第3章常用传感器的工作原理及应用PPT格式课件下载.ppt

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下面介绍两种最常用的电阻式传感器：

电位器式传感器和应变片式传感器。

3.1.2电位器式传感器电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。

电位器式传感器分为直线位移型、角位移型和非线性型等，如图3.1所示。

不管是哪种类型的传感器，都由线圈、骨架和滑动触头等组成。

线圈绕于骨架上，触头可在绕线上滑动，当滑动触头在绕线上的位置改变时，即实现了将位移变化转换为电阻变化。

图3.1电位器式传感器,式中，为单位长度的电阻值。

当导线分布均匀时为一常数，此时传感器的输出（电阻）与输入（位移）间为线性关系，传感器的灵敏度相应为：

（3-2）图3.1（b）为角位移型电位器式传感器的原理示意图，其电阻值随转角位移而变化，该传感器的灵敏度为：

（3-3）式中，为转角；

为单位弧度对应的电阻值。

式（3-4）表明，传感器经过后续电路后的实际输出、输入为非线性关系，为减小后续电路的影响，一般使R1Rt，此时，近似为线性关系。

电位器式传感器的结构简单、性能稳定、使用方便；

但其分辨率低，绕线困难。

它常被用于线位移和角位移的测量，在测量仪器中用于伺服记录仪或电子电位差计等。

图3.2电位器式传感器的测量电路,变阻器式传感器产品,案例：

重量的自动检测-配料设备,原理：

弹簧-力-位移-电位器-电阻,案例：

煤气包储量检测,原理：

钢丝-收线圈数-电位器-电阻,案例：

玩具机器人（广州中鸣数码）,原理：

电机-转角-电位器-电阻,3.1.3电阻应变式传感器电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化即应变效应而设计制作的传感器。

任何非电量，只要能设法转换为应变片的应变，都可以利用此种传感器进行测量。

因此电阻应变式传感器可以用来测量应变、力、扭矩、位移和加速度等多种参数。

1电阻应变效应导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电阻值也相应发生变化的物理现象，称为电阻应变效应。

设金属丝在外力作用下沿轴线伸长，伸长量设为，并因此截面积变化，电阻率的变化为，这时电阻相对变化可表示为：

（3-5）对于直径为d的圆形截面的电阻丝，因为，所以有：

（3-6）由力学知识可知横向收缩和轴向伸长的关系可用泊松比表示，即：

（3-7）,若（为轴向应变），则有：

（3-8）把式（3-7）和式（3-8）代入式（3-5）可得：

（3-9）式中，K0为金属电阻丝的应变灵敏度系数，它表示单位应变所引起的电阻值的相对变化。

式（3-9）表明，K0的大小由两个因素影响：

（1+2）表示由几何尺寸的改变所引起；

表示材料的电阻率随应变所引起的变化。

对于金属材料而言，以前者为主；

而对于半导体材料，K0值主要由后者即电阻率相对变化所决定。

另外，式（3-9）还表明电阻值的相对变化与应变成正比，因此通过测量电阻的变化，便可测量出应变。

2电阻应变片的结构电阻应变片的结构如图3.3所示，一般由敏感栅（金属丝或箔）、基底、覆盖层、黏合剂、引出线等组成。

敏感栅是转换元件，它把感受到的应变转换为电阻的变化；

基底用来将弹性体的表面应变准确地传送到敏感栅上，并使敏感栅与弹性体之间相互绝缘；

覆盖层用来保护敏感栅；

黏合剂把敏感栅与基底粘贴在一起；

引出线作为连接测量导线之用。

常用电阻应变片有两大类：

金属电阻应变片和半导体应变片。

图3.3电阻应变片,

（1）金属电阻应变片。

金属电阻应变片有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。

丝式应变片如图3.4（a）所示，它是将金属丝按图示形状弯曲后用黏合剂粘贴在基底上而成。

基底可分为纸基、胶基和纸浸胶基等。

电阻丝两端焊有引出线，使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器。

箔式应变片如图3.4（b）所示，它的敏感栅是通过光刻、腐蚀等工艺制成。

箔栅厚度一般在0.0030.01mm之间。

与丝式应变片相比其表面积大，散热性好，允许通过较大的电流。

由于它的厚度薄，因此具有较好的可挠性，灵敏度系数较高。

箔式应变片还可以根据需要制成任意形状，适合批量生产。

金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。

这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。

（2）半导体应变片。

半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应制成的一种纯电阻性元件。

对半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称之为压阻效应。

半导体应变片主要有体型、薄膜型和扩散型等三种。

图3.4金属电阻应变片结构,体型半导体应变片是将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而制成的应变片，其结构如图3.5所示。

薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的基底上而制成的，其结构示意图如图3.6所示。

图3.5体型半导体应变片,（3）扩散型半导体应变片是将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。

图3.7为其结构示意图。

半导体应变片与金属电阻应变片相比其灵敏度高5070倍，另外，其横向效应和机械滞后小。

但它的温度稳定性差，在较大应变下，灵敏度的非线性误差大。

图3.6薄膜型半导体应变片,图3.7扩散型半导体应变片,4电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器主要有以下两种应用方式：

（1）应变片直接粘贴在试件上，用来测量工程结构受力后的应力分析或所产生的应变，为结构设计、应力校正或分析结构在使用中产生破坏的原因等提供试验数据，如电阻应变仪。

在测量齿轮轮齿弯矩或立柱应力时，也常在被测位置处直接粘贴应变片进行测量，如图3.8所示。

（2）将应变片粘贴在弹性元件上，进行标定后作为测量力、压力、位移等物理量的传感器。

在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换为电阻的变化后输出，如应变式力传感器、应变式加速度传感器。

图3.9所示为应变式力传感器的几种形式。

悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件，它的特点是灵敏度比较高，所以多用于较小力的测量，如民用电子秤就多采用悬臂梁式。

图3.8构件应力测定的应用,图3.9应变式力传感器的几种形式,应变式加速度传感器是将质量块相对于基座（被测物体）的移动转换为应变值的变化而得到加速度的。

图3.10是一种应变式加速度传感器的结构图，测量时，基座7固定在振动体上，振动加速度使质量块1产生惯性力，应变梁2则相当于惯性系统的“弹簧”，在惯性力的作用下产生弯曲变形。

工作时，梁的应变与质量块相对于基座的位移成正比，因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。

图3.11所示为纱线张力检测装置，检测辊4通过连杆5与悬臂梁2的自由端相连，连杆5同阻尼器6的活塞相连，纱线7通过导线辊3与检测辊4接触。

当纱线张力变化时，悬臂梁随之变形，使应变片1的阻值变化，并通过电桥将其转换为电压的变化后输出。

图3.10应变式加速度传感器,1应变片；

2悬臂梁；

3导线辊；

4检测辊；

5连杆；

6阻尼器；

7纱线图3.11动态张力传感器,5电阻应变式传感器的测量电路电阻应变片在工作时，将应变片用黏合剂贴在弹性体或试件上，弹性体受外力作用变形所产生的应变就会传递到应变片上，从而使应变片电阻值发生变化，通过测量阻值的变化，就能得知外界被测量的大小。

但是，由于金属电阻应变片灵敏系数K值通常都很小，机械应变一般也很小，所以电阻的相对变化是很小的，用一般的测量电阻仪表很难直接测量出来，必须用专门的电路来测量这种微弱的电阻变化。

一般采用电桥电路实现微小阻值的转换。

电桥电路将在第6章介绍。

由于温度的变化会引起电阻值的变化，从而造成应变测量结果的误差。

而且由温度变化所引起的电阻变化与由应变引起的电阻变化往往具有同等数量级，所以为了保证测量的精确度，一般要采取温度补偿措施，以消除温度变化所造成的误差。

如测量时，在被测件变形较大处粘贴两片工作片，在试件变形小或没有变形处粘贴另两片应变片（如图3.12所示），同时接入测量电桥的四个桥臂，就可消除温度变化对测量的影响。

图3.12温度补偿,有一金属电阻应变片，其灵敏度S=2.5，R=120，设工作时其应变为1200，问R是多少？

若将此应变片与2V直流电源组成回路，试求无应变时和有应变时回路的电流各是多少？

无应变时：

有应变时：

电阻应变式传感器的应用：

测力,标准产品,案例：

桥梁固有频率测量,案例：

案例：

电子称,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。

冲床生产记数和生产过程监测,案例：

振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。

例：

选择合适的方式测量悬臂梁的受力情况,F,传感器的类型传感器在该零件上的安装位置合适的测量电路,1）选择相应的测量应力传感器,F,2）应变式测力传感器的安装位置的选择,测力时，将测力传感器放置在受力零件与机架之间，以承受全部载荷。

柱式弹性元件设计（拉压应力式）,1、弹性元件形状：

是空心圆柱体；

2、贴片方式及组桥：

沿外表面中部均匀粘贴横竖相间布置的的应变片，贴片数是4的倍数。

贴片组桥图,F,厚梁,薄梁,厚度大：

以剪切应力为主厚度小：

以弯曲应力为主,1、弯曲应力式弹性元件（厚度较小）

（1）弹性元件形状：

梁弯矩图,梁式弹性元件设计（弯曲应力式及剪切应力式）,梁可分为,2.剪应力式弹性元件（厚度较大）,

（1）弹性元件形状：

（2）贴片和组桥：

此梁仍为双固支梁，每根Q=F/2，M（x）引起的剪切应力在中性面上最大，故沿轴线450方向贴4片应变片（1#、2#、3#、4#）。

F,R1,R3,R2,R4,采用4个应变片组成电桥,？

如何组桥？

R-R,R+R,R1,R3,R2,R4,R-R,R+R,R1,R3,R2,R4,R+R,R+R,问：

该连接方式可以消除温度升高带来的误差吗？

R+R,R+R,可以消除温度升高带来的误差,R1,R3,R2,R4,R+R,R+R,问：

该连接方式可以消除拉力的影响吗？

可以消除拉力带来的误差,R1,R3,R2,R4,3.2电容式传感器电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。

在大多数情况下，作为传感元件的电容器是由两平行板组成的以空气为介质的电容器，有时也采用由两平行圆筒或其他形状平面组成的电容器。

3.2.1电容式传感器的工作原理电容式传感器工作原理可用图3.13所示的平行板电容器来说明。

设两极板相互覆盖的有效面积为A（单位为m2），两极板间的距离为（单位为m），两极板间介质的介电常数为（单位为F.m-1）。

当不考虑边缘电场影响时，其电容量C为：

（3-10）,图3.13平板电容器,由式（3-10）可知平行板电容器的电容量是、A和的函数，即。

如果保持其中两个参数不变，而改变另一个参数，