传感器第二章 电阻式传感器

第二章电阻式传感器第一节电位器式电阻传感器第二节应变式电阻传感器第三节电阻应变片的测量电路第四节电阻传感器应用内容提要学习目标理解电位器式传感器形式；了解线绕式电位器原理；掌握应变效应、压阻效应定义及意义；掌握应变电阻传感器工作原理及测量电路；熟悉电阻传感器应用。第二章电阻式传感器电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量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。它们主要用于测量压力、高度、加速度、航面角等各种参数。电位器式传感器具有一系列优点，如结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容易磨损。电位器的种类很多，按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等；按特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。第二章电阻式传感器一、电位器式电阻传感器常用形式1、滑线式位移传感器2、角位移传感器3、分段电阻角位移传感器4、分段电阻直线位移传感器二、线绕式电位器结构和工作原理第一节电位器式电阻传感器第二章电阻式传感器一、电位器式电阻传感器常用形式1、滑线式位移传感器第二章电阻式传感器2、角位移传感器3、分段电阻角位移传感器第二章电阻式传感器4、分段电阻直线位移传感器第二章电阻式传感器二、线绕式电位器结构和工作原理LR,0UxRxiU若电位器为空载时，根据分压原理得：：工作电压iU：负载电阻两端的输出电压0U：线绕电位器电刷移动的长度：总长度：总电阻xLRxR：对应于电刷移动量x的电阻值RRUUxi0第二章电阻式传感器而对应的电阻变化为：xSLxRRLxRRRxx,表明改变测量电阻值所引起输出电压的变化为线性变化。xSLxUUVi0其中LUSLRSiVR,分别为电阻和电压灵敏度。他们分别表明了电刷单位位移所能引起的输出电阻和输出电压的变化量，均为常数。第二章电阻式传感器若电位器的负载电阻，则输出电压为：0LR20xxLLxixLxLxLxLxixLxLRRRRRRRURRRRRRRRRRURRRRIU代入上式得：，设iRLLxUUYLxXRRKRRr0,,,LRLRRLLKXKXXKrKrr2211Y：电刷的相对行程电阻的相对变化RX:r数：电位器负载系数的倒LK：电位计相对输出电压Y表明当负载电阻不为零时，Y与r为非线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为非线性。当负载电阻为空载时，U0与x才满足线性关系，则线绕电位器式传感器的负载特性为线性。第二章电阻式传感器YHD型电位器式位移传感器1—测杆；2—滑线电阻；3—电刷；4—弹簧；5—滑快；6—导轨；7—外壳；8—无感电阻。第二章电阻式传感器膜盒电位器式压力传感器原理图第二章电阻式传感器测小位移传感器示意图第二章电阻式传感器电位器式加速度传感器示意图第二章电阻式传感器第一节电位器式电阻传感器第二节应变式电阻传感器第三节电阻应变片的测量电路第四节电阻传感器应用内容提要第二章电阻式传感器第二节应变式电阻传感器一、工作原理1、应变效应2、金属电阻丝应变原理3、半导体应变原理二、应变片的结构、材料和粘贴1、应变片的结构2、金属电阻应变片的材料3、金属电阻应变片的粘贴4、金属箔式应变片第二章电阻式传感器电阻应变效应演示第二章电阻式传感器一、工作原理1、应变效应导体或半导体材料在外（拉力或压力）力的作用时，产生机械变形，导致其电阻值相应发生变化，这种因形变而使其阻值发生变化的现象称为“应变效应”。2、金属电阻丝应变原理FlrrlF第二章电阻式传感器AlR做全微分求得：dAALdALdLAdR2dAdAldlRdRdA=2πrdr2rArdrrrdrAdA222ldlxyrdrxydRdRx)21(xxdRdR)21(轴向应变径向应变泊松比第二章电阻式传感器电阻丝的灵敏系数：单位应变所引起的电阻相对变化量xxsdRdRK21xsKRdR或xsRdRK表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。电阻率变化几何尺寸变化Ks=1.8~4.8实验证明在应变极限内Ks为常数返回第二章电阻式传感器根据应力与应变的关系，得到应力值σ为σ=E·ε弹性模量测量原理σεdR/RxsKRdREKRdRs第二章电阻式传感器3、半导体应变原理压阻效应：沿一块半导体的某一轴向施加压力使其变形时，它的电阻率会发生显著变化，这种现象称为半导体的压阻效应。利用压阻效应制成的传感器称为压阻传感器或半导体应变片。当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为xxdRdR)21(第二章电阻式传感器xEdπ——半导体材料的压阻系数;σ——半导体材料的所受应变力;E——半导体材料的弹性模量;ε——半导体材料的应变。xERdR)21(实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半ERdRKxs返回第二章电阻式传感器半导体应变片特点优点：灵敏系数比金属丝式高50～80倍缺点：材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，应用范围受到限制。利用应变片测量的基本原理：应力值正比于应变，而应变又正比于电阻值的变化，所以应力正比于电阻值的变化。返回σ=E·εx第二章电阻式传感器应变片测量演示第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器二、应变片的结构、材料和粘贴丝式箔式回线式应变片短接式应变片体形薄膜型应变片类型第二章电阻式传感器实物第二章电阻式传感器1、应变片的结构2341bl栅长栅宽1-敏感栅，2-基底，3-覆盖片，4-引线应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。返回第二章电阻式传感器(a)(b)(c)丝式应变片(a)(b)(c)(a)(b)(c)第二章电阻式传感器（1）敏感栅对敏感栅的材料的要求：①应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；②电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；③电阻温度系数要小；④抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；⑤在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；⑥加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；⑦易于焊接，对引线材料的热电势小。由直径为0.01～0.05mm的具有高电阻率的电阻丝排列成栅网状第二章电阻式传感器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。是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。多为镀锡铜线。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。（3）引线：（2）基底和覆盖片：第二章电阻式传感器2、金属电阻应变片的电阻丝材料第二章电阻式传感器康铜是目前应用最广泛的应变丝材料，这是由于它有很多优点：灵敏系数稳定性好，不但在弹性变形范围内能保持为常数，进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数；当采用合适的热处理工艺时，可使电阻温度系数在±50×10-6/℃的范围内；康铜的加工性能好，易于焊接，因而国内外多以康铜作为应变丝材料。第二章电阻式传感器3、金属箔式应变片箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度—般为(0.003～0.010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为(0.03～0.05)mm。金属箔式应变片箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的的铜镍合金（锰白铜）第二章电阻式传感器箔式应变片(a)(b)(c)(d)(e)(f)厚约0.003－0.01mm第二章电阻式传感器金属箔式应变片和丝式应变片相比较:①金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。第二章电阻式传感器②箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高测量灵敏度。③箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。④便于成批生产。⑤缺点：电阻值分散性大，有的相差几十Ω，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。第二章电阻式传感器4、金属薄膜应变片厚度0.1m以下敏感栅是用蒸镀或溅射法沉积的金属、合金薄膜制成的。在薄的绝缘基片上蒸镀上金属材料薄膜，最后加保护层形成。也可以直接蒸镀在弹性元件的绝缘层表面，不易产生蠕变。第二章电阻式传感器5、半导体应变片半导体敏感条引线衬底第二章电阻式传感器6、金属电阻应变片的粘贴选择粘结剂时必须考虑的问题：1.要求粘接力强，粘结后机械性能可靠；2.粘合层要有足够大的剪切弹性模量；3.良好的电绝缘性，滞后小；4.耐湿，耐油，耐老化，动态应力测量时耐疲劳等；5.应变片的工作条件，如温度、相对湿度、稳定性要求以及贴片固化时加热加压的可能性等。应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。粘结剂形成的胶层必须准确迅速地将被测件应变传递到敏感栅上。第二章电阻式传感器粘结剂分为有机和无机：有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。粘结剂：常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙稀酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。第二章电阻式传感器粘贴工艺：1.被测件粘贴表面处理；2.贴片位置确定；3.涂底胶；4.贴片；5.干燥固化；6.贴片质量检查；7.引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。第二章电阻式传感器第二章电阻式传感器直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，圆弧部分使灵敏系数Ks下降，这种现象称为横向效应。7、金属应变片的主要特性（1）横向效应第二章电阻式传感器•应变片安装在试件上以后，在一定温度下，其的加载特性与卸载特性不重合，在同一机械应变值下，其对应的值(相对应的指示应变)不一致。加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值称应变片的滞后。•产生机械滞后的原因，主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的，为了减小滞后，除选用合适的粘合剂外，最好在新安装应变片后，做三次以上的加卸载循环后再正式测量。机戒应变指示应变加载卸载RR/mm（2）机械滞后第二章电阻式传感器（3）零漂和蠕变•粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。•如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。•这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量中其意义更为突出。•应变片在制造过程中所产生的内应力、丝材、粘合剂、基底等的变化是造成应变片零漂和蠕变的因素第二章电阻式传感器（4）应变极限和疲劳寿命对于已安装好的应变片,在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N称为应变片的疲劳寿命。当出现以下三种情况之一时，都认为是疲劳损坏:①应变片的敏感栅或引线发生断路；②应变片输出指示应变的幅值变化10%；③应变片输出信号波形上出现穗状尖峰。疲劳寿命反映了应变片对动态应变测量的适应性。第二章电阻式传感器（5）最大工作电流和绝缘电阻1)最大工作电流是指允许通过应变片而不影响其工作的最大电流值。工作电流大，应变片输出信号大，灵敏度高。但过大的工作电流会使应变片本身过热，使灵敏系数变化，零漂、蠕变增加，甚至把应变片烧毁。2)绝缘电阻是指应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求50～100MΩ左右。（6）应变片的电阻值R应变片在未经安装也不受外力情况下,于室温下测得