第3次課電阻式傳感器之一

1、精品文檔你我共享第3次課2學(xué)時(shí)上次課復(fù)習(xí)：上次課講述了掌握傳感器的靜態(tài)特性和動(dòng)態(tài)特性；傳感器的靜態(tài)標(biāo)定方法等。重點(diǎn)掌握靜態(tài)特性性能指標(biāo)：靈敏度、線性度、遲滯、重復(fù)性、漂移等。本次課題（或教材章節(jié)題目）：第 3 章 應(yīng)變式傳感器（教材）3.1 工作原理3.2 應(yīng)變片的種類3.3 電阻應(yīng)變片的特性教學(xué)要求：掌握應(yīng)變片的工作原理；了解應(yīng)變片的種類；掌握電阻應(yīng)變片的特性。重點(diǎn)：電阻應(yīng)變片的工作原理、以及其特性難點(diǎn)：電阻應(yīng)變片的特性教學(xué)手段及教具：多媒體課件講授講授內(nèi)容及時(shí)間分配：3.1工作原理25 分鐘3.2應(yīng)變片的種類20 分鐘3.3應(yīng)變片的特性45 分鐘課后作業(yè)P61： 3-1、3-2郁有文，常健

2、等. 傳感器原理及工程應(yīng)用. 西安：西安電子科技大學(xué)出版社，2003.參考資料金發(fā)慶 . 傳感器技術(shù)及應(yīng)用.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.陳杰，黃鴻著傳感器與檢測(cè)技術(shù)北京：高等教育出版社，2002 注：本頁為每次課教案首頁腹有詩書氣自華精品文檔你我共享3 電阻式傳感器電阻式傳感器是目前在非電量測(cè)量技術(shù)中應(yīng)用最廣、最成熟和最重要的傳感器之一。它的基本工作原理是將物理量的變化轉(zhuǎn)換為敏感元件應(yīng)力的變化致使電阻阻值改變，再通過轉(zhuǎn)換電路變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)輸出，從而達(dá)到電測(cè)量的目的。根據(jù)所用敏感材料的差別，又可將其分為金屬應(yīng)變式傳感器（電阻應(yīng)變片式）、半導(dǎo)體壓阻式傳感器和熱電阻傳感器。3.1 金屬應(yīng)變式傳

3、感器金屬應(yīng)變式傳感器的核心元件是電阻應(yīng)變片和彈性敏感元件。要了解金屬應(yīng)變式傳感器的工作原理，應(yīng)了解這兩種元件的原理、結(jié)構(gòu)和特性等。應(yīng)變片的工作原理應(yīng)變片是應(yīng)變式傳感器的核心元件，它也可以直接用于應(yīng)變測(cè)量。用應(yīng)變片來測(cè)量機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其作用是將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化。當(dāng)試件受力變形時(shí)，貼在試件上的應(yīng)變片也隨著變形，此時(shí)應(yīng)變片的電阻值也將隨著發(fā)生變化。由于機(jī)械應(yīng)變與電阻變化之間存在著一定的比例關(guān)系，因此測(cè)出應(yīng)變片的電阻變化量，就可得出被測(cè)試件的應(yīng)變大小。以金屬材料為敏感元件的應(yīng)變片，金屬材料的電阻值隨它承受的機(jī)械變形大小而發(fā)生變化的現(xiàn)象就稱為 “應(yīng)變效應(yīng)”。測(cè)量試件應(yīng)變的原理是基于金屬絲的應(yīng)變效應(yīng)，它

4、是金屬絲的電阻值隨其幾何尺寸變化而改變的一種物理特性。由物理學(xué)可知，金屬絲的電阻為R=式中R為電阻；L(3-1)A電阻率；L金屬絲長(zhǎng)度；A金屬絲截面積。當(dāng)金屬絲受到拉抻或壓縮后，它的幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，且電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。圖 3-1 金屬電阻絲應(yīng)變片如圖 3-1 所示，當(dāng)電阻絲受到拉力 F 時(shí)，其阻值發(fā)生變化。材料電阻值的變化，一是受力后材料幾何尺寸變化；二是受力后材料的電阻率也發(fā)生了變化。大量實(shí)驗(yàn)表明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，而應(yīng)變與應(yīng)力也成正比，這就是利用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理。對(duì)式 (3-1)微分可得其電阻的相對(duì)變化為腹有詩書氣自華精品文檔你我共享dRdLd

5、Ad(3-2)RLA因?yàn)?A=r2， r 為金屬絲的半徑。所以， dA/A=2·dr/r，再利用材料力學(xué)中的公式，可得dL，dr，L=xr=yy=·x式中x，y縱向 (軸向 )和橫向應(yīng)變；金屬絲材料的泊松比。那么式 (3-2)可表達(dá)為dRx 2yd=x ·xd（） xdR=+2 +=1+2+(3-3)一般把 dL 簡(jiǎn)寫為 。令 K=l+2 + d/，則式 (3-3)可寫為L(zhǎng)dR/R=K·(3-4)由于電阻增量 RR， RdR，故式 (3-4)亦可寫為R/R =K·(3-5)式中K金屬材料的靈敏度系數(shù)， 它的物理意義是單位應(yīng)變的電阻變化率。 通常

6、從實(shí)驗(yàn)求得 K 值，大多數(shù)金屬在彈性變形范圍內(nèi)的 K 是個(gè)常數(shù)，其值隨材料不同而異?？梢姡饘俳z在產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)時(shí)，應(yīng)變 與電阻變化率 R/R 是成線性關(guān)系的。式 (3-5)就是利用金屬應(yīng)變片來測(cè)量構(gòu)件應(yīng)變的理論基礎(chǔ)。無量綱量，但習(xí)慣上仍給以單位，這個(gè)單位叫應(yīng)變，由于其值很小，在應(yīng)變測(cè)量中常用微應(yīng)變表示。 1相當(dāng)于長(zhǎng)度為 1m 的試件，其變形為1m時(shí)的相對(duì)變形量(1=1×106)。應(yīng)變片的構(gòu)造與分類圖 3-2 電阻應(yīng)變片構(gòu)造示意圖圖 3-2 是一種電阻絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)示意圖。它主要由基底l 、敏感柵 2、覆蓋層 3及引出線 4 等部分組成。應(yīng)變片雖然種類繁多，構(gòu)成形式各異，但其基本結(jié)構(gòu)

7、是與電阻絲式應(yīng)變片一致的。圖中 l 為柵長(zhǎng)， a 為柵寬。敏感柵：是應(yīng)變片的核心部分，稱為應(yīng)變敏感元件，其作用是感受試件的變形，并將機(jī)械應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻變化。敏感元件的材料是金屬，應(yīng)用最多的金屬是康銅，其次是鎳鉻合金?；缀透采w層：它們的作用是：固定和保護(hù)敏感元件；當(dāng)應(yīng)變片粘貼在試件上后，腹有詩書氣自華精品文檔你我共享與粘結(jié)劑一起把試件的變形傳給敏感元件；使敏感元件與試件絕緣。用作基底的材料主要有紙和有機(jī)聚合物兩類。引出線：其作用是從敏感元件引出信號(hào)，并與測(cè)量導(dǎo)線連接。(2)應(yīng)變片分類電阻應(yīng)變片分類方法很多，最常用的是按制造敏感柵的制造方法、敏感柵的形式、工作溫度范圍以及用途的不同來分類。按照敏

8、感柵的形式和制造方法，可分為金屬絲式應(yīng)變片、金屬箔式應(yīng)變片和金屬薄膜應(yīng)變片。下面分別予以簡(jiǎn)介。金屬絲式應(yīng)變片： 其敏感元件是用高阻值的金屬絲 (直徑為 0.015 0.05mm)繞成柵狀，見圖 3-2。這種應(yīng)變片是早期產(chǎn)品，由于工藝簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，在國(guó)內(nèi)曾經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。但由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，且橫向效應(yīng)大，影響測(cè)量精度，所以目前已基本淘汰。箔式電阻應(yīng)變片：其敏感元件是用高阻值的金屬箔片(厚為 0.0020.01mm)通過光刻腐蝕或其他方法制成的具有各種形狀的箔柵，其基底和復(fù)蓋層多為膠質(zhì)膜。圖 3-3 為箔式應(yīng)變片的一種結(jié)構(gòu)形式。圖 3-3 金屬箔式應(yīng)變片箔柵表面積大，散熱

9、快，允許通過較強(qiáng)的電流，使之輸出較大的信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度。箔柵的形狀和尺寸能準(zhǔn)確按要求制成，其橫向效應(yīng)小，柵長(zhǎng)可以做得很短 (最小可達(dá) 0.2mm)，適用于應(yīng)變梯度大或貼片空間小的場(chǎng)合。箔片是扁而平的，與構(gòu)件接觸面積大，因而所感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面的應(yīng)力狀態(tài)接近，提高了測(cè)量精度。箔材的一致性較好，適合大量制造，目前已得到廣泛應(yīng)用，箔式應(yīng)變片已基本上取代了絲式應(yīng)變片。金屬薄膜應(yīng)變片：它是采用真空蒸鍍、沉積或?yàn)R射的方法，將金屬材料在絕緣基底上制成一定形狀的薄膜而形成敏感元件， 膜的厚度從幾埃 (A o)至幾千埃不等，在其上再加一層絕緣保護(hù)層。此種應(yīng)變片取消了傳統(tǒng)的膠基，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，應(yīng)變靈敏

10、系數(shù)高，允許電流密度大，工作溫度范圍廣，可達(dá) 197317，也可在核輻射條件下應(yīng)用。由于其工藝環(huán)節(jié)少，工期較短，參數(shù)一致性較好，適于大量生產(chǎn)，己得到廣泛應(yīng)用。彈性敏感元件組成應(yīng)變式傳感器的核心元件除應(yīng)變片以外就是彈性敏感元件了。因?yàn)樵趥鞲衅鞯墓ぷ鬟^程中，一般是先由彈性敏感元件把各種形式的非電物理量如力、壓力等變換成相應(yīng)的應(yīng)變量或位移量等，然后再由應(yīng)變片等轉(zhuǎn)換元件配合把非電量變?yōu)殡娏?。所以，彈性敏感元件質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響傳感器的性能和精度。彈性元件形式很多，都是以彈性理論為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)。目前在力、壓力傳感器中常用的彈性元件形式如圖 3-4 所示。有薄壁圓筒、圓膜片、等截面懸臂梁、等強(qiáng)度懸臂梁、彈簧管

11、、等截面圓環(huán)、波紋膜片、波紋管等，此外，還有實(shí)心圓柱和橢圓管。不同結(jié)構(gòu)形式的選擇主要是根據(jù)所受力、壓力的大小，還要考慮其穩(wěn)定性好、受側(cè)力干擾小、有足夠的應(yīng)變片粘貼面積等。如在中等載荷情況下，多采用空心圓筒。腹有詩書氣自華精品文檔你我共享圖 3-4 變換力或壓力的彈性元件以上所舉彈性元件是屬于最基本、最簡(jiǎn)單的形式。實(shí)用中往往不是這樣簡(jiǎn)單的形式，而是復(fù)雜的組合型，如常把平面膜片與懸臂梁組合、彈簧管與懸臂梁組合或波紋膜片與圓筒組合等多種組合形式。由于彈性元件直接影響到傳感器是否能線性地、準(zhǔn)確地、快速地轉(zhuǎn)換被測(cè)量。為此，要了解彈性元件的基本特性。(1)彈性元件的非線性度彈性元件實(shí)際載荷的變形關(guān)系曲線與

12、理論上載荷變形的線性曲線存在著偏差。最大偏差量 max 對(duì)彈性元件的容許最大變形量 ymax 的百分比，叫做彈性元件的非線性度 ，可表示為 =（ max/ymax）× 100%(2)彈性滯后在彈性范圍內(nèi)，彈性元件加載和卸載時(shí)的載荷變形曲線不完全重合，即同樣的載荷，在加、卸載時(shí)彈性元件的變形不等，這種現(xiàn)象叫彈性滯后。為了定量地估計(jì)彈性滯后，引進(jìn)滯后量 這一概念。所謂滯后量，就是彈性元件在正、反行程中變形的最大偏差 ymax 對(duì)最大變形量 ymax 的百分率，可用下式表示：=（ymax/ymax）× 100%(3)彈性后效在彈性范圍內(nèi)，當(dāng)載荷加上后，彈性元件變形不是立即達(dá)到與載

13、荷平衡，而略有后延。當(dāng)載荷卸去后，其變形也不是立即恢復(fù)到零，而需要經(jīng)過一段時(shí)間才回到零，但最終并無殘余變形，這種現(xiàn)象稱彈性后效。彈性后效使彈性敏感元件的變形始終不能迅速地隨作用力的改變而改變。彈性后效和彈性滯后在本質(zhì)上是同一類型的特性，它們都將造成滯后誤差，必須力圖使它們減小。(4)固有頻率固有頻率是彈性元件本身的一個(gè)動(dòng)態(tài)特性。在進(jìn)行動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)，為減小動(dòng)態(tài)測(cè)量誤差，要求彈性元件的固有頻率盡可能高。顯然，上述特性將影響到測(cè)量裝置的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)特性。因此，必須根據(jù)測(cè)試對(duì)象和精度要求，選擇彈性元件。出師表腹有詩書氣自華精品文檔你我共享兩漢：諸葛亮先帝創(chuàng)業(yè)未半而中道崩殂， 今天下三分， 益州疲弊， 此誠(chéng)

14、危急存亡之秋也。 然侍衛(wèi)之臣不懈于內(nèi)，忠志之士忘身于外者，蓋追先帝之殊遇，欲報(bào)之于陛下也。誠(chéng)宜開張圣聽，以光先帝遺德，恢弘志士之氣，不宜妄自菲薄，引喻失義，以塞忠諫之路也。宮中府中，俱為一體；陟罰臧否，不宜異同。若有作奸犯科及為忠善者，宜付有司論其刑賞，以昭陛下平明之理；不宜偏私，使內(nèi)外異法也。侍中、侍郎郭攸之、費(fèi)祎、董允等，此皆良實(shí)，志慮忠純，是以先帝簡(jiǎn)拔以遺陛下：愚以為宮中之事，事無大小，悉以咨之，然后施行，必能裨補(bǔ)闕漏，有所廣益。將軍向?qū)?，性行淑均，曉暢軍事，試用于昔日，先帝稱之曰“能 ”，是以眾議舉寵為督：愚以為營(yíng)中之事，悉以咨之，必能使行陣和睦，優(yōu)劣得所。親賢臣，遠(yuǎn)小人，此先漢所以興隆也；親小人，遠(yuǎn)賢臣，此后漢所以傾頹也。先帝在時(shí)，每與臣論此事，未嘗不嘆息痛恨于桓、靈也。侍中、尚書、長(zhǎng)史、參軍，此悉貞良死節(jié)之臣，愿陛下親之、信之，則漢室之隆，可計(jì)日而待也。臣本布衣，躬耕于南陽，茍全性命于亂世，不求聞達(dá)于諸侯。先帝不以臣卑鄙，猥自枉屈，三顧臣于草廬之中，咨臣以當(dāng)世之事，由是感激，遂許先帝以驅(qū)馳。后值傾覆，受任于敗軍之際，奉命于危難之間，爾來二十有一年矣。先帝知臣謹(jǐn)慎，故臨崩寄臣以