电阻式传感器原理与应用ppt课件.ppt

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1、第二章电阻式传感器及其应用1.掌握传感器工作原理及性能2.了解传感器结构、种类3.掌握测量电路及其补偿方法4.掌握应变片的布置及接桥方式5.了解传感器的应用电阻式传感器的基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛。按照其工作原理可分为：变阻器(电位器)式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁敏电阻式等电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等各种参数测量。电阻应变式传感器特点：①精度高，测量范围广；②使用寿命

2、长，性能稳定可靠；③结构简单，体积小，重量轻；④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。3.1电阻应变片的工作原理及特性1、工作原理?电阻应变片的基本结构：?电阻应变片的工作原理电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。压阻效应：半导体材料在受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。r为金属丝半径εx为金属丝轴向应变εy为金属丝横向应变轴向应变εx的数值一般很小，常以微应变度量；μ为电阻丝材料的泊松比，一般金属μ=0.3-0.5；对金属材料，电阻率几乎不变：λ为压

3、阻系数，与材质有关；σ为应力值；E为材料的弹性模量；定义：电阻丝的灵敏度系数S0——表示单位应变所引起的电阻相对变化。电阻应变片灵敏度系数S称为“标称灵敏度系数”，由实验测定。分析：应变片的纵向形变与测量的形变方向一致；但圆弧部分产生了一个负的电阻变化→降低了应变片的灵敏度系数;必须采取措施减小横向效应的影响（改进结构等）。2、电阻应变片的种类及材料电阻应变片的种类常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将一根高电阻率金属丝（φ0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘

4、贴。分为丝绕式和短接式两种。丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大；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。箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。箔式应变片优点:①可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅，其栅长最小可做到0.2mm，以适应不同的测量要求；②横向效应小；③散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；④蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；⑤生产效率高，便于实现自动化生产。金属箔的材料常用康铜和镍铬合金等。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。半导体应变片：分为体型

5、和扩散型两种。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。半导体应变片的特性（与金属应变片相比较)：优点：灵敏度高；机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高；易于集成化.缺点：温度稳定性能差；灵敏度分散度大；较大应力作用下，非线性误差大；机械强度低.薄膜应变片：采用真空沉积或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅——厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象

6、，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，具有成膜温度低、可靠性好、系统简单等优点。薄膜应变片是今后的发展趋势3、电阻应变片的性能参数电阻值：应变片原始阻值——标准化，120Ω常用几何参数：敏感栅基长L和宽度b，制造厂常用b×L表示。灵敏系数S：表示应变片变换性能的重要参数。绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。一般大于1010Ω。其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。3.2测量电路及温度补偿电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的测量。1）测量电桥电桥按其

7、电源性质的不同可以分为直流电桥和交流电桥。直流电桥只能测量电阻，而交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。?直流电桥的工作原理实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0,即为等臂电桥.直流电桥的联接方式:电桥的工作特性:1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采用半桥双臂或全桥方式。可以保证电桥的输出U0与ΔR0/R0成正比；可以获得最大的输出，例如全桥接法其灵敏度就为半桥单臂接法的4倍。2）电桥的