第二章,第1節(jié).ppt(應變傳感器，7.8m)

1、機電類《自動檢測技術及應用》多媒體課件 （共13章，第二章，第1節(jié)）統(tǒng)一書號：ISBN 978-7-111-34300-4課程配套網(wǎng)站www.sensor-measurement.net或www.liangsen.net 2012年7月版,第二章 電阻傳感器,本章介紹各種電阻式傳感器的原理及應用，包括：應變效應、電阻應變片、非平衡電橋、壓阻傳感器、測溫熱電阻、氣敏電阻、濕敏電阻、防爆傳感器等。本段課件介紹第二章的第一節(jié)

2、（電阻應變傳感器）的內(nèi)容。包括：應變片工作原理、應變片的種類、結構與粘貼 、應變片的測量轉換電路 、應變效應的應用、荷重傳感器 、扭矩、壓阻式固態(tài)壓力傳感器 等。,應變效應及應變片應變片的測量轉換電路應變效應的應用壓阻式固態(tài)壓力傳感器,第二章,第一節(jié)應變傳感器 目錄,第一節(jié) 電阻應變傳感器,導體或半導體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應變效應。電阻應變傳感器主要由電阻應變片、彈性元件

3、及測量轉換電橋電路等組成。介紹應變效應、應變片的基本原理和分類，非平衡電橋的特點、調(diào)零及溫度補償，荷重傳感器、汽車衡、力矩傳感器，壓阻式固態(tài)壓力傳感器，投入式液位計等。,應變原理演示,,金屬絲受拉時，l 變長、r 變小，導致R變大 。,一、應變片的工作原理,1－拉伸前 2－拉伸后,電阻絲受拉后，長度增加，直徑變小，電阻變大。,,應變片的結構,1－引出線 2－覆蓋層 3－基底 4－電阻絲,l ：應變片的工作基長，b ：應變片基

4、寬，b×l：應變片的有效使用面積。,金屬絲受拉后的電阻變化,設有一長度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為? 的金屬單絲，它的電阻值R及相對變化可表示為,當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時,上式中?、r、l都將發(fā)生變化，從而導致電阻值R發(fā)生變化。 當金屬絲受拉時,l 將增加、r 變小，均導致R變大。,,,半導體受拉后的電阻變化,某些片狀半導體受拉或受壓時，(Δ?/?)/?x(稱為壓阻系數(shù))有較大的

5、變化, 導致半導體的體電阻R變大或變小,稱為壓阻效應。具有較大的靈敏度、非線性和溫漂。電阻相對變化為： 式中：,,,受拉時，N型硅的靈敏度Ks是負的，而P型硅的Ks是正的。不同的切片方向的Ks也有所不同，見下表。P型硅的π14方向切片的靈敏度較高，約為金屬的70倍。,應變片的電阻相對變化量與力的關系,應變片中的電阻絲的電阻相對變化量?R/R，與材料力學中的軸向應變?x的關系在很大范圍內(nèi)是線性的，即?x =F/(AE），設K

6、為靈敏度，金屬材料的面積為A，彈性模量 為E，則? R/R又可表示為,設應變片牢固粘貼在被測試件上，與試件有相同的軸向應變及徑向應變，應變片的靈敏度K、試件的橫截面積A以及材料的彈性模量E均為已知，則只要設法測出應變片的ΔR/R值，即可獲知試件受力Ｆ的大小。依此原理，可用于測量拉力和物體的稱重等。,微應變（?ε）,對于不同的金屬材料，K 略有不同，一般為2左右。而對半導體材料而言，由于其感受到應變時，電阻率? 會產(chǎn)生很大的變化，所以靈敏

7、度比金屬材料大50~200倍。,在材料力學中，?x=?l/l稱為電阻絲的軸向應變，也稱縱向應變。 ?x通常很小。例如，當?x為0.000001（10-6）時，在工程中常表示為1?m/m或 1微應變(1 ? ?)。 對金屬材料而言，受力之后所產(chǎn)生的軸向應變最好不要大于1?10-3，即應小于1000?m/m（1000 ? ?），否則有可能超過材料的極限強度而導致非線性或斷裂。,應變片的分類,應變片可分為金屬應變片及半導體應變

8、片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式等。,a）金屬絲式 b）金屬箔式 c）金屬箔式外形 d）半導體應變片1－電阻絲 2－金屬箔 3－半導體 4－基片 5－引腳 6－定位標記 7－金絲,金屬絲式應變片的結構,金屬絲式與箔式應變片的區(qū)別,金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，逐漸被箔式所取代。但金屬絲式應變片價格便宜，多用于大批量、一次性試驗。,箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔式應變片與

9、片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，目前廣泛用于電子秤等各種應變式傳感器中。,,,,,焊接溫度250℃,不同測量方向的金屬箔式應變片圖形,.,半導體應變片,以N型和P型硅為基底，利用擴散、外延和薄膜工藝制成的。主要優(yōu)點是靈敏度比金屬應變片高很多。缺點是：靈敏度的一致性差、溫漂大、電阻與應變間非線性嚴重。在使用時，需采用半橋、全橋溫度補償及非線性補償措施。,某系列應變片主要性能指標,上表中，哪幾個

10、型號是半導體應變片？依據(jù)是什么？,,,應變片的粘貼 1. 檢查通斷。,,2 .在選定貼應變片的位置劃出十字線。,,3 .再用細砂紙精磨（45度交叉紋）。,,4 .用棉紗或脫脂棉花沾丙酮清潔結構表面，擦幾遍后，不可再用手接觸表面。,,5 .用透明膠帶將應變片與構件在引腳處臨時固定，移動膠帶位置使應變片達到正確定位。,,6. 在應變片的反面涂上一滴快干膠水，視應變片面積而定 ，膠水量不宜過多。,,7.將塑料薄膜蓋在應變片上，

11、用母指按壓擠出多余膠水,按壓時間一般1分鐘，室溫低時適當延長。,,8 .為了使膠水可靠固化，可用電吹風微加熱處理（注意距離和均勻）,用萬用表測量應變片絕緣電阻值，應大于20MΩ,9 .將應變片引線焊接在接線片上，焊點要光滑牢固。引線不能繃緊，需形成弧線與接線片相連。,,10 .將連接應變儀的導線焊接在接線片上（焊接時間盡量短）,把導線用絕緣膠帶固定在構件上，再一次檢查應變片質(zhì)量,,11.在應變片周圍涂上軟硅膠(防潮、防損傷）。,,12

12、.硅膠固化后,應變片粘貼工作完畢。但要再次檢查應變片的阻值和絕緣情況。,,13.固定：,粘貼、焊接后，用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止拉動引線和應變片。,材料受拉應變的測量,將應變片粘貼在受力的斜拉橋上的斜拉繩端部的圓柱上，測量每一根斜拉繩的應變，從而計算出所受的拉力，檢驗拉力是否超過設計值。,管樁材料的受壓應變測量,預應力管樁的受力預測：工作人員正在貼應變片,應變片粘貼在管樁上，四片應變片可組成全橋,三、測量轉換電路——非平衡

13、電橋,金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。例：金屬箔式應變片的標稱阻值R0為100?，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=2?1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應變片的阻值R 的變化量僅為0.2?。所以必須使用非平衡電橋來測量這一微小的變化量，將?R /R轉換為輸出電壓Uo。,非平衡電橋屬于微差法測量,用計算機直接測應變片電阻的變化

14、量是很困難。這是因為測量一個在幾百歐的基值上附加一個零點幾歐的變化的分辨力很低。用電橋可以把被測量的本底去掉，轉換成一個在零值附近變化的毫伏級的輸出電壓，這樣就可以通過“電橋放大電路”來放大這個微小的變化電壓，使之達到幾伏數(shù)量級的有效輸出信號,接到A/D轉換器。在非平衡電阻電橋中，可以用電阻傳感器來代替某一橋臂電阻，或某幾個橋臂的電阻。當電阻傳感器的阻值有所變化時，電橋失去平衡，計算機就可以依據(jù)電橋的輸出電壓來計算出被測值。,非平衡

15、電橋的結構,非平衡電橋由四個電阻R1、R2、R3、R4組成一個四邊形的回路，每一邊稱作電橋的“橋臂”。有4個結點a、b、c、d。在a、c結點之間接入電源Ui，而另一對結點（b、d）之間的電壓差作為輸出電壓Uo端。,b、d點對負極（a點）的電壓相等時稱作 “電橋平衡”；反之，稱作“電橋不平衡”。 電橋平衡的條件是：上下兩個橋臂的左右橋臂的電阻比例相等。,非平衡電橋的輸出電壓,,,若橋路的4個橋臂相鄰電阻的電阻值變化趨勢相同，橋路的輸出

16、電壓為零。 若相鄰電阻的電阻值變化趨勢相反，橋路就產(chǎn)生輸出電壓：,電橋平衡的條件 ：R1/R2=R4/R3或R1?R3=R4?R2,4個橋路電阻的比例通常不可能完全相同,因此必須設置“調(diào)零電位器” RP ,調(diào)節(jié)RP,最終可以使 R1?/R2?=R4/R3（ R1?、R2?是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。,圖中的R5的作用是減小調(diào)節(jié)范圍，也稱限流電

17、阻。,非平衡電橋可以分為單臂、雙臂、全橋,單臂半橋:四個橋臂中，只有一個電阻的電阻可變， R2為應變片， R3、R4為固定電阻（低溫漂的錳合金電阻）橋路的輸出電壓為：,,單臂半橋的靈敏度最低，溫漂最大。,單臂電橋示意圖,.,,電橋放大電路（差動減法電路）,.,,,,例： R1的初始值為120Ω，ΔR=0.1Ω，橋路激勵電壓等于12V，希望放大器的輸出電壓Uo2為100mV，求:放大倍數(shù)A,以及Rf / R11 ,并選擇R11的阻值。

18、,,?A ? =Rf / R11=Uo2 /Uo=100/2.5=40倍R11為橋臂電阻的100倍左右，取10kΩ。,解：橋路輸出電壓Uo為：,雙臂半橋,R1、 R2為應變片， R3、R4為固定電阻（低溫漂的錳合金電阻） 。應變片R1 、R2 感受到的應變?1、?2相反，產(chǎn)生的電阻增量正負號相反，可以使輸出電壓Uo成倍地增大：,,,四臂全橋,全橋的四個橋臂都為應變片，如果設法使試件受力后，應變片R1 ~ R4產(chǎn)生的電阻增量（

19、或感受到的應變?1~?4）正負號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。,,,輸出電壓：,單臂、雙臂半橋、全橋工作方式中，哪一種靈敏度最高? 哪一種靈敏度最低?,,,全橋的溫度自補償原理,當環(huán)境溫度升高時，四個橋臂上的應變片溫度同時升高，假設溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，就可以相互抵消，所以全橋能實現(xiàn)溫度自補償：,,,,,雙臂半橋的溫度自補償,溫度升高，R1、R2同時增大( R3、R4不變)則:,,,又由于熱脹冷縮，溫度升高時，被測物

20、的長度增加，應變片被拉長，引起測量誤差，必須另外增加一個補償塊。,單臂半橋無法實現(xiàn)溫度自補償。,四、應變效應的應用,電阻應變片的應用可分為兩大類。第一類：將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉換電路，這樣就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。應變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體。第二類：將應變片貼于被測試件上，然后將其接到應變儀上就可直接從應變儀上讀取被測試件的應變量。以下重點介紹第一類“專用應變傳感器”。,應變式力傳

21、感器,S型力傳感器,F,F,F,F,各種懸臂梁,,各種懸臂梁,F,,端部固定螺孔,,電纜,,托盤固定螺孔,變換力的各種彈性元件,a)實心軸 b)空心軸 c、d)等截面圓環(huán) e、f、g)變形圓環(huán)h)等截面懸臂梁i)等強度懸臂梁j)變形的懸臂梁k)扭轉軸,懸臂梁的應變,當力F垂直向下作用于懸臂梁的末端時，梁的上表面產(chǎn)生拉應變，下表面產(chǎn)生壓應變。對于任一指定點，上下表面的應變大小相等、符號相反。設等截面梁的截面厚度為δ

22、，寬度為b，總長為，則在距離固定端l處沿長度方向的應變與離根部的距離成正比:,等截面懸臂梁的最大應變產(chǎn)生在梁的根部，該部位也是結構最薄弱處。,等強度懸臂梁,應變片在懸臂梁上的粘貼及受力變形演示,應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位置,F,,圓柱形彈性元件（等截面軸）的應變,設軸的橫截面積為A，軸材料的彈性模量為E，材料的泊松比為μ，當?shù)冉孛孑S承受軸向拉力或壓力F時，軸向應變(有時也稱為縱向應變)εx為：,與軸向垂直方向上的徑向應變(

23、有時也稱橫向應變)εy為,,鋼的彈性模量約為2?1011N／m2。當被測力較小時，可用鋁合金。鋁的彈性模量約為0.7×1011 N／m2。材料越軟，彈性模量也越小，其靈敏度也越高。,應變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）,,F,,F,,F,荷重傳感器原理演示,貼在荷重傳感器表面的應變片在向下力的作用下，產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變粗。,,荷重傳感器的應用（汽車衡）,用一個橋路激勵源來激勵4個圓柱狀荷重傳感器的橋路，由4路A/D轉換

24、器將4個橋路的輸出轉換為4個數(shù)字量，由單片機進行加法運算。,汽車衡,測量汽車毛重，再扣除已知該型號汽車的自重，就可以判斷超載,汽車衡稱重系統(tǒng),荷重傳感器計算,當KF 為常數(shù)時，橋路所加的激勵源電壓Ui 越高，滿量程輸出電壓Uom也越高。,思考：綜合考慮靈敏度與功耗、發(fā)熱等因數(shù)， Ui 的取值范圍多少為好？,,,,荷重傳感器應用估算,解：從該荷重傳感器銘牌上得到F m=100?103N，KF= 2mV/V， 可計算得到Uom=12mV。

25、根據(jù)上述公式計算得被測荷重：,,例：用某荷重傳感器稱重。當橋路電壓Ui為6V時，測得橋路的輸出電壓Uo為8mV，求被測荷重為多少噸？,荷重傳感器用于構件的稱重,荷重傳感器（共 3個,120度分布,以達到均衡目的,另兩個未拍進）,,,底座,墊塊,,,電纜,,電子秤,磅秤,超市打印秤,遠距離顯示,,由單片機扣除溫漂和毛重,電子天平,電子天平的準確度可達十萬分之一,人體秤,,怎樣才能節(jié)電？怎樣才能適合盲人使用？,電子人體秤中 有四個角

26、都裝了電阻應變片（各2片，串聯(lián)），四角接成全橋，由單片機測量橋路電壓，并換算出被稱量的體重。,吊鉤秤,便攜式,如何將重量信號傳送到總控室中的計算機上？,電子秤中的各類彈性元件,,應變式力矩（轉矩）傳感器,扭轉軸是專門用于測量力矩和力矩的彈性敏感元件。力矩T 等于作用力F 和力臂L的乘積，即：T =FL。下圖中的力臂為軸的半徑，L=D/2。力矩的單位為N·m，在小力矩測量時,也用mN·m為單位。,,使機械部件轉動的力矩

27、稱為“轉矩”。任何部件在力矩的作用下，必定產(chǎn)生某種程度的扭轉變形。因此，過去也常把力矩叫做“扭矩”。,應變式力矩（轉矩）傳感器,1－電動機 2－聯(lián)軸器 3－扭轉軸 4－信號引出滑環(huán) 5－電刷 6－減速器 7－轉鼓（卷揚機） 8－重物 Ti－輸入力矩 ToG－輸出力矩 i－減速比,應變式力矩（轉矩）傳感器,在扭矩T的作用下，扭轉軸的表面將產(chǎn)生拉伸或壓縮應變。在軸表面上與軸線成45?方向（如下圖中的ab方向）的應變與

28、圖中的cb方向上的應變數(shù)值相等，但符號相反，R1、R2與粘貼在力矩扭轉軸的背面的R3、R4可以組成全橋。橋路的4個結點a、b、c、d分別通過4個信號滑環(huán)和電刷引出，為了克服集電環(huán)接觸電阻造成的誤差，也可以利用無線電模塊，將旋轉軸的應變測量值傳送到扭轉軸外面的接收器電路。應變片測量得到的軸表面與軸線成45?的方向上的應變關系：,,,應變式數(shù)顯扭矩扳手,數(shù)顯扳手可用于汽車、摩托車、飛機、內(nèi)燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺栓的裝

29、配扭矩。量程2~500N·m，耗電量≤10mA，有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。,,,應變式數(shù)顯扭矩扳手（續(xù)）,五、壓阻式固態(tài)壓力傳感器,,是利用半導體材料的壓阻效應和集成電路工藝制成的集成傳感器。沒有可動部分，有時也稱為固態(tài)傳感器。它在工業(yè)中多用于與應變有關的力、重力、壓力、差壓、真空度等物理量的測量。,壓阻固態(tài)壓力傳感器工藝,利用擴散工藝制作的四個半導體應變電阻處于同一硅片上，組成4臂全橋，稱為硅微機械加工

30、技術 。工藝一致性好,靈敏度相等,漂移抵消,遲滯、蠕變非常小,動態(tài)響應快。,硅片的表面用SiO2薄膜加以保護，并用超聲波焊上金質(zhì)細絲，作全橋的引線。硅膜片底部被加工成中間薄（用于產(chǎn)生應變）、周邊厚（起支撐作用，所以也稱為硅杯。硅杯在高溫下用玻璃粘接劑粘接在熱脹冷縮系數(shù)相近的玻璃基板上。將硅杯和玻璃基板緊密地安裝到殼體中，就制成了壓力傳感器。,壓阻式固態(tài)平膜片的應變,圖示的硅膜片的厚度較薄，相當于一塊等截面彈性平膜片。在硅膜片上，利用集成

31、電路工藝制作4個阻值相等的電阻。,等截面平膜片沿直徑方向上各點的徑向應變是不同的。虛線圓內(nèi)是硅杯承受壓力的區(qū)域。在p1和p2的差壓Δp的作用下，向下彎曲。由于R2、R4距圓心很近，它們感受的應變是正的（拉應變），而R1、R3處于膜片的邊緣區(qū)，它們的應變是負的（壓應變）。在距圓心0.58r處，應變?yōu)榱恪?個電阻之間利用面積相對較大、阻值較小的擴散電阻（圖中的陰影區(qū)）引線連接,構成四臂全橋。,壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片,隔離、承壓

32、膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片 隔離開來。,壓阻式固態(tài) 壓力傳感器 內(nèi)部結構,信號調(diào)理電路,,,p,小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器,高壓進氣口,低壓進氣口,,,小型壓阻式固態(tài)差壓傳感器（續(xù)）,可用于呼吸、透析和注射泵等設備,,p1進氣管,p2進氣管,,電纜引出,,小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器（續(xù)）,小型表壓壓力傳感器,p1進氣管,,P2向大氣敞開,汽車子午線輪胎胎壓的測量,子午線輪胎,汽車胎壓傳感器的安裝,,投入式

33、液位計,,壓阻式固態(tài)壓力傳感器的 p1進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導壓力。硅杯不與液體相通，耐腐蝕。,,投入式液位計外形（續(xù)）,壓阻式固態(tài)壓力傳感器,與水位成正比的光柱,,橡膠 背壓管,,,,進水孔,投入式液位傳感器,投入式液位傳感器必須使用安裝支架。 適應于深度為 幾米 至 幾十米，且混有 大 量 污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測量。,投入式液位計液位的計算,所以： h=h0+h1