自动检测技术及应用

2019/12/22书名：自动检测技术及应用第2版ISBN：978-7-111-30416-6作者：武昌俊出版社：机械工业出版社本书配有电子课件自动检测技术及应用第2版高职高专ppt课件2019/12/222第2章电阻式传感器及其应用本章学习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、气敏电阻及湿敏电阻等。自动检测技术及应用第2版高职高专ppt课件2019/12/223§2.1电阻应变式传感器应变效应：导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，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片及测量转换电路等组成。自动检测技术及应用第2版高职高专ppt课件2019/12/224一、应变片的工作原理2llRAr金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。自动检测技术及应用第2版高职高专ppt课件2019/12/225设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为:当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。2llRAr自动检测技术及应用第2版高职高专ppt课件2019/12/226实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R/R与材料力学中的轴向应变x（x=l/l）的关系在很大范围内是线性的，即2-1xRKRK—电阻应变片的灵敏度对于不同的金属材料，K略微不同，一般为2左右。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，所以灵敏度比金属材料大几十倍。自动检测技术及应用第2版高职高专ppt课件2019/12/227在材料力学中，x=l/l称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变。x通常很小，常用10-6表示之。例如，当x为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变(με)。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110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。自动检测技术及应用第2版高职高专ppt课件2019/12/228应变片用于测量力F的计算公式：由材料力学可知：x＝F/AE(E为弹性模量)而R/R＝Kx故：R/R＝KF/AE如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量E均为已知，则只要设法测出R/R的数值，即可获知试件受力F的大小。例如可用于电子称的称重。自动检测技术及应用第2版高职高专ppt课件2019/12/229分析与总结影响电阻值变化的因素：1、电阻丝长度的变化；2、电阻丝面积的变化；3、压阻效应的作用。电阻丝几何尺寸金属导体电阻率半导体压阻效应：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。由于半导体电阻率变化明显，所以其灵敏度系数很大，故可测微小应变。自动检测技术及应用第2版高职高专ppt课件2019/12/22101.电阻应变片的结构电阻应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。二、应变片的结构与粘贴自动检测技术及应用第2版高职高专ppt课件2019/12/2211（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）基片绝缘及传递应变。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。2019/12/2212（3）覆盖层保护作用。防湿、蚀、尘。（4）引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量。2019/12/2213应变片的内部结构2019/12/2214分类金属电阻应变片半导体应变片丝式箔式薄膜式2.应变片的种类2019/12/2215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2019/12/2216箔式应变片中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。箔式应变片与基片的接触面积大得多，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。目前广泛用于各种应变式传感器中。2019/12/2217箔式应变片的外形2019/12/2218半导体应变片的主要特点是：当受力时，其电阻率随应力的变化而变化，故灵敏度高，横向效应小。2019/12/2219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。横向效应：将直的电阻丝绕成敏感栅后,虽然长度不变,应变状态相同,但圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸长引起阻值增加量起着抵消作用。因而同样应变阻值变化减小，K值减小，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。2019/12/2220３.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。2019/12/22212.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。2019/12/22223.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片。2019/12/22234.焊接：检查合格后用烙铁焊接引出线，注意不要把端子扯断。2019/12/22245.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。2019/12/2225三、测量转换电路——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变化的电压输出。例如，有一金属箔式应变片，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.2，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何将R/R转换为输出电压Uo的。2019/12/2226根据电源的不同，可将电桥分为直流电桥和交流电桥。电桥按读数方法可分为平衡电桥（零读法）和不平衡电桥（偏差法）两种。平衡电桥仅适合与测量静态参数，而不平衡电桥对静、动态参数都可测量。我们只讨论直流不平衡电桥。2019/12/2227直流电桥电路如下图，它的四个桥臂由电阻R1、R2、R3、R4组成。它们可以全部或部分是应变片。34端接直流电压U12端输出电压U01．直流不平衡电桥的工作原理2019/12/2228初始状态下，电桥是平衡的，输出为零。当其中一个桥臂（或两个、三个、四个）上受到应变作用后，则阻值将发生变化，桥路失去平衡，就会有信号U0输出。2019/12/2229当电桥平衡时,有：R1R4=R2R3或电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。当电桥不平衡时：则：Uo=02019/12/22301）单臂电桥R1为工作应变片，R2、R3、R4为固定电阻。假设桥臂R1的阻值变为R1+ΔR1。则输出电压：UO=U14-U24=[R2/(R1+ΔR1+R2)-R4/(R3+R4）]U2019/12/2231经运算：U0=[ΔR1R4/（R1+ΔR1+R2）（R3+R4）]U分子分母同除以R1R3，设桥臂比n=R2/R1＝R3/R4，分母中ΔR1/R1相对来说是微小项,故可略去。U0≈-[n/(1+n)2]（ΔR1/R1）U单臂电桥电压的灵敏度为：Ku=[n/(1+n)2]U可知：Ku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，R1=R2=R3=R4，即n=1，则上式化为：U0=（ΔR1/4R1）U此时,电桥电压灵敏度最高。Ku=U/42019/12/22322）双臂电桥R1、R2为工作应变片，R3、R4为固定电阻。工作应变片R1、R2接入电桥两相邻臂，跨在电源两端。感受到的应变1、2以及产生的电阻增量ΔR1、ΔR2大小相等，方向相反。2019/12/2233假设：R1阻值变为R1+ΔR1；R2阻值变为R2-ΔR2。且：R1=R2=R3=R4=R，ΔR1=ΔR2=ΔR，则由电桥输出电压：U0=[（R1+ΔR1）/（R1+ΔR1+R2-ΔR2）-R4/（R3+R4）]U=（ΔR/2R）U双臂电桥电压的灵敏度为：Ku=U/2由上式可知：双臂电桥灵敏度比单臂电桥提高一倍，而且还具有温度误差补偿作用。2019/12/22343）四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，两个受拉，两个受压。将两个变形符号相同的应变片接在电桥的相对臂，符号不同的接在相邻臂。2019/12/2235假设4个桥臂的阻值分别变为：R1+ΔR1、R2-ΔR2、R3+ΔR3、R4-ΔR4；且：R1=R2=R3=R4=R，ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4=ΔR，则电桥输出电压：U0=[（R1+ΔR1）/（R1+ΔR1+R2-ΔR2）-（R4-ΔR4）/（R3+ΔR3+R4-ΔR4）]U=（ΔR/R）U四臂全桥电压的灵敏度为：Ku=U由上式可知：四臂全桥灵敏度是单臂电桥的4倍，其灵敏度最高，能实现温度自补偿。2019/12/2236对于四臂全桥：接法如前面方式，若R1=R2=R3=R4=R，ΔR1=－ΔR2=ΔR3=－ΔR4忽略高阶微小量（计算较复杂，略去），则有：UO=U(ΔR1－ΔR2+ΔR3－ΔR4)/4R结论：UO=(U/4)(ΔR1/R1－ΔR2/R2+ΔR3/R3－ΔR4/R4)2019/12/2237全桥的温度补偿原理利用电桥相邻相等两臂同时产生大小相等，符号相同的电阻增量不会破坏电桥平衡（无输出）的特性来达到补偿。当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，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。2019/12/2238例：利用全桥电路测量桥梁的上下表面应变。由上图：R1、R3与R2、R4感受到的应变绝对值相等、符号相反。请大家思考测量转换电路该如何接？2019/12/2239当试件受力且同时有温度变化时，3142RRRR△R1t=△R2t=△R3t=△R4t因而应变片R1～R4产生的电阻增量合并为4倍的△Rε，△Rt则相互抵消。计算结果与温度引起的电阻变化量无关。2019/12/2240四、应变式传感器的应用电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是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，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；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从应变仪上读取被测试件的应变量。2019/12/2241１.应变式力传感器被测物理量为荷重或力的应变式传感器。作用：作为各种电子秤与材料试验机的测力元件，也可用于发动机的推力测试，或水坝坝体承载状况的监视。2019/12/2242a）圆柱面展开图b）桥路连接图1）圆柱式力传感器纵向和横向各贴四片应变片，纵向对称的R1和R3串接,R2和R4串接,并置于相对桥臂以减小偏心载荷及弯矩的影响。2019/12/22432）应变片用在悬臂梁上各种悬臂梁2019/12/2244各种悬臂梁FF固定点固定点电缆2019/12/2245应变片在悬臂梁上的粘贴及变形3）应变式荷重传感器FR1R2R4应变式荷重传感器外形及受力位置FF荷重传感器原理演示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。2019/12/22494）汽车衡2019/12/2250汽车衡汽车衡称重系统2019/12/2252•结构组成电子汽车衡主要由承载器、称重显示仪表、称重传感器、连接件