工学电阻式传感器PPT课件

1、2021-8-21电参数传感器2021-8-22第3章 应变式传感器p电位器式传感器p应变式传感器p压阻式传感器p热电阻式传感器p光电阻传感器2021-8-23 3.0.1 电位器式传感器 电位器主要是把机械位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压的输出。 电位器式传感器由电阻器和电刷组成，电刷触点的移动导致输出电阻的变化。3.0 电位器式传感器电位器式传感器 potentiometer +2021-8-24电位器的结构xLRRxxLURRUUxxL-电位器触点行程 x -电位器电刷位移U -输入电压Ux-输出电压Rx-输出电阻2021-8-25 常用来测量位移、压力、加速度等参量。 被测位移

2、使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。2021-8-26今日要点今日要点7带着思考来学习带着思考来学习 Thinking 2021-8-283.1 应变式传感器 一根金属电阻丝在未受力时, 原始电阻值为 resistancelRA其中： 电阻丝的电阻率; l 电阻丝的长度; A 电阻丝的截面积。 导体或半导体材料受到外界力作用时 (拉力或压力)，产生机械形变，导致输出电阻的变化。2021-8-29 当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长L, 横截面积相应减小A，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变， 故引起电阻值变化。dAdAldlRdR变化量变化量

3、lRA2021-8-210dAdAldlRdR变化量为变化量为ldl其中：其中： dl/l 长度相对变化量长度相对变化量rdrAdA2设：设： r为电阻丝半径，为电阻丝半径， dA = 2r dr令：令：dA/A 截面积相对变化量截面积相对变化量则：2021-8-211ldlrdr22dAdrAr 所以所以 由材料力学可知，在由材料力学可知，在弹性范围弹性范围内金属丝内金属丝受拉力时，沿轴向伸长受拉力时，沿轴向伸长,沿径向缩短，沿径向缩短， 令令dl/l为金属电阻丝的轴向应变为金属电阻丝的轴向应变，则，则轴向应变轴向应变和和径径向应变向应变关系可由电阻丝的泊松比关系可由电阻丝的泊松比表示。表示

4、。2(1 2 )dVdldAVlA VA l又因为又因为体积应变体积应变2021-8-212dAdAldlRdR由于由于mKKm金属材料的金属材料的应变灵敏系数应变灵敏系数/12mdR RdK 实际上实际上对于金属材料的应变电阻以对于金属材料的应变电阻以变化为主变化为主dRdR)21 (d)21 (ldl2021-8-213dAdAldlRdR同样同样sKKs半导体材料的半导体材料的应变灵敏系数应变灵敏系数s/12dR RKE12E 对于半导体材料的应变电阻以对于半导体材料的应变电阻以变化为主变化为主实际上实际上dRdR)21 ( E : 材料的弹性模量材料的弹性模量 :材料的压阻系数材料的压

5、阻系数E2021-8-214半导体应变片突出优点是灵敏度高，比金属丝式高5080倍，尺寸小横向效应小，动态响应好。但它有温度系数大，应变时非线性比较严重等缺点。电阻相对变化有两部分引起电阻相对变化有两部分引起：p几何尺寸变化几何尺寸变化 (应变效应应变效应)p电阻率发生的改变电阻率发生的改变(压阻效应压阻效应)总总结结金属材料金属材料的应变电阻以的应变电阻以结构尺寸结构尺寸变化为主变化为主半导体材料半导体材料的应变电阻以的应变电阻以电阻率电阻率变化为主变化为主2021-8-215引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb引线引线覆盖层覆盖层基片基片电阻丝式敏感栅电阻丝式敏感栅2021-8-216 敏感栅

6、是应变片的核心部分敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上, , 其上再粘贴起保护作用的覆盖层, , 两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有三种： 金属丝式应变片 箔式应变片 薄膜应变片2021-8-2172021-8-218 采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。现场应变片的粘贴+2021-8-219 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 ，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡 。现场应变片的粘贴2021-8-220 从分开的端

7、子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。现场应变片的粘贴2021-8-221 将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。 现场应变片的粘贴2021-8-222 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。现场应变片的粘贴2021-8-223 基本组成：应变片、测量电路 敏感元件：金属 、半导体 测量电路： 将应变敏感元件的阻值变化转变成电量输出 电量变化的大小反映了被测物理量的大小灵敏度灵敏度温度系数温度系数电阻率电阻率线性度线性度机械强度机械强度 2021-8-224 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表： Rt=R0（1+a0t） 式中

8、： Rt 温度为 t 时的电阻值; R0 温度为t0时的电阻值; 0 金属丝的电阻温度系数; t 温度变化值, t=t t0。 当温度变化t时, 电阻丝电阻的变化值为 Rt=Rt- R0= R0a0t2021-8-225 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时, 不论环境温度如何变化, 电阻丝的变形仍和自由状态一样, 不会产生附加变形。 当试件和电阻丝线膨胀系数不同时, 由于环境温度的变化, 电阻丝会产生附加变形, 从而产生附加电阻。设：电阻丝和试件在温度为0时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为s和g，若两者不粘贴，则它们的长度分别为: Ls= L0（1+st） Lg= L0（1+gt）20

9、21-8-226 当二者粘贴在一起时, 电阻丝产生的附加变形L, 附加应变和附加电阻变化R分别为：温度变化引起的总电阻的变化：00RRRRR00()gstKt 00()gsKtL= Lg - Ls =（g-s）L0t =L/L0=（g-s）tR= K0 R0 = K0 R0(g-s)t 2021-8-227 折合成附加应变量或虚假的应变t , 有 t是因为温度变化引起的测量误差。000/()ttgsRRtKK1122ttRRRR R1B R2 R3R4U0 U FF补偿块补偿块试件试件281、R3=R42、R1、R2具有相同的电参数3、补偿块与试件是相同性质的材料4、两个应变片在同一个温度场

10、R1B R2 R3R4U0 U FF补偿块补偿块试件试件补偿条件00()gsK /0tRR2021-8-229n由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，需要有专用测量电路，通常采用直流电桥和交流电桥。)(4332110RRRRRREU2021-8-230当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0，则有：，则有：4321RRRR设：电桥为开路情况，当产生应变时，若应变片电设：电桥为开路情况，当产生应变时，若应变片电阻变化为阻变化为R，其它桥臂电阻固定不变，电桥，其它桥臂电阻固定不变，电桥输出电压输出电压Uo0，电桥不平衡，则输出电压为：，电桥不平衡，则输出电压为：1411234

11、R RE(RRR )(RR )4131412113RRRRERRR(1)(1)RRR1120)1 (RRnnEU2110)1 (nnERRUKU电压灵敏度电压灵敏度311011234RRRUE()RRRRR2021-8-231 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。2110)1 (nnERRUKU电桥电压电桥电压灵敏度灵敏度分分析析2021-8-232由由dKU /dn = 0 求求KU的最大值，得的最大值，

12、得0)1 (132nndndKU 求得求得n=1时，时，KU为最大值。这就是说，为最大值。这就是说，在电桥电压确定后，当在电桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电时，电桥电压灵敏度最高，此时有桥电压灵敏度最高，此时有RREU104UEK42110)1 (nnERRUKU2021-8-233)1)(1 (11110nRRnRRnEU1120)1 (RRnnEU 输出电压因略去分母中的输出电压因略去分母中的R1/R1项而得项而得出的是理想值，而实际值计算应为出的是理想值，而实际值计算应为311011234RRRUE()RRRRR11110001RRnRRUUU非线性误差为2021-8-234

13、如果是四等臂电桥，如果是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，则，则11L11R2 RR12 R 对于一般应变片来说，所受应变对于一般应变片来说，所受应变通常在通常在510-3以下，若取灵敏度以下，若取灵敏度KU=2, 则则R1/R1=KU=0.01，计算得非线性误差为，计算得非线性误差为0.5%; 若若KU=130，=110-3时时, R1/R1=0.130， 则则得到非线性误差为得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。测量要求时，必须予以消除。 11110001RRnRRUUU非线性非线性误差的误差的灵敏度灵敏度2021-8-235拉应变

14、R1+R1 压应变 R2-R22021-8-236101REU2R无非线性误差无非线性误差灵敏度灵敏度提高一倍提高一倍具有温度补偿具有温度补偿4332211110RRRRRRRRREU101RUER无非线性误差无非线性误差灵敏度是单片的灵敏度是单片的4倍倍具有温度补偿具有温度补偿2021-8-237 根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器, 而，因此应变电桥多采用交流电桥。 由于供桥电源为交流电源，引线的分布电容使得桥臂应变片呈现复阻抗特性。2021-8-23811111RZRj RC22222RZRj R C33RZ 44RZ 142301234U(Z ZZ Z )

15、U(ZZ )(ZZ )2021-8-239要满足电桥平衡条件，则有：要满足电桥平衡条件，则有：Z1 Z4 = Z2 Z3 可得可得 1243112211RRRRj RCj R C整理得整理得34314212RRj R Cj R CRR交流电桥的平衡条件为交流电桥的平衡条件为: 3412RRRR2112CCRR当被测应力变化引起当被测应力变化引起Z1= Z0+Z, Z2=Z0-Z变化时变化时则电桥输出为则电桥输出为00ZZ2UU2021-8-240 对交流电桥，除要满足电阻平衡条件对交流电桥，除要满足电阻平衡条件外，外，还必须满足电容平衡条件还必须满足电容平衡条件。为此在桥。为此在桥路上除设有电

16、阻平衡调节外还设有电容平路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节衡调节。 应变片的应用可分为两大类：p将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，构成专用应变式传感器。p将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上，从应变仪上直接读取应变量。 2021-8-241作业2021-8-242应变式传感器工作过程：通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、压力、重量、加速度、温度等物理量形成应变片电阻的变化，再经过电桥、放大电路转换成电量输出。2021-8-243 被测物理量：荷重或力 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 采用弹性元件：柱式、

17、环式、梁式等。2021-8-244a）柱（筒）式力传感器 弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性均有影响。 实心圆柱，一般取 空心圆柱，一般取 其中： H为圆柱高度 D为圆柱外径 d为圆柱内径 l为应变片基长lDH 2ldDH(a )(b )2021-8-245FR1R2 R4传感器的外形应变片的粘贴位置a）柱（筒）式力传感器2021-8-246R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU(c)R1R5R2R6R3R7R4R8 柱式力传感器结构简单，可测量大的拉、压力，柱式力传感器结构简单，可测量大的拉、压力，最大可达最大可达10107 7N N 。2021-8-247汽车衡汽车衡2021-8

18、-248汽车衡汽车衡2021-8-249汽车衡称重系统汽车衡称重系统2021-8-250电子秤电子秤 远距离显示2021-8-251电子天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一2021-8-252人体秤人体秤 2021-8-253吊钩秤吊钩秤便携式便携式2021-8-254应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。矩。 量程量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单英制单位转换

19、、峰值保持、自动断电等功能。位转换、峰值保持、自动断电等功能。2021-8-255b）环式力传感器 环式力传感器在外力F作用下，各点的应力差别较大。对于R/h5的曲率圆环，在载荷F作用下，A、B两点间的应变为： 式中h为薄壁厚度，R为外径，b为圆环宽度，E弹性模量。EbhFREbhFRBA2291. 109. 12021-8-256c）悬臂梁式力传感器 应变片贴在固定端附近表面，顺梁方向上、下各贴两片，两片受压、另两片受拉，将其组成全桥差动电路。既提高输出电压灵敏度，又减小非线性误差。EbhFL262021-8-257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电缆2021-8-25

20、8 p 膜片上均匀分布的压力膜片上均匀分布的压力 R, h膜片的半径和厚度膜片的半径和厚度 x 离圆心的径向距离。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。 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、发动机内部的压力变化等。2021-8-259EhxRPr2228)3)(1 (32EhxRPt2228)(1 (32 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, 表达式分别为当 x = 0 时，rmax=tmax 当 x = R时，t= 0, r= -2rmax 2021-8-2

21、60 传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器，为了提高灵敏度，共安装两只。下端装有感压膜，感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。微 压 传 感 器电 阻 应 变敏 感 元 件传 压 杆感 压 膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R2021-8-261 将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，则输出电压为： 由于hpg表示感压膜上面液体重量，对于等截面柱式容器，有： 由此可得容器内感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系：ghKKUUU21210AQghAQKKU2102021-8-262 适用于物体加速度的测量，依

22、据： 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。 ：一般适用频率为1060 Hz范围，不适用于频率较高的振动和冲击场合。 mFa 1等强度梁等强度梁2质量块质量块3壳体壳体4应变片应变片总总 结结传感器材料类别工作原理 等效电路应变电阻金属半导体R=l/A应变效应压阻效应电阻测量范围线性度补偿电路 测量电路 被测参数线性温度补偿半桥全桥直流电桥交流电桥F,P,

23、 M,G, x,t,a2021-8-2632021-8-264根据压阻效应制成的传感器为压阻式传感器。一种粘贴式应变片一种利用工艺在半导体材料上制成扩散电阻 灵敏度非常高； 分辨力高； 频率响应很高； 可测量低频加速度和直线加速度优优点点+2021-8-265 主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。 半导体材料对温度非常敏感，压阻式传感器的阻值与灵敏度系数易随温度变化产生零漂和灵敏度飘移。温度误差较大，必须进行温度补偿。1、高掺杂浓度 浓度低压阻系数大、温度系数大 浓度高温度系数很小、压阻灵敏度系数低2、等臂扩散电阻电桥一般不采用一般不采用工艺难实现工艺难实现2021-8-2663、串并联电阻

24、补偿电路调零漂：并联电阻R 负温度系数 串联电阻Rs 正温度系数调灵敏度温漂： 串联负温度特性二极管：VD1和VD22021-8-267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、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。2021-8-268压阻式固态压阻式固态 压力传感器压力传感器 内部结构信号处理电路2021-8-269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低压进气口低压进气口2021-8-270小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器p1进气管进气管2021-8-271投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力传感器压

25、阻式固态压力传感器投入式液位计：投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。导压力而与液体相通。 2021-8-272投入式液位计外形投入式液位计外形光柱显示器橡胶背压管2021-8-273投入式液位传感器投入式液位传感器 投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他液体的液位测量。 2021-8-274材料应变的测量材料应变的测量2021-8-27515.1.4 热电阻和热敏电阻 利用电阻随温度变化而制成的传感器称为电阻式温度传感器。分为：金属热电阻和半导体热敏电阻R

26、 Rt t2021-8-276电阻温度系数大而稳定；电阻温度系数大而稳定；电阻率要大；电阻率要大；电阻温度系数保持单值电阻温度系数保持单值,最好为常数最好为常数 金属的物理、化学性能稳定；金属的物理、化学性能稳定；电阻材料条件目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。2021-8-277 铂是贵金属，铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠, 所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准, 铂热电阻的使用温度范围为-200+850。230201100200 ,010 ,850ttRRAtBtC tC ttRRAtBtt 3721243.908310/5.77510/4.18310/ACBCC

27、C 2021-8-2782021-8-279 2021-8-280 2021-8-2810150 ,150tRRAtt 应用精度要求不高，温度较低的场合应用精度要求不高，温度较低的场合 线性度好，价格便宜线性度好，价格便宜 易氧化，体积大，测量范围小易氧化，体积大，测量范围小 分度号分度号Cu50、Cu10034.28899 10/AC2021-8-282 它由电阻体、 绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。 电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻丝采用双线无感绕法绕制在支架上。2021-8-283 支架起支撑和绝缘作用，具有一定形状，如云母、石英或陶瓷塑料。 引出线通常采用直径1mm的银丝或

28、镀银铜丝，它与接线盒柱相接，以便与外接线路相连而测量显示温度。2021-8-284汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表 2021-8-285铂电阻温度显示、变送器铂电阻温度显示、变送器2021-8-286 用热电阻传感器进行测温时, 测量电路经常采用电桥电路。 而热电阻与检测仪表相隔一段距离, 因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。 热电阻引线方式有两线制、 三线制和四线制三种。 二线制中引线电阻对测量影响大, 用于测温精度不高场合。 三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。 四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响, 用于高精度温度检测。2

29、021-8-287可设定温度的温度控制箱可设定温度的温度控制箱2021-8-288107104OCTCPTCNTC40 80 120 160 200温度/1 1探头探头2 2引线引线3 3壳体壳体2021-8-289R, Ro为温度T(K)和T0(K)时的电阻值 温度系数 B 热敏电阻的材料常数 一般情况下：B=2000K6000K。)450,100(:)(0011CTeRRNTCTT 21TBdTdRR 2021-8-29050mW10mW1mW502010510.20.10.05470K100K22K10K2.2K0.20.5125102050100I(mA)U2021-8-291热敏电阻外形热敏电阻外形 2021-8-292其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 2021-8-293其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 2021-8-294其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻2021-8-295热敏电阻温度面板表热敏电阻温度面板表 LED2021-8-296热敏电阻体温表热敏电阻体温表 2021-8-297热敏电阻用于热敏电阻用于CPU的温度测量的温