自动检测技术及应用 第2版 教学课件 作者 武昌俊主编 第2章　电阻式传感器及应用.PPTVIP

第2章 电阻式传感器及其应用;§2.1 电阻应变式传感器 ;一、应变片的工作原理; 设有一长度为l、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（?x= ?l/l）的关系在很大范围内是线性的，即 ; 在材料力学中，?x =?l/l称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变。?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???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。 ;应变片用于测量力F的计算公式：;分析与总结;1.电阻应变片的结构;（1）敏感栅 感受应变，并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。 （2）基片 绝缘及传递应变。测量时应变片的基底粘在试件上，要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。 由纸薄、胶质膜等制成。;（3）覆盖层 保护作用。防湿、蚀、尘。 （4）引线 连接电阻丝与测量电路，输出电参量。;应变片的内部结构;分类;　　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。 箔式应变片与基片的接触面积大得多，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。目前广泛用于各种应变式传感器中。 ;箔式应变片的外形; 半导体应变片的主要特点是：当受力时，其电阻率随应力的变化而变化，故灵敏度高，横向效应小。; 实验发现，实际应变片的K值比单丝的K值要小，造成此现象原因是横向效应，还有粘结层传递变形失真。 横向效应：将直的电阻丝绕成敏感栅后, 虽然长度不变, 应变状态相同, 但圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸长引起阻值增加量起着抵消作用。因而同样应变阻值变化减小，K值减小，此现象为横向效应。 为了减小横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片，其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多，电阻值较小，因而电阻变化量也就小得多。;３.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。;?; 3.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。; 4.焊接：检查合格后用烙铁焊接引出线，注意不要把端子扯断。 ; 5.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。;三、测量转换电路——不平衡电桥 ; 根据电源的不同，可将电桥分为直流电桥和交流电桥。 电桥按读数方法可分为平衡电桥（零读法）和不平衡电桥（偏差法）两种。 平衡电桥仅适合与测量静态参数，而不平衡电桥对静、动态参数都可测量。 我们只讨论直流不平衡电桥。; 直流电桥电路如下图，它的四个桥臂由电阻R1、R2、R3、R4组成。它们可以全部或部分是应变片。; 初始状态下，电桥是平衡的，输出为零。 当其中一个桥臂（或两个、三个、四个）上受到应变作用后，则阻值将发生变化，桥路失去平衡，就会有信号U0输出。;当电桥平衡时, 有：R1R4=R2R3 或;1）单臂电桥;经运算：U0=[ΔR1R4/（R1+ΔR1+R2）（R3+R4）]U 分子分母同除以R1R3， 设桥臂比n=R2/R1＝R3/R4，分母中ΔR1/R1相对来说是微小项,故可略去。 U0≈-[n/(1+n)2]（ΔR1/R1）U 单臂电桥电压的灵敏度为：Ku=[n/(1+n)2]U 可知：Ku与电桥电源成正比，同时与桥臂比有关。 对于我们讨论的等臂电桥来说，R1=R2=R3=R4，即n=1，则上式化为： U0=（ΔR1/4R1）U 此时, 电桥电压灵敏度最高。Ku=U/4;2）双臂电桥; 假设：R1阻值变为R1+ΔR1； R2阻值变为R2