第2章 电阻式传感器精选PPT.ppt
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1、第2章 电阻式传感器第1页,此课件共132页哦本章内容本章内容 2.1 2.1 应变式传感器应变式传感器 2.2 2.2 气敏传感器气敏传感器 2.3 2.3 湿敏传感器湿敏传感器 第2页,此课件共132页哦学习目标学习目标 了解应变效应的原理,了解应变片的类型、结构及其测量转换电路,掌握电阻应变式传感器的应用。了解气敏电阻的分类、典型应用。了解湿敏电阻的分类、典型应用。第3页,此课件共132页哦 2.1 应变式传感器 2.1.1 2.1.1 工作原理工作原理 导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相应发生变化,这种现象称为“应变效应”。第4页,此课件共132页哦 当电阻丝受
2、到拉力F作用时,将伸长l,横截面积相应减小A,电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了d,从而引起电阻值相对变化量为图2-1 金属电阻丝应变效应第5页,此课件共132页哦 dl/l为长度相对变化量即应变 轴向应变和径向应变的关系可表示为第6页,此课件共132页哦 式中:电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反。第7页,此课件共132页哦 通常,把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏系数。其表达式为 第8页,此课件共132页哦 灵敏系数K受两个因素影响:应变片受力后材料几何尺寸的变化,1+2;应变片受力后材料的电阻率发生的变化,即(d/)/。对金属材料来说,电阻丝灵敏度系数表达式中1+2
3、的值要比(d/)/大得多,而半导体材料的(d/)/项的值比1+2大得多。第9页,此课件共132页哦 半导体材料,当某一轴向受外力作用时,其电阻率发生变化的现象。d/为半导体应变片的电阻率相对变化量,其值与半导体敏感元件在轴向所受的应变力有关,其关系为第10页,此课件共132页哦 上式中:半导体材料的压阻系数;半导体材料的所受应变力;E半导体材料的弹性模量;半导体材料的应变。半导体应变片的灵敏系数为 第11页,此课件共132页哦 半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍,但半导体材料的温度系数大,应变时非线性比较严重,使它的应用范围受到一定的限制。第12页,此课件共132页哦 用应变片测量应
4、变或应力时,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为R时,便可得到被测对象的应变值,应力值为第13页,此课件共132页哦 由此可知,应力值正比于应变,而试件应变正比于电阻值的变化,所以应力正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。第14页,此课件共132页哦 2.1.2 应变片的种类、材料及粘贴应变片的种类、材料及粘贴 1.1.金属电阻应变片的种类金属电阻应变片的种类 金属电阻应变片组成 敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。图2-2 金属应变片的结构1引线;2覆盖层;3基片;4敏感栅第15页,此
5、课件共132页哦 2.2.金属电阻应变片的材料金属电阻应变片的材料电阻丝材料应有如下要求:(1)灵敏系数大,且在相当大的应变范围内保持常数;(2)值大,即在同样长度、同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值;(3)电阻温度系数小,否则因环境温度变化也会改变其阻值;(4)与铜线的焊接性能好,与其他金属的接触电势小;(5)机械强度高,具有优良的机械加工性能。第16页,此课件共132页哦 3.3.金属电阻应变片的粘贴金属电阻应变片的粘贴 应变片是用粘结剂粘贴到被测件上的。常用的粘结剂类型有硝化纤维素型、氰基丙烯酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型和酚醛树脂型等。第17页,此课件共132页哦 4.4.应变片的温
6、度误差及补偿应变片的温度误差及补偿1)应变片的温度误差(1)电阻温度系数的影响。敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可表示为 当温度变化t时,电阻丝电阻的变化值为 第18页,此课件共132页哦(2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时,不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时,由于环境温度的变化,电阻丝会产生附加变形,从而产生附加电阻变化。第19页,此课件共132页哦 2)2)电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法(1 1)线路补偿法。)线路补偿法。电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。测量
7、应变时,工作应变片R1粘贴在被测试件表面上,补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上,且仅工作应变片承受应变,如图2-4(b)所示。第20页,此课件共132页哦 当被测试件不承受应变时,R1和RB又处于同一环境温度为的温度场中,调整电桥参数使之达到平衡,此时有 Uo=A(R1R4 RBR3)=0第21页,此课件共132页哦 图图2-4 2-4 电桥补偿法电桥补偿法第22页,此课件共132页哦 一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。当温度升高或降低t=t t0时,两个应变片因温度相同而引起的电阻变化量相等,电桥仍处于平衡状态,即 第23页,此课件共132页哦 若此时被测试件有应变
8、的作用,则工作应变片电阻R1有新的增量R1=R1K,而补偿片因不承受应变,故不产生新的增量,此时电桥输出电压为 Uo=AR1R4K第24页,此课件共132页哦(2 2)应变片的自补偿法。)应变片的自补偿法。这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称之为温度自补偿应变片)来补偿的。第25页,此课件共132页哦 2.1.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路1.1.直流电桥直流电桥1)1)直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件电桥电路如图2-5所示,图中E为电源电压,R1、R2、R3及R4为桥臂电阻,RL为负载电阻。第26页,此课件共132页哦图2-5 直流电桥第27页,此课件共132页
9、哦 当电桥平衡时,Uo=0,则 这说明欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积应相等。第28页,此课件共132页哦 2)2)电压灵敏度电压灵敏度 设桥臂比n=R2/R1,由于R1R1,分母中R1/R1可忽略,并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3,则 第29页,此课件共132页哦 电桥电压灵敏度定义为 分析上式可得:(1)电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压,供电电压越高。(2)电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数,恰当地选择桥臂比n的值,保证电桥具有较高的电压灵敏度。第30页,此课件共132页哦 当n=1时,KU为最大值。R1=R2=R3=R4,电桥电压灵敏度最高,此时单臂
10、电桥有:第31页,此课件共132页哦 3)3)非线性误差及其补偿方法非线性误差及其补偿方法与R1/R1的关系是非线性的,非线性误差为 第32页,此课件共132页哦 为了减小和克服非线性误差,常采用差动电轿如下图2-6所示,在试件上安装两个工作应变片,一个受拉应变,一个受压应变,构成半桥电路,如图2-6(a)所示。该电桥输出电压为 第33页,此课件共132页哦(a)(b)图2-6 差动电桥(a)半桥;(b)全桥第34页,此课件共132页哦 若R1=R2,R1=R2,R3=R4,则得半桥输出电压为 (2-40)由式(2-40)可知,Uo与R1/R1成线性关系,差动电路无非线性误差,而且电桥电压灵敏
11、度KU=E/2,是单臂工作时的两倍,同时还具有温度补偿作用。第35页,此课件共132页哦 若将电桥四臂接入4片应变片,如图2-6(b)所示,即两个受拉应变,两个受压应变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上,构成全桥差动电路。若R1=R2=R3=R4,且R1=R2=R3=R4,则全桥输出电压为:(2-41)KU=E (2-42)第36页,此课件共132页哦 此时全桥差动电路不仅没有非线性误差,而且电压灵敏度为单片工作时的4倍,同时仍具有温度补偿作用。第37页,此课件共132页哦 2.2.交流电桥交流电桥 根据直流电桥分析可知,由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于产生零漂,
12、因此应变电桥多采用交流电桥,引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性。第38页,此课件共132页哦 图2-7 交流电桥(a)半桥差动交流电桥;(b)半桥差动交流电桥引线分布电容第39页,此课件共132页哦 第40页,此课件共132页哦 由交流电路分析可得要满足电桥平衡条件,即Uo=0,则 Z1Z4=Z2Z3 对这种交流电容电桥,除要满足电阻平衡条件外,还必须满足电容平衡条件。第41页,此课件共132页哦图2-8 交流电桥平衡调节(a)、(b)电阻平衡调节;(c)、(d)电容平衡调节第42页,此课件共132页哦当被测应力变化引起Z1=Z10+Z,Z2=Z20 Z变化时(且Z10=Z20=Z0)
13、,则电桥输出为 第43页,此课件共132页哦 2.1.4 应变式传感器的应用应变式传感器的应用1.1.柱(筒)式力传感器柱(筒)式力传感器 被测物理量为荷重或力的应变式传感器时,统称为应变式力传感器。其主要用途是作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。第44页,此课件共132页哦 图2-9(a)、(b)所示分别为柱式、筒式力传感器,应变片粘贴在弹性体外壁应力分布均匀的中间部分,对称地粘贴多片,电桥连线时考虑尽量减小载荷偏心和弯矩影响。贴片在圆柱面上的展开位置及其在桥路中的连接如图2-9(c)、(d)所示,R1和R3串接,R2和R4串接,并置于桥路对臂上,
14、以减小弯矩影响,横向贴片R5和R7串接,R6和R8串接,作温度补偿时,接于另两个桥臂上。第45页,此课件共132页哦 图2-9 圆柱(筒)式力传感器(a)柱式;(b)筒式;(c)圆柱面展开图;(d)桥路连接图第46页,此课件共132页哦 2.2.应变式压力传感器应变式压力传感器 应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态和静态压力,如动力管道设备的进出口气体或液体的压力、发动机内部的压力、枪管及炮管内部的压力、内燃机管道的压力等。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。第47页,此课件共132页哦 图2-10 膜片式压力传感器(a)结构图;(b)应力分布图;(c)应变片粘贴图第48页,此
15、课件共132页哦 3.3.应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器 图2-11所示为插入式测量容器内液体重量的传感器示意图。该传感器有一根传压杆,上端安装微压传感器安装了两只。下端安装感压膜,感压膜感受上面液体的压力。第49页,此课件共132页哦 当容器中溶液增多时,感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路,此时输出电压为 (2-52)第50页,此课件共132页哦 式中:K1,K2传感器传输系数。由于hg表征着感压膜上面液体的重量,对于等截面的柱式容器,则 (2-53)第51页,此课件共132页哦 式中:Q容器内感压膜上面溶液的重量;A柱形容器的截
16、面积。将上两式联立,得到容器内感压膜上面溶液重量与电桥输出电压之间的关系式为 第52页,此课件共132页哦(a)结构原理图 (b)桥路连接图图2-11 应变片容器内液体重量传感器1感压膜;2传压杆;3电阻应变敏感元件;4微压传感器第53页,此课件共132页哦 上式表明,电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系,因此用此种方法可以测量容器内储存的溶液重量。第54页,此课件共132页哦 4.4.应变式加速度传感器应变式加速度传感器 应变式加速度传感器主要用于物体加速度的测量。图2-12所示是应变片式加速度传感器的结构示意图,图中1是等强度梁,自由端安装质量块2,另一端固定在壳体3上。
17、等强度梁上粘贴4个电阻应变敏感元件4。为了调节振动系统阻尼系数,在壳体内充满硅油。第55页,此课件共132页哦 图2-12 电阻应变式加速度传感器结构图1质量块;2等强度梁;3电阻应变敏感元件;4壳体第56页,此课件共132页哦 测量时,将传感器壳体与被测对象刚性连接,当被测物体以加速度运动时,质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用,使悬臂梁变形,该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变,从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化产生输出电压,即可得出加速度值的大小。应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击场合,一般适用频率为1060Hz范围。第57页,此课件共132页哦 5.
18、5.半导体力敏应变片在电子皮带秤上的应用半导体力敏应变片在电子皮带秤上的应用 荷重传感器是皮带秤的关键组成部件,采用半导体力敏应变片作为敏感元件,这种传感器灵敏度可达710mV/kg,额定压力为5kg的荷重传感器可输出50mV左右。电子皮带秤工作原理如图2-13所示。第58页,此课件共132页哦 图2-13 电子皮带秤工作原理示意图1料仓;2电磁振动给料机;3秤架;4力敏荷重传感器(包括放大器);5环行皮带;6支点;7减速电机;8物料第59页,此课件共132页哦 当未给料时,整个皮带秤重量通过调节秤架上的平衡锤使之自重基本作用在支点6上,仅留很小一部分压力作为传感器预压力。当电磁振动机开始给料
19、时,通过皮带运动,使物料平铺在皮带上。此时皮带上物料重量一部分通过支点传到基座,另一部分作用于传感器上。第60页,此课件共132页哦 设每米物料重量为P,则传感器受力为F,F=CP(C为系数,取决于传感器距支点的距离)。当传感器受力后,传感器中的弹性元件将产生变形,因此,粘贴于弹性元件上的力敏应变电桥就有电压信号U 输出,其值为第61页,此课件共132页哦 式中:U应变电桥的电源电压;R/R应变片的相对变化。当U 和R 恒定时,U与受力成正比。因此U与P成正比。在皮带速度V不变时,单位时间内皮带上物料流量为Q=PV,即Q与P 成正比。所以测量U的大小就间接地测量Q 的大小。第62页,此课件共1
20、32页哦2.2 气敏传感器 2.2.1 分类、分类、原理原理 用来检测气体类别、浓度和成分。主要用于工主要用于工业上的天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、业上的天然气、煤气、石油化工等部门的易燃、易爆、有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。有毒等有害气体的监测、预报和自动控制。按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两大类。半导体气敏传感器是利用待测气体与半导体表面接触时,产生的电导率等物理性质变化来检测气体的。第63页,此课件共132页哦 1.半导体气敏传感器半导体气敏传感器 按其制造工艺来分有烧结型、薄膜型和厚膜型3类。烧结型气敏器件以SnO2半导体材料为基体,将铂电极和加热丝埋入
21、SnO2材料中,用加热、加压、温度为700900的制陶工艺烧结成形。因此,被称为半导体陶瓷。第64页,此课件共132页哦 (a)(b)图2-14 直热式气敏器件结构及符号(a)结构;(b)符号1SnO2烧结体;2Ir-Pd合金丝(加热器兼电极)第65页,此课件共132页哦 (a)(b)图2-15 旁热式气敏器件结构及符号(a)结构;(b)符号1加热器;2电极;3SnO2烧结体;4瓷绝缘管第66页,此课件共132页哦 薄膜型器件 它采用蒸发或溅射工艺,在石英基片上形成氧化物半导体薄膜(其厚度约在100nm以下)制作方法也很简单。厚膜型器件 这种器件是将氧化物半导体材料与硅凝胶混合制成能印刷的厚膜
22、胶,再把厚膜胶印刷到装有电极的绝缘基片上,经烧结制成的,适合大批量生产。第67页,此课件共132页哦 图2-16 薄膜型气敏器件的结构图 2-17 厚膜型气敏器件的结构 1氧化物半导体;2电极;1电极;2氧化物半导体;3引线;4基片;5加热器 3基片;4加热器(印刷厚膜电阻)第68页,此课件共132页哦 这些器件全部附有加热器,它的作用是将附着在敏感元件表面上的尘埃、油雾等烧掉,加速气体的吸附。加热器的温度一般控制在200400左右。第69页,此课件共132页哦 2接触燃烧式气体传感器接触燃烧式气体传感器1)接触燃烧式气体传感器检测原理 当可燃性气体如H2、CO、CH4等与空气中的氧接触,发生
23、氧化反应,产生无焰接触燃烧热,使得传感器中的铂丝温度升高,电阻值相应增大。因此,只要测定作为敏感件的铂丝的电阻变化值(R),就可检测空气中可燃性气体的浓度。但是,使用单纯的铂丝线圈作为检测元件,其寿命较短,所以,实际应用的检测元件,都是在铂丝圈外面涂覆一层氧化物触媒。这样既可以延长其使用寿命,又可以提高检测元件的响应特性。第70页,此课件共132页哦 2)接触燃烧式气敏元件的结构图2-18为接触燃烧式气敏元件结构示意图,用高纯的铂丝,绕制成线圈,为了使线圈具有适当的阻值(12),一般应绕10圈以上。在线圈外面涂以氧化铝或氧化铝和氧化硅组成的膏状涂覆层,干燥后在一定温度下烧结成球状多孔体。将烧结
24、后的小球,放在贵金属铂、钯等的盐溶液中,充分浸渍后取出烘干。然后经过高温热处理,使在氧化铝(氧化铝一氧化硅)载体上形成贵金属触媒层,最后组装成气体敏感元件。除此之外,也可以将贵金属触媒粉体与氧化铝、氧化硅等载体充分混合后配成膏状,涂覆在铂丝绕成的线圈上,直接烧成后备用。第71页,此课件共132页哦(a)(b)图2-18 接触燃烧式气敏元件结构示意图(a)元件的内部示意图;(b)敏感元件外形图1触媒;2氧化铝载体;3铂丝;4元件第72页,此课件共132页哦3)氧化锆氧气传感器在二氧化锆中添加氧化钙、三氧化二钇等添加物后,其离子电导都将发生改变。尤其是在氧化钙添加量为15%mol左右时,离子电导出
25、现极大值。但是,由于二氧化锆一氧化钙固溶体的离子活性较低,要在高温下,气敏元件才有足够的灵敏度。第73页,此课件共132页哦 2.2.2 气敏传感器的主要要求气敏传感器的主要要求 选配气敏传感器时主要考虑气敏传感器的主要性能:对被测气体具有较高的灵敏度。对被测气体以外的共存气体或物质不敏感。性能稳定,重复性好。动态特性好,对检测信号响应迅速。使用寿命长。制造成本低,使用与维护方便等。第74页,此课件共132页哦 2.2.3 气敏传感器应用气敏传感器应用 1矿井瓦斯超限报警器矿井瓦斯超限报警器 1)电路组成及作用 QM-N5为旁热式气敏传感器,它和R1、RP组成瓦斯气体检测电路;晶体管VS作为无
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