:电阻应变传感器的应用教学目的和要求1.了解应变效应的原理。
2.了解应变片的类型、结构及其测量转换电路。
3.掌握应变效应的应用。采用教学方法和实施步骤:讲授、课堂讨论、分析教具:各种应变片各教学环节和内容演示先来做一个实验。当用力拉电阻丝时,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10.00Ω增大到10.05Ω,如图所示。
电阻丝在拉力作用下阻值增大
引出结论:应变效应
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εx=Δl/l,称为纵向应变
图2-3 几种不同类型的电阻应变片
a)金属丝式 b)金属箔式 c)单轴2元素半导体应变片
1-电阻丝 2-金属箔 3-半导体 4-基片 5-引脚 6-定位标记
应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。半导体应变片的灵敏度比金属应变片高几十倍,但一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重,必须考虑温度补偿。表2-2列出了一些常用应变片的主要技术参数。
表2-1 应变片主要技术指标
参数名称电阻值/Ω灵敏度电阻温度系数/(1/℃)极限工作温度/℃最大工作电流/mAPZ-120型
PJ-120型
BX-200型
BA-120型
BB-350型
PBD-1K型
PBD-120型120
120
200
120
350
1000(1+10%)
120(1+10%)1.9?2.1
1.9?2.1
1.9?2.2
1.9?2.2
1.9?2.2
145(1+5%)
120(1+5%)20?10-6
20?10-6
-①
-
-
?0.4%
?0.2%-10?40
-10?40
-30?60
-30?200
-30?170
?40
?4020
20
25
25
25
15
25提问:表2-2中,哪几种型号属于半导体应变片?依据是什么?
三、测量转换电路
金属应变片的电阻变化范围很小,如果直接用欧表测量其电阻值的变化将十分困难,且误差很大,所以多使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量,将电阻的变化转换为输出电压Uo。
不平衡电桥测量转换电路如图2-7a所示。电桥的一个对角线结点接入电源电压Ui,另一个对角线节点为输出电压Uo。
提问:电桥平衡条件是什么?
为了使电桥在测量前的输出电压为零,应该选择四个桥臂电阻,使R1R3=R2R4或R1/R2=R4/R3。
图2-4 桥式测量转换电路
a)基本应变桥路 b)桥路的调零原理
不平衡电桥的分类:
根据不同的要求,应变电桥有3种不同的工作方式。
1)单臂半桥工作方式(R1为应变片,R2、R3、R4为固定电阻,?R2=?R3=?R4=0);
2)双臂半桥工作方式(R1、R2为应变片,R3、R4为固定电阻,?R3=?R4=0);
3)全桥工作方式(电桥的四个桥臂都为应变片)。
重点:什么是电桥的调零:
实际使用中,R1、R2、R3、R4不可能严格地成比例关系,所以即使在未受力时,桥路的输出也不一定能严格为零,因此必须设置调零电路。调节RP,可以使电桥趋于平衡,Uo被预调到零位,这一过程称为调零。
讨论调零的原理和电位器的调节方向。讨论图中的R 5是用于减小调节范围的限流电阻的原理。
四、应变效应的应用
1.应变式力传感器
应变式测力传感器的几种形式
a)环式 b)环式外形 c)悬臂梁式
解释什么是悬臂梁?
悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。悬臂梁的灵敏度较高,多用于较小力的测量。常见的电子秤中就多采用悬臂梁来测量质量(重量)。
2.应变式荷重传感器
测力或荷重(称重)的传感器很大一部分采用应变式荷重传感器。荷重传感器如图2-11所示,它的输出电压Uo正比于荷重F 。
荷重传感器结构示意图
a)外形图 b)应变片在承重等截面圆柱上的粘贴位置
荷重传感器的输出电压Uo正比于荷重F 。实际运用中,生产厂商一般会给出荷重传感器的灵敏度KF 。设荷重传感器的满量程为Fm,桥路激励电压为Ui,满量程时的输出电压为Uom,则KF被定义为
(2-8)
桥路所加的激励源电压Ui越高,满量程输出电压Uom也越高,Ui通常为12V左右。
由于Uo往往是m
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