传感器原理与应用课程讲稿

传感器原理与应用课程讲稿授课题目（教学章、节或主题）：第二章电阻式传感器授课方式（请打√）理论课讨论课□实验课□习题课□其他□课时安排6教学要求（分掌握、熟悉、了解三个层次）：了解电位器式传感器的类型；掌握应变式传感器的组成及工作原理，了解半导体应变原理；掌握应变片的粘贴方法；掌握直流电桥测量原理；了解交流电桥原理；了解应变传感器应用。教学重点、难点及关键知识点：重点：应变效应、应变式传感器的组成及工作原理；直流电桥测量电路分析过程；变间隙式电容传感器的工作原理。难点：应变式传感器原理分析；非线性误差及其补偿方法；方法及手段板书与多媒体相结合教学基本内容（教学过程）改进设想第二章电阻式传感器第一节电位器式电阻传感器一、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传感器原理与应用课程讲稿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若线绕式电位器的线绕截面积均匀，则其电阻值变化均匀（线形）。若电位器为空载时，根据分压原理得：RRUUxi0若电位器的负载电阻0LR，则输出电压为：20xxLLxixLxLxLxLxixLxLRRRRRRRURRRRRRRRRRURRRRIU第二节应变式电阻传感器一、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一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为AlRLR,0UxRxiUFlrrlF传感器原理与应用课程讲稿如果对电阻丝长度作用均匀应力，则ρ、L、A的变化dρ、dL、dA将引起电阻dR的变化，可以通过对上式做全微分求得：dAALdALdLAdR2其相对变化量为：dAdAldlRdR若电阻丝是圆形的，则2rA，r为电阻丝的半径，对r微分得：dA=2πrdr，则rdrrrdrAdA222ldlx为金属电阻丝的轴向应变；yrdr为径向应变xydRdRx)21(或xxdRdR)21(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xxsdRdRK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）/εx。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)/εx大得多，而半导体材料的(dρ/ρ)/εx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。得到xsKRdRxsRdRK表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。3、半导体应变原理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。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。传感器原理与应用课程讲稿当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为xxdRdR)21(式中dρ/ρ为半导体应变片的电阻率相对变化量，其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关，其关系为xEd实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为根据应力与应变的关系，得到应力值σ为σ=E·ε由此可知，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。这就是利用应变片测量的基本原理。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对电阻丝材料应有如下要求：①灵敏系数大，且在相当大的应变范围内保持常数；②ρ值大，即在同样长度及横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值；③电阻温度系数小，否则因环境温度变化也会改变其阻值；④与铜线的焊接性能好，与其它金属的接触电势小；⑤机械强度高，具有优良的机械加工性能。2341bl栅长栅宽xERdR)21(ERdRKxs传感器原理与应用课程讲稿3、金属电阻应变片的粘贴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。粘贴工艺包括被测件粘贴表面处理、贴片位置确定、涂底胶、贴片、干燥固化、贴片质量检查、引线的焊接与固定以及防护与屏蔽等。粘结剂的性能及应变片的粘贴质量直接影响应变片的工作特性，如零漂、滞后、灵敏系数、线性以及它们受温度变化影响的程度。可见，选择粘结剂和正确的粘结工艺与应变片的测量精度有着极重要的关系。4、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。第三节电阻应变片的测量电路一、测量电路目的：将微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化转换为电压或电流的变化。E：为电源电压R1、R2、R3及R4：桥臂电阻RL：为负载电阻1、电桥平衡当RL→∞时，电桥输出电压为43213241433211RRRRRRRRERRRRRREUoR2R4R1R3EILACDU0BRL传感器原理与应用课程讲稿当电桥平衡时，Uo=0，则有4321RRRR为电桥平衡条件。这说明欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。2、动态时电阻变化与输出关系四个桥臂电阻分别为：44332211,,,RRRRRRRR432143214321432132233232411441414433221133224411RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRRREUo忽略分母中R项、分子中忽略R的二次交叉项：3322441122121432123321441RRRRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRREUo3、电压灵敏度实际使用中是第一桥臂R1为应变片，当受应变时，若应变片电阻变化为ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为：43321111RRRRRRRREUo))((4321141RRRRRRR341211113411RRRRRRRRRRE使用单一应变片时4ESV4、非线性误差及其补偿方法上面的分析过程中略去分母中的ΔR1/R1项，电桥输出电压与电阻相对变化成正比的理想情况下得到的，实际情况则应按下式计算，即)1(111110nRRnRRnEU传感器原理与应用课程讲稿与ΔR1/R1的关系是非线性的，非线性误差为4321RRRR---1111212RRRRL例题：一应变片，所受应变ε为5000μ，若取Ks=2，计算非线性误差.解：ΔR1/R1=Ksε%5.02121111RRRRL若Ks=130,ε=1000μ,%6L对灵敏度较高的应变传感器，受到较小的应变，非线性误差也会很大。当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。第四节电阻传感器应用1.应变式力传感器被测物理量为荷重或力的应变式传感器时，统称为应变式力传感器。其主要用途是作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性，当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时，不应对输出有明显的影响。2.柱（筒）式力传感器图（a）、（b）分别为柱式、筒式力传感器，应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分，对称地粘贴多片，电桥连线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响，贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图（c）、（d）所示，R1和R3串接，R2和R4串接，并置于桥路对臂上，以减小弯矩影响，横向贴片R5和R7串接，R6和R8串接，作温度补偿用，接于另两个桥臂上。'ooLoUUU11111RRnRR传感器原理与应用课程讲稿3.应变式容器内液体重量传感器4.应变式加速度传感器应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。其基本工作原理是：物体运动的加速度与作用在它上面的力成正比，与物体的质量成反比，即a=F/m。图中1是等强度梁，自由端安装质量块2，另一端固定在壳体3上。等强度梁上粘贴四个电阻应变敏感元件4。为了调节振动系统阻尼系数，在壳体内充满硅油。(a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU¡«Î¢Ñ¹´«¸ÐÆ÷µç×èÓ¦±äÃô¸ÐÔª¼þ´«Ñ¹¸Ë¸ÐѹĤhRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R32141¡ªµÈÇ¿¶ÈÁº£»2¡ªÖÊÁ¿¿é£»3¡ª¿ÇÌ壻4¡ªµç×èÓ¦±äÃô¸ÐÔªÌå传感器原理与应用课程讲稿测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为10~60Hz范围。作业和思考题：1、试述电阻应变计产生热输出（温度误差）的原因及其补偿方法。2、如何用电阻应变计构成应变式传感器？对其各组成部分有何要求?3、一试件受力后的应变为2×10-3;丝绕应变计的灵敏系数为2，初始阻值120Ω，温度系数为－50×10-6/℃，线膨胀系数为14×10-6/℃；试件的线膨胀系数为12×10-6/℃。求温度升高20℃时，应变计输出的相对误差。课后小结及教学后记：本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果）