阻抗型传感器
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
.
3.安装
• 应变片粘贴在被测试件表面（应使应变片轴向与 所测应变方向一致）
• 将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成 应变式传感器。
.
4、应变片灵敏系数
• 应变片电阻相对变化与试件表面上安装应变片区 域的轴向应变之比 R / R k x 应变片灵敏系数k小于制作应变片的应变电阻材料 灵敏系数 K0, 主要原因就是存在横向效应。
.
一、 导电材料的应变电阻效应
R l
A(r)
A(r)r2
dRRddl ldAA
.
dRddldA Rl A
其中， ( dl ) 轴向线应变
l
(dA)2(dr)2u
Ar
轴向 线应变
径向 线应变
泊淞比
dr / r
dl / l
dR d (1 2u ) R
.
（1）金属材料的应变电阻效应 dRRd(12u)
.
横向效应
敏感栅通常是呈栅状，由轴向纵栅和圆弧横栅两部分。
横栅 r
纵栅 l0
εy
横栅 r
εy
σ
εx 轴向应变
εx
σ
εx
εx
εy 横向应变
εy
➢试件承受单向应力σ时，表面处于平面应变状态，即轴向（拉伸）应 变εx 和横向（收缩）应变εy 。
➢纵栅主要感受轴向应变εx（纵栅受拉伸）、横栅主要感受横向应变εy（横 栅受压缩），从而引起应变片总电阻的变化为：
.
.
(1)金属丝式应变片： 敏感栅由直径0.015mm～0.05mm的金属丝 绕成栅状。
.百度文库
(2)金属箔式应变片：
敏感栅由金属箔经光刻腐蚀成栅状，具有横向效应小， 精度高，散热好等优点。
.
(3)薄膜应变片
•其厚度在0.1m以下。 •采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成 一层各种形式敏感栅而形成应变片。 •灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应 变片。 •实际使用中的主要问题，是尚难控制其电阻对温度和时间的 变化关系。
若变阻器式：
x
Rx
R l
x
若分压式： UxU RRxU RR l xU l x
.
2．非线性特性——非线性电位器
Rx f (x)
Ux
U R
f ( x)
.
例：一电位计式位移传感器及接线图如图所示，变 阻器有效长度为L，总电阻R ，读数仪表电阻RL， 活动触点位置x=L/5。
求：读数仪表的指示值U ？a b
dR [1(2u)E]K S
R
半导体材料的 应变灵敏系数
—— 半导体材料的电阻相对变化与线应成正比
.
（3）导电丝材的应变电阻效应
dR K0
R
金属 K 0 K m ( 1 2 u ) C ( 1 2 u )
几何尺寸变
电阻率变
化
化
金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，
Km=1.8 ~ 4.8
第四章 阻抗型传感器
.
基本要求：
• 了解阻抗型传感器的常见类型 • 理解常见阻抗型传感器的基本工作原理 • 掌握常见阻抗型传感器的测量电路
.
4.1电阻式传感器
非电量 电阻元件 电阻变化
将被测量如位移、形变、力、加速度、湿 度、温度等物理量转换式成电阻值这样的一 种器件。
.
.
4.1.1 电位器式传感器
半导体 K 0K s (1 2 u )E
几何尺寸变化
压阻效
应
半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应
K S(5~ 08)0 K m
.
二、电阻应变片
1.组成结构
盖片
敏感栅金属丝 基底
引线
敏感栅（金属丝）：是应变片内实现应变-电阻转换的敏感元件。 基底：为了保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通过粘合剂将其固定在基底上。 引线：起着敏感栅与测量电路之间的连接作用。 盖片：覆盖在敏感栅上的保护层。 粘合剂：用粘合剂将盖片、敏感栅和基底牢固地粘合在一起。
.
.
• 应变片一种是金属导体材料，另一种是半导体 材料。
• 工作原理是基于金属导体的应变效应，或者是 基于半导体材料的压阻效应。
• 应变效应：金属导体在外力的作用下产生机械 形变时，它的电阻值随着所受机械形变（伸长 或缩短）的变化而变化的物理现象。
• 压阻效应：半导体受到应力时，其电阻率发生 变化的物理现象。
▪ 电位器式传感器是由电阻元件及电刷(活动触点) 两个基本部分组成。
▪ 利用电位器为传感元件可制成电位器式传感器， 可以测量线位移或角位移;
▪ 还可测量一切可以转换为位移的物理量参数，如 压力、加速度等。
.
电位器式传感器
机械位移信号
精密电位器
转换元件
电信号
位移
.
一、组成原理
.
把电位器作为变阻器用，(c)图有：
R
Rkx
xky
ykx(1H )x
.
式中：
R Rkx x ky ykx(1 H )x
kx：轴向灵敏系数 ky横向灵敏系数
H=ky / kx 双向应变灵敏系数比，称为横向效应系数
α=εy /εx 双向应变比（横向应变与轴向应变比）
实验证明：εy /εx= -μ0
.
四、电位器式传感器的应用
• 电位器式传感器常用来测量位移、压力、加速度等。
.
电位计式压力传感器
.
案例：玩具机器人
原理 直接将关节驱动电机的转动角 度变化转换为电阻器阻值变化
.
总结
.
4.1.2 电阻应变式传感器--应变片
• 利用电阻应变片将应变转换为电阻 变化的传感器。电阻应变片是电阻应 变式传感器中的传感元件，简称应变 片。
Rx RACf(x)
把电位器作为变压器用，(d)图有： U xU AC R U AB f(x)U Rf(x)
.
二、电位计分类及特点
线性电位计
按输出-输入特性 非线性电位计
电位计分类 按结构形式
线绕式—在传感器中应用较多
薄膜式—具有较高的精度和线 性特性
光电式—无摩擦和磨损，分辨 率高
.
.
光电电位器
无接触式电位器 光电导层 暗电阻:绝缘体
明电阻:良导体
105 ~108
优点：精度、寿命、分辨率、可靠性高、阻值范围宽 缺点：温度范围窄、输出电流小、输出阻抗较高
结构复杂、体积和重量大
.
三、输入—输出特性
1. 线性特性——线性电位器
假定全长为 l 的电位器的阻值为 R ，电阻沿长
均匀分布，则当电刷由A向B移动 后，则：
d C dV
V
而 dV d ldA (12u)
Vl A
金属丝材的
d R [1 (2 u)C (12 u)]K m 应变灵敏系数
R
—— 金属材料的电阻相对变化与线应变成正比
.
（2）半导体材料的应变压阻效应
d E
F E
A
其中 ：压阻系数； ：作用于材料的轴向应力； E ：半导体材料的弹性模量
3.安装
• 应变片粘贴在被测试件表面（应使应变片轴向与 所测应变方向一致）
• 将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成 应变式传感器。
.
4、应变片灵敏系数
• 应变片电阻相对变化与试件表面上安装应变片区 域的轴向应变之比 R / R k x 应变片灵敏系数k小于制作应变片的应变电阻材料 灵敏系数 K0, 主要原因就是存在横向效应。
.
一、 导电材料的应变电阻效应
R l
A(r)
A(r)r2
dRRddl ldAA
.
dRddldA Rl A
其中， ( dl ) 轴向线应变
l
(dA)2(dr)2u
Ar
轴向 线应变
径向 线应变
泊淞比
dr / r
dl / l
dR d (1 2u ) R
.
（1）金属材料的应变电阻效应 dRRd(12u)
.
横向效应
敏感栅通常是呈栅状，由轴向纵栅和圆弧横栅两部分。
横栅 r
纵栅 l0
εy
横栅 r
εy
σ
εx 轴向应变
εx
σ
εx
εx
εy 横向应变
εy
➢试件承受单向应力σ时，表面处于平面应变状态，即轴向（拉伸）应 变εx 和横向（收缩）应变εy 。
➢纵栅主要感受轴向应变εx（纵栅受拉伸）、横栅主要感受横向应变εy（横 栅受压缩），从而引起应变片总电阻的变化为：
.
.
(1)金属丝式应变片： 敏感栅由直径0.015mm～0.05mm的金属丝 绕成栅状。
.百度文库
(2)金属箔式应变片：
敏感栅由金属箔经光刻腐蚀成栅状，具有横向效应小， 精度高，散热好等优点。
.
(3)薄膜应变片
•其厚度在0.1m以下。 •采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成 一层各种形式敏感栅而形成应变片。 •灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应 变片。 •实际使用中的主要问题，是尚难控制其电阻对温度和时间的 变化关系。
若变阻器式：
x
Rx
R l
x
若分压式： UxU RRxU RR l xU l x
.
2．非线性特性——非线性电位器
Rx f (x)
Ux
U R
f ( x)
.
例：一电位计式位移传感器及接线图如图所示，变 阻器有效长度为L，总电阻R ，读数仪表电阻RL， 活动触点位置x=L/5。
求：读数仪表的指示值U ？a b
dR [1(2u)E]K S
R
半导体材料的 应变灵敏系数
—— 半导体材料的电阻相对变化与线应成正比
.
（3）导电丝材的应变电阻效应
dR K0
R
金属 K 0 K m ( 1 2 u ) C ( 1 2 u )
几何尺寸变
电阻率变
化
化
金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，
Km=1.8 ~ 4.8
第四章 阻抗型传感器
.
基本要求：
• 了解阻抗型传感器的常见类型 • 理解常见阻抗型传感器的基本工作原理 • 掌握常见阻抗型传感器的测量电路
.
4.1电阻式传感器
非电量 电阻元件 电阻变化
将被测量如位移、形变、力、加速度、湿 度、温度等物理量转换式成电阻值这样的一 种器件。
.
.
4.1.1 电位器式传感器
半导体 K 0K s (1 2 u )E
几何尺寸变化
压阻效
应
半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应
K S(5~ 08)0 K m
.
二、电阻应变片
1.组成结构
盖片
敏感栅金属丝 基底
引线
敏感栅（金属丝）：是应变片内实现应变-电阻转换的敏感元件。 基底：为了保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通过粘合剂将其固定在基底上。 引线：起着敏感栅与测量电路之间的连接作用。 盖片：覆盖在敏感栅上的保护层。 粘合剂：用粘合剂将盖片、敏感栅和基底牢固地粘合在一起。
.
.
• 应变片一种是金属导体材料，另一种是半导体 材料。
• 工作原理是基于金属导体的应变效应，或者是 基于半导体材料的压阻效应。
• 应变效应：金属导体在外力的作用下产生机械 形变时，它的电阻值随着所受机械形变（伸长 或缩短）的变化而变化的物理现象。
• 压阻效应：半导体受到应力时，其电阻率发生 变化的物理现象。
▪ 电位器式传感器是由电阻元件及电刷(活动触点) 两个基本部分组成。
▪ 利用电位器为传感元件可制成电位器式传感器， 可以测量线位移或角位移;
▪ 还可测量一切可以转换为位移的物理量参数，如 压力、加速度等。
.
电位器式传感器
机械位移信号
精密电位器
转换元件
电信号
位移
.
一、组成原理
.
把电位器作为变阻器用，(c)图有：
R
Rkx
xky
ykx(1H )x
.
式中：
R Rkx x ky ykx(1 H )x
kx：轴向灵敏系数 ky横向灵敏系数
H=ky / kx 双向应变灵敏系数比，称为横向效应系数
α=εy /εx 双向应变比（横向应变与轴向应变比）
实验证明：εy /εx= -μ0
.
四、电位器式传感器的应用
• 电位器式传感器常用来测量位移、压力、加速度等。
.
电位计式压力传感器
.
案例：玩具机器人
原理 直接将关节驱动电机的转动角 度变化转换为电阻器阻值变化
.
总结
.
4.1.2 电阻应变式传感器--应变片
• 利用电阻应变片将应变转换为电阻 变化的传感器。电阻应变片是电阻应 变式传感器中的传感元件，简称应变 片。
Rx RACf(x)
把电位器作为变压器用，(d)图有： U xU AC R U AB f(x)U Rf(x)
.
二、电位计分类及特点
线性电位计
按输出-输入特性 非线性电位计
电位计分类 按结构形式
线绕式—在传感器中应用较多
薄膜式—具有较高的精度和线 性特性
光电式—无摩擦和磨损，分辨 率高
.
.
光电电位器
无接触式电位器 光电导层 暗电阻:绝缘体
明电阻:良导体
105 ~108
优点：精度、寿命、分辨率、可靠性高、阻值范围宽 缺点：温度范围窄、输出电流小、输出阻抗较高
结构复杂、体积和重量大
.
三、输入—输出特性
1. 线性特性——线性电位器
假定全长为 l 的电位器的阻值为 R ，电阻沿长
均匀分布，则当电刷由A向B移动 后，则：
d C dV
V
而 dV d ldA (12u)
Vl A
金属丝材的
d R [1 (2 u)C (12 u)]K m 应变灵敏系数
R
—— 金属材料的电阻相对变化与线应变成正比
.
（2）半导体材料的应变压阻效应
d E
F E
A
其中 ：压阻系数； ：作用于材料的轴向应力； E ：半导体材料的弹性模量