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时间:2020-06-09
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1、第2章电阻式传感器基本原理将被测量的变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。2.1电位器式传感器电位器是一种常用的机电元件。作为传感器,可以把线位移或角位移转换为与之成一定函数关系的电阻或电压。优点:结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。缺点:要求输入能量大,电刷与电阻元件之间容易磨损。按结构:线绕式、薄膜式、光电式等;按特性:线性电位器、非线性电位器。常用的以单圈线绕电位器居多。2.1.1线性电位器线性电位器的空载特性图2-1电位器式位移传感器原理图图2-2电位器
2、式角度传感器图2-3线性线绕电位器示意图电阻灵敏度电压灵敏度阶梯特性、阶梯误差和分辨率图2-4局部剖面和阶梯特性图图2-5理想阶梯特性曲线2.1.2非线性电位器(函数电位器)空载时电位器的输出电压(或电阻)与电刷行程之间具有非线性函数关系。[指数函数、对数函数、三角函数等]常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式、电位给定式四种。图2-6变骨架电位器骨架高度h呈曲线变化:2.1.3负载特性与负载误差图2-7带负载的电位器电路电位器输出电压:图2-8电位器的负载特性曲线族负载误差:图2-9电位器负载误差曲线δL011
3、02030405060m=5m=2m=1m=0.5m=0.1m=0r图2-10非线性电位器的空载特性与线性电位器的负载特性的镜像关系m=0时为空载2.1.4电位器的结构与材料电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成。图2-12压力传感器原理图图2-13膜盒电位器式压力传感器原理图图2-14电位器式位移传感器示意图图2-15测小位移传感器示意图图2-16电位器式加速度传感器示意图2.2.1电阻应变片的工作原理电阻应变效应:金属导体在外力作用下发生机械变形时,其电阻值随机械变形而发生
4、变化的现象。2.2应变片式传感器设金属丝长度为l,截面积为S,电阻率为,则其阻值为:金属丝变形时,、l、S将同时发生变化,从而导致R改变。若、l、S的变化量为d、dl、dS,则图2-17金属丝伸长后几何尺寸变化即:对半径为r的金属电阻丝有:,:电阻丝轴向相对变形,称轴向应变(纵向应变)。:电阻丝径向相对变形,称径向应变(横向应变)。横向应变与纵向应变间的关系为μ为泊松比E为电阻丝材料的弹性模量;为压阻系数,与材质有关。受力后电阻丝几何尺寸变化所引起,对于同一材料(1+2μ)为常数。受力后电阻率的改变引起,对金属材料,
5、E很小。在电阻丝拉伸比例范围内,电阻相对变化与其所受的轴向应变成正比。:电阻率相对变化,与电阻丝轴向所受正应力有关。电阻应变片的应变系数或灵敏度k0定义为:对金属电阻丝,k0=1.7~3.6。1.应变片的基本结构典型结构:将一根高电阻率金属丝绕成栅形,粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间,由引出导线接于电路中。L栅长B栅宽3mm×20mm,120Ω2.2.2金属电阻应变片结构及材料2.电阻应变片的分类按敏感栅的结构分为丝式、箔式和膜式。1)丝式应变片金属丝式应变片有回线式和短接式两种。回线式短接式回线式应变片因圆弧部分参与变形,横向
6、效应较大。短接式应变片敏感栅平行排列,两端用直径比栅线直径大5~10倍的镀银丝短接而成,其优点是克服了横向效应。丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。常用材料:康铜、镍铬、卡玛合金等,直径0.025mm左右。安全电流:10~50mA,电阻:50~1000(典型120)。2)箔式应变片箔式应变片由厚度为3~10m的康铜箔或镍铬箔经光刻、腐蚀工艺制成敏感栅。大批量生产,可制成多种复杂形状。散热好,允许电流大。横向效应、蠕变和机械滞后小,疲劳寿命长。柔性好(可贴于形状复杂的表面),传递试件应变性能好。3)膜式应变片采用真
7、空蒸发或真空沉积等方法,在薄的绝缘基片上形成厚度小于0.1m的金属电阻薄膜敏感栅。应变灵敏度大。允许电流密度大。工作范围广,可达-197~317℃。按基底材料分为纸基和胶基。按被测应力场分为测量单向应力的应变片和测量平面应力的应变花。图2-20各式箔式应变花3.压阻式传感器(半导体应变片)压阻效应:半导体材料受到应力作用时,其电阻率发生变化的现象。半导体在外力作用下的电阻变化量为:对半导体而言,电阻率变化引起的电阻变化E远远大于形变引起的电阻变化(1+2μ)。实际上,任何材料都不同程度地呈现压阻效应,但半导体材料的压阻效应
8、特别强。E为电阻丝材料的弹性模量;为压阻系数。灵敏度:半导体电阻材料的灵敏度比金属丝(k0=1.7~3.6)要高数十倍。例:对于半导体硅,=(40~80)×10-11m2/N,E=1.67×1011Pa,则k0=E=50~100。ERRk0/de»=2.
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