1、2020/6/22,1,上節(jié)回顧: 1.檢測技術(shù)的基本概念及方法 2.傳感器的發(fā)展 3.傳感器的分類和基本特性,2020/6/22,2,本節(jié)主要內(nèi)容:,2020/6/22,3,第一節(jié) 電阻應(yīng)變式傳感器,2020/6/22,4,一、工作原理應(yīng)變片的工作原理,金屬絲受拉時(shí)，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大 。,2020/6/22,5,二、應(yīng)變片的工作原理,設(shè)有一長度為l 、截面積為A、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R可表示為 當(dāng)沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)，上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時(shí)，l將變長、r變小，均導(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉

2、時(shí)，將變大，導(dǎo)致R變大。 實(shí)驗(yàn)證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量R R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即,K電阻應(yīng)變片的靈敏度,2020/6/22,6,二、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu),應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。目前箔式應(yīng)變片應(yīng)用較多。金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但其價(jià)格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗(yàn)。 箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，

3、散熱條件較好，在長時(shí)間測量時(shí)的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對金屬箔式應(yīng)變片進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚?，使其線脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器中。,2020/6/22,7,箔式應(yīng)變片的外形,2020/6/22,8,半導(dǎo)體應(yīng)變片及金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體應(yīng)變片外形,金屬絲式應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),2020/6/22,9,應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例,上表中，哪幾個(gè)型號是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？,2020/6/22,10,應(yīng)變片的粘貼： 1. 去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉

4、打磨出細(xì)紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。,2020/6/22,11,2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡 。,2020/6/22,12,3.測量 ：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。,2020/6/22,13,4.焊接： 將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。,2020/6/22,14,5.固定： 焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。,2020/6/22,15,三、測量轉(zhuǎn)換電路不平

5、衡電橋,金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。 例如，有一金屬箔式應(yīng)變片，標(biāo)稱阻值R0為100，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R 的變化量僅為0.2，所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量。下面分析該橋式測量轉(zhuǎn)換電路是如何將R /R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo的。,2020/6/22,16,三、測量轉(zhuǎn)換電路不平衡電橋,2020/6/22,17,電橋平衡的條件 ：R1/R2=R4/R3,調(diào)節(jié)RP，最終可以使R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1

6、、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。,2020/6/22,18,單臂電橋,全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。,2020/6/22,19,雙臂電橋,R1、 R2為應(yīng)變片， R3、R4為固定電阻 。應(yīng)變片R1 、R2 感受到的應(yīng)變12以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。,2020/6/22,20,四臂全橋,全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1 R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變14）正負(fù)號相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。上述三種工作方

7、式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。,2020/6/22,21,全橋的溫度補(bǔ)償原理,當(dāng)環(huán)境溫度升高時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較小；半橋也同樣能克服溫漂。,2020/6/22,22,2020/6/22,23,應(yīng)變片用于測量力F的計(jì)算公式,由材料力學(xué)可知，x=F /（AE），所以R /R又可表示為 如果應(yīng)變片的靈敏度K 和試件的橫截面積A以及彈性模量均為已知，則只要設(shè)法測出R /R的數(shù)值，即可獲知試件受力的大小，例如可用于電子秤的稱重。,=F/A=E = l/

8、l r = r/r=-u R/R=K ,2020/6/22,24,四、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用,應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應(yīng)變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。,2020/6/22,25,應(yīng)變式力傳感器,應(yīng)變式力傳感器,F,F,F,F,2020/6/22,26,各種懸臂梁,F,F,固

9、定點(diǎn),固定點(diǎn),電纜,應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置,F,應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）,F,F,荷重傳感器原理演示,荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。,汽車衡稱重系統(tǒng),電子天平,電子天平的精度可達(dá)十萬分之一,人體秤,應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手,可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動斷電等功能。,2020/6/22,34,第二節(jié) 壓阻式固態(tài)壓力傳感器 利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路擴(kuò)散工藝制作的，四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一

10、致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動態(tài)響應(yīng)快。,2020/6/22,35,壓阻式固態(tài) 壓力傳感器 內(nèi)部結(jié)構(gòu),信號處理電路,2020/6/22,36,小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器,高壓進(jìn)氣口,低壓進(jìn)氣口,絕對壓力傳感器,2020/6/22,37,投入式液位計(jì),壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計(jì)：p1的進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。,2020/6/22,38,投入式液位傳感器 投入式液位傳感器安裝方便，適應(yīng)于深度為 幾米 至 幾十米，且混有 大 量 污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測量。,2020/6/22,39,電阻應(yīng)變儀,下圖所示的靜態(tài)應(yīng)變儀測量范圍：

11、19999； 分辨率： 1；電橋電壓：直流2.5V； 應(yīng)變片：120或其他阻值； 測量點(diǎn)數(shù)：8/16點(diǎn)；,2020/6/22,40,與計(jì)算機(jī)接口的多路電阻應(yīng)變測量模塊,2020/6/22,41,材料應(yīng)變的測量,斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試,2020/6/22,42,第三節(jié) 測溫?zé)犭娮鑲鞲衅?一、金屬熱電阻,溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。,2020/6/22,43,取一只 100W/220V 燈泡，用萬用表測量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計(jì)

12、算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484 。,2020/6/22,44,易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻,2020/6/22,45,表2-2 熱電阻的主要技術(shù)性能,2020/6/22,46,薄膜型及普通型鉑熱電阻,2020/6/22,47,小型鉑熱電阻,2020/6/22,48,防爆型鉑熱電阻,2020/6/22,49,汽車用水溫傳感器及水溫表,銅熱電阻,2020/6/22,50,學(xué)習(xí)查“鉑熱電阻分度表”,附錄 鉑熱電阻分度表,2020/6/22,51,2020/6/22,52,鉑電阻溫度顯示、變送器,2020/6/22,53,可設(shè)定溫度的溫度控制箱,旋轉(zhuǎn)式機(jī)械 設(shè)定開關(guān),撥碼式 設(shè)定開關(guān)

13、,2020/6/22,54,2020/6/22,55,熱敏電阻,熱敏電阻有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（PTC）之分。 NTC又可分為兩大類： 第一類用于測量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系； 第二類為突變型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻值突然下降 。,2020/6/22,56,熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號,a）圓片型熱敏電阻 b）柱型熱敏電阻 c）珠型熱敏電阻 d）鎧裝型 e）厚膜型 f）圖形符號 1熱敏電阻 2玻璃外殼 3引出線 4紫銅外殼 5傳熱安裝孔,2020/6/22,57,下圖所示的五根曲線分別為哪一種熱敏電阻？,1 2 3 4 5,2020/6/22,58,熱敏電阻外形,MF12型 NTC熱敏電阻,聚脂塑料封裝熱敏電阻,2020/6/22,59,其他形式的熱敏電阻,玻璃封裝 NTC熱敏電阻,MF58 型熱敏電阻,2020/6/22,60,其他形式的熱敏電阻,帶安裝孔的熱敏電阻,大功率PTC熱敏電阻,2020/