检测技术及仪表电阻传感器第二章

第二章电阻传感器本章学习电阻式传感器的原理及应用，包括：电位器、电阻应变片、测温热电阻、气敏电阻及湿敏电阻等。第二章电阻传感器第三节气敏电阻传感器第二节测温热电阻传感器第一节电阻应变传感器第四节湿敏电阻传感器1.1工作原理1.2应变片的结构、种类、技术指标及粘贴1.3应变式传感器的测量电路1.4应变式传感器的应用第一节电阻应变传感器1.1工作原理1.2应变片的结构、种类、技术指标及粘贴1.3应变式传感器的测量电路1.4应变式传感器测量电路的温度补偿1.5应变式传感器的应用第一节电阻应变传感器1.1工作原理应变效应：金属导体或半导体在受到外力作用时，会产生相应的应变，其电阻也将随之发生变化。金属导体或半导体的电阻与其电阻率及几何尺寸（长度、面积）有关，当其受到外力作用时，这些参数发生变化，因而引起电阻的变化，进而引起电流的变化。电阻应变片的工作原理是基于应变效应。图2-1金属电阻丝应变效应FlrrlF：导线截面积。：导线的电阻率、均匀导线的长度、总电阻、式中ALRALR::1.1工作原理当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了dρ，从而引起电阻值相对变化量为dAdAldlRdR（2-1）式中：dL/L——长度相对变化量，用应变ε表示为ldl（2-2）1.1工作原理dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，则rdrAdA2（2-3）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，令dL/L=ε为金属电阻丝的轴向应变，那么轴向应变和径向应变的关系可表示为ldlrdr式中,μ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。（2-4）式2-1变为:（2-5）通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。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dRdRK)21(（2-6）dRdR)21(应变效应压阻效应灵敏系数K受两个因素影响：一个是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ；另一个是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。对金属材料来说，电阻丝灵敏系数表达式中1+2μ的值要比(dρ/ρ)/ε大得多;而半导体材料的(dρ/ρ)/ε项的值比1+2μ大得多。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。可以表示为△R/R=Kε。K为应变片的灵敏度。半导体应变片是用半导体材料制成的，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料当某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。由材料力学可知：ε=F/(AE)即其中：K是应变片的灵敏度，A为试件的横截面积，E为试件的弹性模量。AEFKRR如果AE已知，应变片灵敏度已知，则测出△R/R值，即可得到测试件受力大小。第一节电阻应变传感器1.1工作原理1.2应变片的结构、种类、技术指标及粘贴1.3应变式传感器的测量电路1.4应变式传感器测量电路的温度补偿1.5应变式传感器的应用图1金属电阻应变片的结构引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb一、结构1.2应变片的结构、种类、技术指标及粘贴（1）敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。（2）基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。一、结构（3）引线是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。一、结构金属电阻应变片：丝式、箔式和薄膜式三种。（1）丝式应变片是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成,使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。二、种类常用应变片一（丝式）（2）箔式应变片的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。箔栅厚度一般在0.003-0.01mm之间。箔式应变片与丝式应变片比较其面积大，散热性好，允许通过较大的电流。由于它的厚度薄，因此具有较好的可绕性，灵敏度系数较高。箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。二、种类常用应变片二（箔式）箔式应变片原理：它是利用光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片；优点：敏感栅尺寸准确，线条均匀；其弯头横向效应可以忽略；可通过较大的电流；散热性好，寿命长；生产效率高；箔式应变片的外形（3）金属薄膜应变片采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。二、种类三、技术指标1000(1±10%)120(1±10%)140(1±5%)120(1±5%)40401.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。四、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。四、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片。四、粘贴四、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。四、粘贴5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。第一节电阻应变传感器1.1工作原理1.2应变片的结构、种类、技术指标及粘贴1.3应变式传感器的测量电路1.4应变式传感器测量电路的温度补偿1.5应变式传感器的应用例：金属箔式应变片的标称阻值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=21011N/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。可知电阻变化范围很小，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。1.3应变式传感器的测量电路G（被测量）弹性体形变电阻应变片形变应变片电阻（R）变化1.3应变式传感器的测量电路应变片电阻（R）变化一般比较小（欧姆表不易测）通过测量电路，将电阻的变化转换为电压输出测量电路采用桥式测量转换电路1.3应变式传感器的测量电路图2桥式测量转换电路图UiR1R4R2R3U0Ui为电源电压（供桥电压）U0为桥路输出电压R1、R2、R3、R4为桥臂电阻根据电工学知识可得出开路电压U0为：433212ioRRRRRRUU)R)(RR(RRRRRUU43213142io（2-1）（2-2）)(4UU44332211ioRRRRRRRR（2-3）由公式（2-2）可以看出，当时电桥平衡，此时电桥输出。3142RRRR0Uo一个桥臂是应变片单臂二个桥臂是应变片半桥四个桥臂均是应变片全桥单臂1图3单臂测量电路图图中R1为应变片，其余为固定电阻。应变片未受力时R1=R2=R3=R4=R，即电桥处于平衡状态（U0=0）。当应变片受力后，根据公式（2-3）可得输出电压U0为：RR4UUi0R1R4R2R3iU0U（2-4）半桥2R1R3R2R4iU0U图4半桥测量电路图RR2UUi0（2-5）图中R1和R2为应变片，其余为固定电阻。R1受拉，R2受压，即根据公式（2-3）可得输出电压U0为：全桥3图中R1、R2、R3和R4均为应变片，邻臂异性，对臂同性，根据公式（2-3）可得出全桥的输出电压U0为：RRUUi0（2-6）R1R4R2R3iU0U图5全桥测量电路图总结4四个桥臂均用应变片：邻臂异性，对臂同性。减小了非线性误差，灵敏度是单臂的4倍。KURdRUUii0全桥两个桥臂用应变片：邻臂异性。减小了非线性误差，灵敏度是单臂的2倍。K2URdR2UUii0半桥半桥单臂只有一个桥臂用应变片，其余三个是固定电阻。存在非线性误差。K4URdR4UUii0总结4由式（2-3）：应变片灵敏度：dRdRK)21()(4UU44332211ioRRRRRRRR)(4UU4321iokkkk得：当R1=R2=R3=R4=R，且ε1=-ε2=ε3=-ε4时，kUioU第一节电阻应变传感器1.1工作原理1.2应变片的结构、种类、技术指标及粘贴1.3应变式传感器的测量电路1.4应变式传感器测量电路的温度补偿1.5应变式传感器的应用)(4UU44332211ioRRRRRRRR)(4UU4321iokkkk1.4应变式传感器测量电路的温度补偿1.单臂电桥测量电路2.半桥测量电路3.全桥测量电路第一节电阻应变传感器1.1工作原理1.2应变片的结构、种类、技术指标及粘贴1.3应变式传感器的测量电路1.4应变式传感器测量电路的温度补偿1.5应变式传感器的应用1.应变式力传感器被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。其主要用途是作为各种电子秤与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。1.5应变式传感器的应用应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片，作为转换元件将应变转换为电阻的变化。柱式力传感器梁式力传感器应变式加速度传感器柱式力传感器圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。柱式力传感器-ε2+ε1截面积SFFF面积S-ε1+ε2b）a）在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。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。汽车衡称重汽车衡称重系统梁式力传感器等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。LR1R3R2R4xFhb等强度梁弹性元件b0力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等。2.应变式加速度传感器应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其基本工作原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a=F/m。案例：电子秤原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。远距离显示案例：机器人握力测量电子秤磅秤超市打印秤远距离显示电子天平人体秤吊钩秤便携式第二章电阻传感器第三节气敏电阻传感器第二节测温热电阻传感器第一节电阻应变传感器第四节湿敏电阻传感器一、金属热电阻(ThermalResistance)温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。第二节测温热电阻传感器取一只100W/220V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为484。超导现象1911年，荷兰物理学家昂内斯（KamerlinghOnnes）在用液氦将汞的温度降到4.2K时，发现汞的电阻降为零。昂内斯将这种现象称为物质的超导性。后来昂内斯和其他科学家陆续发现了其他一些金属也是超导体。昂内斯因为这项重大发现而获得1913年的诺贝尔物理学奖。超导磁悬浮易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻制作热电阻的材料必须具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、一致性好、使用温度范围宽、加工容易等特点。表2-2热电阻的主要技术性能ITS-90标准