电阻、电容式位移.ppt

传感器与检测技术 项目二 位移 速度 流量传感器及其应用参量型位移传感器 参量型位移传感器工作原理 将被测物理量转化为电参数 即电阻 电容或电感等 此类传感器式属于结构型 将机械结构位移 变形等非电量转换成电量 是基于测量物体受力变形而产生应变的一种传感器 测量位移常用的传感器 测量位移常用方法 机械法 光测法 电测法 电测法 利用各种传感器将位移量变换成电量或电参数 再经后接测量仪器进 步变换 完成对位移检测的一种方法 电阻式 电容式 涡流式 压电式 感应同步器式 磁栅式 光电式等 线位移定义 指机构沿着某一条直线移动的距离 线位移的测量又称长度测量 测量线位移常用的传感器有电阻式 电感式 差动变压器式以及感应同步器 磁尺 光栅 激光位移计等 角位移定义 指机构沿着某一定点转动的角度 角位移的测量又称角度测量 测量角位移常用的传感器有旋转变压器 码盘 编码器 圆形感应同步器等 一 工作原理 电阻式位移传感器的电阻值取决于材料的几何尺寸和物理特性 第一部分电阻式位移传感器 由上式可知 改变其中任意参数都可使电阻值发生变化 电位计 电位器 和应变片就是根据这 原理制成的 导体电阻率 m L 导体长度 m S 导体横截面积 m2 二 结构与等效电路 电位计的等效电路 补充 应变片式位移传感器 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 一 应变片的工作原理 例如 金属丝受拉时 l变长 r变小 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的关系在很大范围内是线性的 即 K 电阻应变片的灵敏度 对于不同的金属材料 K略微不同 一般为2左右 而对半导体材料而言 由于其感受到应变时 电阻率 会产生很大的变化 所以半导体材料灵敏度比金属材料大几十倍 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 是量纲为1的数 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 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大于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 由材料力学可知 x F AE 所以 R R又可表示为如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量 均为已知 则只要设法测出 R R的数值 即可获知试件受力 的大小 例如可用于电子秤的称重 二 应变片的种类结构与粘贴 金属应变片 半导体应变片 1 类型结构 l称应变片的标距或工作基长 b称应变片的工作宽度b l称应变片的规格 1 金属丝式 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 金属丝式应变片的内部结构 2 箔式 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 箔式应变片与片基的接触面积大得多 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 箔式应变片的外形 3 薄膜式真空蒸镀技术制成 特点同上 4 半导体应变片 半导体应变片灵敏度高 横向效应小 但热稳定性差 电阻与应变间的非线性严重 使用时 需进行非线性补偿 应变片主要性能指标 上表中 哪几个型号是半导体应变片 依据是什么 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 2 应变片的粘贴 2 贴片 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 3 测量 从分开的端子处 预先用万用表测量应变片的电阻 及早发现端子折断和坏的应变片 4 焊接 将引线和端子用烙铁焊接起来 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 金属应变片的电阻变化范围很小 如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难 且误差很大 例如 有一金属箔式应变片 标称阻值R0为100 灵敏度K 2 粘贴在横截面积为9 8mm2的钢质圆柱体上 钢的弹性模量E 2 1011N m2 所受拉力F 0 2t 受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0 2 所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量 下面分析该桥式测量转换电路是如何将 R R转换为输出电压Uo的 不平衡电桥 电桥平衡条件 R1 R2 R4 R3 电桥调零 调节RP 最终可以使R1 R2 R4 R3 R1 R2 是R1 R2并联RP后的等效电阻 电桥趋于平衡 Uo被预调到零位 这一过程称为调零 图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻 1 单臂半桥 R1为应变片 其余电阻为固定电阻 2 双臂半桥 R1 R2为应变片 R3 R4为固定电阻 应变片R1 R2感受到的应变 1 2以及产生的电阻增量正负号相间 可以使输出电压Uo成倍地增大 3 四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片 如果设法使试件受力后 应变片R1 R4产生的电阻增量 或感受到的应变 1 4 正负号相间 就可以使输出电压Uo成倍地增大 桥路的温度补偿原理 当环境温度升高时 桥臂上的应变片温度同时升高 温度引起的电阻值漂移数值一致 可以相互抵消 所以全桥的温漂较小 双臂半桥也同样能克服温漂 结论 上述三种工作方式中 四臂全桥工作方式的灵敏度最高 双臂半桥次之 单臂半桥灵敏度最低 采用全桥 或双臂半桥 还能实现温度自补偿 四 应变效应的应用 应变效应的应用十分广泛 它可以测量应变应力 弯矩 扭矩 加速度 位移等物理量 电阻应变片的应用可分为两大类 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上 并将其接到测量转换电路 这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器 应变式传感器中 敏感元件一般为各种弹性体 传感元件就是应变片 测量转换电路一般为桥路 第二类是将应变片贴于被测试件上 然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量 1 应变式传感器 1 应变式力传感器 应变式力传感器 环式 F F F F 应变式力传感器 悬臂梁 各种悬臂梁 各种悬臂梁 F F 固定点 固定点 电缆 2 应变式荷重传感器 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形 轴向变短 径向变长 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 应变式荷重传感器外形及受力位置 F F F F 汽车衡 汽车衡 汽车衡称重系统 荷重传感器计算公式 当KF为常数时 桥路所加的激励源电压Ui越高 满量程输出电压Uom也越高 荷重传感器应用估算 例2 2现用图2 8所示的荷重传感器称重 当桥路电压为6V时 测得桥路的输出电压为24mV 求被测荷重为多少吨 解 从图2 8所示的荷重传感器铭牌上得到Fm 100 103N KF 2mV V 根据公式有 在上面介绍过的汽车衡示意图中 共使用了4个荷重传感器 量程Fm 20t 灵敏度KF 2 5mV V 使用4个独立的桥路电源 每一个电源电压均相等 Ui 12V 四个荷重传感器的输出串联 总的输出电压Uo 24mV 请估算汽车的质量 汽车在钢板上有少许的前 后 左 右偏位 是否会影响测量结果 为什么 荷重传感器用于构件的称重 荷重传感器 共3个 120度分布 以达到均衡目的 底座 垫块 电缆 构件 电子秤 磅秤 超市打印秤 远距离显示 电子天平 电子天平的精度可达十万分之一 人体秤 便携式吊钩秤 3 应变式数显扭矩扳手 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 有单位转换 峰值保持 自动断电等功能 4 应变式加速度传感器 5 压阻式固态压力传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上 工艺一致性好 灵敏度相等 漂移抵消 迟滞 蠕变非常小 动态响应快 小型压阻式固态压力传感器 高压进气口 低压进气口 小型压阻式固态压力传感器 续 呼吸 透析和注射泵设备中用的压力传感器 p1进气管 p2进气管 固态压力传感器 小型压阻式固态压力传感器 续 表压压力传感器 P2敞开 p1进气管 小型压阻式固态压力传感器 续 绝对压力传感器 P2抽真空 压阻式固态压力传感器内部结构 信号处理电路 应用 投入式液位传感器 安装高度h0处水的表压 p1 gh1 液位高度 h h0 h1 h0 p1 g 投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计 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 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 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 投入式液位计 续 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 2 电阻应变仪 上图所示的