3+4-1 电阻式传感器(1.5c)

null电参数传感器**电参数传感器被测参量变化转换为 R、L、C变化的传感器第3章 应变式传感器**第3章 应变式传感器把被测参量转换为 电阻变化的传感器电位器式传感器 应变式传感器 压阻式传感器 热电阻式传感器 光电阻传感器☆☆☆☆resistancenull**电位器式传感器 3.0.1 电位器式传感器 电位器主要是把机械位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压的输出。 基本工作原理 电位器式传感器由电阻器和电刷组成，电刷触点的移动导致输出电阻的变化。3.0 电位器式传感器 potentiometer +null**电位器的结构 输入—输出特性L------电位器触点行程 x -----电位器电刷位移 U -----输入电压 Ux-----输出电压 Rx-----输出电阻null** 电位器传感器的应用 常用来测量位移、压力、加速度等参量。 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。电位器式位移传感器的结构图null一、工作原理 二、基本结构 三、应变片特性 四、测量电路 五、 应用**温度误差及补偿直流电桥非线性误差及补偿方法交流电桥☆☆☆☆今日要点带着思考来学习 Thinking *带着思考来学习 Thinking 信息转换机理是什么？ 传感器特性影响的因素有哪些？ 测量电路有何不同？应变式传感器3.1 应变式传感器**3.1 应变式传感器 一根金属电阻丝在未受力时, 原始电阻值为 resistance一、工作原理其中： ρ ——电阻丝的电阻率; l ——电阻丝的长度; A ——电阻丝的截面积。 导体或半导体材料受到外界力作用时 (拉力或压力)，产生机械形变，导致输出电阻的变化。 导体受拉力后的变化：**ΔL 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，电阻率将因晶格发生变形等因素而改变Δρ， 故引起电阻值变化。导体受拉力后的变化：FFΔrF变化量null**变化量为其中： dl/l — 长度相对变化量设： r为电阻丝半径， dA = 2πr dr令：圆形电阻丝dA/A— 截面积相对变化量则：轴向应变径向应变null**所以 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为金属电阻丝的轴向应变ε，则轴向应变和径向应变关系可由电阻丝的泊松比μ表示。又因为体积应变null**由于对于金属材料:Km——金属材料的应变灵敏系数实际上对于金属材料的应变电阻以结构尺寸变化为主变形→应变效应null电阻率→压阻效应**同样对于半导体材料:Ks——半导体材料的应变灵敏系数对于半导体材料的应变电阻以电阻率变化为主实际上 E : 材料的弹性模量 π :材料的压阻系数null** 半导体应变片突出优点是灵敏度高，比金属丝式高50～80倍，尺寸小横向效应小，动态响应好。但它有温度系数大，应变时非线性比较严重等缺点。电阻相对变化有两部分引起： 几何尺寸变化 (应变效应) 电阻率发生的改变(压阻效应)总 结金属材料的应变电阻以结构尺寸变化为主 半导体材料的应变电阻以电阻率变化为主二、应变片基本结构**二、应变片基本结构拉力 传感器 压力 传感器电阻应变式传感器电阻应变片结构图引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅null** 敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上, 其上再粘贴起保护作用的覆盖层, 两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有三种： 金属丝式应变片 箔式应变片 薄膜应变片null**常见应变片的 连接方式 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。** 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。现场应变片的粘贴 1.去污：+null**  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 。现场应变片的粘贴2.贴片：null** 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。现场应变片的粘贴 3.测量： 将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。 ** 将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。 4.焊接：现场应变片的粘贴 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。** 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。现场应变片的粘贴 5.固定：应变式传感器**应变式传感器基本组成：应变片、测量电路 敏感元件：金属 、半导体 测量电路： 将应变敏感元件的阻值变化转变成电量输出 电量变化的大小反映了被测物理量的大小传感器应该具有哪些品质？三、应变片特性温度误差及补偿**温度误差及补偿 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表： Rt=R0（1+a0Δt） 式中： Rt —— 温度为 t ℃时的电阻值;  R0 —— 温度为t0℃时的电阻值;  α0 —— 金属丝的电阻温度系数;   Δt —— 温度变化值, Δt=t –t0。 当温度变化Δt时, 电阻丝电阻的变化值为  ΔRt=Rt- R0= R0a0Δta) 电阻温度系数的影响——传感器的影响因素1b) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响**b) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时, 不论环境温度如何变化, 电阻丝的变形仍和自由状态一样, 不会产生附加变形。  当试件和电阻丝线膨胀系数不同时, 由于环境温度的变化, 电阻丝会产生附加变形, 从而产生附加电阻。设：电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别为:  Ls= L0（1+βsΔt）  Lg= L0（1+βgΔt）null** 当二者粘贴在一起时, 电阻丝产生的附加变形ΔL, 附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为： 温度变化引起的总电阻的变化：ΔL= Lg - Ls =（βg-βs）L0Δt εβ =ΔL/L0=（βg-βs）Δt ΔRβ= K0 R0 εβ= K0 R0(βg-βs)Δt 灵敏度系数电阻温度系数线膨胀系数null** 折合成附加应变量或虚假的应变εt , 有 εt是因为温度变化引起的测量误差。消除这种误差的温度补偿的办法⑴线路补偿法null*1、R3=R4 2、R1、R2具有相同的电参数 3、补偿块与试件是相同性质的材料 4、两个应变片在同一个温度场补偿条件⑵ 应变片的自补偿法：令四、测量电路**四、测量电路由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，需要有专用测量电路，通常采用直流电桥和交流电桥。 直流电桥直流电桥开路输出电压直流电桥null**当电桥平衡时，Uo=0，则有：设：电桥为开路情况，当产生应变时，若应变片电阻变化为ΔR，其它桥臂电阻固定不变，电桥输出电压Uo≠0，电桥不平衡，则输出电压为： 设桥臂比n = R2/R1 并忽略分母中ΔR1/R1电压灵敏度null**电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；  电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。电桥电压 灵敏度分 析=R2/R1null**由dKU /dn = 0 求KU的最大值，得 求得n=1时，KU为最大值。这就是说，在电桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有单桥臂测量电路的特点**测量电路的特点 输出电压因略去分母中的ΔR1/R1项而得出的是理想值，而实际值计算应为非线性误差为——传感器的影响因素2非线性误差null**如果是四等臂电桥，R1=R2=R3=R4，则 对于一般应变片来说，所受应变ε通常在5×10-3以下，若取灵敏度KU=2, 则ΔR1/R1=KUε =0.01，计算得非线性误差为0.5%; 若KU=130，ε=1×10-3时, ΔR1/R1=0.130， 则得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。 非线性 误差的 灵敏度null**采用差动电桥减小和克服非线性误差半 桥null**无非线性误差 灵敏度提高一倍 具有温度补偿无非线性误差 灵敏度是单片的4倍 具有温度补偿全桥半桥全 桥交流电桥的测量电路**交流电桥的测量电路根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器, 而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。 由于供桥电源为交流电源，引线的分布电容使得桥臂应变片呈现复阻抗特性。交流电桥null**半 桥null**要满足电桥平衡条件，则有：Z1 Z4 = Z2 Z3 可得 整理得交流电桥的平衡条件为: 当被测应力变化引起Z1= Z0+ΔZ, Z2=Z0-ΔZ变化时 则电桥输出为半 桥null** 对交流电桥，除要满足电阻平衡条件外，还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。 应变片的应用可分为两大类： 将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，构成专用应变式传感器。 将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上，从应变仪上直接读取应变量。 null**作业 P60 3-5, 6, 7null**五、 应用——应变片传感器力传感器 压力传感器 容器内液体重量传感器 加速度传感器应变式传感器工作过程：通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、压力、重量、加速度、温度等物理量形成应变片电阻的变化，再经过电桥、放大电路转换成电量输出。null**（1）应变片力传感器 被测物理量：荷重或力 主要用途：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。 采用弹性元件：柱式、环式、梁式等。null**a）柱（筒）式力传感器 弹性元件的高度对传感器的精度和动态特性均有影响。 实心圆柱，一般取 空心圆柱，一般取 其中： H为圆柱高度 D为圆柱外径 d为圆柱内径 l为应变片基长传感器的外形**F传感器的外形应变片的 粘贴位置a）柱（筒）式力传感器null** 柱式力传感器结构简单，可测量大的拉、压力，最大可达107N 。汽车衡**汽车衡汽车衡**汽车衡汽车衡称重系统**汽车衡称重系统电子秤 **电子秤 磅秤超市打印秤远 距 离 显 示电子天平**电子天平电子天平的精度 可达十万分之一人体秤 **人体秤 吊钩秤**吊钩秤便携式应变式数显扭矩扳手**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。null**b）环式力传感器 环式力传感器在外力F作用下，各点的应力差别较大。对于R/h>5的曲率圆环，在载荷F作用下，A、B两点间的应变为： 式中h为薄壁厚度，R为外径，b为圆环宽度，E弹性模量。null**c）悬臂梁式力传感器 应变片贴在固定端附近表面，顺梁方向上、下各贴两片，两片受压、另两片受拉，将其组成全桥差动电路。既提高输出电压灵敏度，又减小非线性误差。各种悬臂梁**各种悬臂梁 FF固定点固定点电缆null**（2）应变片压力传感器 p — 膜片上均匀分布的压力 R, h—膜片的半径和厚度 x — 离圆心的径向距离。 由应力分布图可知, 膜片弹性元件承受压力p时，其应变变化曲线。应变变化图 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力。如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力变化等。null**应变片粘贴 应变片贴在膜片内壁，在压力 p 作用下，膜片产生径向应变εr和切向应变εt, 表达式分别为 当 x = 0 时，εrmax=εtmax 当 x = R时，εt= 0, εr= -2εrmax null**（3）应变式容器内液体重量传感器 传感器有一根传压杆，上端安装微压传感器，为了提高灵敏度，共安装两只。下端装有感压膜，感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。null** 将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，则输出电压为： 式中 ， K1、K2为传感器传输系数。 由于hpg表示感压膜上面液体重量，对于等截面柱式容器，有： 式中Q为容器内感压膜上面溶液重量，A为柱形容器的截面积。 由此可得容器内感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系：结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液重量成线性关系，因此可测量容器内储存的溶液重量。null**（4）应变式加速度传感器 适用于物体加速度的测量，依据： 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。 适用范围：一般适用频率为10~60 Hz范围，不适用于频率较高的振动和冲击场合。 1—等强度梁 2—质量块 3—壳体 4—应变片总 结总 结**六、固态压阻式传感器**六、固态压阻式传感器根据压阻效应制成的传感器为压阻式传感器。 一种粘贴式应变片 一种利用工艺在半导体材料上制成扩散电阻 ⑴ 灵敏度非常高； ⑵ 分辨力高； ⑶ 频率响应很高； ⑷ 可测量低频加速度和直线加速度优 点+六、固态压阻式传感器** 主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。 半导体材料对温度非常敏感，压阻式传感器的阻值与灵敏度系数易随温度变化产生零漂和灵敏度飘移。温度误差较大，必须进行温度补偿。温度补偿方法： 1、高掺杂浓度 浓度低－→压阻系数大、温度系数大 浓度高－→温度系数很小、压阻灵敏度系数低 2、等臂扩散电阻电桥六、固态压阻式传感器一般不采用工艺难实现null**温度补偿方法： 3、串并联电阻补偿电路 调零漂：并联电阻R —— 负温度系数 串联电阻Rs—— 正温度系数 调灵敏度温漂： 串联负温度特性 二极管：VD1和VD2压阻式固态压力传感器的隔离、承压膜片**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。压阻式固态 压力传感器 内部结构**压阻式固态 压力传感器 内部结构信号处理电路小型压阻式固态压力传感器**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小型压阻式固态压力传感器**小型压阻式固态压力传感器表压压力传感器p1进气管投入式液位计**投入式液位计 压阻式固态压力传感器——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。 投入式液位计外形**投入式液位计外形压阻式固态 压力传感器 光柱 显示器 橡胶 背压管 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。 **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。 材料应变的测量**材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳 应变测试 15.1.4 热电阻和热敏电阻**15.1.4 热电阻和热敏电阻 利用电阻随温度变化而制成的传感器称为电阻式温度传感器。 分为：金属热电阻和半导体热敏电阻符号一、金属热电阻**一、金属热电阻 电阻温度系数大而稳定； 电阻率要大； 电阻温度系数保持单值,最好为常数 金属的物理、化学性能稳定；电阻材料条件目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。(a) 铂电阻 ：**(a) 铂电阻 ：铂是贵金属，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 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 , 铂热电阻的使用温度范围为-200~+850℃。null**小型铂热电阻**小型铂热电阻 防爆型铂热电阻**防爆型铂热电阻 （b）铜电阻**（b）铜电阻 应用精度要求不高，温度较低的场合 线性度好，价格便宜 易氧化，体积大，测量范围小 分度号Cu50、Cu100工业用热电阻的结构**工业用热电阻的结构它由电阻体、 绝缘管、保护套管、引线和接线盒等部分组成。  电阻体由电阻丝和电阻支架组成。电阻丝采用双线无感绕法绕制在支架上。热电阻结构工业用热电阻的结构**工业用热电阻的结构支架起支撑和绝缘作用，具有一定形状，如云母、石英或陶瓷塑料。 引出线通常采用直径1mm的银丝或镀银铜丝，它与接线盒柱相接，以便与外接线路相连而测量显示温度。汽车用水温传感器及水温表**汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铂电阻温度显示、变送器**铂电阻温度显示、变送器null**用热电阻传感器进行测温时, 测量电路经常采用电桥电路。 而热电阻与检测仪表相隔一段距离, 因此热电阻的引线对测量结果有较大的影响。 热电阻引线方式有两线制、 三线制和四线制三种。 二线制中引线电阻对测量影响大, 用于测温精度不高场合。 三线制可以减小热电阻与测量仪表之间连接导线的电阻因环境温度变化所引起的测量误差。 四线制可以完全消除引线电阻对测量的影响, 用于高精度温度检测。可设定温度的温度控制箱**可设定温度的温度控制箱 旋转式机械 设定开关拨码式 设定开关二、半导体热敏电阻**二、半导体热敏电阻⑴ 负温度系数电阻 (NTC) ⑵ 正温度系数电阻 (PTC) ⑶ 临界温度系数电阻 (CTC)热敏电阻的 典型特性a) 温度特性b)热敏电阻的结构及符号结构图1—探头 2—引线 3—壳体c) NTC热敏电阻的特性**c) NTC热敏电阻的特性R, Ro—为温度T(K)和T0(K)时的电阻值 温度系数 B — 热敏电阻的材料常数 一般情况下：B=2000K~6000K。d) 伏安特性**d) 伏安特性I(mA)U功耗发热特性热敏电阻外形 **热敏电阻外形 MF12型 NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻其他形式的热敏电阻 **其他形式的热敏电阻 玻璃封装 NTC热敏电阻MF58 型热敏电阻其他形式的热敏电阻 **其他形式的热敏电阻 带安装孔的 热敏电阻大功率PTC 热敏电阻其他形式的热敏电阻**其他形式的热敏电阻贴片式NTC 热敏电阻热敏电阻温度面板表 **热敏电阻温度面板表 热敏电阻LED热敏电阻体温表 **热敏电阻体温表 热敏电阻用于CPU的温度测量 **热敏电阻用于CPU的温度测量 热敏电阻用于电热水器的温度控制 **热敏电阻用于电热水器的温度控制 e) 石英晶体测温传感器*e) 石英晶体测温传感器f ＝f0（1＋at＋bt2＋ct3）a,b,c : 频率温度系数石英晶体频率式温度传感器当-80℃