项目二 电阻式传感器

项目二电阻式传感器任务一电位器式传感器任务二应变式传感器任务三固态压阻式传感器任务一电位器式传感器电位器是一种人们熟知的机电元件，广泛用于各种电气和电子设备中。在仪表与传感器中，它主要是作为一种把机械位移输入转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使用的。利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器，用以测定线位移或角位移，以及一切可能转换为位移的其他被测物理量参数，如压力、加速度等。此外，在伺服式仪表中，它还可用做反馈元件及解算元件，制成各种伺服式仪表。电位器的优点是结构简单、尺寸小、质量小、输出特性精度高(可达0～1％或更高)且稳定任务一电位器式传感器图2-1电位器式传感器(a)直线位移型；(b)角位移型；(c)非线性型任务一电位器式传感器图2-2电位器式位移传感器原理图1—电阻丝2—骨架3—滑臂电位器式传感器一、绕线式线性电位器图2-2所示为电位器式位移传感器。如果把它作为变阻器使用，且假设全长为xmax的电位器其总电阻为Rmax，电阻沿长度的分布是均匀的，则当滑臂由O向B移动x后，O到滑臂间的电阻值为：maxmaxRxxRx若把它作为分压器使用，且假设加在电位器O、B之间的电压为Umax,则输出电压为：maxmaxUxxUx图２－３电位器式角度传感器原理图1—电阻丝2—滑臂3—骨架电阻式传感器如图2-3所示为电位器式角度传感器。若作为变阻器使用，则电阻值与角度的关系为：maxmaxRaaRa若作为分压器使用，则有maxmaxUaaUa绕线式非线性电位器二、绕线式非线性电位器非线性电位器是指在空载时其输出电压(或电阻)与电刷行程之间具有非线性函数关的一种电位器，也称函数电位器。它可以实现指数函数、对数函数、三角函数及其他任意函数。非线性电位器的主要功用如下：非线性电位器1)用非线性电位器使传感器获得非线性输出，以满足控制系统的各种特殊要求。2)使传感器获得线性输出特性。当传感器中有些环节出现非线性时，可把电位器设计成非线性的，而使传感器最后获得线性输出。3)在解算式传感器中，如导航仪、大气数据系统中，可采用非线性电位器来实现各种特定的函数运算。4)用非线性电位器消除电位器的负载误差，即在负载情况下，用非线性电位器来实现线性特性。按照实现非线性的原理不同，常用的非线性线绕电位器可分为变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。2-4空载特性现以变骨架式为例说明其空载特性。变骨架式非线性电位器如图2-4所示。其骨架高度h呈曲线变化。输出电阻Rx=f(x)。求取骨架高度h的变化规律。当电刷移动微小位移dx时，引起电阻变化dRx，则qthbdxdRX)(2式中：b，h为骨架的宽度和高度；q为导线的导电截面积；t为导线节距，即相邻两导线间的距离；p为导线电阻率。图2-4变骨架式非线性电位器(a)骨架形状；(b)结构尺寸；(c)特性曲线由式(2-1)可求得)(2bdxdRqthx由于q、t,p、b均为常数，而dRx/Rx是x的函数，所以，h是电刷位移x的函数，且与特性曲线的导数dRx/Rx有关。dRx/Rx越大，则骨架高度越高，但高度太高了，绕线容易打滑。但dRx/Rx也不能太小，更不能为零。因此，为了保证足够的强度及工艺性，必须使hmin=3mm~4mm。设非线性电位器输出空载电压为Ux，流过电位器的电流为I=U/R，U为电源电压，R为电位器总电阻。则式(2-2)还可表示为h与输出电压Ux之间的关系。即：非线性电位器输出电阻(或电压)与电刷行程之间是非线性函数关系，因此空载特性是一条曲线，其灵敏度与电刷位置有关，是变量。电阻灵敏度为：bdxdUIqthx)(2电压灵敏度为：dxdRKxRdxdUKU非绕线式电位器三、非绕线式电位器绕线式电位器具有精度高、性能稳定、易于实现线性变化等优点，但也存在很多不足：如分辨率低、耐磨性差、寿命较短等。因此，人们研制了一些性能优良的非绕线式电位器。1薄膜电位器薄膜电位器通常有两种：一种是碳膜电位器；另一种为金属膜电位器。1)碳膜电位器。在绝缘骨架表面上喷涂一层均匀的电阻液，经烘干聚合后而制成电阻。电阻液由石墨、碳墨、树脂材料配制而成。这种电位器的优点是分辨率高、耐磨性较好、工艺简单、成本较低、线性度较好，但有接触电阻大、噪声大等缺点。2)金属膜电位器。在玻璃或胶木基体上，用高温蒸镀或电镀方法，涂覆一层金属膜而制成。用于制作金属膜的合金为锗铑、铂铜、铂铑、铂铑锰等。这种电位器的温度系数小，可在高温环境下工作，但仍然存在耐磨性差、功率小、电阻值不高(1kΩ~2kΩ)等缺点。薄膜电位器的电刷通常采用多指电刷，以减小接触电阻，提高工作的稳定性。2.导电塑料电位器这种电位器由塑料粉及导电材料粉(合金、石墨、炭黑等)压制而成，它又称实心电位器。其优点是耐磨性较好、寿命较长、电刷允许的接触压力较大，适用于振动、冲击等恶劣条件下工作，且电阻值范围大，能承受较大的功率。其缺点是温度影响较大、接触电阻大、精度不高。图2-5光电电位器结构1—光电导层；2—基体；3—薄膜电阻带；4—电刷的窄光束；5—导电电极3．光电电位器3．光电电位器光电电位器的结构如图2-5所示。其结构原理是在基体2(常用材料为氧化铝)上沉积一层硫化镉(CdS)或硒化镉(CdSe)光电导层1，然后在它的上面沉积一条金属(金或银)导电条作为导电电极，在它的下面沉积一条薄膜电阻带3，在电阻带和导电电极5之间形成一很窄的间隙。在无光束照射时，因光电导材料的暗电阻极大(暗电阻与亮电阻之比可达105～108)，可视为电阻带与导电电极之间为断路。而当电刷的窄光束4照射在此窄间隙上时，就相当于把电阻带和导电电极接通，这样在外电源E的作用下，负载电阻RL上便有电压输出，且随着光束位置的移动而变化，如同电刷移动一样。光电电位器优点光电电位器优点很多，耐磨性好，精度、分辨率高，寿命长(可达亿万次循环)、可靠性好，电阻值范围宽(500Ω~15MΩ)等。但也存在不足之处：光电导层虽经窄光束照射而导通，但照射处的电阻还是相当高，因此，光电电位器输出电流较小，需配备高输入阻抗放大器工作，工作温度的范围比较窄(目前最高达150℃)，线性度也不高。此外，光电电位器需要照明光源和光学系统，其结构较复杂，体积和质量较大。但随着集成光路器件的发展，可以将有源和无源的光学器件集成在一个光路芯片上，制成集成光路芯片，使光学系统的体积和质量大大减小，这四、电位器式压力传感器电位器式压力传感器是利用弹性元件(如弹簧管、膜片或膜盒)把被测的压力变换为弹性元件的位移，并使此位移变为电刷触点的移动，从而引起输出电压或电流相应的变化。常用来测量位移、压力、加速度等参量。图2-6压力传感器原理1-电位器2-电刷3-输出端子2-7膜盒电位器式压力传感器原理1-膜盒2-连杆3-电位器2.膜盒电位器式压力传感器如图２－７所示，弹性敏感元件膜盒的内腔通入被测流体，在流体压力的作用下，膜盒中心产生位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电刷在电位器电阻丝上滑动，从而输出一个与被测压力成正比的电压信号。膜盒压力变化图2-7所示为膜盒当被测压力变化时，弹簧管的自由端位移，通过传动机构，一面带动压力表指针转动，一面带动电刷在绕线电位器上滑动，从而将被测压力值转换为电阻变化，因此，输出一个与被测压力成正比的电压信号。电位器式压力传感器。弹性敏感元件膜盒的内腔，通入被测流体压力，在此压力作用下，膜盒中心产生位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电刷在电位器电阻丝上滑动，同样输出一个与被测压力成正比的电压信号。滑线电阻式位移传感器图2-8所示为用电位器式传感器制作的滑线电阻式位移传感器。被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。图2-8滑线电阻式位移传感器1—测量轴；2—滑线电阻；3—触头；4—弹簧；5—滑块；6—导轨；7—外壳；8—无感电阻滑线电阻式位移传感器任务二应变式传感器应变式传感器是利用电阻应变片(简称应变片)将应变转换为电阻变化的传感器，传感器的构造由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时，弹性元件的变形引起应变敏感元件的电阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。其主要缺点是输出信号小、线性范围窄，而且动态响应较差。但由于应变片的体积小，商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以，用应变片制造的应变式传感器在测量力、力矩、压力、加速度、质量等参数中仍有广泛的应用。一、应力和应变截面积为A的物体受到外力F的作用并处于平衡状态时，物体在单位面积上引起的内力称为应力。应变是物体受外力作用时产生的相对变形，是一个无量纲的物理量。设物体原长度为l，受力后产生Δl的变形，其轴向应变为AFll一、应变效应金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。二、应变效应图2-9金属电阻丝应变效应FlrrlF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式中：dl/l——长度相对变化量，用应变ε表示为ldl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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。或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dRdR)21(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，电阻丝灵敏度系数表达式中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。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。电阻丝相对变形范围对于每一种电阻丝，在一定的相对变形范围内，无论受拉或受压，金属材料的灵敏系数将保持不变，即K值是恒定的。当超出某一范围时，K值将发生变化。通常电阻丝的K=17～36。由此可知，应力值σ正比于应变ε，而应变ε正比于电阻值的变化，所以，应力σ正比于电阻值的变化，这就是利用金属应变片测量应变的基本原理。图2-10金属丝式应变片的结构金属丝式应变片应变片的结构三、应变片的结构、类型、材料和粘贴1.应变片的结构金属丝式应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成，为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用黏结剂将敏感栅固结在纸质或胶质的基片上。应变片工作时，基片起着把被测体应变准确地传递给敏感栅的作用。为此，基片必须很薄，一般在0.03mm~0.06mm。覆盖层与基片将电阻丝敏感栅紧密地粘贴在中间，对敏感栅起几何形状固定和绝缘、防蚀、防损等保护作用，使电阻丝不受环境的损害。基底材料分为两类，纸基与塑基。纸基片由特殊用纸制成，试件黏结容易与试件黏结容易，使用温度-50℃~70℃，缺点是易湿，一般多作为短期性测量之用。塑基片由酚醛、环氧聚酯等固化制成，耐湿性、绝缘性、弹性系数均较好，温度为-50℃~17℃，多用于长期使用仪表。其中聚酰亚胺材料性能较好，温度范围为-269℃~400℃，绝缘电阻23000MΩ以上，可制成很薄