第二章 电阻传感器

2020/1/241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。2020/1/242第一节电阻应变式传感器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。2020/1/243一、工作原理应变片的工作原理2llRAr金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。2020/1/244二、应变片的工作原理设有一长度为、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2llRAr2-1xRKRK—电阻应变片的灵敏度2020/1/245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=/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。2020/1/246应变片用于测量力F的计算公式由材料力学可知，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。2-2RFKRAE2020/1/247二、应变片的种类与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。2020/1/248箔式应变片的外形2020/1/249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2020/1/2410应变片主要性能指标举例上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？2020/1/2411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。2020/1/24122.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。2020/1/24133.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。2020/1/24144.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。2020/1/24155.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。2020/1/2416三、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。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0.2，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。2020/1/2417三、测量转换电路——不平衡电桥3i124o1234()2-34RURRRURRRR2020/1/2418电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。2020/1/2419单臂电桥全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。2020/1/2420双臂电桥R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变1~2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。2020/1/2421四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1~R4产生的电阻增量（或感受到的应变1~4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。2020/1/2422全桥的温度补偿原理当环境温度升高时，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。2020/1/2423四、应变效应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。2020/1/2424（一）应变式力传感器1、应变式力传感器FFFF2020/1/2425各种悬臂梁2020/1/2426各种悬臂梁FF固定点固定点电缆2020/1/2427应变片在悬臂梁上的粘贴及变形2、应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R4应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF应变式荷重传感器外形及受力位置（续）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。2020/1/2432汽车衡2020/1/2433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计算公式当KF为常数时，桥路所加的激励源电压Ui越高，满量程输出电压Uom也越高。思考：综合考虑灵敏度与功耗发热，Ui的取值范围多少为好？ioommmFKUFUUFFF荷重传感器应用估算例2-2现用图2-8所示的荷重传感器称重。当桥路电压为6V时，测得桥路的输出电压为24mV，求被测荷重为多少吨。解从图2-8所示的荷重传感器铭牌上得到Fm=100103N，KF=2mV/V，根据式（2-5）得Uom=24mV。被测荷重ioommmFKUFUUFFF333O3Fi1001061012.510N1.3t21024mFUFKU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。2020/1/24443、压阻式固态压力传感器利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。2020/1/2445压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。2020/1/2446压阻式固态压力传感器内部结构信号处理电路2020/1/2447小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器2020/1/2448小型压阻式固态压力传感器（续）呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器p1进气管p2进气管固态压力传感器2020/1/2449小型压阻式固态压力传感器（续）表压压力传感器p1进气管2020/1/24504、投入式液位计压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。2020/1/2451投入式液位计外形（续）压阻式固态压力传感器光柱显示器橡胶背压管2020/1/2452投入式液位传感器投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。2020/1/2453投入式液位计液位的计算：安装高度h0处水的表压p1=gh1h=h0+h1=h0+p1/（g）例：液位计安装高度为1m，测得压力为98kPa，求水的深度。2020/1/2454（二）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；2020/1/2455电阻应变仪（续）右图所示的静动态应变仪技术指标：量程：1±10000με频率范围：0-150kHz平衡方式：手动精度：0.3%零点飘移：-/℃：±0.1με-/24小时：±0.5με灵敏度变化：-/℃：±0.05%-/24小时：±0.3%信噪比：52dB（参考东方振动和噪声技术研究所资料）2020/1/2456电阻应变仪（续）2020/1/2457与计算机接口的多路电阻应变测量模块2020/1/2458材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试2020/1/2459第二章：第二节测温热电阻传感器一、金属热电阻温度升高，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。2020/1/2460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。2020/1/2461易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻2020/1/2462表2-2热电阻的主要技术性能2020/1/2463热电阻工作原理及结构热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电阻、热敏电阻。热电阻广泛用来测量－200～850℃范围内的温度，少数情况下，低温可测量至1K，高温达1000℃。标准铂电阻温度计的精确度高，作为复现国际温标的标准仪器。2020/1/2464热电阻的结构电阻体瓷绝缘套管不锈钢套管安装固定件接线盒引线口(a)芯柱电阻丝保护膜引线端(b)电阻丝采用双线并绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上，支架起支撑和绝缘作用。2020/1/2465常用的热电阻(1)铂热电阻铂热电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠，所以在温度传感器中得到了广泛应用。按IEC标准，铂热电阻的使用温度范围为-200