传感技术与测控电路应用.ppt

测控电路 含传感器 MEASURING CONTROLINGCIRCUITANDSENSOR 2009 天津大学精密仪器与光电子工程学院 Ch2电阻式传感器 CH2电阻式传感器 温度传感器 基本原理 CH2电阻式传感器 应力与应变 一 应力 F F 应力 由外力引起的内力集度 应力与应变 二 应变 轴向应变 l l 1 径向应变 r r 2 泊松比 3 应力与应变 二 应力与应变的关系 E 杨氏弹性模量 E 应力与应变 二 应力与应变的关系 1 2 485u 3 一 工作原理 横截面 A长度 l半径 r电阻率 横截面 A A长度 l l半径 r r电阻率 1应变式传感器 机械变形 满足关系式 泊松比 轴向应变 l l径向应变 r r 一 工作原理 1应变式传感器 电阻变化 1应变式传感器 1 2 阻值变化 一 工作原理 1应变式传感器 几何变形 电阻率变化 电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时 其电阻值将发生变化 这种现象称为金属的电阻应变效应 应变式传感器是利用电阻应变效应 将被测物体变形转换成电阻变化的传感器 一 工作原理 1应变式传感器 一 工作原理 1应变式传感器 如何应用应变式传感器进行测量 敏感栅 一 工作原理 1应变式传感器 应变片 一 工作原理 1应变式传感器 如何应用应变式传感器进行测量 E 一 工作原理 1应变式传感器 如何应用应变式传感器进行测量 金属丝式金属箔式金属薄膜式 根据敏感栅分 二 类型与结构 1应变式传感器 金属丝式 特点 制作简单 成本低廉 使用方便 性能稳定 存在横向效应 二 类型与结构 1应变式传感器 特点 1 可制成复杂形状的敏感栅 2 与试件接触面积大 粘结与散热性好 3 横向效应小 4 电阻值分散性大 金属箔式 二 类型与结构 1应变式传感器 1 机械性能发生极大的改变 2 无需与基体粘贴 消除滞后 3 适于批量生产 4 允许电流密度大 灵敏系数大 温度影响小 利用薄膜技术制成厚度小于0 1um的薄膜敏感栅 特点 金属薄膜式 二 类型与结构 1应变式传感器 1 灵敏系数 1 与金属材料有关 常选用K较大的合金材料 K称为灵敏系数 k 1 2 一般为2左右 2 实际的金属应变片比金属丝的K值小 三 特性指标 1应变式传感器 2 机械滞后 原因 主要是敏感栅 基底和粘合层在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的 应变片安装在试件上 在一定温度下 其加载特性与卸载特性不重合 它们的最大差值称为应变片的机械滞后 三 特性指标 1应变式传感器 3 零漂和蠕变 粘贴在试件上的应变片 在温度保持恒定 不承受机械应变时 其电阻值随时间而变化的特性 称为应变片的零漂 三 特性指标 1应变式传感器 如果在一定温度下 使应变片承受恒定的机械应变 其电阻值随时间而变化的特性 称为应变片的蠕变 蠕变中包含零漂 零漂是蠕变的特例 3 零漂和蠕变 三 特性指标 1应变式传感器 4 横向效应 弯成敏感栅以后 长度不变 但由于弧段的存在 R1 R2 所以灵敏系数k减小 这种现象就是横向效应 三 特性指标 1应变式传感器 5 其他特性 1 最大工作电流 2 绝缘电阻 3 电阻值R 如何选择这些参数 三 特性指标 1应变式传感器 三 特性指标 1应变式传感器 应变片 标称电阻R 120 灵敏度系数K 2 120 2 485 10 6 0 12 0 1 1 2 阻值变化 几何变形 电阻率变化 一 工作原理 2压阻式传感器 半导体 这个式子表达的现象称为压阻效应 即半导体材料受力作用时 电阻率发生变化 压阻式传感器就是利用压阻效应工作的 一 工作原理 2压阻式传感器 1 粘贴式 2 扩散型 一 工作原理 2压阻式传感器 灵敏系数Kb 60 150 灵敏系数特别大 这是压阻式传感器的突出特点 不存在横向效应半导体材料的导电特性对温度非常敏感 阻值变化 Kb 一 工作原理 2压阻式传感器 3转换电路 一 直流电桥 3转换电路 平衡时 UB UD 条件 R4 R3 R2 R1 一 直流电桥 3转换电路 一 直流电桥 3转换电路 Uo UB UD 时 一 直流电桥 3转换电路 电桥灵敏度 1 Ku与输入电压有关 2 Ku与n有关 何时Ku最大 一 直流电桥 3转换电路 如何克服直流单臂电桥的非线性问题 差动技术 f x a0 a1x a2x2 anxnf x a0 a1x a2x2 an x n f x 2a1x 2a3x3 二 差动电桥 3转换电路 二 差动电桥 3转换电路 三 恒流源 3转换电路 恒流源如何减小非线性 用应变片测量时 由于环境温度变化而引起电阻变化 由此而产生的测量误差 称为应变片的温度误差 三 温度误差与补偿 3转换电路 原因敏感栅电阻随温度的变化引起的误差 三 温度误差与补偿 3转换电路 t 温度增量 电阻温度系数 原因 试件材料的线膨胀引起的误差 三 温度误差与补偿 3转换电路 灵敏度系数 试件膨胀系数 应变片膨胀系数 原因总的误差 三 温度误差与补偿 3转换电路 热输出 方法 1 自补偿法 三 温度误差与补偿 3转换电路 对于给定的试件 通过对敏感栅材料合适的热处理工艺 改变合金成份等措施 使得at满足上式 或两段不同材质的敏感栅串接 使得 R1 R2 2 线路补偿法接入消除温度影响的电阻 如差动补偿 热敏电阻 补偿电阻 三 温度误差与补偿 3转换电路 R1 Rc 1 结构简单 使用方便 性能稳定 可靠 适应性强 信号处理简单 能适应较大的振动和冲击 抗辐射能力强 2 灵敏度 精度高 动态测量 测量范围大 3 便于多点测量 远距离测量和遥测 4 压阻式灵敏系数大 分辨率高 频率响应高 体积小 适于半导体工艺 机械滞后小 横向效应小 但易受温度影响 机械强度差 一 应用特点与范围 4应用 综合误差在1 0 0 1 高精度力传感器已能达到0 03 0 01 压力 104 109Pa 力 0 1 107N 一 应用特点与范围 4应用 1 应变 应力 2 力 如拉力 压力 压强 扭矩 3 加速度 位移等 一 应用特点与范围 4应用 广泛用于测应力 应变 力 称重 位移 加速度及扭矩等 并且在力学量传感器中 电阻应变式传感器至今仍占有主导地位 一 应用特点与范围 4应用 建筑上常用应变片检测建筑物的所承受的应力和应变 如大坝 立交桥的立柱等 可以长时间检测 粘贴在建筑物表面