[信息与通信]第4部分 传感器原理1-电阻式.ppt

第三章常用传感器与敏感元件 本章学习要求 1 了解传感器的分类2 掌握常用传感器测量原理3 掌握传感器测量电路的基本原理 第三章常用传感器与敏感元件 测试技术与信号处理 第一节概述 1 传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置 是能感受规定的被测量 并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置 目前 传感器转换后的信号大多为电信号 因而从狭义上讲 传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置 第三章常用传感器与敏感元件 测试技术与信号处理 2 传感器的构成 传感器由敏感器件与辅助器件组成 敏感器件的作用是感受被测物理量 并对信号进行转换输出 辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大 阻抗匹配 以便于后续仪表接入 第一节概述 传感器作用 传感器在非电量电测系统中的作用 是敏感作用 感受并拾取被测对象的信号 是变换作用 被测信号转换成易于检测和处理的电信号 传感器 第一节概述 3 传感器的分类 1 按被测物理量分类 常见的被测物理量 机械量 长度 厚度 位移 速度 加速度 旋转角 转数 质量 重量 力 压力 真空度 力矩 风速 流速 流量 声 声压 噪声 磁 磁通 磁场 温度 温度 热量 比热 光 亮度 色彩 第一节概述 机械式 电气式 光学式 流体式等 2 按工作原理分类 第一节概述 3 按信号变换特征 物性型 依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换 如 水银温度计 结构型 依靠传感器结构参数的变化实现信号转变 如 电容式和电感式传感器 第一节概述 4 按敏感元件与被测对象之间的能量关系 能量转换型 直接由被测对象输入能量使其工作 如 热电偶温度计 加速度计 能量控制型 从外部供给能量使传感器工作 并由被测量控制外部供给能量的变化 如 电容传感器 第一节概述 4 传感器的性能要求 足够的容量匹配性好 转换灵敏度高精度适当 稳定性高反应速度快 工作可靠性高适应性强 第一节概述 机械式传感器应用很广 在测试基数中 常常以弹性体作为传感器的敏感元件 它的输入量可以是力 压力 温度等物理量 输出则为弹性元件本身的弹性变形 或应变 这种变形可转变成其他形式的变量 如被测量可放大而成为仪表指针的偏转 借助刻度指示出被测量的大小 见教材72页图3 3 优点 具有结构简单 可靠 使用方便 价格低廉 读数直观等 缺点 弹性变形范围小 放大和指示环节多为机械传动 不仅受间隙影响 而且惯性大 固有频率低 应用 只宜用于检测缓变或静态被测量 第三章常用传感器与敏感元件 第二节机械式传感器及仪器 测力计 压力计 温度计 典型机械式传感器 机械式传感器及仪器 为了提高测量的频率范围 可先用弹性元件将被测量转换成位移 然后用其他形式的传感器 如电阻 电容等 将位移量转换成电信号输出 机械式传感器及仪器 近年来 在自动检测 自动控制技术中广泛应用的微型探测开关也被看成是机械式传感器 它能把物体的运动 位置或尺寸变化 转换为接通 断开信号 电阻式传感器 是把被测量转换为电阻变化按工作的原理可分为 变阻器式 电阻应变式 第三章常用传感器与敏感元件 第二节电阻 电容与电感式传感器 一 电阻式传感器 1变阻器式传感器 电位计式传感器 测量方法 通过改变电位器触头位置 实现将位移变化转换为电阻值的变化 r 电阻率 l 电阻丝长度 A 电阻丝截面积 触点C沿变阻器移动x 则C点与A点之间的电阻值 灵敏度 单位长度的电阻值 若导线分布均匀 k1为常数 R与x成线性关系 若电阻丝直径和材质不变 电阻值随长度而变化 变阻器式传感器 左图为回转型变阻式传感器 其电阻值随电刷转角而变化 单位弧度所对应的电阻值 左图为非线性变阻式传感器 或称为函数电位器 其骨架形状根据所要求的输出f x 来决定 灵敏度 变阻器式传感器 等效电路分析 xp 变阻器总长 x 电刷移动量 Rp 总电阻 Rx 电刷电阻 变阻器式传感器 变阻器式传感器 xp 变阻器的总长度 Rp 变阻器的总电阻 RL 后接电路的输入电阻 负载效应 变阻器式传感器 负载效应 U0 x 无负载效应 变阻器式传感器 变阻器式传感器的性能参数 1 结构 尺寸 2 移动或旋转角度范围 3 分辨率 与导线的直径有关 4 输入 输出之间的函数关系 5 寿命 有磨损 变阻器式传感器的分类 按测量类型 单圈电位器 多圈电位器 直线滑动式电位器 变阻器式传感器 按制作方式 线绕电位器 变阻器式传感器 优点 1 结构简单 尺寸小 重量轻 价格低廉且性能稳定 2 受环境因素 如温度 湿度 电磁场干扰等 影响小 3 可以实现输出 输入间任意函数关系 4 输出信号大 一般不需放大 缺点 因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦 因此需要较大的输入能量 由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性 而且会降低测量精度 分辨力较低 20mm 动态响应较差 适合于测量变化较缓慢的量 应用 常用来测量位移 压力 加速度等参量 变阻器式传感器 变阻器式传感器产品 变阻器式传感器 比较 重量设定 原材料 案例 重量的自动检测 配料设备 原理 弹簧 力 位移 电位器 电阻 位移 变阻器式传感器 案例 煤气包储量检测 原理 钢丝 收线圈数 电位器 电阻 变阻器式传感器 案例 玩具机器人 广州中鸣数码 原理 电机 转角 电位器 电阻 变阻器式传感器 2电阻应变式传感器 应变片 电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片 金属电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应 即金属导体在外力作用下发生机械变形时 其电阻值随着所受机械变形 伸长或缩短 的变化而发生变化象 电阻应变片传感器可以用于测量应变 力 位移 加速度 扭矩等参数 具有体积小 动态响应快 测量精度高 使用简便等优点 在航空 船舶 机械 建筑等行业广泛应用 电阻应变式传感器 1 金属电阻应变片 上式中 任何一个参数变换均会引起电阻变化 求其求导数 可得 金属应变片的电阻为 代入上式 可得 电阻应变式传感器 有 金属丝的截面积 金属丝体积不变 电阻丝电阻率的相对变化 与电阻丝所受正应力s有关 电阻丝轴向相对变形 或称纵向应变 电阻丝材料的泊松比 压阻系数 与材料有关 电阻应变式传感器 电阻丝材料的弹性模量 有 金属材料很小 可以忽略 电阻丝几何尺寸改变所引发的 常数 电阻丝的电阻率随应变的改变而改变 上式可简化为 此式表明 电阻相对变化率与应变成正比 灵敏度 多在1 7 3 6之间 电阻应变式传感器 几种常用电阻丝材料物理性能见教材第76页 表3 2 一般市售电阻应变片的标准阻值有60W 120W 350W 600W和1000W等 以120W最为常用 应变片的尺寸可根据使用要求来选用 金属电阻应变片分为丝式 箔式两种 金属丝电阻应变片的典型结构见下图 1 粘合层2 基底3 粘合层4 盖片5 敏感栅6 引出线 电阻应变式传感器 金属箔式应变片的敏感栅 则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝 金属箔栅采用光刻技术制造 适合于大批量生产 由于金属箔式应变片具有线条均匀 尺寸准确 阻值一致性好 传递试件应变性能好等优点 因此 目前使用的多为金属箔式应变片 其结构见图 电阻应变式传感器 应变计 金属应变计 电阻应变式传感器 2 半导体应变片 半导体应变片工作原理是基于半导体材料的压阻效应 即单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时 其电阻率r发生变化的现象 半导体应变片最简单的典型结构如右图所示 使用方法与金属应变片相同 粘贴在被测物体上 随被测试件的应变其电阻值发生相应变化 半导体应变片 半导体在压力 温度及光辐射作用下 能使其电阻率r发生很大变化 单晶半导体在外力作用下 原子点阵排列规律发生变化 导致载流子迁移率及载流子浓度的变化 从而引起电阻率的变化 实际上 任何材料都不同程度地呈现压阻效应 但半导体材料的这种效应特别强 电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料 故仍可用上式来表达 对于金属材料来说 dr r比较小 但对于半导体材料 dr r 1 2m e 即因机械变形引起的电阻变化可以忽略 电阻的变化率主要是由dr r引起的 半导体应变片 几何尺寸改变所引发的 电阻率随应变改变而改变 对于半导体 是半导体应变片的主要部分 灵敏度 比金属丝电阻应变片大50 70倍 上式可简化为 半导体应变片 金属丝电阻应变片 缺点 温度稳定性能差 灵敏度离散度大 在较大的应力作用下非线性误差大等 可重复性不如金属应变片 主要区别 半导体应变片 优点 半导体应变片的最突出优点是灵敏度高 另外还有机械滞后小 横向效应小及它本身体积小等特点 扩大了使用范围 压阻效应 应变效应 利用导体形变引起电阻的变化 利用半导体电阻率变化引起电阻的变化 半导体应变片 固态压阻式传感器的工作原理 与半导体应变片相同 都是利用半导体材料的压阻效应 区别在于 半导体应变片是由单晶半导体材料构成 是利用半导体电阻做成粘贴式敏感元件 固态压阻式传感器中的敏感元件则是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻 所以也称为扩散型半导体应变片 3固态压阻式传感器 机械力作用 硅片产生应变 导电层发生电阻变化 固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量 固态压阻式传感器 固态压阻式传感器优点 灵敏度非常高 有时传感器的输出不需放大可直接用于测量 分辨率高 例如测量压力时可测出10 20Pa的微压 测量元件的有效面积可做得很小 故频率响应高 可测量低频加速度和直线加速度 其最大的缺点是温度误差大 故需温度补偿或恒温条件下使用 利用压阻效应构成的半导体加速度敏感元件如下图 悬臂梁3由于加速度而产生位移 该位移引起扩散压阻层区域变形从而引起压阻层电阻变化 检测电阻变化即可检测出加速度大小 在100Hz左右的带宽中 可检测 0 001 50 g g 9 8m s2 的加速度 固态压阻式传感器 如图是一个采用单晶硅作成的悬臂梁式弹性元件 并且采用平面扩散工艺技术 在它上面形成四个性能一致的电阻 构成全桥 在梁的自由段连接上敏感质量块 组成悬臂梁应变式加速度传感器 固态压阻式传感器 应变片的主要参数 4 其它表示应变计性能的参数 工作温度 滞后 零漂以及疲劳寿命 横向灵敏度等 1 几何参数 丝栅宽度b 制造厂常用b L表示 2 电阻值 应变计的原始电阻值 3 灵敏系数 表示应变计变换性能的重要参数 电阻应变片 电阻应变片的选择 粘贴技术 1 目测电阻应变片有无折痕 断丝等缺陷 有缺陷的应变片不能粘贴 2 用数字万用表测量应变片电阻值大小 同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0 5欧姆 3 试件表面处理 贴片处用细纱纸打磨干净 用酒精棉球反复擦洗贴处 直到棉球无黑迹为止 4 应变片粘贴 在应变片基底上挤一小滴502胶水 轻轻涂抹均匀 立即放在应变贴片位置 电阻应变片 5 焊线 用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上 6 用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织 应大于500M欧 7 应变片保护 用704硅橡胶覆于应变片上 防止受潮 电阻应变片 电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面 1 将应变片粘贴于被测构件上 直接用来测定构件的应变和应力 例如 为了研究或验证机械 桥梁 建筑等某些构件在工作状态下的应力 变形情况 可利用形状不同的应变片 粘贴在构件的预测部位 可测得构件的拉 压应力 扭矩或弯矩等 从而为结构设计 应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据 电阻应变片 齿轮 飞机 立柱 桥梁 2 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 这种传感器常用来测量力 位移 加速度等物理参数 在这种情况下 弹性元件将得到与被测量成正比的应变 再通过应变片转换为电阻变化的输出 典型应用见图 图中所示为加速度传感器 由悬臂梁 质量块 基座组成 测量时 基座固定振动体上 振动加速度使质量块产生惯性力 悬臂梁则相当于惯性系统的 弹簧 在惯性力作用下产生弯曲变形 因此 梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比 电阻应变片 电阻应变式传感器的应用 测力 电阻应变式传感器测出的不是该处的应力 力或位移 而是构件或弹性元件上某处的应变 只有通过换算或标定 才能得到相应的应力 力或位移 电阻应变片 标准产品 电阻应变片 案例1 冲床生产记数和生产过程监测 电阻应变片 案例2 桥梁固有频率测量 电阻应变片 案例3 电子称 原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出 电阻应变片 案例4 机器人握力测量 电阻应变片 案例5 振动式地音入侵探测器 适合于金库 仓库 古建筑的防范 挖墙 打洞 爆破等破坏行为均可及时发现 电阻应变片 电阻应变片 3 测量电路 电桥 教材第127页 直流电桥 交流电桥 按激励电源 偏值法 归零法 按工作原理 电桥 平衡条件 直流电桥 如右图所示 以电阻R1 R2 R3 R4组成电桥的四个桥臂 在电桥的对角点a c端接入直流电源Ue b d端输出电压Uo 电桥四个桥臂中的一个或多个是阻值随被测量变化的电阻传感器元件 如电阻应变片 电桥 电桥的接法 单臂连接 半桥连接 全桥连接 电桥 单臂连接 令 为了简化桥路 设计时取相邻两桥臂电阻相等 即 电桥 上式可简化为 一般 电桥的输出电压Uo与激励电压Ue成正比 在激励电压Ue一定的条件下 与工作桥臂的阻值变化量呈单调线性关系 结论 存在非线性误差 电桥 半桥连接 若 工作中有两个桥臂 设计时通常取相邻两桥臂 的阻值随被测