项目二应变式电阻传感器.docx

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项目二应变式电阻传感器

课时授课计划

15大专农机定向

15大专汽车维修

班级:

科目:

传感器与检测技术任课教师:

杨慧清

章节内容

项目二电阻式传感器

任务1应变式电阻传感器

教学方式

课堂教学

教学时数

2学时

教学目的与要求

1、了解电阻应变式传感器的外形、结构、工作原理。

2、熟悉电阻应变式传感器的使用及选用原则。

教学重点

与难点

重点：

电阻应变式传感器的外形、结构、使用。

难点：

电阻应变式传感器的使用及选用原则。

教学内容

新课导入：

目前传感器的种类虽已繁多，但在称重和测力领域中高精度的传感器仍是以应变式传感器应用最广泛。

电子秤是一种精密电子仪器，易于操作、精度高、实用性强，它的主要部件就是应变片与弹性敏感元件。

一、复习与提问

1、复习：

检测技术。

2、提问：

相对误差有哪几种？

二、电应变式传感器

电阻应变式传感器是一种用金属弹性体作为弹性元件通过粘贴在弹性体敏感部位的电阻应变计组成惠斯通电桥，并在外加电源的激励下可以将力转换为电信号的测量装置。

●电阻应变式传感器工作原理框图

加载载荷越大，弹性敏感元件变形大，应变片受力变形、应变就越大，阻值变化也越大，电桥输出电压也就更大。

1、弹性敏感元件

能将力、力矩、压力、温度等物理量变换成位移、转角或应变的弹性元件，称为弹性敏感元件。

结构型传感器的组成都离不开弹性敏感元件。

●应变：

应变是物体受外力作用时产生的相对变形,它是一个无量纲的物理量。

设物体原长度为l，受力后产生Δl的变形。

若Δl>0，则表示物体被拉伸；Δl<0，则表示物体被压缩。

其应变ε定义为

ε=Δl/l

ε称为纵向应变。

应变的量值非常小，常用微应变（με）作为单位,1με=10-6ε。

当物体纵向发生变形时，其横向发生相反变形，称为横向应变。

为了区别，将前者记作εl，后者记作εr，有

εr=Δr/r=-μεl

式中,μ为泊松比。

2、电阻应变片

●应变效应：

导体或半导体在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值亦将随之发生变化，这种现象称为应变效应。

●金属导体的电阻应变灵敏度

金属导体的电阻与材料、长度、截面积和温度有关。

在温度一定时，其电阻定律为

式中,R为导体的电阻值;l为导体的长度;S为导体的截面积;ρ为导体的电阻率。

当沿金属丝长度方向施加力时，其几何尺寸和电阻率都会变化，从而导致电阻值的变化，经证明可得

ΔR/R=Kε

式中,K为应变灵敏度系数。

●电阻应变片的类型与结构

类型：

金属电阻应变片有丝式、箔式、薄膜式。

结构：

敏感栅粘贴在基底上，上面覆盖保护层，敏感栅上连接引线。

●电阻应变式传感器工作原理

应变电阻传感器的工作原理是基于电阻应变效应原理。

用金属电阻丝制作成电阻应变片，将其粘贴在弹性体上。

测量时，当弹性体受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化。

三、电阻应变传感器的应用

1、将应变片粘贴于被测试件上，直接用来测定试件的应力或应变。

　　a）齿轮轮齿弯矩b）飞机机身应力c）立柱应力d）桥梁应力

2、将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器，常用来测量力、位移、压力、加速度等参数。

3、典型应用――电子称

工作流程说明：

当物体放在秤盘上时，压力施给传感器，该传感器发生形变，从而使阻抗发生变化，同时使用激励电压发生变化，输出一个变化的模拟信号。

该信号经放大电路放大输出到模数转换器。

转换成便于处理的数字信号输出到CPU运算控制。

CPU根据键盘命令以及程序将这种结果输出到显示器。

直至显示这种结果。

四、电阻应变片的粘贴工艺

电阻应变片是粘贴在弹性敏感元件上或被测构件上工作的，传感器的性能很大程度上取决于粘贴质量。

工艺如下：

1.应变片准备

贴片前，将待用的应变片进行外观检查和阻值测量。

2.构件表面处理

对于钢铁等金属构件，首先是清除表面油漆、氧化层和污垢；然后磨平或锉平，并用细砂布磨光。

对非常光滑的构件，则需用细砂布沿45°方向交叉磨出一些纹路，以增强粘结力。

打磨面积约为应变计面积的5倍左右。

3.贴片

贴片工艺随所用粘结剂不同而异，用502胶贴片的过程是，待清洗剂挥发后，先在贴片位置滴一点502胶，用应变计背面将胶水涂匀，然后用镊子拨动应变计，调整位置和角度。

4.导线的焊接与固定

粘结剂初步固化后，即可进行焊线。

导线最好与试件绑扎固定，导线两端根据测点的编号作好标记。

5.贴片质量检查

贴片质量检查包括外观检查、电阻和绝缘电阻测量。

外观检查主要观察贴片方位是否正确，变计有无损伤，粘贴是否牢固和有无气泡等。

测量电阻值可以检查有无断路、回路。

绝缘电阻是最重要的受检指标。

绝缘好坏取决于应变计的基底，粘贴不良或固化不充分的应变计往往绝缘电阻低。

6.应变计及导线的防护

应变计受潮会降低绝缘电阻和粘结强度，严重时会使敏感栅锈蚀；酸，碱及油类浸入甚至会改变基底和粘结剂的物理性能。

为了防止大气中游离水分和雨水、露水的浸入，在特殊环境下防止酸、碱、油等杂质侵入，对已充分干燥、固化，并已焊好导线的应变计，立即涂上防护层。

常用室温防护剂有：

1．凡士林；2．蜂；3．石灰、炮油和松香混合物；4．环氧树脂。

五、电阻应变式传感器的优缺点

1、优点

　　精度高，测量范围广,寿命长,结构简单，尺寸小，重量轻，频响特性好，能在恶劣条件下工作，易于实现小型化、整体化和品种多样化等。

2、缺点

　　对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱，但可采取一定的补偿措施。

六、电阻应变式传感器产品型号说明

例：

汉中优测科技有限公司电阻应变式传感器产品型号

1、型号：

由产品结构、弹性体材料、型号编码组成。

（1）结构代号如下：

Z——柱式结构传感器；S——S型结构传感器；X——悬臂梁结构传感器；Q——桥式结构传感器；L——轮辐式结构传感器；P——平行梁结构传感器；B——波纹管式传感器；Y——液压式传感器；N——扭力式传感器。

（2）弹性体材料代号如下：

H——代表合金钢弹性体；B——代表不锈钢弹性体；L——代表铝合金弹性体；T——代表钛合金弹性体。

（3）型号编码由1～99范围内的阿拉伯数字表示，是为了区分同结构，同弹性体材料但不同外形的产品。

2、精度说明

C1：

综合误差≤0.050%.FS；C2：

综合误差≤0.030%.FS；C3：

综合误差≤0.020%.FS；

G：

工业精度等级，根据用户特殊需求，满足工业控制领域要求；G1：

综合误差≤0.1%.FS；G2：

综合误差≤0.2%.FS；依次类推。

3、量程

①量程的有效数字位数不应超过三位。

②公制量程小于1000kg的，以kg为单位，不保留小数点位；1t到10t以下的，以吨为单位并在小数点后保留一位小数；大于或等于10t的，以吨为单位，不保留小数点位。

例：

5kg、10kg、75kg、500kg、1.0t、2.5t、50t、100t。

③英制量程lb省略不写，小于1000lb的，以lb为单位，不保留小数点位；1klb到10klb以下的，以klb为单位并在小数点后保留一位小数；大于或等于10klb的，以实际千磅数表示。

例：

50、750、2.0Klb、50Klb、100Klb。

（英制重量单位，一般lb是表示:

力的单位---磅，也有时表示压力、质量，通用。

为了区别起见，lbm--专门表示是质量--磅）

④测力传感器以N或KN为单位，小于1000N的以N为单位，1kN到10kN以下的，以kN为单位并在小数点后保留一位小数，大于或等于10kN的，以kN为单位，不保留小数点位。

⑤压力传感器量程小于10MPa的，以MPa为单位并小数点后保留一位小数；等于或大于10MPa的以MPa为单位，不保留小数点位，例：

3.0MPa、60MPa。

⑥个别产品量程中存在一种量程有两种不同的外形尺寸时，第一种量程直接标量程，第二种量程在量程后加D。

例：

3000KN、3000KND。

4、应用举例

①YH1-G10-60MPa：

Y表示该传感器为压力传感器，H表示该传感器弹性体为合金钢材料，G10表示该传感器精度等级为G10，综合误差为1%.FS，60MP表示该传感器量程为60MP。

②ZH1-G10-3000KN：

Z表示该传感器为柱式传感器，H表示该传感器弹性体为合金钢材料，G10表示该传感器精度等级为G10，综合误差为1.0%.FS，3000KN表示该传感器量程为3000KN。

七、应变片参数

（1）标准电阻值（R0）

（2）绝缘电阻（RG）

（3）灵敏度系数（K）

（4）应变极限（ξmax）

（5）允许电流（Ie）允许电流是指应变片允许通过的最大电流。

（6）机械滞后

八、电阻应变式传感器选用原则

一般电阻应变式传感器的选用从结构、环境适应性、数量、量程、灵敏度、精度等级等方面考虑。

1、结构选择

结构的选择一般和传感器的安装方式及载荷大小有关，用户可根据实际情况选择，这一点很好把握。

但要注意以下几点：

① 当额定载荷小于10t时尽量不要选用柱式结构，若按照传统设计，则传感器应变梁部位容易失稳，使传感器读数不稳定。

根据笔者的经验及研究发现在结构设计上有所突破的话可以将柱式传感器做到最小300kg量程。

但一般传感器厂家并不具备小量程柱式传感器的设计能力，这样导致的结果要么厂家做不出来，浪费采购周期；要么价格很高，增加成本。

② 平行梁结构传感器及S行传感器在大载荷情况下安装空间大，过载保护装置要求高，因此不推荐在大载荷状态下选用。

③ 当柱式传感器单只用于工业控制时，垂直方向安装空间不够时，可考虑选择轮辐式传感器来代替。

2、环境适应性选择

① 一般对于室内干净、干燥环境下工作的传感器，选择密封胶密封的传感器。

对于长时间在潮湿、高粉尘的环境下应选择焊接密封的传感器。

② 在潮湿、酸性等腐蚀性较高的场所选用不锈钢传感器，一般情况下选用合金钢传感器。

③ 在有电磁场的环境下，应注意传感器桥路和电缆线的屏蔽性能，否则易受到电磁波干扰，造成数据显示不稳定。

若屏蔽性能较差，传感器桥路部分和电缆线部分可用铝塑带包裹或套一层镀银铜丝编制网。

④在易燃易爆的环境下，应选用防爆传感器。

⑤在80℃以上或-20℃以下等超低超高温环境下应分别选用低温传感器和高温传感器。

若系统对传感器精度要求较高的情况下，要特别注意选用的传感器不但要保证在高低温下不损坏能正常工作，还要注意传感器有良好的高温温漂性能和低温温漂性能。

3、数量的选择

传感器是单独使用还是多只串、并联使用主要看安装过程中需要的支点数来确定。

多只使用时一般要接接线盒，并对电压进行调平，对四角误差进行修正。

4、量程的选择

一般的用户在选用传感器的量程时只考虑测力系统的额定载荷，这样做是不对的。

根据以前客户反馈的情况，部分故障就是由于选用传感器量程时未充分考虑因素不全面造成的。

在确定传感器的量程时应综合考虑到额定载荷、测力系统自身重量、冲击力以及偏载等因素。

一般可根据下面的公式计算，然后根据计算的结果，选用靠近计算结果的量程。

C——传感器量程；

——保险系数，一般根据实际情况在1.2～1.3之间选取；

——冲击系数，无震动或冲击的情况下选1.1～1.2，偶尔有震动或冲击的情况下选1.2～1.5，有频繁性的震动或冲击的情况下根据冲击力大小和频繁程度在1.5～2.0范围内选取；

——偏载系数，

，θ为偏载力和传感器轴心形成的最大夹角；

——传感器最大载荷；

——传感器受到的测力系统自身重量。

（5）传感器灵敏度的选择

     一般传感器的量程在1mV/V～3mV/V之间分布着。

不少衡器行业的人士认为传感器的灵敏度越大越好。

其实不然。

我们在选用传感器的灵敏度的时候，应根据实际情况选取。

灵敏度太低或太高都不好。

一般灵敏度的选择要考虑以下问题：

① 传感器可能存在过载或冲击的情况下可以选择灵敏度相对较低的传感器；

②多只传感器串、并联使用的时候应选用灵敏度分布范围小的传感器，最好分布在±0.02 mV/V范围内，否则会带来额外的系统误差。

若用于工业控制，一般都是单只使用，可以选用灵敏度范围分布广一点的传感器，不影响传感器的使用；

③传感器与配套仪表匹配，按照以下公式计算判断：

（S×E×

）/（d×N×C）≥仪表输入灵敏度

S——传感器灵敏度；E——传感器输入端激励电压；

——传感器最大载荷；

d——仪表的分度数；N——传感器个数；C——传感器量程。

（6）精度等级的选择

精度等级需要从传感器的非线性、滞后、蠕变、重复性、零点温漂、回零、时漂等指标综合考虑。

一般选用的传感器精度时不光要考虑到系统的精度，还应考虑到传感器的采购成本，所以选用的传感器精度等级只要稍高于测力系统或仪表即可。

小结：

1、应变的概念。

2、应变式传感器的工作原理。

3、电阻应变片的粘贴工艺。

思考题：

1、传感器中，弹性敏感元件的作用是什么？

2、应变电阻传感器的优缺点是什么？

3、电阻应变式传感器选用原则。

作业：

阅读课本。

课时授课计划

15大专农机定向

15大专汽车维修

班级:

科目:

传感器与检测技术任课教师:

杨慧清

章节内容

任务2压阻式传感器

教学方式

课堂教学

教学时数

2学时

教学目的与要求

1、了解压阻式传感器的工作原理。

2、熟悉电桥电路的输入输出关系计算。

教学重点

与难点

重点：

压阻式传感器的工作原理。

难点：

电桥电路的输入输出关系计算。

教学内容

新课导入:

在称重和测力领域中高精度的传感器仍以应变式应用最普遍。

电子秤是一种精密电子仪器，易于操作、精度高、实用性强，它的主要部件就是应变片与弹性敏感元件。

要将电阻的变化转变成电压输出离不开电桥电路。

一、复习与提问

1、复习：

导体或半导体在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值亦将随之发生变化，这种现象称为应变效应。

2、提问：

电阻应变式传感器由哪些部分组成？

二、半导体的压阻效应

●固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种效应称为压阻效应。

半导体材料的压阻效应特别强。

●压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。

频率响应高，体积小。

它主要用于测量压力、加速度和载荷等参数。

●因为半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。

1、压阻效应

πl为半导体材料的压阻系数，它与半导体材料种类及应力方向

与晶轴方向之间的夹角有关；

E为半导体材料的弹性模量，与晶向有关。

对半导体材料而言，πlE>>（1+μ），故（1+μ）项可以忽略

半导体单晶的应变灵敏系数可表示

半导体材料的电阻值变化，主要是由电阻率变化引起的，而电阻率ρ的变化是由应变引起的。

半导体的应变灵敏系数还与掺杂浓度有关，它随杂质的增加而减小

2、结构型式及特点

主要优点是灵敏系数比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍，横向效应和机械滞后极小，温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多。

三、电桥测量电路

电阻式传感器可以用直流电桥或交流电桥作为转换电路。

在电工测量中，用电桥测量电阻、电容和电感，是在电桥平衡时读出被测参数的，称为平衡电桥。

用作传感器信号转换电桥，初始状态是平衡的，输出电压等于零；当桥臂参数变化时才输出电压，称为不平衡电桥。

（1）电阻电桥的输出电压

电桥的平衡条件：

R1R2=R3R4

当电桥不平衡时，输出电压为

Uo=Ui（ΔR1/R1-ΔR2/R2+ΔR3/R3-ΔR4/R4）/4

若四个桥臂电阻都是电阻应变片,可得:

Uo=Uik（ε1-ε2+ε3-ε4）/4

（2）应变电桥的工作方试

半桥单臂工作方式:

Uo=Uikε1/4

半桥双臂工作方式:

Uo=Uik（ε1-ε2）/4

全桥差动电桥:

Uo=Uikε1

①ΔRi<

②若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。

③若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。

④电桥供电电压U越高，输出电压U0越大。

但是，当U大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。

⑤增大电阻应变片的灵敏系数K，可提高电桥的输出电压。

（3）零点补偿，要求电桥的4个桥臂电阻值相同是不可能的，这样就使电桥不能满足初始平衡条件（即U0≠0）。

为了解决这一问题，可以在一对桥臂电阻乘积较小的任一桥臂中串联一个可调电阻进行调节补偿。

四、惠斯通电桥

用欧姆表测量电阻虽然方便，但不够精确，而用伏安法测电阻，电表所引起的误差又难以消除，精确地测量电阻，常用惠斯通电桥。

图为惠斯通电桥的电路图，当B、D两点的电势相等时，通过检流计的电流强度Ig=0，此时就称电桥平衡（可通过调节滑动触头D的位置来实现）。

根据串联电路中电阻与电压成正比的原理，可知此时应有R1:

R2=Rx:

R0

一般来讲，R1和R2由同一均匀电阻丝组成，其阻值与长度成正比，待测电阻的计算公式为

测出电阻丝长度L1和L2之比，再由标准电阻R0的阻值即可确定待测电阻Rx的阻值。

●由来

惠斯通电桥不是惠斯通发明的

在测量电阻及其它电学实验时，经常会用到一种叫惠斯通电桥的电路，很多人认为这种电桥是惠斯通发明的，其实，这是一个误会，这种电桥是由英国发明家克里斯蒂在1833年发明的，但是由于惠斯通第一个用它来测量电阻，所以人们习惯上就把这种电桥称作了惠斯通电桥。

应用：

应用在称重检测元件上等。

●全臂电桥与惠斯通电桥的区别是什么？

电桥的工作方式不同，单臂工作：

电桥中只有一个臂接入被测量，其它三个臂采用固定电阻；双臂工作：

如果电桥两个臂接入被测量，另两个为固定电阻就称为双臂工作电桥，又称为半桥形式；全桥方式：

如果四个桥臂都接入被测量则称为全桥形式。

惠斯通电桥，两臂接入已知精密电阻，一臂接入滑动变阻器，一臂接入待测电阻，使用时调节滑动变阻器使电桥达到平衡，再利用平衡关系算出未知电阻，这时滑动变阻器的阻值也是已知的，所以惠斯通电桥是单臂电桥。

例1：

如图所示为一直流电桥，供电电源电动势E=3V，R3=R4=100Ω，R1和R2为同型号的电阻应变片，其电阻均为50Ω，灵敏度系数K=2.0。

两只应变片分别粘贴于等强度梁同一截面的正反两面。

设等强度梁在受力后产生的微应变为5000，试求此时电桥输出端电压U0。

例2：

采用阻值为120Ω灵敏度系数K=2.0的金属电阻应变片和阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为4V，并假定负载电阻无穷大。

当应变片上的微应变分别为1000时，试求单臂、双臂和全桥工作时的输出电压。

解：

单臂时

，微应变为1000时应为

/V；

双臂时

，微应变为1000时应为

/V；全桥时

，应变为1000时应为

/V。

问答题：

为什么应变式传感器大多采用交流不平衡电桥为测量电路？

该电桥为什么又都采用半桥和全桥两种形式？

应变式传感器配用交流电桥的主要理由有：

（1）由于传感器输出信号较弱，因此电桥输出信号也非常弱，此信号须经放大后才能进行电测，为消除零点漂移，需采用交流放大器，要求电桥输出交流信号。

（2）为减小外界干扰，传感器与电桥间需用电缆连接，当连接电缆分布电容的影响不能忽略时，也必须采用交流电桥予以克服。

为了既能测量静态参量，又能测量动态参量，一般都采用不平衡交流电桥。

由于差动半桥与差动全桥不仅可以消除非线性误差，而且电压灵敏度也比单一工作应变片电桥高，同时还能起温度补偿作用，因此，应变式传感器多采用这类电桥。

小结：

电阻应变片的电桥测量电路，半桥单臂工作方式:

Uo=Uikε1/4；半桥双臂工作方式:

Uo=Uik（ε1-ε2）/4；全桥差动电桥:

Uo=Uikε1。

思考题：

1、电阻应变式传感器会因温度产生误差，如何进行温度补偿？

2、直流测量电桥和交流测量电桥有什么区别?

作业：

阅读课本。