2 电阻式传感器（课件）- 《传感器与检测技术》同步教学（清华大学版）

项目二 电阻式传感器 项目分析 任务2.1　认识电阻式传感器 任务2.2　使用电阻应变片式传感器 项目二 电阻式传感器 任务2.3　气敏与湿敏传感器的应用 项目分析 了解电阻式传感器 熟悉电阻式传感器的应用 能正确使用常用的电阻式传感器 任务分析 1 任务一 传感器技术基础 任务2.1 认识电阻式传感器 相关知识 2 技能训练 3 任务分析 本任务主要介绍常用的电阻式传感器。通过学习认识应变片，了解电阻应变片传感器的工作原理和结构；掌握电桥的组桥方式、加减特性及其灵敏度，具备识别各类电阻式传感器的初步能力。 相关知识 电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应，将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器。 1．电阻应变式传感器 1）原理和结构 它主要由弹性敏感元件或试件、电阻应变片和测量转换电路组成。其测量的关键是基于物体的形变。 图2－1电阻应变式传感器的结构 （1）弹性敏感元件 弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移,然后再由转换电路将应变或位移转换成电信号。 弹性敏感元件的分类： ①变换力的弹性敏感元件如图2－2所示 图2－2变换力的弹性敏感元件 图2－3 变换压力的弹性敏感元件 ②变换压力的弹性敏感元件如图2－3所示 （2）电阻应变片 ①应变效应 电阻应变片的主要工作原理是基于电阻应变效应。导体或半导体材料在受到外力作用下而产生机械形变时，其电阻值也发生相应变化的现象称为电阻应变效应。 当传感器的弹性敏感元件受到外力(被测量)作用后，弹性敏感元件发生变形，此变形传递给粘贴在弹性敏感元件上的应变片，使应变片也发生变形，由于电阻应变效应导致应变片的电阻值发生变化，此时应变片在一定的测量电路(电桥等)中就会使电路的输出电压发生变化，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路显示或执行机构。从而实现非电量到电量的转化。 下面我们举一个例子来更深入地了解电阻应变效应，一根金属电阻丝，在未受到外力作用时，其电阻值为 （2－1） 式中ρ——金属电阻丝的电阻率(Ω·m)； L——金属电阻丝的长度(m)； S——金属电阻丝的横截面积(m2)。 当电阻丝受到轴向拉力F作用时，轴向拉长ΔL，径向缩短ΔS电阻率增加Δρ从而引起电阻值的变化ΔR 。通过推导： （2－2） K为金属导体的应变灵敏度，长度相对变化量ε为纵向应变。 ②应变片分类 应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。 a）圆角丝式应变片b）直角丝式应变片c）箔式转矩应变片d）箔式单向应变片 e）箔式压力应变片 图2－4 金属应变片 半导体应变片的结构类型有体型、薄膜型和扩散型等。 ③应变片的粘贴 应变片是通过粘合剂粘贴到试件上。粘合剂的种类很多，选用时要根据基片材料、工作温度、潮湿程度、稳定性、是否加温加压和粘贴时间等多种因素合理选择粘合剂。 应变片的粘贴工艺包括：试件贴片处的表面处理、贴片位置的确定、应变片的粘贴、固化等。应变片粘贴前，必须将试件表面处理干净，再涂一层薄而均匀的专用胶水。然后在应变片上盖一张聚乙烯塑料薄膜，并加压，将多余的胶水和气泡排出。固化后检查合格与否。并焊接引出线，最后用柔软胶合物 适当地加以固定。  图2—5为应变片的粘贴过程。 a）在试件表面粘贴应变片 b）引线的固定 图2－5应变片的粘贴 2）电阻应变片测量电路 按电源的性质不同，电桥电路可分为交流电桥和直流电桥两类。在大多数情况下，采用的是直流电桥电路。 （1）电阻电桥的输出电压 直流电阻电桥如图2－6a、b、c所示 a）单臂电桥 b）双臂电桥 c）全桥电桥 图2－6常用电桥电路 其初始状态可通过RP1调节电桥平衡，即调节U。=0。电桥的平衡条件是对边臂电阻乘积相等，即 由于通常4个电阻不可能刚好满足平衡条件，因此电桥都设置有调零电路。调零电路由RP1及R5组成。 （2－3） 在未施加作用力时，应变为零，此时电桥平衡输出为零。当被测量发生变化时，无论那个桥臂电阻受被测信号的影响发生变化，电桥平衡被打破，电桥电路的输出电压也将随之发生变化。根据电路原理，其输出电压为 （2－4） 当四个桥臂电阻都发生变化时， 若4个桥臂都是电阻应变片，且各个电阻应变片的灵敏度相同