自动检测-第二章

1、 本章介绍各种本章介绍各种电阻式传感器的原理及应用电阻式传感器的原理及应用，包括：，包括：应变效应、电阻应变片应变效应、电阻应变片、非平衡电桥、非平衡电桥、压阻传感器、压阻传感器、测温热电阻、气敏电阻、湿敏测温热电阻、气敏电阻、湿敏电阻、防爆传感器电阻、防爆传感器等等。应变效应工作原理应变效应工作原理应变片种类、结构与粘贴应变片种类、结构与粘贴应变片的测量转换电路应变片的测量转换电路应变效应的应用应变效应的应用导体或半导体材料在导体或半导体材料在外界力外界力的作用下，会的作用下，会产产生机械变形生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为种现象称为应变效应应

2、变效应。电阻应变传感器主要由电阻应变传感器主要由电阻应变片、弹性元电阻应变片、弹性元件件及及测量转换电桥电路测量转换电桥电路等组成等组成。介绍介绍应变效应应变效应、应变片的基本原理和分类，、应变片的基本原理和分类，非平衡电桥的特点、调零及温度补偿，荷重传非平衡电桥的特点、调零及温度补偿，荷重传感器、汽车衡称重、力矩传感器，压阻式固态感器、汽车衡称重、力矩传感器，压阻式固态压力传感器，投入式液位计压力传感器，投入式液位计等。等。1引出线引出线 2覆盖层覆盖层 3基底基底 4电阻丝电阻丝l l ：应变片的工作基长，：应变片的工作基长，b b ：应变片基宽，：应变片基宽，b bl l：应变片的有效使

3、用面积。：应变片的有效使用面积。 2llRAr金属丝受拉时，金属丝受拉时，l l 变长、变长、r r 变小，导致变小，导致R R变大变大 。电阻丝受拉后，长度增加，直径变小，电电阻丝受拉后，长度增加，直径变小，电阻变大。阻变大。2rlAlR 设有一设有一长度为长度为l、截面积为、截面积为A、半径为、半径为r、电阻率、电阻率为为 的金属单丝的金属单丝，它的电阻值，它的电阻值R及及相对变化相对变化可表示为可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时, ,上式中上式中 、r r、l l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R R

4、发生发生变化。变化。 当当金属丝受拉金属丝受拉时时, ,l l 将增加、将增加、r r 变小，均导致变小，均导致R R变大变大。 2RlrRlr2 rlAlR 对于不同的金属材料，对于不同的金属材料，K ( (灵敏度灵敏度) )略有不同，一略有不同，一般为般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，时，电阻率电阻率 会产生很大的变化会产生很大的变化，所以灵敏度比金属，所以灵敏度比金属材料大材料大50200倍倍。 在材料力学中，在材料力学中， x x= = l l/ /l l称为电阻丝的称为电阻丝的轴向应轴向应变，变，也称也称纵向应变。纵向应变。

5、 x x通常很小。例如，当通常很小。例如，当 x x为为0.0000010.000001（1010-6-6）时，在工程中常表示为时，在工程中常表示为1 1 m/mm/m或或 1 1微应变微应变( (1 1 ) )。 对金属材料而言，受力之后所产生的轴向应变对金属材料而言，受力之后所产生的轴向应变最好最好不要大于不要大于1 1 1010-3-3，即应小于，即应小于10001000 m/mm/m（1000 1000 ），否则有可能超过材料的极限强度而，否则有可能超过材料的极限强度而导致导致非线性或断裂非线性或断裂。 应变片中的电阻丝的电阻相对变化量应变片中的电阻丝的电阻相对变化量 R/R，与材料力

6、，与材料力学中的轴向应变学中的轴向应变 x的关系在很大范围内是线性的，即的关系在很大范围内是线性的，即 x =F/(AE），），设设K为灵敏度，金属材料的面积为为灵敏度，金属材料的面积为A，弹弹性模量性模量 为为E，则，则 R/R又可表示为又可表示为 = xRFKKRAE 设应变片设应变片牢固粘贴在被测试件上，与试件有相同牢固粘贴在被测试件上，与试件有相同的轴向应变及径向应变的轴向应变及径向应变，应变片的灵敏度，应变片的灵敏度K K、试件的、试件的横截面积横截面积A A以及材料的弹性模量以及材料的弹性模量E E均为已知，则只要设均为已知，则只要设法测出应变片的法测出应变片的 R R/ /R R

7、值，值，即可获知试件受力即可获知试件受力的大的大小。依此原理，可用小。依此原理，可用于于测量拉力测量拉力和物体的和物体的称重称重等等。应变片可分为应变片可分为金属应变片金属应变片及及半导体应变片半导体应变片两大两大类。前者可分成类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式金属丝式、箔式、薄膜式等。等。 a a）金属丝式）金属丝式 b b）金属箔式）金属箔式 c c）金属箔式外形）金属箔式外形 d d）半导体应变片）半导体应变片1 1电阻丝电阻丝 2 2金属箔金属箔 3 3半导体半导体 4 4基片基片 5 5引脚引脚 6 6定位标记定位标记 7 7金丝金丝金属丝式应变片金属丝式应变片蠕变较大蠕变较大，金

8、属丝，金属丝易脱胶易脱胶，逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片逐渐被箔式所取代。但金属丝式应变片价格便价格便宜宜，多用于，多用于大批量、一次性试验大批量、一次性试验。箔式应变片中的箔栅是金属箔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。通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔式应变片与片基的箔式应变片与片基的接触面积大接触面积大得多，得多，散热条件较好散热条件较好，在长时间，在长时间测量时的测量时的蠕变较小蠕变较小，一致性较好一致性较好，目前广泛用于电子秤等各种应变目前广泛用于电子秤等各种应变式传感器中。式传感器中。焊接温度焊接温度250250. .以以N N型和型和P P型硅为基底，利用扩散、

9、外延和薄膜工艺型硅为基底，利用扩散、外延和薄膜工艺制成的。主要优点是制成的。主要优点是灵敏度比金属应变片高很多灵敏度比金属应变片高很多。缺点是：灵敏度的缺点是：灵敏度的一致性差、温漂大、电阻与应变间一致性差、温漂大、电阻与应变间非线性严重。非线性严重。在使用时，在使用时，需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补偿需采用半桥、全桥温度补偿及非线性补偿措施。措施。 上表中，哪几个型号是上表中，哪几个型号是半导体应变片半导体应变片？依据？依据是什么？是什么？ 粘贴、焊接粘贴、焊接后，用胶布将后，用胶布将引线和被测对引线和被测对象固定在一起象固定在一起，防止拉动引，防止拉动引线和应变片。线和应变片。将应变片

10、粘贴在受力的斜拉桥上的斜拉绳端部的圆柱将应变片粘贴在受力的斜拉桥上的斜拉绳端部的圆柱上，测量每一根斜拉绳的应变，从而计算出所受的拉力上，测量每一根斜拉绳的应变，从而计算出所受的拉力，检验拉力是否超过设计值。，检验拉力是否超过设计值。预应力管桩的受力预测：预应力管桩的受力预测：工作人员正在贴应变片工作人员正在贴应变片 应变片粘贴在管桩上，应变片粘贴在管桩上，四片应变片可组成全桥四片应变片可组成全桥金属应变片的电阻变化范围很小，如果金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接直接用欧姆表测量用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且其电阻值的变化将十分困难，且误差很大误差很大。例例：金属箔式应变片的标称阻

11、值：金属箔式应变片的标称阻值R0为为100 ，灵敏度灵敏度K=2，粘贴在横截面积为，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质的钢质圆柱体上，钢的弹性模量圆柱体上，钢的弹性模量E=2 1011N/m2，所受，所受拉力拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值，受拉后应变片的阻值R 的变化量的变化量仅为仅为0.2 。所以必须使用所以必须使用非平衡电桥非平衡电桥来测量这一微小的来测量这一微小的变化量，变化量，将将 R /R转换为输出电压转换为输出电压Uo。 用计算机直接测应变片电阻的变化量是很困难。这是用计算机直接测应变片电阻的变化量是很困难。这是因为测量一个因为测量一个在几百欧的基值上附加一个零点几欧的变在几

12、百欧的基值上附加一个零点几欧的变化化的分辨力很低。的分辨力很低。用用电桥可以把被测量的本底去掉电桥可以把被测量的本底去掉，转换成一个在零值转换成一个在零值附近变化的毫伏级的输出电压附近变化的毫伏级的输出电压，这样就可以通过，这样就可以通过“电桥电桥放大电路放大电路”来放大这个微小的变化电压，使之达到几伏来放大这个微小的变化电压，使之达到几伏数量级的有效输出信号数量级的有效输出信号, ,接到接到A/DA/D转换器。转换器。在非平衡电阻电桥中，可以在非平衡电阻电桥中，可以用电阻传感器来代替某一用电阻传感器来代替某一桥臂电阻，或某几个桥臂的电阻桥臂电阻，或某几个桥臂的电阻。当电阻传感器的阻值当电阻传

13、感器的阻值有所变化时，电桥失去平衡有所变化时，电桥失去平衡，计算机就可以依据电桥的，计算机就可以依据电桥的输出电压来计算出被测值。输出电压来计算出被测值。非平衡电桥由四个电阻非平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成一个四组成一个四边形的回路，边形的回路，每一边称作电桥的每一边称作电桥的“桥臂桥臂”。有有4个结点个结点a、b、c、d。在。在a、c结点之间接入电源结点之间接入电源Ui，而另一对结，而另一对结点（点（b、d）之间的电压差作为）之间的电压差作为输出电压输出电压Uo端端。b、d点对负极（点对负极（a点）点）的电压相等时称作的电压相等时称作 “电桥电桥平衡平衡”；反之，称作；反之，称

14、作“电电桥不平衡桥不平衡”。 电桥平衡的条件是电桥平衡的条件是：上下两个桥臂的左右桥上下两个桥臂的左右桥臂的电阻比例相等臂的电阻比例相等。 3i124o1234() 2-34RURRRURRRR 若桥路的若桥路的4 4个桥臂个桥臂相邻电阻的电阻值相邻电阻的电阻值变变化趋势相同化趋势相同，桥路的，桥路的输出电压为零输出电压为零。 若相邻电阻的电阻若相邻电阻的电阻值值变化趋势相反变化趋势相反，桥，桥路就产生输出电压：路就产生输出电压： 4个桥路电阻的个桥路电阻的比例比例通常不通常不可能完全相同可能完全相同,因此必须因此必须设置设置“调零电位器调零电位器” RP ,调节调节RP,最终可以使最终可以使

15、 R1 /R2 =R4/R3（ R1 、R2 是是R1、R2并联并联RP后的等效电阻），电桥趋于后的等效电阻），电桥趋于平衡，平衡，Uo被预调到零位，这被预调到零位，这一过程称为一过程称为调零调零。 图中的图中的R R5 5的作用是减小调节的作用是减小调节范围，也称范围，也称限流电阻限流电阻。单臂半桥单臂半桥:四个桥臂中，只有一四个桥臂中，只有一个电阻的电阻可变，个电阻的电阻可变， R1为应变片为应变片，R2、R3、R4为固定电阻（低温漂的为固定电阻（低温漂的锰合金电阻）锰合金电阻）桥路的输桥路的输出电压为：出电压为： 441i11ioKURRUU单臂半桥的灵敏度最低，温漂最大。单臂半桥的灵敏

16、度最低，温漂最大。.R1、 R2为应变片为应变片， R3、R4为固定电阻（低温漂为固定电阻（低温漂的锰合金电阻）的锰合金电阻） 。应变。应变片片R1 、R2 感受到的应变感受到的应变 1、 2相反，产生的电阻增相反，产生的电阻增量量正负号相反正负号相反，可以使，可以使输输出电压出电压Uo成倍地增大成倍地增大： )(4)(421i2211ioKURRRRUU全桥的四个桥臂都为全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件应变片，如果设法使试件受力后，应变片受力后，应变片R1 R4产产生的电阻增量（或感受到生的电阻增量（或感受到的应变的应变 1 4）正负号相间正负号相间，就可以，就可以使输出电压使输出电

17、压Uo成成倍地增大倍地增大。 )(444332211ioRRRRRRRRUU输出电压：输出电压： 单臂、双臂半桥、全桥工作方式中，单臂、双臂半桥、全桥工作方式中，哪一种灵敏哪一种灵敏度最高度最高? ? 哪一种灵敏度最低哪一种灵敏度最低? ?当环境温度升高时，当环境温度升高时，四个桥臂上的应变片温度四个桥臂上的应变片温度同时升高同时升高，假设温度引起，假设温度引起的电阻值的电阻值漂移数值一致漂移数值一致，就可以就可以相互抵消相互抵消，所以，所以全全桥能实现温度桥能实现温度自补偿：自补偿：3i124o1234() =04RURRRURRRR温度升高，温度升高，R1、R2同同时增大时增大( R3、R

18、4不变不变)则则:i12o12() =04URRURR 又由于热胀冷缩，温度升高时，被测物的长度增加，又由于热胀冷缩，温度升高时，被测物的长度增加，应变片被拉长，引起测量误差，必须另外增加一个补应变片被拉长，引起测量误差，必须另外增加一个补偿块。偿块。单臂半桥无法实现温单臂半桥无法实现温度自补偿。度自补偿。. i1o1120.10.00252.5mV 44120URUR?A A ? = =R Rf f / / R R1111= =U Uo2o2 / /U Uo o=100/2.5=40=100/2.5=40倍倍R R1111为桥臂电阻为桥臂电阻的的100100倍左右，倍左右，取取10k10k

19、。解解：桥路输出电压桥路输出电压U Uo o为：为：电阻应变片的应用可分为两大类。电阻应变片的应用可分为两大类。第一类第一类：将应变片将应变片粘贴于某些弹性体上，粘贴于某些弹性体上，并将其接到并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专专用应变式传感器。用应变式传感器。应变式传感器应变式传感器中，敏感元件一中，敏感元件一般为般为各种弹性体各种弹性体。第二类：第二类：将应变片将应变片贴于被测试件上，贴于被测试件上，然后将然后将其接到其接到应变仪应变仪上就可直接从应变仪上读取上就可直接从应变仪上读取被测试被测试件的应变量。件的应变量。以下重点介绍第一

20、类以下重点介绍第一类“专用应变传感器专用应变传感器”。 S型力传感器型力传感器 F FF FF FF F 托盘固定托盘固定螺孔螺孔F F端部固定端部固定螺孔螺孔电缆电缆a)实心轴实心轴 b)空心轴空心轴 c、d)等截面圆环等截面圆环 e、f、g)变形圆环变形圆环h)等截面悬臂梁等截面悬臂梁i)等强度悬臂梁等强度悬臂梁j)变形的悬臂梁变形的悬臂梁k)扭转轴扭转轴当力当力F垂直向下作用于悬臂梁的末端时，垂直向下作用于悬臂梁的末端时，梁的上表面产梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变。生拉应变，下表面产生压应变。对于任一指定点，对于任一指定点，上下表上下表面的应变大小相等、符号相反。面的应变大小相等

21、、符号相反。设等截面梁的截面厚度为设等截面梁的截面厚度为，宽度为，宽度为b，总长为，总长为L，则在距离固定端，则在距离固定端l处沿长度方向的处沿长度方向的应变与离根部的距离成正比应变与离根部的距离成正比:026()=llFEb 等截面悬臂梁的等截面悬臂梁的最大应变产生在梁的根部，最大应变产生在梁的根部，该部位也是结构最薄弱处。该部位也是结构最薄弱处。等强度悬臂梁等强度悬臂梁FR R1 1R R2 2 R R4 4设轴的横截面积为设轴的横截面积为A，轴材料的弹性模量为，轴材料的弹性模量为E，材料的，材料的泊松比为泊松比为，当等截面轴承受轴向拉力或压力，当等截面轴承受轴向拉力或压力F时，轴向时，轴

22、向应变应变(有时也称为纵向应变有时也称为纵向应变)x为：为： 与轴向垂直方向上的径向应变与轴向垂直方向上的径向应变( (有时也称横向应变有时也称横向应变) ) y y为为=xlFlAE= yxrFrAE钢的弹性模量约为钢的弹性模量约为2 1011Nm2。当被测力较小时，可用铝合金。当被测力较小时，可用铝合金。铝的弹性模量约为铝的弹性模量约为0.71011 Nm2。材料越软，弹性模量也越小，材料越软，弹性模量也越小，其灵敏度也越高。其灵敏度也越高。F FF FF F扭转轴是专门用于测量力矩和力矩的弹性敏感元件扭转轴是专门用于测量力矩和力矩的弹性敏感元件。力。力矩矩T 等于作用力等于作用力F 和力

23、臂和力臂L的乘积的乘积，即：，即：T =FL。下图中的。下图中的力臂为轴的半径，力臂为轴的半径，L=D/2。力矩的单位为力矩的单位为Nm，在小力矩，在小力矩测量时测量时,也用也用mNm为单位。为单位。 使机械部件转动的力矩称使机械部件转动的力矩称为为“转矩转矩”。任何部件在力。任何部件在力矩的作用下，必定产生某种矩的作用下，必定产生某种程度的扭转变形程度的扭转变形。因此，过。因此，过去也常把力矩叫做去也常把力矩叫做“扭矩扭矩”。1电动机电动机 2联轴器联轴器 3扭转轴扭转轴 4信号引出滑环信号引出滑环 5电刷电刷 6减速器减速器 7转鼓（卷扬机）转鼓（卷扬机） 8重物重物 Ti输入力矩输入力矩

24、 ToG输出力矩输出力矩 i减速比减速比 在扭矩在扭矩T的作用下，扭转轴的的作用下，扭转轴的表面将产生拉伸或压缩表面将产生拉伸或压缩应变。应变。在轴表面上与轴线成在轴表面上与轴线成45 方向（如下图中的方向（如下图中的ab方向方向）的应变与图中的）的应变与图中的cb方向上的应变数值相等，但方向上的应变数值相等，但符号相反符号相反，R1、R2与粘贴在力矩扭转轴的背面的与粘贴在力矩扭转轴的背面的R3、R4可以组成全可以组成全桥。桥路的桥。桥路的4个结点个结点a、b、c、d分别通过分别通过4个信号滑环和电个信号滑环和电刷引出，刷引出，为了克服集电环接触电阻造成的误差，为了克服集电环接触电阻造成的误差

25、，也可以利也可以利用无线电模块，将旋转轴的应变测量值传送到扭转轴外面用无线电模块，将旋转轴的应变测量值传送到扭转轴外面的接收器电路。的接收器电路。应变片测量得到的轴表面与轴线成应变片测量得到的轴表面与轴线成45 的的方向上的应变关系：方向上的应变关系：32(1)TEr 数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机数显扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺栓的装配械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺栓的装配扭矩。量程扭矩。量程2500Nm，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。位转换、峰值保持、自动断电等功

26、能。 贴在荷重贴在荷重传感器表面的传感器表面的应变片在应变片在向下向下力的作用下，力的作用下，产生变形。产生变形。轴轴向变短，径向向变短，径向变粗。变粗。用一个桥路激励源来激励用一个桥路激励源来激励4个圆柱状荷重传感器个圆柱状荷重传感器的桥路的桥路，由由4路路A/D转换器将转换器将4个桥路的输出转换为个桥路的输出转换为4个数字量个数字量，由单片机进行加法运算。由单片机进行加法运算。测量测量汽车毛重，汽车毛重，再扣除已知该型再扣除已知该型号汽车的号汽车的自重，自重，就可以就可以判断超载判断超载当当KF 为常数时，桥为常数时，桥路所加的激励源电压路所加的激励源电压Ui 越高，满量程输出越高，满量程

27、输出电压电压Uom也越高。也越高。思考：综合考虑灵敏度与功耗、发热等因思考：综合考虑灵敏度与功耗、发热等因数数， Ui 的取值范围多少为好？的取值范围多少为好？ioommmFK UFUUFFFiomUKUF 解解：从该荷重传感器铭牌上得到从该荷重传感器铭牌上得到F m=100 103N，KF= 2mV/V， 可计算得到可计算得到Uom=12mV。根据上述公式计算。根据上述公式计算得被测荷重：得被测荷重：ioommmFK UFUUFFFt8 . 6N1067.666102108101003333iomUUKFFF 例：用某荷重传感器称重。当桥路电压例：用某荷重传感器称重。当桥路电压U Ui i为

28、为6V6V时，测得桥路的输出电压时，测得桥路的输出电压U Uo o为为8mV8mV，求被测荷重为多少吨？求被测荷重为多少吨？荷重传感器荷重传感器（共（共 3个个,120度分布度分布,以达到以达到均衡目的均衡目的,另两个未拍进）另两个未拍进）底座底座垫块垫块电缆电缆磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示由单片机扣除温漂和毛重由单片机扣除温漂和毛重电子天平的准确度电子天平的准确度可达十万分之一可达十万分之一电子人体秤中电子人体秤中 有四个角都装有四个角都装了电阻应变片（各了电阻应变片（各2片，串联）片，串联），四角接成全桥，由单片机测，四角接成全桥，由单片机测量桥路电压，并换算出被称量量

29、桥路电压，并换算出被称量的体重。的体重。怎样才能节电？怎样才能节电？怎样才能适合怎样才能适合盲人使用？盲人使用？便携式便携式如何将重量信号如何将重量信号传送到总控室中传送到总控室中的计算机上？的计算机上？ 是利用半导体是利用半导体材料的材料的压阻效应压阻效应和和集成电路工艺制成集成电路工艺制成的集成传感器。没的集成传感器。没有可动部分，有时有可动部分，有时也也称为固态传感器称为固态传感器。它在工业中多用于它在工业中多用于与应变有关的力、与应变有关的力、重力、压力、差压、重力、压力、差压、真空度等物理量的真空度等物理量的测量。测量。利用扩散工艺制作的四个半导利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处

30、于同一硅片上，组成体应变电阻处于同一硅片上，组成4臂全桥，称为臂全桥，称为硅微机械加工技术硅微机械加工技术 。工艺一致性好工艺一致性好,灵敏度相等灵敏度相等,漂移漂移抵消抵消,迟滞、蠕变非常小迟滞、蠕变非常小,动态响应快。动态响应快。 硅片的表面用硅片的表面用SiOSiO2 2薄膜加以保护，并用超声波焊薄膜加以保护，并用超声波焊上金质细丝，作全桥的引线。硅膜片底部被加工成中上金质细丝，作全桥的引线。硅膜片底部被加工成中间薄（用于产生应变）、周边厚（起支撑作用，所以间薄（用于产生应变）、周边厚（起支撑作用，所以也称为硅杯。硅杯在高温下用玻璃粘接剂粘接在热胀也称为硅杯。硅杯在高温下用玻璃粘接剂粘接在热胀冷缩系数相近的玻璃基板上。将硅杯和玻璃基板紧密冷缩系数相近的玻璃基板上。将硅杯和玻璃基板紧密地安装到壳体中，就制成了压力传感器。地安装到壳体中，就制成了压力传感器。 图示的硅膜片的厚度较薄，