3(电阻、电容式位移).ppt

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1、传感器与检测技术传感器与检测技术项目二：位移、速度、流量传感器及其应用参量型位移传感器 参量型位移传感器工作原理：参量型位移传感器工作原理：将被测物理量转化为电参数，即电阻、电容或电感等。将被测物理量转化为电参数，即电阻、电容或电感等。此类传感器式属于结构型，将机械结构位移、变形等非此类传感器式属于结构型，将机械结构位移、变形等非电量转换成电量，是基于测量物体受力变形而产生应变电量转换成电量，是基于测量物体受力变形而产生应变的一种传感器。的一种传感器。测量位移常用的传感器：测量位移常用的传感器：测量位移常用方法：测量位移常用方法：机械法、光测法、电测法。电测法：电测法：利用各种传感器将位移量变

2、换成电量或电参数，再经后接测量仪器进步变换，完成对位移检测的一种方法。电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步器式、磁电阻式、电容式、涡流式、压电式、感应同步器式、磁栅式、光电式等栅式、光电式等线位移定义：线位移定义：指机构沿着某一条直线移动的距离。指机构沿着某一条直线移动的距离。线位移的测量又称线位移的测量又称长度测量。长度测量。测量线位移常用的传感器有测量线位移常用的传感器有电阻式、电感式、差动变压电阻式、电感式、差动变压器式以及感应同步器、磁尺、光栅、激光位移计器式以及感应同步器、磁尺、光栅、激光位移计等。等。角位移定义：角位移定义：指机构沿着某一定点转动的角度。指机构沿着某一定点转动的

3、角度。角位移的测量又称角位移的测量又称角度测量角度测量测量角位移常用的传感器有测量角位移常用的传感器有旋转变压器、码盘、编码器、旋转变压器、码盘、编码器、圆形感应同步器圆形感应同步器等。等。一、一、工作原理工作原理 l电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特性。寸和物理特性。第一部分第一部分 电阻式位移传感器电阻式位移传感器 由上式可知，改变其中任意参数都可使电阻值由上式可知，改变其中任意参数都可使电阻值发生变化。电位计（电位器）和应变片就是根据这发生变化。电位计（电位器）和应变片就是根据这原理制成的。原理制成的。导体电阻率导体电阻率(m

4、m)L L 导体长度导体长度(m)(m)S S 导体横截面积导体横截面积(m2)(m2)二、结构与等效电路二、结构与等效电路电位计的等效电路电位计的等效电路补充：应变片式位移传感器补充：应变片式位移传感器 设有一长度为设有一长度为l l、截面积为、截面积为A A、半径为、半径为r r、电阻率为、电阻率为 的金属单丝，它的电阻值的金属单丝，它的电阻值R R 可表示为可表示为:当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中上式中、r r、l l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R R发生变发生变化。化。一、应变片的工作原理一

5、、应变片的工作原理 例如例如,金属丝受拉时，金属丝受拉时，l l变长、变长、r r变小，导致变小，导致R R 变大变大 。又如又如，某些半导体受拉时，某些半导体受拉时，将变大，导致将变大，导致R R变大。变大。实实验验证证明明，电电阻阻丝丝及及应应变变片片的的电电阻阻相相对对变变化化量量 R R R R与与材材料料力力学学中中的的轴轴向向应应变变 x x的的关关系系在在很很大大范范围围内内是线性的，即是线性的，即 K K电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度 对于不同的金属材料，对于不同的金属材料，K K 略微不同，一般为略微不同，一般为2 2左右。左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，

6、电阻率而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以会产生很大的变化，所以半导体材料灵敏度比金属材料半导体材料灵敏度比金属材料大几十倍大几十倍。在在材材料料力力学学中中，x x =l l/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应变变，是是量量纲纲为为1 1的的数数。x x通通常常很很小小，常常用用1010-6 6表表示示之之。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。在在应应变变测测量量中中，也也常常将将之之称称为为微微应应变变()。对金属材料而

7、言，当它受力之后所产生的轴向应对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于变最好不要大于1 1 1010-3-3，即，即10001000 m/mm/m，否则有可能超，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。过材料的极限强度而导致断裂。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 由由材材料料力力学学可可知知，x x=F F/（AEAE），所所以以 R R/R R又又可可表示为表示为 如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K K 和试件的横截面积和试件的横截面积A A以及弹以及弹性模量性模量均为已知，则只要设法测出均为已知，则只要设法测出 R R/R R的数值，即的数值

8、，即可获知试件受力可获知试件受力的大小，的大小，例如可用于电子秤的称重例如可用于电子秤的称重。二、应变片的种类结构与粘贴二、应变片的种类结构与粘贴金属应变片金属应变片半导体应变片半导体应变片金属丝式金属丝式箔式箔式薄膜式薄膜式1 1、类型结构、类型结构lbl称应变片的标距或工作基长;b称应变片的 工作宽度b*l称应变片的规格（1 1）金属丝式）金属丝式 金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。金属丝式应变片的金属丝式应变片的内部结构内部结构（2 2）箔式）箔式 箔式应变片中

9、的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。箔式应变片的外形箔式应变片的外形（3 3）薄膜式）薄膜式 真空蒸镀技术制成，特点同上。（4 4）半导体应变片）半导体应变片 半导体应变片灵敏度高，横向效应小，但热稳定性差、电阻与应变间的非线性严重。使用时，需进行非线性补偿。应变片主要性能指标应变片主要性能指标 上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？（1）去污去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油

10、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。2 2、应变片的粘贴、应变片的粘贴 （2 2）贴片贴片：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。（3）测量测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，及早发现端子折断和坏的应变片。（4）焊接焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。（5）固定固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。三、测量转换电路三、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

11、欧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。姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例如，例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥不平衡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何将R/R转换为输出电压Uo的。不平衡电桥不平衡电桥 电桥平衡条件：电桥平衡条件：R R1 1/R R2 2=R R4 4/R R3 3电桥调零电桥调零 调节调节RP

12、RP，最终可以使，最终可以使R R1 1/R R2 2=R R4 4/R R3 3（R R1 1、R R2 2 是是R R1 1、R R2 2并联并联RPRP后的等效电阻）后的等效电阻），电桥趋于平衡，电桥趋于平衡，U Uo o被预被预调到零位，这一过程称为调到零位，这一过程称为调零。图中的调零。图中的R R5 5是用于减是用于减小调节范围的限流电阻。小调节范围的限流电阻。（1 1）单臂半桥）单臂半桥 R1 R1为应变片，其为应变片，其余电阻为固定电阻余电阻为固定电阻 （2 2）双臂半桥）双臂半桥 R R1 1、R R2 2为应变片，为应变片，R R3 3、R R4 4为固定电阻为固定电阻 。

13、应变片应变片R R1 1 、R R2 2 感受感受到的应变到的应变 1 1-2 2以及产以及产生的电阻增量正负号生的电阻增量正负号相间，可以使输出电相间，可以使输出电压压U Uo o成倍地增大。成倍地增大。（3 3）四臂全桥）四臂全桥 全桥的四个桥臂都全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法为应变片，如果设法使试件受力后，应变使试件受力后，应变片片R R1 1 R R4 4产生的电阻产生的电阻增量（或感受到的应增量（或感受到的应变变 1 1 4 4）正负号相间，）正负号相间，就可以使输出电压就可以使输出电压U Uo o成倍地增大。成倍地增大。桥路的温度补偿原理桥路的温度补偿原理 当环境温度升高时，当

14、环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥以相互抵消，所以全桥的温漂较小；双臂半桥的温漂较小；双臂半桥也同样能克服温漂。也同样能克服温漂。结论结论 上述三种工作方式中，四臂全桥工作方上述三种工作方式中，四臂全桥工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。温度自补偿。四、应变效应的应用四、应变效应的应用 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应变效应的

15、应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：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将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器专用应变式传感器。应。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感变式传感器中，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；元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二第二类是类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到

16、应变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仪上就可直接从应变仪应变仪上读取被测试件的应变量。上读取被测试件的应变量。1 1、应变式传感器、应变式传感器（1 1）应变式力传感器）应变式力传感器 应变式力传感器（环式）应变式力传感器（环式）FFFF应变式力传感器（悬臂梁）应变式力传感器（悬臂梁）各种悬臂梁各种悬臂梁 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（2 2）应变式荷重传感器）应变式荷重传感器 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形：荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形：轴向变短，径向变长。轴向变短，径向变长。应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变式

17、荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置R1R2 R4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FFFF汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡汽车衡称重系统汽车衡称重系统荷重传感器计算公式荷重传感器计算公式 当当K KF F为常数时，桥路所加的激励源电压为常数时，桥路所加的激励源电压U Ui i越高，越高，满量程输出电压满量程输出电压U Uomom也越高。也越高。荷重传感器应用估算荷重传感器应用估算 例例2-22-2 现现用用图图2-82-8所所示示的的荷荷重重传传感感器器称称重重。当当桥桥路路电电压压为为6V6V时，测得桥路的输出电压为时，测得桥路的输出电压为24mV24mV，求被测荷重为多少

18、吨。，求被测荷重为多少吨。解：从图解：从图2-82-8所示的荷重传感器铭牌上得到所示的荷重传感器铭牌上得到F F m m=100=100 10103 3N N，K KF F=2mV/V=2mV/V，根据公式有根据公式有：在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4 4个荷重个荷重传感器，量程传感器，量程F Fm m=20t=20t，灵敏度灵敏度K KF F=2.5mV/V=2.5mV/V，使用，使用4 4个独个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，立的桥路电源，每一个电源电压均相等，U Ui i=12V=12V，四，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压个荷重

19、传感器的输出串联，总的输出电压U Uo o=24mV=24mV，请请估算汽车的质量。估算汽车的质量。汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，是否会影响测量结果？为什么？是否会影响测量结果？为什么？荷重传感器用于构件的称重荷重传感器用于构件的称重 荷重传感器荷重传感器（共（共 3 3个，个，120120度分布，度分布，以达到均衡目的）以达到均衡目的）底座底座垫块垫块电缆电缆构件构件电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤远距离显示电子天平电子天平电子天平的精度可达十万分之一人体秤人体秤便携式便携式吊钩秤吊钩秤（3 3）应变式数显扭矩扳手）应变式数显扭矩扳手用于汽车

20、、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矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有单位转换、峰值保持、自动断电等功能。（4 4）应变式加速度传感器）应变式加速度传感器（5 5）压）压阻式固态压力传感器阻式固态压力传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。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高压进气口低压进气口低压进气口小型压阻式固态压力传感

21、器小型压阻式固态压力传感器(续续)呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p p1 1进气管进气管p p2 2进气管进气管固态压力传感器固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器(续续)表压压力传感器表压压力传感器(P2(P2敞开敞开)p p1 1进气管进气管小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器(续续)绝对压力传感器绝对压力传感器(P2(P2抽真空抽真空)压阻式固态压力传感器内部结构压阻式固态压力传感器内部结构信号处理电路信号处理电路 应用应用:投入式液位传感器投入式液位传感器安装高度安装高度h h0 0处水的表压处水的表压:

22、p1=gh1液位液位高度高度:h=h0+h1=h0+p1/（g）投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。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。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。投入式液位计投入式液位计(续续)投入式液位计外形投入式液位计外形压阻式固态压阻式固态压力传感器压力传感器 光柱显示器光柱显示器橡胶背压管橡胶背压管2 2、电阻应变仪、电阻应变仪上图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率：1；电桥电压：直流2.5V；应变片：120或其他阻值；测量点数：8/16点；电阻应变仪（续）电阻应变仪（续）右图所示的静动态应变仪技术指标：量程：110000 频率范围：0-150kHz l平衡方式：手动 l精度：0.3%l零点飘移：-/：0.1-/24小时：0.5l灵敏度变化：-/：0.05%-/24小时：0.3%l信噪比：52dB电阻应变仪（续）电阻应变仪（续）接线端子接线端子材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试