常用传感器的工作原理2

第三章常用传感器的工作原理及应用第一节电阻式传感器电阻式传感器测量原理:被测的非电量ΔR电量输出电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.•其基本原理为：设有一根长度为L，截面积为A，电阻率为ρ的金属丝，则它的电阻值R可用下式表示电位器式、电阻应变式工作的原理三个参数：长度L，截面积A，电阻率ρ，如果发生变化，则它的电阻值R随之发生变化，构成不同电阻传感器：1、长度L发生变化——电位器式传感器；2、截面积A、长度L发生变化——电阻应变片传感器；3、电阻率ρ发生变化——半导体应变片式电阻传感器、热敏电阻、光导性光检测器等。电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。一、电位器式传感器电位器式传感器分为直线位移型、角位移型和非线性型等，如图所示。•等效电路分析:•L-变阻器总长;•x-电刷移动量.•R-总电阻;•Rx电刷电阻;xLEU0Lx=RRx直线位移型EU0VRLRxR-Rx1EU0=xLRLR+Lx()-Lx=RRx=EU00LEx=L*U0/E=K*U0变阻器式传感器产品案例：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻案例：重量的自动检测--配料设备比较重量设定原材料原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理：电机-转角-电位器-电阻传感器的工作原理电阻应变片的结构及分类应变片的粘贴技术测量电路电阻应变片式传感器的应用二、电阻应变式传感器电阻应变片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，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。电阻应变式传感器--应变片（一）工作原理AlR=定量分析等式两边取微分AdAldldRdR+=RdRdldlAdA——电阻的相对变化；—电阻率的相对变化；——金属丝长度相对变化;——截面积的相对变化用εx表示金属丝轴向上的应变:εx=ldl用εY表示金属丝径向上的应变:εY=rdr由材料力学知εY=–μεxμ金属丝的泊松系数)21()21(++=++=xdldldRdRS=πr2dA/A=2·dr/r将微分dR、dρ、dL改写成增量ΔR、Δρ、ΔL，则xKllllRR=++=)//21(K金属丝的应变灵敏系数结论：金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间成正比例关系。llK//21++=K由两部分组成：前一部分是（1+2μ），由材料的几何尺寸变化引起：一般金属μ≈0.3，因此（1+2μ）≈1.6——金属应变片后一部分为，由材料电阻率变化而引起的（称“压阻效应”）ll//——半导体应变片对金属材料，以前者为主，则K≈1+2μ；对半导体，K值主要由电阻率相对变化所决定。•金属电阻应变片：金属电阻应变片有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值随着发生变化的现象，称为电阻应变效应。（二）电阻应变片的结构及分类应变计金属应变计半导体应变片：利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。•体型半导体•薄膜型半导体应变片•扩散型半导体应变片常用的粘贴剂有：硝化纤维素粘贴剂、酚醛树脂胶、环氧树脂胶、502胶水等。粘贴前：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。应变片的粘贴包括下列工艺步骤：1、试件的表面处理:贴片处置用细砂纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。（三）应变片的粘贴技术4、固化：5、粘贴质量检查：用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。6、引线焊接与防护：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。2、确定贴片位置：3、贴片：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。2341敏感栅1、基底2、盖片3、引线4四、应变片的主要参数4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。1）几何参数：栅距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。bl栅长栅宽电阻应变片的电阻值为60Ω、120Ω、200Ω等多种规格，以120Ω最为常用。应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数。应变片测量应变是通过敏感栅的电阻相对变化而得到的。测量电阻的微小相对变化是通过测量电路得到的。测量电路主要有：直流电桥和交流电桥直流电桥交流电桥测量转换电路（一）直流电桥1、电桥平衡的条件3241RRRR=或4321RRRR=ERRRRRRRRU))((432132410++=2、电压的输出RREU41'oVER4R2R3R1ESV41=（二）非线性误差及其补偿办法：非线性误差与电阻变化量间的关系：1'00'0'00==UUUUUr——绝对非线性误差1211111RRRRRRr++=当电桥的电压灵敏度和电阻的变化较大时，非线性误差就会越大。采用差动电桥；a)等臂差动电桥RREU=210ESV21=减小或消除非线性误差的方法：b)全桥差动电路RREU=0ESV=减小或消除非线性误差的方法：（三）交流电桥•如果电桥的供电电源为交流电压时，这种电桥称为交流电桥。电阻应变式传感器的应用•1、应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后的应力分析或所产生的应变，为结构设计、应力校正或分析结构在使用中产生破坏的原因等提供试验数据，如电阻应变仪。在测量齿轮轮齿弯矩或立柱应力时，也常在被测位置处直接粘贴应变片进行测量。2、将应变片粘贴在弹性元件上，进行标定后作为测量力、压力、荷重、位移等物理量的传感器。传感器由弹性元件、应变片和外壳组成电阻应变式传感器的应用：测力标准产品案例：桥梁固有频率测量案例：电子称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。案例：冲床生产记数和生产过程监测案例：机器人握力测量•应变式压力传感器的测量范围为104~107Pa，常见的结构形式有筒式、膜片式和组合式。应变式压力传感器应变式加速度传感器案例：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。应变式位移传感器