哈工大—焊接过程测量与控制2

1、第二章第二章 传感器的基本原理传感器的基本原理第一节第一节 电阻式传感器电阻式传感器第二节第二节 电容式传感器电容式传感器第三节第三节 电感式传感器电感式传感器第四节第四节 磁电感应式传感器磁电感应式传感器第五节第五节 霍尔式传感器霍尔式传感器第六节第六节 光电式传感器光电式传感器第七节第七节 热电式传感器热电式传感器一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器二、电位计式传感器二、电位计式传感器第一节第一节 电阻式传感器电阻式传感器()xRUI电阻应变式传感器的核心器件为电阻应变片电阻应变式传感器的核心器件为电阻应变片（一）电阻应变效应（一）电阻应变效应1、概念：导体或半导体材料在外力作用下产生

2、机械变形，其电阻值也相、概念：导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形，其电阻值也相应发生变化的物理现象叫电阻应变效应。应发生变化的物理现象叫电阻应变效应。一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器/(12 )(12)/RllKRll ll 2、单根导线受拉伸后的电阻变化、单根导线受拉伸后的电阻变化材料几何变形材料电阻率变化对于金属材料： 对半导体材料：12K /Kl l （二）电阻应变片的结构与分类（二）电阻应变片的结构与分类 主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。主要有金属电阻应变片和半导体应变片两大类。 1、金属电阻应变片、金属电阻应变片 结构：结构：敏感栅敏感栅（金属丝）、（金属丝）

3、、基底基底（纸、胶膜或玻璃纤维布）、（纸、胶膜或玻璃纤维布）、 覆盖层覆盖层（胶膜）、（胶膜）、引线引线（铜丝）（铜丝） 分类：分类： 丝式应变片（直径丝式应变片（直径1550微米的金属丝绕成）微米的金属丝绕成） 箔式应变片（光刻、腐蚀）（膜厚箔式应变片（光刻、腐蚀）（膜厚25微米）微米） 金属薄膜应变片（真空蒸镀、沉积）（膜厚小于金属薄膜应变片（真空蒸镀、沉积）（膜厚小于0.1微米）微米）2341一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器2、半导体应变片、半导体应变片 压阻效应：对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，压阻效应：对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时

4、，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称之为压阻效应。它的电阻率会发生变化，这种物理现象称之为压阻效应。eeE 弹性模量弹性模量压阻系数压阻系数eKE半导体应变片的灵敏系数高，是金属应变片的数十倍，上百倍。半导体应变片的灵敏系数高，是金属应变片的数十倍，上百倍。一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器（三）金属应变片的主要参数及工作特性（三）金属应变片的主要参数及工作特性 1、几何尺寸：、几何尺寸： 灵敏轴线，电阻变化最大的方向灵敏轴线，电阻变化最大的方向 标距，也称栅长，敏感栅在灵敏轴线方向上的长度，标距，也称栅长，敏感栅在灵敏轴线方向上的长度，l 工作宽度，也称栅宽，垂直于灵敏轴线方向的宽度

5、，工作宽度，也称栅宽，垂直于灵敏轴线方向的宽度，b 2、电阻值，、电阻值，R，未受力前在室温下测定的电阻值，也称初始电阻。，未受力前在室温下测定的电阻值，也称初始电阻。 60欧姆，欧姆，120欧姆，欧姆，350欧姆，欧姆，600欧姆，欧姆，1000欧姆等，欧姆等， 常用为常用为120欧姆欧姆 应变片的规格：应变片的规格：,lb R一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器 3、应变灵敏系数、应变灵敏系数 K为金属应变片的灵敏系数，是在试件受一维应力作用，应变片的轴为金属应变片的灵敏系数，是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为向与主应力方向一致，且试件材料的泊松

6、比为0.285的钢材时测得的。一般的钢材时测得的。一般K=1.53.5KRRRRK丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分bOlrrdld0 4、横向效应、横向效应 敏感栅弯角处，受横向负载影响，敏感栅弯角处，受横向负载影响，也产生电阻变化，带来误差。也产生电阻变化，带来误差。一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器 5、应变极限、应变极限 对于已经安装好的应变片，对于已经安装好的应变片，在一定温度下，指示应变与真在一定温度下，指示应变与真实应变的相对误差在一定范围实应变的相对误差在一定范围内时，所能测量的最大应变量内时，所能测量的最大应变量e真实应变z指示应变i10%1e一、电阻应变式传感器一、电阻应

7、变式传感器 5、零点漂移和蠕变、零点漂移和蠕变 零漂：零漂：对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。 产生原因：产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。 蠕变：蠕变：如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。 产生原因：产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。 这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。一、电阻应变式传感器

8、一、电阻应变式传感器（四）金属应变片的温度误差及补偿措施（四）金属应变片的温度误差及补偿措施 产生原因：产生原因： 应变片的电阻丝应变片的电阻丝(敏感栅敏感栅)具有一定温度系数；具有一定温度系数； 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。补偿措施：补偿措施：自补偿法、线路补偿法自补偿法、线路补偿法1、自补偿法：、自补偿法： 是由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿。要求两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反。相等，符

9、号相反。RaRb一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器2、线路补偿法：、线路补偿法： R1R2FFFR1R2补偿块补偿块 直接补偿直接补偿 USCR2R4R1R3E为达到完全补偿，需满足下列三个条件：为达到完全补偿，需满足下列三个条件： R1和和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、线膨胀系数、应变灵敏系数、应变灵敏系数K都都相同，两片的初始电阻值也要求相同；相同，两片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨

10、胀系数相等；数相等； 两应变片处于同一温度环境中。两应变片处于同一温度环境中。 一、电阻应变式传感器一、电阻应变式传感器二、电位计式传感器二、电位计式传感器xRRxUiUo电阻分压原理电阻分压原理xoiRUURRL阶梯特性阶梯特性优点：结构简单、输出信号强、易实现线性优点：结构简单、输出信号强、易实现线性缺点：电刷与导线间的磨损、抗冲击及振动性能差缺点：电刷与导线间的磨损、抗冲击及振动性能差 分辨力低、能耗大分辨力低、能耗大应变片应用举例应变片应用举例问题：问题：电阻点焊熔核尺寸波动大，影响焊点质量。电阻点焊熔核尺寸波动大，影响焊点质量。方案：方案：用电阻应变片测量电极位移变化，反馈控制焊接电

11、用电阻应变片测量电极位移变化，反馈控制焊接电流及通电时间。流及通电时间。效果：效果：良好良好第二节第二节 电容式传感器电容式传感器()xCUI应用：位移、振动、压力、物位等量的测量一、工作原理+-xS平行板电容器平行板电容器电力线( , , )SCxfS x 当平行板的间距当平行板的间距d d 远小于平行板的尺寸时，对精度要求不是远小于平行板的尺寸时，对精度要求不是特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。特别严格的条件下，边缘效应即可忽略。变极距型电容式传感器变极距型电容式传感器00SCx初始时，初始时，当当x减小减小x时，时，C增加增加 C，即00SCCxx0001xxCxCx2x1x2C1C动

12、板极动板极定板极定板极差动电容传感器差动电容传感器第二节第二节 电容式传感器电容式传感器变极板面积型电容传感器变极板面积型电容传感器 1.角位移传感器角位移传感器 两半圆形板极两半圆形板极(定板极和动板极定板极和动板极)的间距为的间距为d , 面积均为面积均为S，可绕同，可绕同圆心转动，其夹角为圆心转动，其夹角为。C 与与（角位移）成线性关系。（角位移）成线性关系。定极板定极板动极板动极板平板电容式角位移传感器平板电容式角位移传感器00S0 C =d 时，00S (1-)0 C= C (1-)d 时，第二节第二节 电容式传感器电容式传感器变极板面积型电容传感器变极板面积型电容传感器 2.同心圆

13、筒形线位移传感器同心圆筒形线位移传感器 C 与与 a a 成线性关系。成线性关系。0012L C = DlnD初始时，D0D1La圆柱形电容式线位移传感器圆柱形电容式线位移传感器012lnLCDD当内筒上移为当内筒上移为a a 时，内外筒间的电容时，内外筒间的电容C为：为：0012(L-a)aC = =C (1-)DLlnD第二节第二节 电容式传感器电容式传感器变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器变介质片电容器传感器变介质片电容器传感器12d1d2LaBCAC 这种电容可以看成是这种电容可以看成是CA A、CB B两个电容的两个电容的并联。设板极宽度为并联。设板极宽度为b b 则：则：

14、1122ddbaCA112ddaLbCB)(11211211221121122ddbaddbLddbaddaLbddbaCCCBA)(1120ddbLCLaddCC212121011C与与a 成线性关系。成线性关系。可以用来测量位移、物位、电介质的厚度，根据可以用来测量位移、物位、电介质的厚度，根据介电常数随温度、湿度变化的规律，还可以测量介电常数随温度、湿度变化的规律，还可以测量温度、湿度等。温度、湿度等。第二节第二节 电容式传感器电容式传感器二、电容式传感器的典型特点 1. 1.高阻抗高阻抗 直流电阻趋于无穷大，交流阻抗直流电阻趋于无穷大，交流阻抗1/( 1/( jC) )由于由于C一般较小，当频率一般较小，当频率不太不太高时交流阻也很大。高时交流阻也很大。 2.2.存在静电吸引力存在静电吸引力 由于板极间距很小，所以静电力就比较明显，特别是小板极间距测量时由于板极间距很小，所以静电力就比较明显，特别是小板极间距测量时可能会引入附加误差。可能会引