电阻式传感器及其应用

课题2 电阻式传感器及其应用
• 任务1 电位器电阻式传感器 • 任务2 弹性敏感元件 • 任务3 电阻应变式传感器 • 任务4 固态压阻式传感器
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课题2 电阻式传感器及其应用
• 任务5 热电阻传感器 • 任务6 气敏和湿敏电阻传感器 • 任务7 电阻式传感器项目实训—热敏电阻制作的
电冰箱温度超标指示器
• 而A1、 C1方向上的应变系数值与式(2-12)相等，但符号相反。
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任务2 弹性敏感元件
• 2.2.4变换压力的弹性敏感元件
• 在工业生产中，经常需要测量气体或液体的压力。变换压力的弹性敏 感元件形式很多，如图2-16所示。由于这些元件的变形计算复杂，故 本节只对它们定性的分析。
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任务2 弹性敏感元件
• 3.悬臂梁 • 悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度高。
它的输出可以是应变，也可以是挠度(位移)。由于它在相同力作用下 的变形比等截面轴及圆环都大，所以多应用于较小力的测量。根据它 的截面形状，又可以分为等截面悬臂梁和等强度悬臂梁。 • (1)等截面悬臂梁 • 图2-15(h)为等截面悬臂梁的侧视图及俯视图。当力F以如图2-15(h)所 示的方向作用于悬臂梁的末端时，梁的上表面产生应变，下表面也产 生应变。
• 等截面轴的特点是加工方便，加工精度高，但灵敏度小，适用于载荷 较大的场合。
• 空心轴如图2-15(b)所示，它在同样的截面积下，轴的直径可加大， 可提高轴的抗弯能力。
• 当被测力较大时，一般多用钢材料制作弹性敏感元件，钢的弹性模量 约为2x1011 N/m2。当被测力较小时，可用铝合金或铜合金。铝的弹 性模量约为0. 7 x 1011N/m2。材料越软，弹性模量也越小，其灵敏度 也越高。
的压力变换为弹性元件的位移，并使此位移变为电刷触点的移动，从 而引起输出电压或电流相应的变化。
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任务1 电位器电阻式传感器
• 图2 -7为YCD-150型远程压力表原理图。它是由一个弹簧管和电位器 组成的压力传感器。电位器固定在壳体上，而电刷与弹簧管的传动机 构相连接。当被测压力变化时，弹簧管的自由端发生位移，通过传动 机构，一边带动压力表指针转动，一边带动电刷在线绕电位器上滑动， 从而将被测压力值转换为电阻变化，输出与被测压力成正比的电压信 号。
• 根据弹性元件在传感器中的作用，可以分为两种类型:弹性敏感元件 和弹性支承。前者感受力、力矩、压力等被测参数，并通过它将被测 量变换为应变、位移等，也就是通过它把被测参数由一种物理状态转 换为另一种所需要的物理状态，故称为弹性敏感元件。
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任务2 弹性敏感元件
• 2. 2. 1弹性敏感材料的弹性特性
• 对弹性敏感元件材料的基本要求有以下几项: • (1)具有良好的机械特性(强度高、抗冲击、韧性好、疲劳强度高等)和
良好的机械加工及热处理性能; • (2)良好的弹性特性(弹性极限高、弹性滞后和弹性后效小等); • (3)弹性模量的温度系数小且稳定，材料的线膨胀系数小且稳定; • (4)抗氧化性和抗腐蚀性等化学性能良好。
种现象称为弹性滞后现象，如图2-13所示。 • 曲线1是加载曲线，曲线2是卸载曲线，曲线1、2所包围的范围称为
滞环。产生弹性滞后的主要原因是弹性敏感元件在工作过程中分子间 存在内摩擦，并造成零点附近的不灵敏区。 • 4.弹性后效 • 弹性敏感元件所加载荷改变后，不是立即完成相应的变形，而是在一 定时间间隔中逐渐完成变形的现象称为弹性后效现象。由于弹性后效 存在，弹性敏感元件的变形不能迅速地随作用力的改变而改变，引起 测量误差。
• 2.灵敏度 • 灵敏度就是弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小。它是刚度
的倒数，即
• 与刚度相似，如果元件弹性特性是线性的，则灵敏度为常数;若弹性 特性是非线性的，则灵敏度为变数。
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任务2 弹性敏感元件
• 3.弹性滞后 • 实际的弹性元件在加、卸载的正、反行程中变形曲线是不重合的，这
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任务2 弹性敏感元件
• 2.2.3变换力的弹性敏感元件
• 所谓变换力的弹性敏感元件是指输入量为力F，输出量为应变或位移 的弹性敏感元件。常用的变换力的弹性敏感元件有实心轴、空心轴、 等截面圆环、变截面圆环、悬臂梁、扭转轴等，如图2-15所示。
• 1.等截面轴 • 实心等截面轴又称柱式弹性敏感元件，如图2-15(a)所示。在力的作
用下，它的位移量很小，所以往往用它的应变作为输出量，在它的表 面粘贴应变片，可以将应变进一步变换为电量。设轴的横截面积为A， 轴材料的弹性模量为E，材料的泊松比为μ，当等截面轴承受轴向拉 力或压力F时，轴向应变(有时也称为纵向应变) εx，为
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任务2 弹性敏感元件
• 与轴向垂直方向的径向应变(有时也称为横向应变) εy,为
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任务2 弹性敏感元件
• 2.环状弹性元件 • 环状弹性元件多做成等截面圆环，如图2-15(c), (d)所示。圆环受力
后较易变形，因而它多用于测量较小的力。当力F作用在圆环上时， 环上的A B，点处可产生较大的应变。当环的半径比环的厚度大得多 时，A，点内外表面的应变大小相等、符号相反。 • 图2-15(e)是变形的圆环，与上述圆环不同之处是增加了中间过载保 护缝隙。它的线性较好，加工方便，抗过载能力强。在该环的A1点至 B1点(或A2点至B2点)可得到较大的应变，且内外表面的应力大小相等、 符号相反。目前研制出许多变形的环状弹性元件，如图2-15(f), (g)所 示。它们的特点是加工方便、过载能力强、线性好等。其厚度决定灵 敏度的大小。
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任务2 弹性敏感元件
• 如图2-14所示，当作用在弹性敏感元件上的力由零快速到F0时，弹性 敏感元件的变形首先由零迅速增加至x1，然后在载荷未改变的情况下 继续变形直到x0为止。由于弹性后效现象的存在，弹性敏感元件的变 形始终不能迅速地跟上力的改变。
• 5.固有振动频率 • 弹性敏感元件的动态特性与它的固有振动频率f0有很大的关系，固有
• 1.弹簧管 • 弹簧管又称波登管(法国人波登发明)，它是弯成各种形状(大多数弯成
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任务2 弹性敏感元件
• 物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。若外力去掉 后物体又能完全恢复其原来的尺寸或形状，这种变形称为弹性变形。 具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。
• 弹性元件在传感器技术中占有极其重要的地位。它首先把力、力矩或 压力转换成相应的应变或位移，然后配合各种形式的传感元件，将被 测力、力矩或压力变换成电量。
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任务1 电位器电阻式传感器
• 而理空载特性为
• 由于m≠0,即RL不是无限大，使负载特性与空载特性之间产生偏差。 图2 -6是对不同m的负载特性曲线。
• 2.1.3电位器传感器的应用实例
• 1.电位器式压力传感器 • 电位器式压力传感器是利用弹性元件(如弹簧管、膜片或膜盒)把被测
轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而 改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻组成电桥的两个桥臂， 通过电桥测量电路把被测位移量转换成相应的电压量。 • 在测量比较小的位移时，往往利用齿轮、齿条机构把线位移变换成角 位移来测量，如图2-10所示。 • 3.电位器式加速度传感器 • 图2-11所示为电位器式加速度传感器结构示意图。惯性质量块在被测 加速度的作用下，使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移，从而引 起电刷在电位器的电阻元件上滑动，因此输出一与加速度成比例的电 信号。
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任务2 弹性敏感元件
• 必须说明的是，这种变截面梁的尖端部必须有一定的宽度才能承受作 用力。图2-15(j)是变形悬臂梁。它加工方便，刚度较好，实际应用时 多采用类似结构。
• 4.扭转轴 • 扭转轴用于测量力矩和转矩，如图2-15(k)所示。力矩T由作用力F和
力臂L(图中力臂为r0)组成，T = FL，力矩的单位为牛顿·米(N·m)。 • 使机械部件转动的力矩叫做转动力矩，简称转矩。任何部件在转矩的
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任务1 电位器电阻式传感器
• 2.1.2电位器传感器负载特性
• 电位器输出端接有负载电阻时，输出电压与负载大小的关系特性称为 负载特性。接有负载电阻RL的电位器如图2 -5所示，电位器输出电压 UL为
• 设电阻相对变化为r = Rx/Rmax，并设m=Rmax/RL, m称负载系数，则 上式可写成
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任务2 弹性敏感元件
• 对于任一指定点来说，上、下表面的应变大小相等、符号相反。设梁 的截面厚度为δ，宽度为b，总长为l0,则在距离固定端L处沿长度方向 的应变为
• 从上式可知，最大应变产生在梁的根部，该部位是结构最薄弱处。在 实际应用中，还常把悬臂梁自由端的挠度作为输出，在自由端装上电 感传感器、电涡流或霍尔等传感器，就可进一步将挠度变为电量。
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任务2 弹性敏感元件
• (2)等强度悬臂梁 • 从上面分析可知，在等截面梁的不同部位产生的应变是不相等的，在
传感器设计时必须精确计算粘贴应变片的位置，如图2-15(i)所示。设 梁的长度为l0，根部宽度为δ ，则梁上任一点沿长度方向的应变为
• 由分析可知，当梁的自由端有力F作用时，沿梁的整个长度上的应变 处处相等，即它的灵敏度与梁长度方向坐标无关，因此称其为等强度 悬臂梁。
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任务1 电位器电阻式传感器
• 2.1.1电位器传感器原理和结构
• 1.电位器的转换原理 • 电位器的电压转换原理如图2 -2所示，设电阻体长度为z，触点滑动
位移量为x，两端输入电压为Ui，则滑动端输出电压Uo为 • 对角位移式电位器来说，Uo与滑动臂的旋转角度a成正比，即
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任务1 电位器电阻式传感器
振动频率通常由实验测得。传感器的工作频率应避开弹性敏感元件的 固有振动频率。 • 在实际选用或设计弹性敏感元件时，常常遇到线性度、灵敏度、固有 振动频率之间相互矛盾、相互制约的问题，因此必须根据测量的对象 和要求加以综合考虑。
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任务2 弹性敏感元件
• 2.2.2弹性敏感元件的材料及基本要求
• 作用在弹性敏感元件上的外力与由该外力所引起的相应变形(应变、 位移或转角)之间的关系称为弹性元件的弹性特性。主要特性如下:
• 1.刚度 • 刚度是弹性敏感元件在外力作用下抵抗变形的能力。
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任务2 弹性敏感元件
• 图2-12中弹性特性曲线上某点A的刚度可通过A点作曲线的切线求得， 此切线与水平线夹角的正切就代表该元件在A点处的刚度，即k = tanθ = dF/dx。如果弹性特性是线性的，它的刚度是一个常数。当测 量较大的力时，必须选择刚度大的弹性元件，使x不致太大。
• 将电位器的电刷通过机械传动装置与被测对象相连，便可测量机械直 线位移或角位移。
• 2.基本结构 • 由于测量领域的不同，电位器的结构不同，但是其基本结构是相近的。
电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。 • 根据电位器结构不同，位移电位器分为直线位移电位器和角位移电位
器两种，其基本结构分别如图2-3、图2 -4所示。
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作用下，必须产生某种程度的扭转变形。因此，习惯上又常把转动力 矩叫做扭转力矩。在试验和检测各类回转机械中，力矩通常是一个重 要的必测参数。专门用于测量力矩的弹性敏感元件称为扭转轴。
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任务2 弹性敏感元件
• 在扭矩T的作用下，扭转轴的表面将产生拉伸或压缩应变。在轴表面 上与轴线成45°方向(如图2-15(k)的A1、B1方向)的应变为
• 图2 -8所示为另一种电位器式压力传感器的工作原理图。弹性敏感元 件膜盒的内腔，通入被测流体，在此流体压力作用下，膜盒硬心产生 位移，推动连杆上移，使曲柄轴带动电刷在电位器电阻丝上滑动，同 样输出与被测压力成正比的电压信号。
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任务1 电位器电阻式传感器
• 2.电位器式位移传感器 • 图2 -9所示为YHD型滑线电阻式位移传感器的结构。被测位移使测量