电阻式传感器的应用

2020/2/81第二章电阻式传感器的应用本章学习电阻式传感器的原理及应用，核心知识技能点：（1)电阻应变式传感器的使用；（2）直流电桥的应用；（3）扩散硅压力传感器的使用；（4）三线制测温的应用。2020/2/82案例：玩具机器人（广州中鸣数码）2020/2/83任务一：电阻应变式传感器在称重测量上的应用一、任务描述与分析2020/2/84图2－1电阻应变式电子秤结构示意图2020/2/85图2-2常见的称重工具2020/2/86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。二、相关知识（一）什么是电阻应变式传感器2020/2/87(二）什么是电阻应变效应2llRAr金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。2020/2/882020/2/89设有一长度为、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。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的关系在很大范围内是线性的，即K—电阻应变片的灵敏度2llRArxKRdR2020/2/810微应变(με)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。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，是量纲为1的数。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。2020/2/811应变片用于测量力F的计算公式（补充知识，教材没有）由材料力学可知，x=F/（AE），所以R/R又可表示为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，例如可用于电子秤的称重。AEFKRR2020/2/812（三）应变片的结构应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。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。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。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。2020/2/8132020/2/814结构：1、覆盖层（保护层，防潮、防蚀、防损）2、基底（纸质或胶质，很薄，0.02~0.04mm3、引出线（0.1~0.15mm低阻镀锡铜线）4、粘合剂（固结基底，传递应变作用）5、电阻丝（敏感栅）核心元件：电阻丝，电阻值一般大于100欧）2020/2/815半导体应变片及金属丝式应变片的结构半导体应变片外形金属丝式应变片的内部结构2020/2/816位移、力、力矩、加速度、压力弹性敏感元件应变外力作用被测对象表面产生微小机械变形应变片敏感栅随同变形电阻值发生相应变化应变片2020/2/817（四）应变片的种类、材料与参数1．金属丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式二种，如图2-5所示。用在：要求不高的应变、应力的大批量、一次性试验。2020/2/8182.金属箔式应变片它是利用照相制版或光刻技术将厚约0.003～0.01mm的金属箔片制成所需图形的敏感栅，也称为应变花。一致性较好，适合于大批量生产，广泛用于应变式传感器中。2020/2/819箔式应变片的外形2020/2/8203金属薄膜应变片薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1μm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达－197～317℃。缺点：难于控制电阻与温度和时间的变化关系2020/2/821应变片主要性能指标举例问题：上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？2020/2/822三、相关技能（一）电阻应变片的选择、粘贴技术在电阻应变片的使用中，应注意如下：1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。2020/2/8232020/2/824应变片的粘贴：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。2020/2/825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。2020/2/826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。2020/2/827焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。2020/2/828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。2020/2/829（二）如何将电阻的变化转换为电压信号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。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=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，所以必须使用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。0.22020/2/830测量转换电路——不平衡电桥2020/2/831单臂桥电路，R1、R2、R3为固定电阻，R4为电阻应变片，U为加载在电桥上的电源电压，我们先考虑它不变，U0为输出电压。分析一下U0与R4的关系。2020/2/832432104UKUxKRdR2020/2/833在实际使用中为了提高灵敏度，常采用等臂电桥，四个应变片接成差动的全桥工作方式，如图2-9所示注意：试件受力后，应变片产生的电阻增量正负号相间，注意应变片的粘贴方向。片4片3片片122020/2/834（三）电子秤的标定片12020/2/835应变式传感器广泛应用于称重和测力领域。一是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；二是作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转变成弹性元件应变的其他物理量作间接测量。应变式传感器有两种类型：1、柱式力传感器2、梁式力传感器（四）常见商用电阻应变传感器的应用2020/2/836FFFF图2-11剪切S梁结构电阻应变式传感器用在：机电结合秤、料斗秤、包装秤等各种测力、称重系统中.2020/2/837FF2-12轮辐式电阻应变式传感器2020/2/838BK－4轮辐式传感器系列采用轮辐式结构，高度低，抗偏抗侧能力强，测量精度高，性能稳定可靠安装方便，是大、中量程精度传感器中的最佳形式，广泛用于各种电子衡器和各种力值测量，如汽车衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤技术参数量程（t）1，2，5，10，20，30，50供桥电压12VDC灵敏度1．5~2mV/V输入阻抗730±20Ω非线性（%FS）0.03,0.05,0.1输出阻抗700±10Ω重复性（%FS）0.03,0.05,0.1绝缘电阻≥2000MΩ滞后（%FS）0.03,0.05,0.1工作温度-10~+50℃允许过负荷120%FS热零点偏移（%FS/10℃）2020/2/839FR1R2R42020/2/840应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF用于：汽车衡、轨道衡、吊勾秤、料斗秤2020/2/841外形图2020/2/842内部图外形图展开图2020/2/843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。2020/2/844案例：机器人握力测量2020/2/845案例：称重式料位计2020/2/846案例：电子吊车秤荷重传感器安装在吊车上的方式传感器防扭转臂信号电缆荷重传感器安装在钢丝绳固定端方式传感器动滑轮卷扬筒定滑轮2020/2/847各种悬臂梁图2-13双孔悬臂梁电阻应变式传感器图2-14悬臂剪切结构电阻应变式称重传感器2020/2/848各种悬臂梁FF固定点固定点电缆2020/2/849应变片在悬臂梁上的粘贴及变形2020/2/850图2-15波纹管悬臂剪切结构电阻称重传感器图2-16桥式电阻应变式称重传感器波纹管悬臂剪切结构电阻应变式称重传感器，广泛用于料斗秤、皮带秤等电子衡器的一次转换。桥式电阻应变式称重传感器，广泛用于电子汽车衡、轨道衡、料斗秤等测量领域。。2020/2/851图2-17NS-WL1系列传感器外观2020/2/852图2-19电阻应变式传感器工业典型应用2020/2/853补充应用：应变式扭矩传感器2020/2/854应变式数显扭矩扳手可用于汽车、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2~500N.m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。2020/2/8552020/2/856应变式加速度传感器它由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在粱根部的应变片、基座及外壳等组成，是一种惯性式传感器。测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头n所示方向时，悬臂粱自由端受惯性力F硼的作用，质量块向箭头。相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。质量块M2020/2/857案例：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。2020/2/8582020/2/859汽车衡2020/2/860汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）汽车衡称重系统荷重传感器应用估算在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个荷重传感器，量程Fm=20t，灵敏度KF=2.5mV/V，使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，Ui=12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压Uo=24mV，请估算汽车的质量。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？ioommmFKUFUUFFF荷重传感器用于构件的称重荷重传感器（共3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）底座垫块电缆电子秤磅秤超市打印秤远距离显示电子天平电子天平的精度可达十万分之一人体秤吊钩秤便携式2020/2/8686.电阻应变仪下图所示的静态应变仪测量范围：±19999με；分辨率：1με；电桥电压：直流2.5V；应变片：120Ω或其他阻值；测量点数：8/16点；2020/2/869电阻应变仪（续）2020/2/8702020/2/871材料应变的