传感器与检测技术林锦实第2章节能量控制型传感器

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1、第2章　能量控制型传感器第2章　能量控制型传感器2.1　电阻应变式传感器2.2　电容式传感器2.3　电感式传感器2.1　电阻应变式传感器2.1.1　电阻应变效应导体或半导体在外界力的作用下产生机械形变，其电阻值也随着发生变化，这种现象称为电阻应变效应。下面我们以金属丝应变片为例分析这种效应。2.1.2　应变片结构类型与粘贴1.应变片的结构类型　常用的应变片有金属应变片和半导体应变片两类，金属应变片分为金属丝式、箔式和薄膜式三种；半导体应变片分为体型、扩散型、薄膜型和PN结元件等类型，如图2-1所示。2.1　电阻应变式传感器金属丝式应

2、变片由敏感栅、基底和覆盖层、黏结剂、引线组成，如图2⁃2所示。其中敏感栅是应变片最重要的部分，一般栅丝直径为0．015~0．05mm。敏感栅的纵向轴线称为应变片轴线，根据不同用途，栅长可为0．2~200mm。基底和覆盖层用以保持敏感栅及引线的几何形状和相对位置，并将被测件上的应变迅速准确地传递到敏感栅上。因此基底做得很薄，一般为0．02~0．4mm。覆盖层起保护敏感栅作用。基底和覆盖层用专门的薄纸制成的称为纸基，用各种黏结剂和有机树脂膜制成的称为胶基，现多采用后者。2.1　电阻应变式传感器图2-1　各种应变片结构图a)金属丝式应变片

3、　b)金属箔式应变片c)体型半导体应变片1—基片　2—Si片　3—引线2.1　电阻应变式传感器图2-2　金属丝式应变片结构示意图1—引线　2—覆盖层3—基片　4—敏感栅2.1　电阻应变式传感器2.应变片的粘贴　应变片是粘贴在弹性敏感元件或被测元件上的，传感器的性能在很大程度上取决于粘贴质量，所以黏合剂的选择要考虑基片的材料、工作环境、潮湿程度、稳定性、是否加温加压以及粘贴时间等因素。(1)试件的表面处理　为了保证良好的黏合度，粘贴表面应保持平整、光滑，无杂质、油污及表面氧化层等。2.1　电阻应变式传感器(2)确定贴片位置　在应变片上

4、标出敏感栅的纵向、横向中心线，在试件被测点处画出中心线，粘贴时使两者重合。(3)粘贴　先在处理后的试件表面和应变片的基底各涂一层薄而均匀的胶水，然后将应变片贴在被测点上，并在应变片上覆盖一层聚乙烯塑料薄膜并加压，将多余的胶水和气泡排出，加压时要注意防止应变片错位。(4)固化　根据所使用的黏合剂的固化工艺要求进行固化处理和时效处理。(5)粘贴质量检查　检查粘贴位置是否合格，黏合层是否有气泡和漏贴，敏感栅是否有短路或断路现象以及敏感栅的绝缘性能等。(6)引线的焊接与防护　检查合格后即可焊接引线。2.1.3　电阻应变式压力传感器的组成2.

5、1　电阻应变式传感器应变片正常工作时需依附于弹性元件，可以通过两种形式实现应变片的粘贴。一种是将应变片直接粘贴于压力⁃位移型弹性元件（只有平膜片容易实现）的应变处，在弹性元件实现压力⁃位移变换的同时，也实现了应变⁃电阻值的变换。另一种是粘贴在力⁃应变型弹性元件表面，通过压力⁃位移型弹性元件实现压力⁃力的变换，再通过粘贴有电阻应变片的力⁃应变型弹性元件实现力⁃应变⁃电阻值的转换。最后，把应变片接入测量电桥的桥臂，通过测量电路把电阻值转换成电压或电流信号，送至显示仪表。电阻应变式压力传感器结构原理框图如图2⁃3所示。2.1　电阻应变式传

6、感器图2-3　电阻应变式压力传感器结构原理框图1.力-应变型弹性元件　常用的力-应变型弹性元件有柱形弹性元件、悬臂梁和薄壁环等。2.1　电阻应变式传感器图2-4　圆柱式测力传感器a)圆柱外形　b)圆柱面展开图2.1　电阻应变式传感器(1)柱形弹性元件　此类弹性元件由于应变很小，测力量程较大，尤其是实心圆柱在径向尺寸较大时，测力上限可达数千万牛顿，常作为荷重式压力传感器的敏感元件。例2-1　将阻值为120Ω、灵敏度为K=2的电阻应变片，分别沿轴向、径向贴在外直径为10cm、内直径为5cm的圆环形钢柱表面，钢材的弹性模量E=2×1011

7、N/m2，在钢柱受到F=7.5×103N拉力后，两应变片的电阻分别变化了多少？解：钢柱的横截面积(2)梁式弹性元件　梁有多种形式，如图2-5所示。2.1　电阻应变式传感器图2-5　梁式测力传感器a)等截面悬臂梁　b)等强度悬臂梁　c)双孔梁　d)“S”形弹性梁2.1　电阻应变式传感器(3)薄壁环　如图2-6所示，弹性元件为等截面圆环。图2-6　薄壁环式测力传感器2.1　电阻应变式传感器2.测量电路　电阻应变式传感器是把机械应变量转换成电阻变化量，由于应变量及电阻变化量一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。在电阻应变式传感

8、器中最常用的测量电路是桥式电路。按电源性质不同，可分为直流电桥和交流电桥。按电桥桥臂电阻的工作方式不同，可分为惠斯顿电桥、半桥和全桥。图2-7　桥式测量电路a)直流电桥　b)桥路的调零电路2.1　电阻应变式传感器(1)惠斯顿电桥(2)