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1、关于自动检测技术及应用第1页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/162第第2 2章章 电阻式传感器及其应用电阻式传感器及其应用 本章学习本章学习电阻式传感器的原理及应用，电阻式传感器的原理及应用，包括：电阻应变片、电位器、热电阻、包括：电阻应变片、电位器、热电阻、气敏电阻及湿敏电阻等气敏电阻及湿敏电阻等。自动检测技术及应用自动检测技术及应用 第第2 2版版 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件第2页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1632.1 2.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 应变效应应变效应：导体或半导体材料在外界：导体或半导体材料在外界力力的作用的作用下，
2、会产生下，会产生机械变形机械变形，其，其电阻值电阻值也将随着发生变也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。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式传感器主要由电阻应变片电阻应变片及及测量转测量转换电路换电路等组成。等组成。自动检测技术及应用自动检测技术及应用 第第2 2版版 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件第3页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/164一、一、应变片的工作原理应变片的工作原理 金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大。自动检测技术及应用自动检测技术及应用 第第2 2版版 高职高专高职高专 ppt ppt 课
3、件课件第4页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/165设设有有一一长长度度为为l、截截面面积积为为A、半半径径为为r、电电阻阻率率为为 的金属的金属单丝单丝，它的，它的电电阻阻值值R可表示可表示为为:当当沿沿金金属属丝丝的的长长度度方方向向作作用用均均匀匀拉拉力力（或或压压力力）时时，上上式式中中、r r、l都都将将发发生生变变化化，从从而而导导致致电电阻阻值值R发生变化。发生变化。例如例如金属丝金属丝受拉时，受拉时，l将变长、将变长、r r变小，均导致变小，均导致R变大；变大；又如，又如，某些半导体某些半导体受拉时，受拉时，将变大，导致将变大，导致R R变大。变大。自动检测技术及应用
4、自动检测技术及应用 第第2 2版版 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件第5页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/166 实验证明，电阻丝及应变片的实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量电阻相对变化量 R R/R R与材料力学中的与材料力学中的轴向应变轴向应变 x x（x x=l/l）的关的关系在很大范围内是系在很大范围内是线性线性的，即的，即 K电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度对于不同的对于不同的金属材料金属材料，K略微不同，一般为略微不同，一般为2 2左右。左右。而对而对半导体材料半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很会产生
5、很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。自动检测技术及应用自动检测技术及应用 第第2 2版版 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件第6页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/167在在材材料料力力学学中中，x x =l/l称称为为电电阻阻丝丝的的轴轴向向应应变变，也也称称纵纵向向应变应变。x x通常很小，常用通常很小，常用1010-6-6表示之。表示之。例例如如，当当 x x为为0.0000010.000001时时，在在工工程程中中常常表表示示为为1 1 1010-6-6或或 m/mm/m。在应变测量中，也常将之称为在应变测量中，也常将之称
6、为微应变微应变()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于不要大于1 1 1010-3-3，即，即10001000 m/mm/m，否则有可能超过材料的，否则有可能超过材料的极限极限强度强度而导致断裂。而导致断裂。自动检测技术及应用自动检测技术及应用 第第2 2版版 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件第7页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/168应变片用于测量力应变片用于测量力F F的计算公式：的计算公式：由材料力学可知：由材料力学可知：x xF/AEF/AE (E (E为弹性模量为弹性模量)而而 R R/R R
7、K K x x 故：故：R R/R RK KF F/AE/AE 如果如果应变应变片的灵敏度片的灵敏度K K和和试试件的横截面件的横截面积积A A以及以及弹弹性模量性模量E E均均为为已知，已知，则则只要只要设设法法测测出出 R R/R R的数的数值值，即可，即可获获知知试试件受件受力力F F的大小。的大小。例如可用于例如可用于电电子称的称重子称的称重。自动检测技术及应用自动检测技术及应用 第第2 2版版 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件第8页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/169分析与总结分析与总结影响电阻值变化的因素：影响电阻值变化的因素：1 1、电阻丝长度的变化；、电
8、阻丝长度的变化；2 2、电阻丝面积的变化；、电阻丝面积的变化；3 3、压阻效应的作用。、压阻效应的作用。电阻丝几电阻丝几何尺寸何尺寸金属导体金属导体电阻率电阻率半导体半导体压阻效应压阻效应：半导体沿某一轴向受到应力而发生应变时，：半导体沿某一轴向受到应力而发生应变时，其电阻率发生变化，此现象为压阻效应。其电阻率发生变化，此现象为压阻效应。由于半导体电阻率变化明显，所以其灵敏度系数很由于半导体电阻率变化明显，所以其灵敏度系数很大，故可测大，故可测微小应变微小应变。自动检测技术及应用自动检测技术及应用 第第2 2版版 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件第9页，讲稿共142张，创作于星期三2
9、022/9/16101.1.电阻应变片的结构电阻应变片的结构电阻应变片由电阻应变片由敏感栅敏感栅、基片基片、覆盖层覆盖层和和引线引线等部分组成。等部分组成。二、应变片的结构与粘贴二、应变片的结构与粘贴自动检测技术及应用自动检测技术及应用 第第2 2版版 高职高专高职高专 ppt ppt 课件课件第10页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1611（1 1）敏感栅）敏感栅 感受应变，并将应变转换为电阻的变化感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感。敏感栅有丝式、栅有丝式、箔式和薄膜式三种。箔式和薄膜式三种。（2 2）基片）基片 绝缘及传递应变绝缘及传递应变。测量时应变片的基底粘在试件上，
10、。测量时应变片的基底粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。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。由纸薄、胶质膜等制成。第11页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1612（3 3）覆盖层）覆盖层 保护作用保护作用。防湿、蚀、尘。防湿、蚀、尘。（4 4）引线）引线 连接电阻丝与测量电路连接电阻丝与测量电路，输出电参量。，输出电参量。第12页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1613应变片的内部结构应变片的内部结构第13页，讲稿共142张，创作
11、于星期三2022/9/1614分类分类金属电阻金属电阻应变片应变片半导体应半导体应变片变片丝式丝式箔式箔式薄膜式薄膜式 2.2.应变片的种类应变片的种类第14页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1615金属金属丝丝式式应变应变片使用最早，有片使用最早，有纸纸基、胶基之分。基、胶基之分。由于金属由于金属丝丝式式应变应变片蠕片蠕变较变较大，金属大，金属丝丝易脱胶，有逐易脱胶，有逐渐渐被箔式所取代被箔式所取代的的趋势趋势。但其。但其价格便宜价格便宜，多用于，多用于应变应变、应应力的大批量、一次性力的大批量、一次性试验试验。金属丝式金属丝式第15页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/
12、1616 箔式箔式应变应变片中的箔片中的箔栅栅是金属箔通是金属箔通过过光刻、腐光刻、腐蚀蚀等工等工艺艺制成的。制成的。箔的材料多箔的材料多为电为电阻率高、阻率高、热稳热稳定性好的定性好的铜镍铜镍合金。合金。箔箔式式应应变变片片与与基基片片的的接接触触面面积积大大得得多多，散散热热条条件件较较好好，在在长长时时间间测测量量时时的的蠕蠕变变较较小小，一一致致性性较较好好，适适合合于于大大批批量量生生产产。目目前前广广泛泛用用于于各种各种应变应变式式传传感器中。感器中。第16页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1617箔式应变片的外形箔式应变片的外形第17页，讲稿共142张，创作于星期三2
13、022/9/1618 半半导导体体应应变变片片的的主主要要特特点点是是：当当受受力力时时，其其电电阻阻率率随随应力的变化而变化，故应力的变化而变化，故灵敏度高灵敏度高，横向效应小横向效应小。第18页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1619 实验发现，实际应变片的实验发现，实际应变片的K K值比单丝的值比单丝的K K值要小，造成此现象原因值要小，造成此现象原因是是横向效应横向效应，还有粘结层传递，还有粘结层传递变形失真变形失真。横横向向效效应应：将将直直的的电电阻阻丝丝绕绕成成敏敏感感栅栅后后,虽虽然然长长度度不不变变,应应变变状状态态相相同同,但但圆圆弧弧段段横横向向收收缩缩引引起
14、起阻阻值值减减小小量量对对轴轴向向伸伸长长引引起起阻阻值值增增加加量量起起着着抵抵消消作作用用。因因而而同同样样应应变变阻阻值值变变化化减减小小，K K值值减减小，此现象为横向效应。小，此现象为横向效应。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。就小得多。第19页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1620.应变片的粘贴：应变片的粘贴：1)去污：采用手持砂轮工去污：采用手持砂轮工具除去构
15、件表面的油污、漆、具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉锈斑等，并用细纱布交叉打打磨磨出细纹以增加粘贴力出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球布片或脱脂棉球擦洗擦洗。第20页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16212.2.贴片：在应变片的表面贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的各涂一层均匀的粘贴胶粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，并用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。下面的气泡。第21页，讲稿共142
16、张，创作于星期三2022/9/16223.3.测量：从分开的端测量：从分开的端子处，预先用万用表测子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。端子折断和坏的应变片。第22页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16234.4.焊接：检查合格焊接：检查合格后用烙铁焊接引出线，后用烙铁焊接引出线，注意不要把端子扯断。注意不要把端子扯断。第23页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16245.5.固定：焊接后用固定：焊接后用胶布将引线和被测对胶布将引线和被测对象固定在一起，防止象固定在一起，防止损坏引线和应变片。损坏引线和应变片。第24页，讲稿共1
17、42张，创作于星期三2022/9/1625三、测量转换电路三、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。通常采用电桥电路实现电阻值的变化将十分困难，且误差很大。通常采用电桥电路实现微小电阻值微小电阻值变化的电压输出。变化的电压输出。例如，例如，有一金属箔式应变片，受拉后应变片的阻值有一金属箔式应变片，受拉后应变片的阻值R R 的的变化量仅为变化量仅为0.20.2，所以必须使用电桥来测量这一微小，所以必须使用电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如
18、何将的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将 R R/R R转换为输出电压转换为输出电压U Uo o的。的。第25页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1626 根据电源的不同，可将电桥分为直流电桥和交根据电源的不同，可将电桥分为直流电桥和交流电桥。流电桥。电桥按读数方法可分为电桥按读数方法可分为平衡电桥平衡电桥（零读法）和（零读法）和不平不平衡电桥衡电桥（偏差法）两种。（偏差法）两种。平衡电桥仅适合与测量平衡电桥仅适合与测量静态参数静态参数，而不平衡电桥对，而不平衡电桥对静、动态参数静、动态参数都可测量。都可测量。我们只讨论我们只讨论直流不平衡电桥直流不平衡电桥。第26页，讲稿共
19、142张，创作于星期三2022/9/1627 直流电桥电路如下图，它的四个桥臂由电阻直流电桥电路如下图，它的四个桥臂由电阻R R1 1、R R2 2、R R3 3、R R4 4组成。它们可以全部或部分是应变片。组成。它们可以全部或部分是应变片。34端接直流电压端接直流电压U12端输出电压端输出电压U01 1直流不平衡电桥的工作原理直流不平衡电桥的工作原理 第27页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1628 初始状态下，电桥是平衡的，输出为初始状态下，电桥是平衡的，输出为零零。当其中一个桥臂（或两个、三个、四个）上受到应变作当其中一个桥臂（或两个、三个、四个）上受到应变作用后，则阻值将
20、发生变化，桥路失去平衡，就会有信号用后，则阻值将发生变化，桥路失去平衡，就会有信号U U0 0输出。输出。第28页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1629当电桥平衡时当电桥平衡时,有：有：R R1 1R R4 4=R=R2 2R R3 3 或或电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻或相对两臂电阻的乘积相等。的乘积相等。当电桥不平衡时当电桥不平衡时：则：则：U Uo o=0=0第29页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16301 1）单臂电桥）单臂电桥R R1 1为工作应变片，为工作应变片，R R2 2、R R3 3、R
21、 R4 4为固定电阻。为固定电阻。假设桥臂假设桥臂R R1 1的阻值变为的阻值变为R R1 1+R+R1 1。则输出电压：则输出电压：U UO O=U=U1414-U-U2424 =R=R2 2/(R/(R1 1+R+R1 1+R+R2 2)-R -R4 4/(R/(R3 3+R+R4 4）UU第30页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1631经运算：经运算：U U0 0=R=R1 1R R4 4/（R R1 1+R+R1 1+R+R2 2）（）（R R3 3+R+R4 4）UU 分子分母同除以分子分母同除以R R1 1R R3 3，设桥臂比设桥臂比n=Rn=R2 2/R/R1 1R
22、 R3 3/R/R4 4，分母中，分母中RR1 1/R/R1 1相对来说是微小项相对来说是微小项,故可故可略去。略去。U U0 0-n/(1+n)-n/(1+n)2 2（RR1 1/R/R1 1）U U 单臂电桥电压的灵敏度为：单臂电桥电压的灵敏度为：K Ku u=n/(1+n)=n/(1+n)2 2UU 可知：可知：K Ku u与电桥电源成正比，同时与桥臂比有关。与电桥电源成正比，同时与桥臂比有关。对于我们讨论的等臂电桥来说，对于我们讨论的等臂电桥来说，R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4，即，即n=1n=1，则上式化为：，则上式化为：U U0 0=（RR1 1/4R/4R
23、1 1）U U 此时此时,电桥电压灵敏度最高。电桥电压灵敏度最高。K Ku u=U/4=U/4第31页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16322 2）双臂电桥）双臂电桥 R R1 1、R R2 2为工作应变片，为工作应变片，R R3 3、R R4 4为固定电阻。为固定电阻。工作应变片工作应变片R R1 1、R R2 2接入电接入电桥两相邻臂，跨在电源两桥两相邻臂，跨在电源两端端。感受到的应变感受到的应变 1 1、2 2以及以及产生的电阻增量产生的电阻增量RR1 1、RR2 2大小相等，方向相反。大小相等，方向相反。第32页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1633 假设：
24、假设：R R1 1阻值变为阻值变为R R1 1+R+R1 1；R R2 2阻值变为阻值变为R R2 2-R-R2 2。且：且：R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R，RR1 1=R=R2 2=R=R，则由电桥输出电压：则由电桥输出电压：U U0 0=（R R1 1+R+R1 1）/（R R1 1+R+R1 1+R R2 2-R-R2 2）-R-R4 4/（R R3 3+R+R4 4）UU =（R/2RR/2R）U U双臂电桥电压的灵敏度为：双臂电桥电压的灵敏度为：K Ku u=U/2=U/2 由上式可知：双臂电桥由上式可知：双臂电桥灵敏度灵敏度比单臂电桥提高一倍，而且还
25、比单臂电桥提高一倍，而且还具有具有温度误差补偿温度误差补偿作用。作用。第33页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16343 3）四臂全桥）四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片，全桥的四个桥臂都为应变片，两个受拉，两个受压。两个受拉，两个受压。将两个变形符号相同的应变将两个变形符号相同的应变片接在电桥的相对臂，符号片接在电桥的相对臂，符号不同的接在相邻臂。不同的接在相邻臂。第34页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1635假设假设4 4个桥臂的阻值分别变为：个桥臂的阻值分别变为：R R1 1+R+R1 1、R R2 2-R-R2 2、R R3 3+R+R3 3、R R4 4-R
26、-R4 4；且：且：R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R，RR1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R，则电桥输出电压：则电桥输出电压：U U0 0=（R R1 1+R+R1 1）/（R R1 1+R+R1 1+R R2 2-R-R2 2 ）-（R R4 4-R-R4 4）/（R R3 3+R+R3 3+R R4 4-R-R4 4 ）UU =（R/RR/R）U U 四臂全桥电压的灵敏度为：四臂全桥电压的灵敏度为：K Ku u=U=U 由上式可知：四臂全桥由上式可知：四臂全桥灵敏度灵敏度是单臂电桥的是单臂电桥的4 4倍，其灵敏度最高，倍，其灵敏度最高，能
27、实现能实现温度自补偿温度自补偿。第35页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1636对于四臂全桥：对于四臂全桥：接法如前面方式，若接法如前面方式，若R R1 1=R=R2 2=R=R3 3=R=R4 4=R=R，RR1 1=RR2 2=R=R3 3=RR4 4忽略高阶微小量（计算较复杂，略去），则有：忽略高阶微小量（计算较复杂，略去），则有：U UO O=U(R=U(R1 1RR2 2+R+R3 3RR4 4)/4R)/4R 结论：结论：U UO O=(U/4)(R=(U/4)(R1 1/R/R1 1RR2 2/R/R2 2+R+R3 3/R/R3 3RR4 4/R/R4 4)第36页
28、，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1637全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理 利用电桥相邻相等两臂同时利用电桥相邻相等两臂同时产生大小相等，符号相同的电产生大小相等，符号相同的电阻增量不会破坏电桥平衡（无阻增量不会破坏电桥平衡（无输出）的特性来达到补偿。输出）的特性来达到补偿。当环境温度升高时，桥臂上当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂较小；半桥也同样能克服温漂。漂。第37页，讲稿共142张，创作于星期三2022
29、/9/1638例：利用全桥电路测量桥梁的上下表面应变。例：利用全桥电路测量桥梁的上下表面应变。由上图：由上图：R R1 1、R R3 3与与R R2 2、R R4 4感受到的应变绝对值相等、符号感受到的应变绝对值相等、符号相反。相反。请大家思考请大家思考测量转换电路该如何接？测量转换电路该如何接？第38页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1639当试件受力且同时有温度变化时，当试件受力且同时有温度变化时，R1t=R2t=R3t=R4t 因而应变片因而应变片R R1 1R R4 4产生的电阻增量合并为产生的电阻增量合并为4 4倍的倍的R R，R Rt t则相互则相互抵消。抵消。计算结果
30、与温度引起的电阻变化量无关。计算结果与温度引起的电阻变化量无关。第39页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1640四、应变式传感器的应用四、应变式传感器的应用 电阻应变片的应用可分为两大类：电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换，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。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；是应变片，测量转换电路一
31、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。从应变仪上读取被测试件的应变量。第40页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1641.应变式力传感器应变式力传感器被测物理量为被测物理量为荷重荷重或或力力的应变式传感器。的应变式传感器。作用：作为各种电子秤与材料试验机的作用：作为各种电子秤与材料试验机的测力测力元件，也可用元件，也可用于发动机的推力测试，或水坝坝体承载状况的监视。于发动机的推力测试，或水坝坝体承载状况的监视。第41页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/
32、1642a a）圆柱面展开图）圆柱面展开图b b）桥路连接图）桥路连接图1）圆柱式力传感器）圆柱式力传感器 纵纵向向和和横横向向各各贴贴四四片片应应变变片片，纵纵向向对对称称的的R1和和R3串串接接,R2和和R4串串接接,并置于相对桥臂以减小偏心载荷及弯矩的影响。并置于相对桥臂以减小偏心载荷及弯矩的影响。第42页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16432 2）应变片用在悬臂梁上）应变片用在悬臂梁上 各种悬臂梁各种悬臂梁第43页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1644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第44页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/
33、1645应变片在悬臂梁上的粘贴及变形应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 第45页，讲稿共142张，创作于星期三3 3）应变式荷重传感器）应变式荷重传感器FR1R2 R4第46页，讲稿共142张，创作于星期三应变式荷重传感器外形及受力位置应变式荷重传感器外形及受力位置FF第47页，讲稿共142张，创作于星期三荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示荷重传感器上荷重传感器上的应变片在重力的应变片在重力作用下产生变形。作用下产生变形。轴向变短，径向轴向变短，径向变长。变长。第48页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16494 4）汽车衡）汽车衡第49页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16
34、50汽车衡汽车衡第50页，讲稿共142张，创作于星期三汽车衡汽车衡称重系统称重系统第51页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1652结构组成结构组成 电子汽车衡主要由电子汽车衡主要由承载器承载器、称重显示仪表称重显示仪表、称重传感器称重传感器、连接件连接件、限位装置及限位装置及接线盒接线盒等零部件组成，还可以选配打印机、大屏幕显示等零部件组成，还可以选配打印机、大屏幕显示器、计算机等外部设备。器、计算机等外部设备。工作原理工作原理被称重物或载重汽车置于承载器台面上，在重力作用下，通过被称重物或载重汽车置于承载器台面上，在重力作用下，通过承载器将重力传递至称重传感器，使称重传感器弹性体
35、产生变承载器将重力传递至称重传感器，使称重传感器弹性体产生变形，贴附于弹性体上的应变计桥路失去平衡，输出与重量数值形，贴附于弹性体上的应变计桥路失去平衡，输出与重量数值成正比例的电信号。成正比例的电信号。经线性放大器将信号放大，再经经线性放大器将信号放大，再经A/DA/D转换为数字信号，由仪表的转换为数字信号，由仪表的微处理机（微处理机（CPUCPU）对重量信号进行处理后直接显示重量数据。）对重量信号进行处理后直接显示重量数据。第52页，讲稿共142张，创作于星期三电子天平电子天平电子天平的精度可达电子天平的精度可达十万分之一十万分之一第53页，讲稿共142张，创作于星期三人体秤人体秤 第54
36、页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16552.2.应变式压力传感器应变式压力传感器作用：主要用液体、气体动态和静态压力的测作用：主要用液体、气体动态和静态压力的测 量，量，如内燃机管道和动力设备管道的进气口、出气口气如内燃机管道和动力设备管道的进气口、出气口气体和液体压力的测量。体和液体压力的测量。第55页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1656膜膜片片式式压压力力传传感感器器：应应变变片片贴贴在在膜膜片片内内壁壁,在在压压力力p作作用用下下,距距离圆心离圆心x处膜片产生处膜片产生径向应变径向应变 r r和和切向应变切向应变 t t：在在平平膜膜片片圆圆心心处处切切向向
37、粘粘贴贴R R1 1、R R4 4两两个个应应变变片片,在在边边缘缘处处沿沿径径向向粘粘贴贴R R2 2、R R3 3两两个个应应变变片片,然然后后接成全桥测量电路。接成全桥测量电路。第56页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16573.3.应变式加速度传感器应变式加速度传感器 传感器由质量块（传感器由质量块（4 4）、）、应变片（应变片（1 1）、）、弹性悬臂梁（弹性悬臂梁（3 3）基座（基座（2 2）组成。）组成。当当被被测测物物做做水水平平加加速速度度运运动动时时,由由于于质质量量块块的的惯惯性性:F=maF=ma，悬悬臂臂梁梁弯弯曲曲变变形，通过应变片测出悬臂梁的形，通过应变
38、片测出悬臂梁的应变量应变量。当当振振动动频频率率小小于于传传感感器器的的固固有有振振动动频频率时，悬臂梁的率时，悬臂梁的应变量应变量与与加速度加速度成正比。成正比。第57页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1658休休 息息 一一 下下第58页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16592.2 2.2 电位器式传感器电位器式传感器电位器是一种将电位器是一种将机械位移机械位移（线位移或角位移）（线位移或角位移）转换为与其成一定函数关系的转换为与其成一定函数关系的电阻或电压电阻或电压的的机电传感元件。机电传感元件。第59页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1660一、组
39、成与特点一、组成与特点1 1、组成：常用电位器传感器由、组成：常用电位器传感器由电位器电位器（骨架、电（骨架、电 阻丝阻丝 ）和）和触点机构触点机构（电刷等）等组成。（电刷等）等组成。2 2、特点：输出信号大，测量线路简单，成本低，、特点：输出信号大，测量线路简单，成本低，性能稳定并容易实现任意函数。性能稳定并容易实现任意函数。但要求输入能量大，电刷与电阻元件之但要求输入能量大，电刷与电阻元件之 间容易磨损。间容易磨损。第60页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1661二、工作原理二、工作原理 通过改变电位器的滑动触头（电刷）的通过改变电位器的滑动触头（电刷）的位置位置，将线位，将线
40、位移或角位移等位移量转换为电阻或电压的变化。移或角位移等位移量转换为电阻或电压的变化。1 2 3 132直线型直线型旋转型旋转型U UO O=U(X/L)=U(X/L)U UO O=U(/2)=U(/2)第61页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1662休休 息息 一一 下下第62页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1663原理：原理：热电阻效应热电阻效应：物质的电阻率随温度变化而变化的物理：物质的电阻率随温度变化而变化的物理现象称为热电阻效应。现象称为热电阻效应。定义：定义：热电阻传感器：利用电阻随温度变化的特性制成的传感热电阻传感器：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器
41、。器。2.3 2.3 测温热电阻传感器测温热电阻传感器第63页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1664作用：作用：主要用于对温度和与温度有关的参量进行测量。（主要用于对温度和与温度有关的参量进行测量。（-200-200+960+960）分类：分类：按热电阻的性质分按热电阻的性质分 金属热电阻金属热电阻热电阻热电阻 半导体热电阻半导体热电阻热敏电阻热敏电阻第64页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1665一、热电阻一、热电阻1 1热电阻的工作原理热电阻的工作原理 金属的电阻值随温度的升高而增加，即电阻温度系数为金属的电阻值随温度的升高而增加，即电阻温度系数为正正。右图为金属
42、的热电阻右图为金属的热电阻温度特性曲线温度特性曲线实验证明：大多数金属在温度每升高实验证明：大多数金属在温度每升高11时其电阻值要增时其电阻值要增 0.40.40.6%0.6%。第65页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1666 在金属中，参与导电的是自由电子，也即是说金属在金属中，参与导电的是自由电子，也即是说金属导电是由于金属中的导电是由于金属中的自由电子定向运动自由电子定向运动导致的。导致的。对于金属导体来说，当温度升高时，虽然自由电子对于金属导体来说，当温度升高时，虽然自由电子数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每数目基本不变（当温度变化范围不是很大时），但每个自由电
43、子的个自由电子的动能动能将增加，因而在一定的电场作用下，将增加，因而在一定的电场作用下，要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的要使这些杂乱无章的电子作定向运动就会遇到更大的阻力，阻力，宏观上表现出宏观上表现出电阻率变大电阻率变大，电阻值增加，电阻值增加，因而金因而金属电阻值随温度的升高而增加。属电阻值随温度的升高而增加。第66页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1667取一只取一只 100W/220V 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得
44、到的额定热态电阻值应为为484484 。第67页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16682 2测量电路测量电路 热电阻的测量电路通常采用热电阻的测量电路通常采用不平衡电桥不平衡电桥来转来转换，热电阻在工业测量桥路中的接法常采用两换，热电阻在工业测量桥路中的接法常采用两线制和三线制两种。线制和三线制两种。第68页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16691 1）热电阻）热电阻两线两线测量桥路测量桥路 11电阻体电阻体 22引出线引出线 33显示表显示表当导线温度变化时，将产当导线温度变化时，将产生附加电阻，引起测量误生附加电阻，引起测量误差。差。第69页，讲稿共142张，创
45、作于星期三2022/9/16702 2）热电阻）热电阻三线三线测量桥路测量桥路11电阻体电阻体 22引出线引出线 33显示表显示表当热电阻阻值较小当热电阻阻值较小时，常采用三线制时，常采用三线制接法，可以消除和接法，可以消除和减少减少引线电阻引线电阻的影的影响。响。两条引线接于两条引线接于相邻相邻的两臂上，由于附加的两臂上，由于附加电阻引起的电阻变化电阻引起的电阻变化是相同的，根据电桥是相同的，根据电桥的特性，电桥的输出的特性，电桥的输出将互相抵消。将互相抵消。第70页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16713 3热电阻材料及其结构热电阻材料及其结构1 1）热电阻材料）热电阻材料易
46、提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻。易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻。制作热电阻的电阻体材料应具有的特点：制作热电阻的电阻体材料应具有的特点：电阻温度系数大电阻温度系数大，以便提高热电阻的灵敏度。，以便提高热电阻的灵敏度。电阻率电阻率尽可能大尽可能大，以便在相同灵敏度下减小电阻体，以便在相同灵敏度下减小电阻体尺寸。尺寸。其其化学、物理性能稳定化学、物理性能稳定。材料的提纯、可延、自制等材料的提纯、可延、自制等工艺性好工艺性好。第71页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1672第72页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1673根据上述特点，较为广泛应用的热
47、电阻材料有：铂、铜、镍、铁、和根据上述特点，较为广泛应用的热电阻材料有：铂、铜、镍、铁、和铑铁合金等，而常用的是铑铁合金等，而常用的是铂铂、铜铜。第73页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16742 2）热电阻的结构）热电阻的结构组成：组成：热电阻由热电阻由电阻体电阻体1212、引出线引出线1111、绝缘绝缘套管套管1010和和接线盒接线盒7 7等部件组成，其中，等部件组成，其中，电阻体电阻体是热电阻的最主要部件。是热电阻的最主要部件。分类：分类：金属热电阻按照结构类型分：金属热电阻按照结构类型分：普通型普通型 铠装型铠装型 薄模型薄模型普通工业普通工业用热电阻用热电阻第74页，讲稿
48、共142张，创作于星期三2022/9/1675薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻 第75页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1676小型铂热电阻小型铂热电阻 第76页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1677防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 第77页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16784 4常用的热电阻常用的热电阻1 1）铂热电阻）铂热电阻铂：铂：p pt t，通称白金。，通称白金。优点优点：物理、化学性能极为稳定，耐氧化能力强；易于：物理、化学性能极为稳定，耐氧化能力强；易于提纯，复制性好，电阻率较高。提纯，复制性好，电阻率较高。缺点缺点：电阻温度系
49、数小；在还原介质中（特别是高温：电阻温度系数小；在还原介质中（特别是高温下）工作时易被沾污变脆；价格较高。下）工作时易被沾污变脆；价格较高。第78页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/1679铂热电阻的阻值与温度间的关系铂热电阻的阻值与温度间的关系近似线性近似线性：-200-20000时时:R:Rt t=R=R0 01+At+Bt1+At+Bt2 2+C(t-100)t+C(t-100)t3 3 0 0850850时时:R:Rt t=R=R0 0(1+At+Bt(1+At+Bt2 2)A A、B B、C C温度系数温度系数 R Rt t温度为温度为tt时铂热电阻得阻值；时铂热电阻得阻值
50、；R R0 0温度为温度为00时铂热电阻得阻值。时铂热电阻得阻值。我国铂热电阻使用范围我国铂热电阻使用范围有：有：-200-200650650 测温误差：测温误差：t=t=(0.15+0.002(0.15+0.002t t)；-200-200850850 测温误差：测温误差：t=t=(0.3+0.005(0.3+0.005t t)。第79页，讲稿共142张，创作于星期三2022/9/16802 2）铜热电阻）铜热电阻 在一些测量精度不高且温度较低的场合一般采用铜在一些测量精度不高且温度较低的场合一般采用铜热电阻，可用它测量热电阻，可用它测量-50-50150150的温度，测温误差为：的温度，测