电阻式传感器.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,电阻式传感器,1,应变片式传感器,2,压阻式传感器,下页,上页,返回,图库,第二章 电阻式传感器,纽,克西,欧米克隆,派,柔,西格玛,陶,玉普西隆,弗爱,凯,普赛,奥米伽,A 阿尔法 B 贝塔 伽玛 德尔塔 伊普西隆 泽塔 伊塔 西塔 约塔 卡帕 兰姆达 米欧,电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原理是将被测,物理量,的变化转换成,电阻值,的变化，再经相应的,测量电路,最后显示被测量值的变化。,下页,返回,图库,电阻式传感器与相应的测量电路组成的,测力、测压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度,等测试系统-,目前已成为,生产过程检测,以及实现,生产自动化,不可缺少的手段之一。,输入量（被测量）：位移等,输出量：阻值的变化,应变式压力、测力、称重传感器,下页,上页,返回,图库,第一节 应变式传感器,电阻应变片的工作原理是基于,电阻应变效应,，即在导体产生机械变形时，它的电阻值相应发生变化。,应变片的主要优点是,精度高、频响宽、体积小、重量轻,；,缺点：,产生漂移,一、工作原理,下页,上页,返回,图库,下页,上页,返回,图库,式中d,/,为应变片的,电阻率相对变化量,，其值与半导体敏感元件在,轴向所受的应变力,有关，其关系为,l,半导体材料的压阻系数;,半导体材料的所受应变力;,E,半导体材料的弹性模量;,半导体材料的应变。,由压阻效应,下页,上页,返回,图库,由上式可见，电阻的相对变化量由两部分组成：,第一项，,电阻率变化,所引起的；,第二项，材料受力后产生的,几何变形（形变）,。,分两种情况：,金属材料，第一项很小可忽略，主要第二项起作用，此时有,半导体材料，第二项相对于第一项很小，可忽略,（50-70倍）,半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的,压阻效应,。,压阻效应是指半导体材料，当,某一轴向受外力作用时，其电阻率,发生变化的现象,。,二、应变片种类、材料、粘贴,图3-2 金属电阻应变片的结构,1金属电阻应变片的种类,敏感栅,(,核心,),丝式:,丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径0.010.05mm的电阻丝平行排列而成。,箔式:,光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般为0.0030.01mm，可制成各种形状的敏感栅（即应变花），其优点是表面积和截面积之比大，散热性能好，允许通过的电流较大，可制成各种所需的形状，便于批量生产。,覆盖层,与,基片,将敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状,固定和绝缘、保护,作用，,基片要将被测体的应变准确地传递到敏感栅上，因此它很薄，一般为,0.030.06mm,使它与被测体及敏感栅能牢固地粘合在一起，此外它还应有良好的,绝缘性能、抗潮性能和耐热性能,。基片和覆盖层的材料有胶膜、纸、玻璃纤维布等。,图3-3 常用应变片的形式,2 金属电阻应变片的材料,对电阻丝材料应有如下要求：,灵敏系数大,，且在相当大的应变范围内保持常数；,值大,，即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；,电阻温度系数小,，否则因环境温度变化也会改变其阻值；,与铜线的,焊接性能好,，与其它金属的接触电势小；,机械强度高,，具有优良的机械加工性能。,康铜,是目前应用最广泛的应变丝材料：,灵敏系数,稳定性好，不但在,弹性变形,范围内能保持为常数，进入,塑性变形,范围内也基本上能保持为常数；,康铜的电阻,温度系数,较小且稳定，当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在5010-6/的范围内；,康铜的,加工性能,好，易于焊接，因而国内外多以康铜作为应变丝材料。,3应变片粘贴（,链接到应变片粘贴图片,）,1、工件表面清理,除锈（砂纸打）、去油（脱脂棉蘸丙酮）、,凉干（不可摸）；,2、划线，找正贴片位置方向划线,3、贴片，,贴片前检查阻值是否符合要求；,在贴片位置涂一薄层胶，一定要薄，厚了会造成误差；,将应变片贴上，加一薄层塑料轻轻挤压，挤压方向从,中心向四周以除气泡；,加温使之聚合。,4、检查、连线,肉眼看：正、牢，边有没有翘曲；,检查阻值有无变化，绝缘性能；,连线，焊在工件上，以保护根部,下页,上页,返回,图库,5、检查，涂防护层（密封防水、防氧化、防尘）,914环氧树脂胶、丁腈橡胶,简易方法,：40%腊+50%松香+10%润滑干油,检查并用布带缠绕好。,应变片粘贴时应加压挤出气泡及多余胶，因为胶层厚薄对测试有影响，例如试件厚12.7,mm,，当胶层厚76,m,时误差1.2，胶层厚20,m,时误差0.4；试件厚6.4,mm,，当胶层厚0.76,mm,时误差2.8，总之胶层越薄越好。另外，零件应变通过胶层以剪应变方式使敏感栅产生拉压变形，因此，必须使两端及中间各部分全面粘贴牢固。,下页,上页,返回,图库,1.选点及工件表面清理。,采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等,2.打磨。,用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力,3.清洗,用浸有酒精（或丙酮）的纱布片或脱脂棉球擦洗,干燥、划线、量阻值,4.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,5.排气。,用镊子将应变片放上并调好位置，然后盖上薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡,6.分开端子,把应变片的端子用手轻轻的分开，以免和应变片脱离,7.测量电阻。,从分开的端子处用万用表测量应变片的电阻，防止端子折断和坏的应变片,8.焊接。,把引线和端子的用点焊的方式焊接，要小心端子折断,9.固定。,焊接后用胶布将引线和测量对象固定在一起，防止引线和应变片脱离,灵敏系数,灵敏系数是指电阻的相对变化量与轴向应变的比值。,影响K的因素：敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂、基地性能、栅端圆弧部分横向效应,KK0,三、金属应变片主要特性,下页,上页,返回,图库,横向效应,：,纵向应变会使应变片的阻值发生变化，而沿垂直于应变片轴向的横向应变也会引起其电阻的相对变化，这种现象称为,横向效应,。,横向效应使得实际的灵敏系数与标称值不等，这将造成误差。解决的办法，厂家通过实验测定,H,值（横向效应系数），利用,H,值对测量结果进行修正。,一般按抽样,0.1%,测量，,下页,上页,返回,图库,机械滞后,加载特性与卸载特性不重合的现象。,原因：残余变形,措施：合适的粘合剂、三次加载循环,零漂和蠕变的定义,：在恒定温度，无机械应变时，应变片阻值随时间变化的特性，称为,零漂,；在恒定温度、恒定应变时，应变片阻值随时间变化的特性，称为,蠕变,。,零漂和蠕变的原因,：应变片制造过程中产生的内应力；在一定温度和载荷条件下电阻丝材料、胶粘剂和底基内部结构的变化。,下页,上页,返回,图库,零漂和蠕变,绝缘电阻和最大工作电流,应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值,R,m,。,通常要求,R,m,在,50100 M,以上。绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。,R,m,取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺。在常温使用条件下要采取必要的防潮措施，而,在中温或高温条件下，要注意选取电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料。,最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流,I,max,。工作电流大，输出信号也大，灵敏度就高。但工作电流过大会使应变片过热，灵敏系数产生变化，零漂及蠕变增加，甚至烧毁应变片。工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。通常静态测量时取25mA左右。动态测量时可取75100mA。箔式应变片散热条件好，电流可取得更大一些。在测量塑料、玻璃、陶瓷等导热性差的材料时，电流可取得小一些。,应变极限和疲劳寿命,应变极限是指温度恒定指示应变和真实应变相对误差不超过90%时候的最大真实应变值,疲劳寿命是指恒定幅值的交变力作用下，可以联系工作而不出现疲劳损坏的循环次数,例：初始电阻R=120,灵敏度系数K=2,纵向应变=1000时,求：该应变片电阻的绝对变化量,解：,下页,上页,返回,图库,下页,上页,返回,图库,R=0.24,四、测量电路,上述一例中各参数均为产品较有代表性的参数。而纵向应变量也取得十分大（通常应变片的线性工作范围仅有600,）。由上例中可以得出以下结论：,应变片式传感器对应变产生的电阻变化量很小，通常是在几个欧姆以下。,要求测量电路必须能够,测量微小电阻,的变化。电桥电路是最常用的测量微小电阻变化的电路。,下页,上页,返回,图库,1 直流电桥,直流电桥平衡条件,电桥电路如图,3-9,所示，图中,E,为电源电压，,R,1,、,R,2,、,R,3,及,R,4,为桥,臂电阻，,R,L,为负载电阻。,当,R,L,时，电桥输出电压为,（3-34）,图3-9 直流电桥,当电桥平衡时，,U,o,=0，则有,R,1,R,4,=R,2,R,3,或,（3-35）,相邻两臂电阻的,比值应相等,，或相对两臂电阻的乘积应相等。,电压灵敏度,应变片工作时，其,电阻值变化很小,，电桥相应,输出电压,也很小，一般需要加入放大器进行放大。,由于,放大器的输入阻抗,比桥路输出阻抗,高,很多，所以此时仍视电桥为,开路,情况。,当受应变时，若应变片电阻变化为,R,，其它桥臂固定不变，电桥输出电压,U,o,0，则电桥不平衡，输出电压为:,（3-36）,设桥臂比,n,=,R,2,/,R,1,，由于,R,1,5的小曲率圆环，可用下式计算出,A、B,两点的应变。,式中：,h,圆环厚度；,b,圆环宽度；,E,材料弹性模量。,这样，测出,A、B,处的应变，即可得到载荷,F,。,（3-56）,（3-57）,下页,上页,返回,图库,3.梁式力传感器,等强度：粘贴要求不高,等面积：加工简单、粘贴要求高,二、应变式压力传感器,主要用来,测量流动介质,的,动态或静态压力,如,动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力,等。,图3-15 膜片式压力传感器,（a）应变变化图;（b）应变片粘贴,根据以上特点，一般在平膜片圆心处,切向粘贴,R,1,、,R,4,两个应变片,，在边缘处沿,径向粘贴,R,2,、,R,3,两个应变片,，然后接成全桥测量电路。,应变片压力传感器大多采用,膜片式,或,筒式,弹性元件。图3-15为膜片式压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力,p,作用下，膜片产生,径向应变,r,和切向应变,t,，表达式分别为,（3-58）,（3-59）,式中：,p,膜片上均匀分布的压力；,R,h,膜片的半径和厚度；,x,离圆心的径向距离。,由应力分布图可知，膜片弹性元件承受压力,p,时，其应变变化曲线的特点为：当,x,=0时，,rmax,=,tmax,；当,x=R,时，,t,=0，,r,=-2,rmax,。,三、,应变式加速度传感器,主要用于物体加速度的测量。其基本工作原理是：,物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即,a,=,F/m,。,图3-17 电阻应变式,加速度,传感器结构图,测量时，将传感器壳体与被测对象,刚性连接,，当被测物体以加速度,a,运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，,使悬臂梁变形,，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。,电阻的变化引起,应变片组成的桥路出现不平衡,，从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。,应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为1060 Hz范围。,