第2章电阻式传感器精.ppt
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1、第2章电阻式传感器*中国地质大学(汉)传感器讲义1第1页,本讲稿共46页1、电阻式传感器的定义和分类电阻式传感器的定义和分类 一、定义一、定义 二、分类二、分类2 电位计式传感器电位计式传感器(简单介绍)(简单介绍)2.1、线绕式电位器传感器、线绕式电位器传感器 2.1、非线绕式电位器传感器、非线绕式电位器传感器第2页,本讲稿共46页3、应变、应变电阻式传感器电阻式传感器 3.1应变应变电阻式传感器概论电阻式传感器概论 3.2电阻应变片的结构和工作原理电阻应变片的结构和工作原理3.3电阻应变片测量电路电阻应变片测量电路4、电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用4.1电位计式加速度计电位计式加速度
2、计 4.2应变式电子称应变式电子称4.34.3应变电阻式传感器实物图应变电阻式传感器实物图应变电阻式传感器实物图应变电阻式传感器实物图第3页,本讲稿共46页 1 电阻式传感器的定义和分类电阻式传感器的定义和分类电位计式:电位计式:应变式:应变式:物理量变化物理量变化电阻变化电阻变化传感元件传感元件属于大电阻变化型,属于大电阻变化型,R:0R传传物理量变化物理量变化变形变形(应力、应变)(应力、应变)敏感元件敏感元件属于微电阻变化型,属于微电阻变化型,R:020%R传传传感元件传感元件电阻变化电阻变化 1、定义:电阻式传感器是将非电量(如力、位移、形变、速度和加速度等)的变化量变换成与之成一定关
3、系的电阻值的变化,通过对电阻值的测量达到对上述非电量测量的目的。2、分类第4页,本讲稿共46页2 电位计式传感器电位计式传感器(简单介绍)(简单介绍)2.1、线绕式电位器传感器、线绕式电位器传感器:1、线绕电位器结构和工作原理:线线绕绕电电位位器器式式传传感感器器的的工工作作原原理理,可可由由图图21来来说说明明。若若线线绕绕电电位位器器的的绕绕线线截截面面积积均均匀匀,则则R变变化化均均匀匀(线线性性)。图图21中中的的为为工工作作电电压压,为为负负载载电电阻阻两两端端的的输输出出电电压压,x为为线线绕绕电电位位器器电电刷刷移移动动的的长长度度、L为为其其总总长长度度,对对应应于于电电刷刷移
4、移动动量量x的的电电阻值为阻值为。第5页,本讲稿共46页图2-1绕线式工作原理图 第6页,本讲稿共46页若电位器为空载()时,根据分压原理得:而对应的电阻变化为:(2-1)(2-2)将式(2-2)代入式(2-1)得:(2-3)第7页,本讲稿共46页式式中中:、分分别别为为线线绕绕的的电电阻阻和和带带电电压压灵灵敏敏度度,它它们们分分别别表表明明电电刷刷单单位位位位移移所所能能引引起起的的输输出出电电阻阻和和输输出出电电压压的的变变化化量量。、均均为为常常数数。上上述述分分析析表表明明改改变变测测量电阻值所引起输出电压的的变化为线性变化。量电阻值所引起输出电压的的变化为线性变化。图图21表表示示
5、了了电电位位器器的的工工作作原原理理:电电刷刷相相对对于于电电阻阻阻阻元元件件的的运运动动可可以以是是直直线线运运动动、转转动动和和螺螺旋旋运运动动,因因而而可可以以将将直直线线位位移移或或角角位位移移转转换换为为与与其其成成一一定定函函数数关关系系的的电电阻阻或或电电压压输输出出。它它除除了了用用于于线线位位移移和和角角位位移移测测量量外,还用于测量外,还用于测量压力压力、加速度加速度等物理量。等物理量。第8页,本讲稿共46页优点:电位器式传感器结构简单,价格低廉,性能稳定,对环境条件要求不高,输出信号大,并易实现函数关系的转换。缺点:但由于存在摩擦和分辨率有限,一般精度不够高,动态响应较差
6、,适合于测量变化较缓慢的量。分辨率低、耐磨性差、寿命较短等。因此人们研制了一些性能优良的非线绕式电位器。每课一新传感器介绍 近日,西门子的科研工作者们成功研制出一种全新构造的微型芯片传感器,它可以辨别气体与其味道。第9页,本讲稿共46页 据称,此种微型芯片将被应用与多种领域,例如检测空气中臭氧含量,监测火灾以及气体泄漏。此款芯片拥有体积小,成本低以及超低功耗等诸多优点,可以在100毫瓦至1毫瓦功率下保持运作。相信不久以后,此款芯片将嵌入多种便携设备为我们提供周到保护。第10页,本讲稿共46页碳膜电位器:是在绝缘骨架表面上喷涂一层均匀的电阻液经烘干聚合后而制成电阻膜。金属膜电位器 是在玻璃或胶木
7、基体上,用高温蒸镀或电镀方法,涂覆一层金属膜而制成。用于制作金属膜的合金为锗铑、铂铜、铂铑、铂铑锰等。2.2非线绕式电位器非线绕式电位器1、膜式电位器:膜式电位器通常有两种:一种是碳膜电位器另一种为金属膜电位器。第11页,本讲稿共46页2、导电塑料电位器:这种电位器由塑料粉及导电材料粉(合金、石墨、碳黑等)压制而成、它又被称为实心电位器。其优点是耐磨性较好、寿命较长、电刷允许的接触压力较大(几十至几百克)3、光电电位器:上述几种电位器均是接触式电位器,共同的缺点是耐磨性较差、寿命较短,接触电阻对输出影响较大。光电电位器是一种非接触式电位器,它克服了了上述几种电位器的缺点。其结构如图2-2所示。
8、第12页,本讲稿共46页1、光电导层 2、基体 3、薄膜电阻带 、4、电刷的窄光束 5、导电电极 图2-2 光电式电位器结构原理图 第13页,本讲稿共46页光电式电位器结构原理:其工作原理:其工作原理:在在当当电电刷刷的的窄窄光光束束4照照射射在在此此间间隙隙上上时时,就就相相当当于于把把电电阻阻带带3和和导导电电电电极极5接接通通,在在外外电电源源E的的作作用用下下,负负载载电电阻阻Rb上上便便有有电电压压输输出出;而而在在无无光光束束照照射射时时,因因其其暗暗电电阻阻极极大大可可视视为为电电阻阻带带与与导导电电电电极极之之间间断断路路,这这样样V输出电压随着光束位置移动而变化输出电压随着光
9、束位置移动而变化。光光电电电电位位器器优优缺缺点点:耐耐磨磨性性好好,精精度度、分分辨辨率率高高,寿寿命命、可可靠靠性性好好,阻阻值值范范围围宽宽(5000一一15M欧欧姆姆)等等等等;但但是是其其结结构构较较复复杂杂,工工作作温温度度的的范范围围比比较较窄窄(150),输输出电流小,输出阻抗较高。出电流小,输出阻抗较高。第14页,本讲稿共46页3、应变、应变电阻式传感器电阻式传感器3.1应变应变电阻式传感器概论电阻式传感器概论 应变式电阻传感器是目前用于测量力、力矩、压力、加速度、重量等参数最广泛的传感器之一。它具有悠久的历史,但新型应变片仍在不断出现,它是利用应变效应制造的一种测量微小变化
10、量(机械)的理想传感器。虽然新型传感器不断出现、为检测技术开拓了新的领域。但是,由于电阻应变测试技术具有以下独特优点,可以预见在今后它仍将是一种主要的测试手段。第15页,本讲稿共46页应变电阻式传感器优缺点:(1)结构简单,使用方便,性能稳定、可靠;(2)易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远 距测量和遥测;(3)灵敏度高,测量速度快,适合静态、动态测量;(4)可以测量多种物理量。它已广泛应用于许多领域,诸如航空、机械、电力、化工、建筑 等领域。第16页,本讲稿共46页3.2应变应变电阻式传感器结构原理电阻式传感器结构原理一、应变效应一、应变效应一、应变效应一、应变效应:外力这种因形变而使其
11、阻值发生变化的现象称为应变效应。因为导体和半导体的电阻与电阻率及其几何尺寸因为导体和半导体的电阻与电阻率及其几何尺寸(其其L为长为长度,度,A为截面积为截面积)有关,当导体或半导体在受外力作用时,有关,当导体或半导体在受外力作用时,这三者都会发生变化所以会引起电阻的变化。通过测量这三者都会发生变化所以会引起电阻的变化。通过测量阻值的大小,就可以反映外界作用力的大小。阻值的大小,就可以反映外界作用力的大小。为什么会产生应变效应?第17页,本讲稿共46页二、二、基本结构:基本结构:电电阻阻应应变变片片种种类类繁繁多多、但但其其基基本本结结构构大大体体相相似似,现以金属丝绕式应变片结构为例加以说明。
12、现以金属丝绕式应变片结构为例加以说明。图2-3第18页,本讲稿共46页三、敏感系数及测量原理:所谓应变片的灵敏系数就是单位应变所能引起的电阻的相对变化。下面研究对灵敏系数的影响因素。金属导体的电阻R为:如果对电阻丝长度作用均匀应力、则 、L,A的变化(、)将引起电阻的变化。可通过上式的全微分求得:相对变化量为:(2-1)(2-3)(2-2)第19页,本讲稿共46页若电阻丝是圆形的,则 则有:令 为金属丝的轴向应变,为金属丝径向应变。当金属丝受拉力时沿铀向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为:其中表示金属材料的泊松系数。把 、代入公式(2-3)得到:(2-4)(2-5)第20页
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