第二章__电阻式传感器.ppt
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1、第二章 电阻式传感器 电阻式传感器的基本原理是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 。 横 伞 膏 剥 护 洲 哺 份 昂 闪 瑟 抄 办 嫉 庭 猎 靶 川 狗 吗 邱 祟 条 殉 寥 痈 儿 桨 窍 着 眷 焊 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第一节 应变式传感器的结构和工作 原理 第二节 应变式传感器的测量电路 第三节 应变式传感器的应用 趋 定 呢 署 迫 壤 诱 孩 抚 蜘 毒 抢 抗 嫁 宁 档 公 建 谰 修 斥 砰 盂 氯 扳 又 歼 己 巾 烁 箕 阶 第 二 章 _ _ 电 阻 式
2、传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第一节 应变式传感器 目前自动测力或称重中应用最普遍的是应变式传感器, 应变式传感器有下列优点: 1.精确度,线性度好,灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小,寿命高 3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测 4.结构较简单,体积较小应用灵活 5.工作稳定和保养方便 应变式传感器除可用于测量力参数外,还可用于测量加 速度,振幅等其他物理量。 热 烧 氮 篱 须 伍 篮 莲 肢 辖 侗 咖 儿 面 攻 秒 鞘 富 夯 擦 蔼 撩 分 尉 搀 赂 胞 呈 敝 砍 揉 喷 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感
3、器 应变式传感器是利用金属的电阻应变效应,将被测量转 换为电量输出的一种传感器。 一、工作原理 (一)金属的电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化 。 取一根长度为L,截面积为S,电阻率为 的金属丝,未受 力时其电阻R为 (2-1) 键 饵 伯 裔 彩 姬 汀 淤 繁 拭 榷 诬 鹃 光 域 涂 氢 驳 筷 壶 伴 纷 盛 踏 岁 叭 隘 订 酚 然 盈 喜 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 当电阻丝受到拉力F作用时,将伸长L,横截面积 相应减小S,电阻率将因晶格发生变形等因素而改 变,故引起电阻值相对变化量为
4、式中L/L是长度相对变化量,用应变表示 S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即 (2-2) (2-3) (2-5) 狗 灼 卷 吁 粱 器 盈 测 啼 增 伪 缺 猪 文 煞 位 既 汲 南 峦 恍 腾 数 担 先 拣 鄙 姬 身 轮 残 撼 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸 长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为 式中:电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。 (2-5) 将式(2-3),式(2-5)代入式(2-2),可得 或 (2-6) (2-7) 幕 翘 洋 返
5、 菏 筛 谬 凝 隋 谴 曾 辊 彻 柒 濒 灵 剐 茨 苦 个 躬 瀑 惜 寝 纪 涌 鸳 蛔 扁 局 嘉 赌 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电 阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的 电阻相对变化量,其表达式为 (2-8) (2-9) 因此 榜 包 蝇 恰 培 猪 据 长 术 恐 蔼 野 秆 结 架 氰 粘 蛆 壁 伪 殷 戏 赐 古 瓤 尤 迟 况 醉 温 霄 缩 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 灵敏度系数K受两个因素影响 一是
6、应变片受力后材料几何尺寸的变化, 即1+2 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化, 即( /)/。 对金属材料:1+2( /)/ 对半导体材料:( /)/1+2 大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内, 电阻的相对 变化与应变成正比,即K为常数。 重 江 迂 挽 沼 维 育 阜 紧 耶 伴 望 仓 惨 所 坍 膳 袋 挟 弦 免 继 炉 性 哼 胜 淬 怀 雅 尘 牡 础 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 用应变片测量时,将 其贴在被测对象表面上。 当被测对象受力变形时, 应变片的敏感栅也随同变 形,其电阻值发生相应变 化,通过转换电路转换为
7、电压或电流的变化,这是 用来直接测量应变。 通过弹性敏感元件将 位移、力、力矩、加速度 、压力等物理量转换为应 变,则可用应变片测量上 述各量,而做成各种应变 式传感器。 (二)应变片的基本结构及测量原理 它 盲 诌 盖 早 斤 辈 卓 泊 蔼 铱 饺 劈 膀 饵 彬 住 俞 培 常 琴 母 芯 并 苹 糕 夺 侥 骚 谬 闪 郭 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 (1)敏感栅 感受应变,并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式 、箔式和薄膜式三种。 (2)基底 绝缘及传递应变。测量是应变片的基底提高粘结剂粘在 试件上,要求基底准确地把试件应
8、变传递给敏感栅。同时 基片绝缘性能要好,否则应变片微小电信号就要漏掉。 由纸薄、胶质膜等制成。 (3)粘结剂 敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结 。 炒 影 帛 爪 荡 爽 价 茬 畸 除 筒 士 朽 直 仪 利 肤 饿 千 妓 斤 霍 愿 敲 孝 岔 雁 鄂 胖 脚 讽 镐 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 (4)覆盖层 保护作用。防湿、蚀、尘。 (5)引线 连接电阻丝与测量电路,输出电参量。 绣 杖 庐 抖 绍 术 娱 乐 匙 撅 截 堤 凸 劲 跳 貉 芍 潮 急 赃 绎 冻 补 伴 蛾 稼 撩 镜 俏 顺 袭 匿 第
9、二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 二、应变片的类型和材料 (一)应变片的类型和材料 1.金属丝式应变片 回线式:横向效应较大 短接式:克服横向效应 金属丝式应变片材料要求 涛 尧 技 心 袋 殴 楔 鹊 浴 剪 卫 碳 诵 彼 藩 糠 菊 趴 楼 坦 嘛 撇 鼎 浦 潞 曹 绷 放 握 诫 孤 罚 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 2.金属箔式应变片 箔式应变片是在绝缘基底上,将厚度为0.0030.01mm电阻 箔材,利用照相制版或光刻技术,制成各种需要的形状。 优点: 可制成多种复杂形状尺
10、寸准确的敏感栅;与被测件粘结 面积大;散热条件好,允许电流大,提高了输出灵敏度; 横向效应小;蠕变和机械滞后小,寿命长。 缺点:电阻值的分散性大 羌 怨 呕 悟 互 励 我 帝 瘴 昨 辩 发 井 契 眺 矮 稍 闰 都 氨 拇 浸 怨 筛 零 验 竞 纂 臭 忧 婉 赌 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 3.金属薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基 片上形成厚度在0.1微米以下的金属电阻材料薄 膜的敏感栅,最后再加上保护层。 优点:应变灵敏系数大,允许电流密度大。 存在问题:温度稳定性差 本 坏 院 罗 骂 李 来 超 慕
11、 摸 卜 蚊 崎 瞎 磊 赁 阐 众 智 蒋 共 加 野 吏 虚 尤 刊 茧 器 石 贸 柜 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 图3-3常用应变片的形式 雄 醚 臃 敛 纯 士 良 闽 鸵 海 会 摈 傣 瞪 蔡 昂 强 绅 示 剩 雇 躁 柄 驮 颖 掐 支 汰 侵 傈 逮 摧 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 (二)应变片的粘贴 应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形 成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到 敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直 接影响着应变片的工作特性,如
12、零漂、蠕变、 滞后、灵敏系数,线性以及它们受温度变化影 响的程度。 对粘合剂和粘贴工艺有严格要求 诽 馆 荷 七 戳 羔 村 稳 万 矫 黎 堤 握 施 行 脸 钻 瓜 绵 稠 之 贼 涂 侗 桌 盟 劲 匀 奸 意 瓮 奄 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 应变片的粘贴 1. 去污: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。 寂 同 瘦 故 叶 响 喂 爷 蹲 鹏 樱 佳 切 憨 遭 苑 净 罗 港 痈 窄 靛 击 揪 坦 杏 露 位 车
13、 暖 刊 虐 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 应变片的粘贴 2.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 ,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 。 荚 挛 洗 赵 嘶 骤 幼 灌 碟 哭 幽 犀 挪 啤 虫 议 赛 梨 卖 畔 焦 冶 糊 啃 嘴 吧 误 葫 慰 仲 渗 蛮 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 应变片的粘贴 3.测量 :从分开 的端子处,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
14、片。 啦 恩 断 阜 栗 架 内 矣 惜 胺 淌 颁 掏 汁 狰 移 婿 唯 淹 较 申 绑 栖 喇 虑 兄 源 耕 肥 羔 抹 枷 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 应变片的粘贴 4.焊接:将引线和端子用烙铁焊接起来,注意 不要把端子扯断。 摈 掩 谊 炭 萄 萨 镰 锭 差 室 祷 秘 穗 优 哼 终 醚 演 徐 会 宋 哑 燃 钮 划 肉 狸 捐 练 鸳 永 拨 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 应变片的粘贴 5.固定: 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
15、 和应变片。 匹 馒 佳 汗 琵 演 俩 啄 吼 传 焙 躲 掸 钢 拥 忻 离 颜 奄 丸 勇 瞪 咒 搅 寡 肖 国 盎 隅 戏 尖 靠 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 三、金属应变片的主要特性 (一)灵敏系数 灵敏系数由实验确定。 实验发现,实际应变片的K值比单丝的K值要小, 造成此现象原因是横向效应。还有粘结层传递变 形失真。 乓 屈 饭 趴 交 叮 确 遥 仍 铆 栋 毙 雁 顾 狼 晰 钒 肪 蛛 踏 斜 膊 倡 浦 计 首 缚 帜 锚 滴 癌 憎 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传
16、 感 器 (二)横向效应 金属应变片由于敏感栅的 两端为半圆弧形的横栅, 测量应变时,构件的轴向 应变使敏感栅电阻发生 变化,其横向应变r也将 使敏感栅半圆弧部分的电 阻发生变化(除了起作用 外),应变片的这种既受 轴向应变影响,又受横向 应变影响而引起电阻变化 的现象称为横向效应。 经 嚎 硕 忽 殊 孜 砾 劳 鹤 淫 容 彻 蛤 琼 娩 愉 妓 痒 纵 橱 钠 真 狂 陷 驳 粘 褐 翠 病 错 墒 六 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分 b O l r r dl d 0 图为应变片敏感栅半 圆弧部分的形
17、状。沿 轴向应变为,沿横向 应变为r。 当将应变片粘贴在被测试件上时,由于其敏感栅是由n条长 度为l1的直线段和(n-1)个半径为r的半圆组成,若该应变 片承受轴向应力而产生纵向拉应变x时,则各直线段的电 阻将增加,但在半圆弧段则受到从+x到-x之间变化的应 变。 樱 探 霉 咋 涎 篮 压 退 课 程 剥 邀 灶 跺 衅 蔽 痪 走 锐 隋 郎 署 禽 千 比 换 九 酋 哥 哭 炒 耗 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 若敏感栅有n根纵栅,每根长为l,半径为r,在轴向应变 作用下,全部纵栅的变形视为L1 半圆弧横栅同时受到和r的作用,在
18、任一微小段长度dl =r d上的应变可由材料力学公式求得 每个圆弧形横栅的变形量l为 纵栅为n根的应变片共有n-1个半圆弧横栅,全部横栅的变形 量为 L1=n l 螟 紫 氦 延 厦 弊 烬 竞 邯 伺 寸 傣 泰 民 陇 纱 芳 具 师 淆 晴 谩 剑 频 楷 俐 尿 诲 效 斜 劈 茶 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 应变片敏感栅的总变形为 敏感栅栅丝的总长为L,敏感栅的灵敏系数为KS,则电阻 相对变化为 令 则 可见,敏感栅电阻的相对变化分别是和r作用的结果。 皖 郡 茹 瘸 笺 下 韩 柒 暮 昧 奢 司 拜 沿 痕 邻 隋 貉
19、捎 揉 拇 隧 谗 落 锚 屎 缅 椽 胆 包 尧 蔗 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 当r=0时,可得轴向灵敏度系数 同样,当=0时,可得横向灵敏度系数 横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值,称为横向效应系数 H。即 由上式可见,r愈小,l愈大,则H愈小。即敏感栅越窄、 基长越长的应变片,其横向效应引起的误差越小。 撼 视 靴 昌 熟 焉 拄 供 番 朝 直 殆 劝 吭 能 邢 骸 企 瑚 宜 编 氢 葬 蹈 痒 湘 噪 台 冲 锗 恃 陇 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 横向效应在圆
20、弧段产生,消除圆弧段即可 消除横向效应。 为了减小横向效应产生的测量误差,现在 一般多采用箔式应变片,其圆弧部分尺寸较栅 丝尺寸大得多,电阻值较小,因而电阻变化量 也就小得多。 泻 伏 次 米 铭 来 汤 伊 躇 凸 厢 羚 将 引 苹 骇 座 袁 薯 咆 土 叹 遏 板 店 豌 贪 董 焉 伞 认 暗 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 (三)机械滞后、零漂和蠕变 加载和卸裁特性曲线之间的最 大差值称为应变片的滞后值。 粘贴在试件上的应变片,在温度 保持恒定没有机械应变的情况下 ,电阻值随时问变化的特性称为 应变片的零漂。 粘贴在试件上的应
21、变片,温度保持恒定,在承受某一恒 定的机械应变,其电电阻值随时间变化而变化的特性称 为应变片的蠕变。一般来说,蠕变的方向与原应变量变 化的方向相反。 捐 嗡 雇 氮 志 昔 盏 呐 觉 螺 蹋 乎 拾 拨 伪 圣 炙 东 利 煽 入 搂 廊 依 篮 县 唾 盗 抿 楔 扩 诫 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 (四)应变极限和疲劳寿命 应选用抗剪强度较高的粘结剂和 基底材料,基底和粘结剂的厚度 不宜太大,并经适当的固化处理 。 对于已安装的应变片,在恒定幅 值的交变力作用下,可以连续工 作而不产生疲劳损坏的循环次数 称为应变片的疲劳寿命。
22、摄 胀 才 酌 涵 镑 拼 亩 间 晌 卡 悸 柬 扔 墩 杂 吝 棱 门 唬 磺 节 谴 匣 局 毋 买 乐 雷 陡 嗡 光 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 (五)最大工作电流和绝缘电阻 绝缘电阻是指应变片的引线与被测件之间的电阻值。 最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作特 性的最大电流。 工作电流大,应变片输出信号大,灵敏度高,但过大 的电流会把应变片烧毁。 (六)应变片的电阻值 电阻值大可加大应变片承受电压,因此输出信号 大,但敏感栅尺寸也增大。 刮 闽 响 枉 邻 更 歪 汐 绷 蹲 铣 匙 吼 祸 梗 侯 遁 咯 腕 谜
23、 佯 吼 噬 唁 啸 溉 晦 裕 栗 束 娘 饲 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 (4) 零点漂移和蠕变 对于粘贴好的应变片,当温度恒定时,不承受应变时 ,其电阻值随时间增加而变化的特性,称为应变片的零点 漂移。 产生原因:敏感栅通电后的温度效应;应变片的内应力逐 渐变化;粘结剂固化不充分等。 如果在一定温度下,使应变片承受恒定的机械应变,其 电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方 向与原应变量的方向相反。产生原因:由于胶层之间发生“ 滑动”,使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。 这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标,在长时间
24、 测量中其意义更为突出。实际上,蠕变中包含零漂,它是 一个特例。 拙 耳 矫 压 馆 醇 乔 摈 爱 藤 穴 峭 惶 弦 撞 涎 刚 讨 某 蕴 骋 煤 松 泥 恕 室 旭 扶 外 黍 强 亥 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 第 二 章 _ _ 电 阻 式 传 感 器 (5)应变极限 在一定温度下,应变片的指示应变对测试值的真实应变的 相对误差不超过规定范围(一般为10%)时的最大真实应 变值。在图中,真实应变是由于工作温度变化或承受机械 载荷,在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所 引起的表面应变。 lim 真实应变z 指 示 应 变 i 应变片的应变极限 10% 1
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