哈工大-焊接過程測量與控制

第二章傳感器的基本原理 第一節(jié)電阻式傳感器第二節(jié)電容式傳感器第三節(jié)電感式傳感器第四節(jié)磁電感應式傳感器第五節(jié)霍爾式傳感器第六節(jié)光電式傳感器第七節(jié)熱電式傳感器 一 電阻應變式傳感器二 電位計式傳感器 第一節(jié)電阻式傳感器 電阻應變式傳感器的核心器件為電阻應變片 一 電阻應變效應1 概念 導體或半導體材料在外力作用下產生機械變形 其電阻值也相應發(fā)生變化的物理現(xiàn)象叫電阻應變效應 一 電阻應變式傳感器 2 單根導線受拉伸后的電阻變化 材料幾何變形 材料電阻率變化 對于金屬材料 對半導體材料 二 電阻應變片的結構與分類主要有金屬電阻應變片和半導體應變片兩大類 1 金屬電阻應變片結構 敏感柵 金屬絲 基底 紙 膠膜或玻璃纖維布 覆蓋層 膠膜 引線 銅絲 分類 絲式應變片 直徑15 50微米的金屬絲繞成 箔式應變片 光刻 腐蝕 膜厚2 5微米 金屬薄膜應變片 真空蒸鍍 沉積 膜厚小于0 1微米 一 電阻應變式傳感器 2 半導體應變片 壓阻效應 對一塊半導體材料的某一軸向施加一定的載荷而產生應力時 它的電阻率會發(fā)生變化 這種物理現(xiàn)象稱之為壓阻效應 彈性模量 壓阻系數(shù) 半導體應變片的靈敏系數(shù)高 是金屬應變片的數(shù)十倍 上百倍 一 電阻應變式傳感器 三 金屬應變片的主要參數(shù)及工作特性 1 幾何尺寸 靈敏軸線 電阻變化最大的方向標距 也稱柵長 敏感柵在靈敏軸線方向上的長度 l工作寬度 也稱柵寬 垂直于靈敏軸線方向的寬度 b 2 電阻值 R 未受力前在室溫下測定的電阻值 也稱初始電阻 60歐姆 120歐姆 350歐姆 600歐姆 1000歐姆等 常用為120歐姆應變片的規(guī)格 一 電阻應變式傳感器 3 應變靈敏系數(shù)K為金屬應變片的靈敏系數(shù) 是在試件受一維應力作用 應變片的軸向與主應力方向一致 且試件材料的泊松比為0 285的鋼材時測得的 一般K 1 5 3 5 4 橫向效應敏感柵彎角處 受橫向負載影響 也產生電阻變化 帶來誤差 一 電阻應變式傳感器 5 應變極限對于已經安裝好的應變片 在一定溫度下 指示應變與真實應變的相對誤差在一定范圍內時 所能測量的最大應變量 一 電阻應變式傳感器 5 零點漂移和蠕變零漂 對于粘貼好的應變片 當溫度恒定時 不承受應變時 其電阻值隨時間增加而變化的特性 稱為應變片的零點漂移 產生原因 敏感柵通電后的溫度效應 應變片的內應力逐漸變化 粘結劑固化不充分等 蠕變 如果在一定溫度下 使應變片承受恒定的機械應變 其電阻值隨時間增加而變化的特性稱為蠕變 一般蠕變的方向與原應變量的方向相反 產生原因 由于膠層之間發(fā)生 滑動 使力傳到敏感柵的應變量逐漸減少 這是兩項衡量應變片特性對時間穩(wěn)定性的指標 在長時間測量中其意義更為突出 實際上 蠕變中包含零漂 它是一個特例 一 電阻應變式傳感器 四 金屬應變片的溫度誤差及補償措施 產生原因 應變片的電阻絲 敏感柵 具有一定溫度系數(shù) 電阻絲材料與測試材料的線膨脹系數(shù)不同 補償措施 自補償法 線路補償法1 自補償法 是由兩種不同電阻溫度系數(shù) 一種為正值 一種為負值 的材料串聯(lián)組成敏感柵 以達到一定的溫度范圍內在一定材料的試件上實現(xiàn)溫度補償 要求兩段敏感柵 隨溫度變化而產生的電阻增量大小相等 符號相反 Ra Rb 一 電阻應變式傳感器 2 線路補償法 補償塊 直接補償 為達到完全補償 需滿足下列三個條件 R1和R2須屬于同一批號的 即它們的電阻溫度系數(shù) 線膨脹系數(shù) 應變靈敏系數(shù)K都相同 兩片的初始電阻值也要求相同 用于粘貼補償片的構件和粘貼工作片的試件二者材料必須相同 即要求兩者線膨脹系數(shù)相等 兩應變片處于同一溫度環(huán)境中 一 電阻應變式傳感器 二 電位計式傳感器 x R Rx Ui Uo 電阻分壓原理 RL 階梯特性優(yōu)點 結構簡單 輸出信號強 易實現(xiàn)線性缺點 電刷與導線間的磨損 抗沖擊及振動性能差分辨力低 能耗大 應變片應用舉例 問題 電阻點焊熔核尺寸波動大 影響焊點質量 方案 用電阻應變片測量電極位移變化 反饋控制焊接電流及通電時間 效果 良好 第二節(jié)電容式傳感器 應用 位移 振動 壓力 物位等量的測量 一 工作原理 當平行板的間距d遠小于平行板的尺寸時 對精度要求不是特別嚴格的條件下 邊緣效應即可忽略 變極距型電容式傳感器 初始時 當x減小 x時 C增加 C 即 第二節(jié)電容式傳感器 變極板面積型電容傳感器 1 角位移傳感器兩半圓形板極 定板極和動板極 的間距為d 面積均為S 可繞同圓心轉動 其夾角為 C與 角位移 成線性關系 第二節(jié)電容式傳感器 變極板面積型電容傳感器 2 同心圓筒形線位移傳感器 C與a成線性關系 當內筒上移為a時 內外筒間的電容C為 第二節(jié)電容式傳感器 變介電常數(shù)型電容傳感器 這種電容可以看成是CA CB兩個電容的并聯(lián) 設板極寬度為b則 C與a成線性關系 可以用來測量位移 物位 電介質的厚度 根據介電常數(shù)隨溫度 濕度變化的規(guī)律 還可以測量溫度 濕度等 第二節(jié)電容式傳感器 二 電容式傳感器的典型特點 1 高阻抗直流電阻趨于無窮大 交流阻抗1 j C 由于C一般較小 當頻率