阻抗式结构型传感器

1 2 阻抗式结构型传感器技术阻抗式结构型传感器技术 1 阻抗式结构型传感器的敏感元件阻抗式结构型传感器的敏感元件 1 1 1 弹性敏感元件的主要性能 1 1 2 常用弹性元件的结构和性能 2 1 3 弹性敏感元件的材料 6 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 7 2 1 电阻应变计的基本原理与结构 7 2 2 电阻应变计的主要特性 9 2 3 电阻应变计的温度效应及其补偿 11 3 电容式传感器电容式传感器 14 3 1 电容式传感器的原理与结构 14 3 2 应用中存在的问题及其改进措施 17 4 电感式传感器电感式传感器 21 4 1 电感器式传感器的原理 21 4 2 自感式传感器的原理与结构 22 4 3 互感式传感器 差动变压器 23 4 4 自感式和互感式传感器的误差 26 4 5 电涡流式传感器 28 5 调理电路调理电路 31 5 1 电桥式测量电路 直流与交流电桥 31 5 2 阻抗式传感器的差动结构 37 5 3 电流电压积分差动电路 39 5 4 直接放大 后续电路或软件调零 42 6 微机械传感器微机械传感器 44 6 1 微机电系统的分类和特点 44 6 2 微机械传感器的制造技术 45 6 3 微机械传感器的结构和原理 46 7 7 阻抗式结构型传感器应用与设计示例阻抗式结构型传感器应用与设计示例 50 6 1 电阻应变式传感器 50 6 2 电容式传感器 51 6 3 电感式传器 53 6 4 微机械传感器 55 思考题思考题 2 第二篇第二篇 阻抗式结构型传感器阻抗式结构型传感器 阻抗式结构型传感器依靠敏感结构的变形 运动 将被测量转变成阻抗的电量 主要有电 阻应变式传感器 电容式传感器 电感式传感器 这类传感器除结构相似外 它们的共同特点 还有 1 同时存在两种转换器件 其一是将被测量转换成变形 位移 运动等机械量的敏感元 件 如 弹性元件 各种运动机构 敏感元件的形式决定了传感器的结构 其二是将被敏感到 的机械量转换成电阻 电容 电感等电阻抗量的转换元件 转换元件决定了传感器的测试原理 仅由转换元件也可以直接构成简单的传感器 但转换元件的使用范围 被测量类型 量程等 将受到很大限制 实际上 常常是敏感元件决定了传感器的功能和外貌 2 这类传感器是无源 性器件 必须有外接电源才能有电信号输出 因此 传感器的精度和灵敏度也与供电电压有关 1 阻抗式结构型传感器的敏感元件阻抗式结构型传感器的敏感元件 阻抗式结构型传感器的敏感结构可分为弹性变形和运动机构两类 弹性变形式敏感结构的 原理是 利用被测量伴随的力作用 将被测量转变成弹性体的微量弹性变形 或由被测对象直 接牵引引起敏感元件的变形或位移 运动机构主要是旋转运动 直线变换机构 或运动放大机 构 常用的机构主要是齿轮机构 杠杆和连杆机构 可参考机械设计的有关书籍 本章主要介 绍弹性敏感元件 1 1 弹性敏感元件的主要性能弹性敏感元件的主要性能 弹性敏感元件的主要性能有弹性特性 灵敏度 刚度 谐振频率 品质因数 安全系数等 1 弹性特性 指元件的输入 输出特性 一般指力 变形位移 挠度 特性 可用下式表 示 或 2 1 Ff 1 fF 式中 F 表示施加于敏感元件的力或力矩 为变形量或位移 2 灵敏度与刚度 灵敏度 S 由下式表示 2 2 S F 敏感元件的刚度是灵敏度的倒数 理想传感器要求有较高的灵敏度 同时传感器的位移与 被 测量对象的运动误差无关 即有足够的刚性 但是 很多情形下 传感器的位移也是被测 对象的运动误差 因此 设计传感器时应当综合考虑 3 谐振频率 弹性敏感元件的固有频率决定其动态特性 一般来说 固有频率越高 动态特性越好 弹性 元件是一个质量连续分布的系统 可以有无穷多个谐振点 一般最关心谐振频率的最低一个 称为基频 敏感元件的谐振频率可由计算获得 但必须由实验校正 可用下式估计 或 2 3 n e k m 1 2 n e k f m 件的等效振动质量 k 元件的弹簧常数 e m 4 弹性滞后和后效 弹性滞后是指弹性敏感元件在弹性变形范围内 加 卸载的正反行程变形不重合的现象 一般用最大变形滞后与最大变形的百分比表示 加在弹性敏感元件上的载荷发生变化后 其变 形并不能立即随载荷变化 加载 或卸载 后经过一段时间应变才增加 或减小 到一定数值 的现象称为弹性后效 在动态测试时 易造成测试误差 5 安全系数 安全系数反映敏感元件的承载能力 用下式表示 或 2 4 max n 弹性极限 最大工作应力 max n 3 表示材料单位面积的受力 即应力 单位为 Pa F 为受力或载荷 A 为承载面积 F A 表示材料的许用应力 安全系数越大 敏感元件的过载能力越强 但可能体积越大 越笨 重 一般以 1 5 5 为宜 除上述特性外 还有材料的蠕变 温度特性等 1 2 常用弹性元件的结构和性能常用弹性元件的结构和性能 常用弹性元件主要有环形结构 梁 膜片式结构 波纹管和波登管 谐振结构 它们的性 能取决于元件的结构和材料的力学特性 1 基本拉压 基本拉压 材料受力变形的最基本形式是拉压变形 由下式计算 2 5 E 式中 为应变 即单位长度的变形 因此它是一个无量纲 习惯上将 10 6称为一个 l l 微应变 l 是受力后发生的长度变形 l 为变形长度 E 为材料的弹性模量 单位 Pa 它是一 个仅与材料有关的参数 一般材料受力方向称为纵向 受力发生纵向变形的同时 横向也会发 生变形 用 x 或 y 表示 则有下述关系 称为泊松比 泊松比是材料的基本 x 力学参数 一般钢材可取 0 25 其它材料可从有关手册查得 等截面杆件 等壁厚圆筒可视为基本拉伸结构 设计时应满足 2 弹性梁 弹性梁 变形以弯曲为主的结构称为弹性梁 按支承形式可分有悬臂梁 简支梁等 按承载特性可 分有等截面梁 等强度梁等 只有一端支承的梁称为悬臂梁结构 如图 2 1 所示 图中 b b1分别为悬臂梁自由端宽度和固定端宽度 l 为力的作用点距固定端的长度 h 为梁 的厚度 x 为测试点的位置 等截面梁的最大应力为 2 6 max 2 6Fl bh 测试点的应力为 2 7 2 6 xF bh 自由端最大挠度 max为 2 8 3 max 3 4Fl Ebh 固有频率为 2 9 n 2 0 162hE f l 式中 为材料的密度 可见 材料的弹性模量 密度均会影响梁的固有频率 等截面梁测试点的应力和应变均与位置 l0有关 使用时不够方便 为此可设计等强度梁 如图 2 2 所示 使 2 10 x 2 6Fx b h 则 梁各处的应力相等 应变也相等 因此 使用时 可以不考虑测试点的位置 自由端最大挠度 max为 2 11 3 max 3 6Fl Ebh 梁的固有频率为 2 12 0 2 0 136hE f l 有时 要求传感器有较高的刚性和承载能力 此时多采用两 端固定梁 如图 2 3 所示 两端固定梁是一种静不定系统 常用 图 2 1 等截面梁 图 2 2 等强度梁 图 2 3 两端固定梁 4 梁中点位置作为测试点 称为中断面 中断面的应力为 2 13 2 3Fl 4bh 应变为 2 14 2 3Fl 4bh E 最大挠度也发生中断面 为 2 15 3 max El 192EJ 自振频率为 2 16 0 2 22 37EJ f 2 lA 式中 J 为截面惯性矩 是一个与截面形状有关的参数 单位 m4 矩形截面 J bh2 12 其它截面形状可参考有关手册 上述的梁只能用于测试单向力或变形的场合 为了测试多向 力 常采用十字梁结构 如机器人腕力传感器 3 环形结构 环形结构 称重式传感器中常用到如图 2 4 所示的圆环形结构 受力 F 的作用 A B 两处的应力为 2 17 2 54Fd 100bh 应变为 2 18 2 54Fd 100bh E 自振频率为 2 19 0 2 10 72EJ f 2 dA 图 2 5 所示的扁环形结构也常用于测量力传 感器 它的弯矩是 FR2HR Msincos 22 2 20 这种结构的特点是 当图中 90 处的弯矩与水平力 H 无关 可用来测量法线方向的力 F 而 40 的弯矩与法向力 F 无关 可用来测量法线方向的力 H 扁环的应力和应变可采用 圆环计算方法 4 膜片式结构 膜片式结构 膜片式结构可用于测量与微小位移有关的量 虽然膜片的结构非常简单 但应力分布却比 较复杂 按膜的形状可分为平膜片 带硬中心的膜片和波纹膜等 按受力方式可分为集中力载 荷和均布力载荷 按应力的性质可分为厚膜和薄膜 膜受载后变形 中心的挠度 0最大 设 膜厚为 h 如果 0 h 1 3 则可按厚膜计算 厚膜的变形以弯曲为主 膜的拉压处于次要地位 如果 0 h 5 则按薄膜计算 认为薄膜是柔软的 无弯曲刚度和弯曲应力 膜的变形 以拉压为主 以下给出薄膜结构的例子 1 平膜 平膜适合与测量受均布载荷的情形 圆形平膜的结构如图所示 在集中载荷 p 的作用下 膜的径向应为 2 21 22 r 2 3p R1 r3 8h 切向应力为 图 2 4 环形结构 图 2 5 扁环形结构 图 2 6 平薄膜受均布载荷 5 2 22 22 t 2 3p R1 r1 3 8h 小变形条件下 径向应变为 2 23 2 22 rt 2 3p 1 1 R3r E8Eh 切向应变为 2 24 2 22 ttr 2 3p 1 1 Rr E8Eh 在膜中心 r 0 处 膜的切向应力和径向应力相等 切向应变和径向应变也相等 而且达到正的 最大值 为 2 25 2 2 r0t0 2 3pR 1 8Eh 2 2 r0t0 2 3pR 1 8Eh 在膜片边缘 r R 处 膜的切向应力和径向应力 切向应力都达到负的最大值 而切向应变为零 2 26 ra 2 3pR 4h 2 ta 2 3pR 4h 2 2 ru 2 3pR 1 4h ta 0 可见 径向应力和应变有一拐点 拐点在 r 0 573R 处 此时 r 0 r 0 使用单轴应变 计时应避开这个点 平膜片的挠度为 2 27 2 2 22 3 3p 1 Rr 16Eh 可见 中心 r 0 处挠度最大 为 2 28 24 0max 3 3p 1R 16Eh 平膜片的最小自振频率为 2 29 0 2 2 10 17hE f 2 R12 1 2 带有硬中心的膜片 在传感器中 带有硬中心的膜片也有广泛的应用 其特征是膜的中心很厚 可以认为是刚 体 常利用硬中心将均布压力转换为集中力 在小位移下有较高的应力 因而有更高的灵敏度 有硬中心的膜片结构如图 2 7 所示 硬中心的挠度仍然最大 2 30 2 424 000 max 342 3 1 rrrpR 14ln 16EhRRR 最大弯曲应力发生在硬心的边缘和膜片的边缘 2 31 0 22 0 rr 22r Rr r r3pR 1 4hR 5 弹性谐振元件 弹性谐振元件 弹性谐振元件能将被测量转变成频率信号 常用的谐振元件有振动弦 振动梁 振动膜和 振动筒 1 两端固定弦的振动频率可用下式计算 图 2 7 硬中心的薄膜受均布载荷 6 2 32 n nnT f 2l2lm 式中 n 为半波波 基频时取 1 l 为弦长 T 为张力 m 为弦的单位长度质量 为应力 为弦材料密度 2 两端固定矩形截面振动梁的固有频率按下式计算 2 33 22 n nn 23 hENl f1 2 l12Ebh 式中 n 为模态系数 对基模取 4 73 n 1 0 295 N 轴向力 6 其它结构 其它结构 传感器器还常采用波纹管和波登管作敏感元件 波纹管 是具有规则形状的圆形薄壳 在轴向力 径向力或扭矩的作 用下能产生相应的位移 按波纹成型方法可分为无缝波纹管 和有缝波纹管 无缝波纹管采用液压成型 已经有完整的规 格系列 有缝波纹管采用膜片冲压成型 再沿周边焊接的工 艺制造 其性能优越 在精密仪器中应用广泛 波登管的截面一般采用椭圆形或扁形管状 由于非圆形 截面在内腔压力作用膨胀 导致波登管形状发生变化 从而 引起自由端的位移 几种常见的波登管如图 2 9 所示 1 3 弹性敏感元件的材料弹性敏感元件的材料 对弹性元件材料的性能有以下要求 强度高 弹性极限高 有较高的冲击韧性和疲劳 极限 弹性模量的温度系数小而稳定 热处理后有均匀稳定的组织 且各向同性 热膨胀 系数小 具有良好的工艺性 如机械加工性能和热处理性能 较好的耐腐蚀性能 弹性滞 后小 一种材料很难满足上述所有的条件 选用时要根据传感器的工作和使用条件综合考虑 常用的弹性合金可分为两大类 高弹性合金和恒弹性合金 高弹性合金主要是铜基合金 如黄铜 磷青铜 钛青铜 铍青铜等 铁基合金由于耐高温 耐腐蚀性好 有逐渐取代铜基合金的趋势 代表性的材料如 不锈钢 17 4PH CCr17Ni4Al 蒙太尔合金 高弹合金的弹性模量随温度变化较大 目前普遍采用恒弹合金制作弹性元件 恒 弹合金的特点是弹性模量的温度稳定性较好 一般小于 10 5 如 Ni42CrTiAl 我国代号为 3J53 更理想的高温恒弹合金是铌基合金 它的特点是无磁性 磁导率在 10 6数量级 恒弹性 700 时的弹性温度系数在 10 6 弹性模量低 为 1 1 1010Pa 有利于提高传感器的灵敏度 强度高 耐腐蚀性好 石英和硅是现代高精度传感器的理想弹性材料 它们的密度约为不锈钢的 1 3 滞后 1 100 线膨胀系数约为其 1 30 为微机械传感器的首选材料 此外 有时也用铝合金作为弹性元件的材料 a 圆形截面 b 蝶形截面 图 2 8 波纹管 图 2 9 波登管 7 2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变式传感器的工作原理基于四个基本的转换环节 力 F 应变 电阻变化 R 电压输出 V 其中 力 应变由敏感元件完成 这一转换依赖于传感器的结构 应变 电阻变化由电阻应变式转换元件完成 即金属应变效应 电阻变化 电压输出则由测试 电路完成 三个转换过程构成一个完整的电阻应变式传感器 1856 年 英国物理学家 W Tomson 首先发现了金属材料的应变效应 1937 年 美国科学家 E Simmons 和 A Ruge 制成了世界上第一片纸基丝绕电阻应变计 1940 年 研制发明了第一代电阻应变式传感器 经 过几十年努力 应变式传感器的设计技术和工艺技术日趋完善 测量精度和使用可靠性日趋提 高 至今 它已几乎应用到了所有称量领域和各种测力领域 2 1 电阻应变计的基本原理与结构电阻应变计的基本原理与结构 2 1 1 导电材料的电阻应变效应导电材料的电阻应变效应 一根金属导线受拉伸长时电阻增大 受压缩短时电阻减小 这个规律称为金属材料的电阻 应变效应 设有一段长为 l 截面积为 A 电阻率为 的导体 如金属丝 它具有的电阻为 2 33 A l R 当它受到轴向力 F 而被拉伸 或压缩 时 其 l A 和 均发生变化 如图 2 10 所示 因而导 体的电阻随之发生变化 通过对式 2 1 两边取对数后再作微分 即可求得其电阻相对变化 图 2 10 导体受位伸后的参数变化 式中 l l 材料的轴向线应变 常用单位 1 1 10 6mm mm 而 dA A 2 dr r 2 其中 r 导体的半径 受拉时 r 缩小 导体材料的泊松比 通常 0 0 5 代入上式可得 2 34 21 R R 由机械应力引起的电阻率变化称为压阻效应 压阻效应来源于金属晶格间距变化 纵向延伸引 起间距增大 使电子迁移率降低 因而导致电阻率增大 布里奇曼 P W Bridgman 证明 金 属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有如下关系 2 35 V C V dd 式中 C 布里奇曼常数 由材料和加工方式决定 因此 2 36 dV Vdl ldS S1 2 代人式 2 34 并考虑到实际上面 R R 故可得 2 37 m R 1 2C 1 2K R 式中 Km 2 C 1 2 金属丝材的应变灵敏系数 简称灵敏系数 上式表明 金属材料的电阻相对变化与其线应变成正比 这就是金属材料的电阻应变效应 arcsin RlA RlA 8 2 1 2 电阻应变计的类型电阻应变计的类型 应变计按材料可分为金属应变计和半导体应变计两大类 常用金属材料有 铜镍合金 Cu55Ni45 康铜合金 Cu57Ni43 卡马合金 Ni75Cr20FexAly 镍铬合金 Ni80Cr20 恒弹 性合金 Ni36Cr8Fe55 5Mo0 5 贵金属 铂 Pt 铂合金等 康铜合金是最常用的应变计材料 卡马合金是长时期 数月 数年 进行静态测试的优选材料 疲劳寿命和使用温度范围优于康 铜 恒弹性合金温度系数大但疲劳寿命长 适于动态侧测量 半导体应变计的材料有硅和锗 可制成 P 型或 N 型 金属应变计的灵敏度系数在 3 左右 半导体应变计有很高的灵敏度 为 30 170 常见的电阻应变式传感器是带有封装结构的敏感元件 称为应变片 如图所示 按材料和 形状可分为丝式 箔式和半导体式三种 丝式应变计常用直径为 0 025mm 的金属丝材绕成 这 种应变计工艺最简单 箔式应变计的厚度在 0 005 0 01mm 之间 用光刻 腐蚀工艺制成 它 有横向效应小 散热性好 疲劳强度高等特点 半导体式采用半导体材料制成 它的灵敏度比 金属丝材要高得多 图 2 11 典型应变计的结构与组成 a 丝式 b 箔式 c 半导体 1 敏感栅 2 基底 3 引线 4 盖层 5 粘结剂 6 电极 如图 2 11 所示 敏感栅是实现应变 电阻转换的敏感元件 图中 l 表示栅长 b 表示栅宽 一般在 2 5mm 之间 其电阻值一般为 100 通常用粘结剂将它固结在纸质或胶质的基底上 基底的作用是保持敏感栅固定的形状 尺寸和位置 应变计工作时 基底起着把试件应变准确 地传递给敏感栅的作用 基底很薄 一般为 0 02 0 04mm 引线与测试电路连接 通常取直 径约 0 1 0 15mm 的低阻镀锡铜线 并用钎焊与敏感栅端连接 盖层是纸质或胶质的保护层 起着防潮 防蚀 防损等作用 图 2 11 为单向金属应变计 只能测量一个方向的应变 还有将两个互相垂直的应变计制在 一个基底上的应变计 可以测量平面应力 也可以将两者之一作温度补偿用 还有将电阻应变 丝材按圆周布置 这类应变计称为应度变化 也用于测量平面应力和应变 2 1 3 应变计的使用应变计的使用 非粘贴式应变计采用机械的方法将金属丝材固定在传感器的结构中 这种传感器灵敏度很 高 还要求有合理的预紧 张力调节措施 结构复杂 已经较少使用 粘贴式应变计要用粘结 剂粘贴到试件上或传感器的弹性敏感结构上 粘贴质量对传感器性能的影响很大 对粘结剂和 粘贴工艺均有一定要求 粘结剂的主要功能是要在切向准确传递试件的应变 一般要求具备 1 与试件表面有很高 的粘结强度 一般抗剪强度应大于 9 8MPa 2 蠕变 滞后小 温度和力学性能参数要尽量与 试件相匹配 3 抗腐蚀 涂刷性好 固化工艺简单 4 电绝缘性能 耐老化与耐温耐湿性能均良 好 常温时可用各种树脂粘结剂 如环氧树脂 酚醛树脂等 高温时可用磷酸盐类粘结剂 可 耐 700 高温 一般情况下 粘贴与制作应变计的粘结剂是可以通用的 但是 粘贴应变计时 受到现场加温 加压条件的限制 通常在室温工作的应变计多采用常温 指压固化条件的粘结 9 剂 非金属基应变计若用在高温工作时 可将其先粘贴在金属基底上 然后再焊接在试件上 粘贴工艺要经过准备 涂胶 贴片 复查 接线和防护等工序 各工序的一般要求如下 1 准备 试件 在粘贴部位的表面 用砂布在与轴向成 450的方向交叉打磨至 Ra 为 6 3 m 清洗净打磨面 划线 确定贴片坐标线 均匀涂一薄层粘结剂作底 应变计 外 表和阻值检查 刻划轴向标记 清洗 2 涂胶 在准备好的试件表面和应变计基底上均匀涂一薄层粘结剂 3 贴片 将涂好胶的应变计与试件 按坐标线对准贴上 用手指顺轴向滚压 去除气 泡和多余胶液 按固化条件固化处理 4 复查 贴片偏差应在许可范围内 阻值变化应在测量仪器预调平范围内 引 线和试件间的绝缘电阻应大于 200 M 5 接线 根据工作条件选择好导线 然后通过中介接线片 柱 把应变计引线和导线 焊接 并加以固定 6 防护 在安装好的应变计和引线上涂以中性凡士林油 石蜡 短期防潮 或石蜡 松 香 黄油的混合剂 长期防潮 或环氧树脂 氯丁橡胶 清漆等 防机械划伤 作防护用 以 保证应变计工作性能稳定可靠 2 2 电阻应变计的主要特性电阻应变计的主要特性 本节讨论的应变计特性是指用以表达应变计工作性能及其特点的参数或曲线 应变计的工 作特性与其结构 材料 工艺 使用条件等多种因素有关 无论一次性使用还是重复使用 应 变的实际工作特性指标 均应符合国家标准规定 从批量生产中按比例抽样实测而得 2 2 1 静态特性静态特性 静态特性是指应变计感受试件不随时间变化或变化缓慢的应变时的输出特性 表征应变计 静态特性的主要指标有灵敏系数 灵敏度指标 机械滞后 滞后指标 蠕变 稳定性指标 应变极限 测量范围 等 1 灵敏系数 灵敏系数 K 当具有初始电阻值 R 的应变计粘贴于试件表面时 试件受力引起的表面应变 将传递给应 变计的敏感栅 使其产生电阻相对变化 R R 实验证明 在一定的应变范围内 有下列关系 2 38 x K R R 式中 x 应变计轴向应变 Kx 应变计的灵敏系数 必须指出 应变计的灵敏系数 K 并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数 Km 一般情况 下 Kx Km 这是因为 在单向应力产生双向应变的情况下 K 除受到敏感栅结构形状 成型 工艺 粘结剂和基底性能的影响外 尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响 应变计的灵敏系 数直接关系到应变测量的精度 因此值通常采用从批量生产中每批抽样 在规定条件下通过实 测确定 即应变计的标定 故 K 又称标定灵敏系数 上述规定条件是 试件材料取泊松比 0 285 的钢 试件单向受力 应变计轴向与主应力方向一致 2 机械滞后 机械滞后 Zj 实用中 由于敏感栅基底和粘结剂材料性能 或使用中的过载 过热 会使应变计产生残 余变形 导致应变计多次测量时输出特性曲线不重合 这种不重合性用机械滞后 Zj 来衡量 它是指粘贴在试件上的应变计 在恒温条件下增 加载 减 卸载 试件应变的过程中 对 应同一机械应变所指示应变量 输出 之差值 见图 2 12 所示 通常在室温条件下 要求机械 滞后 Zj 3 10 实测中 可在测试前通过多次重复预加 卸载 来减小机械滞后产生的 误差 10 图 2 12 应变计的机械滞后特性 图 2 13 应变计的蠕变和零漂特 性 3 蠕变 蠕变 和零漂 和零漂 PO 粘贴在试件上的应变计 在恒温恒载条件下 应变量随时间单向变化的特性称为蠕变 如 图 2 13 中 所示 当试件初始空载时 应变计示值仍会随时间变化的现象称为零漂 如图 2 13 中的 P0表示 蠕变反映了应变计在长时间工作中对时间的稳定性 通常要求 3 15 s 引起蠕变的主要 原因是 制作应变计时内部产生的内应力和工作中出现的剪应力 使丝栅 基底 尤其是胶层 之间产生的 滑移 所致 选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料 适当减薄胶层和基底 并 使之充分固化 有利于蠕变性能的改善 4 应变极限 应变极限 lim 应当知道 应变计的线性 灵敏系数为常数 特性 只有在一定的应变限度范围内才能保持 当试件输人的真实应变超过某一限值时 应变计的输出特性将出现非线性 在恒温条件下 使 图 2 14 应变计的极限应变特性 非线性误差达到 10 时的真实应变值称为应变极限 lim 如图 2 14 所示 应变极限是衡量应变 计测量范围和过载能力的指标 通常要求 lim 8000 2 2 2 动态特性动态特性 实验表明 机械应变以声波的形式在材料中传播 当它依次通过一定厚度的基底 胶层 两者都很薄 可忽略不计 和敏感栅就会有时间的滞后 应变计对正弦应变波的响应是在其 栅长范围内所感受应变量的平均值 因此 响应波的幅值将低于真实应变波 从而产生误差 应变计的这种响应滞后对动态 高频 应变测量 尤其会产生误差 应变计的动态特性就是指 其感受随时间变化的应变时之响应特性 实际衡量应变计动态工作性能的另一个重要指标是疲劳寿命 它是指粘贴在试件上的应变 计 在恒幅交变应力作用下 连续工作直至疲劳损坏时的循环次数 用 N 表示 它与应变计的 取材 工艺和引线焊接 粘贴质量等因素有关 一般要求 N 105 107次 2 3 电阻应变计的温度效应及其补偿电阻应变计的温度效应及其补偿 11 2 3 1 温度效应及其热输出温度效应及其热输出 理想电阻应变片的电阻值仅由被测应变值决定 实际应变片的电阻变化还受温度影响 称 为应变片的温度误差 设工作温度变化为 t 则由此引起粘贴在试件上的应变计电阻的相对变化为 2 39 tst R tKt R 式中 at 敏感栅材料的电阻温度系数 K 应变计的灵敏系数 s t 分别为试件和敏感栅材料的线膨胀系数 上式即应变计的温度效应 相对的热输出为 2 40 T ttst R R 1 tt KK 一般 at 20 10 6C 1 若 s 11 10 6C 1 t 15 10 6C 1 t 5 取 K 2 则 t 20 2 15 11 5 10 6 70 u 热输出通常可以造成 10 以上的误差 因此必须采取相应措施消除 可见 造成电阻应变计温度误差的原因可分为两类 1 电阻的热效应 即敏感栅金属丝电 阻自身随温度产生的变化 2 试件与应变丝的材料线膨胀系数不一致 使应变丝产生附加变形 从而造成电阻变化 2 3 2 热输出补偿方法热输出补偿方法 可以采用以下措施补偿热输出 1 自补偿法 自补偿通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿 1 单丝自补偿 通过改变敏感栅的合金成份及热处理规范来调整 t t能与试件材料的 s相匹配 使应变丝材料满足 2 41 tst K 就能达到温度自补偿的目的 这种自补偿应变计的最大优点是结构简单 使用方便 但通用性 差 应变丝制造工艺较复杂 2 双丝自补偿 这种应变计的敏感栅是由电阻温度系数为一正一负的两种合金丝串接而成 如图 2 15 所示 应变计电阻 R 由两部分电阻 Ra和 Rb组成 即 R Ra Rb 当工作温度变化 图 2 15 双丝自补偿应变器 a 丝烧式 b 短接式 时 若 Ra栅产生正的热输出 at与 Rb栅产生负的热输出 bt 能大小相等或相近 就可达到自 补偿的目的 这种方法要通过试验确定 这种应变计的特点与单丝自补偿应变计相似 但只能 在选定的试件上使用 2 电路补偿法 电路补偿法是利用电桥的和差原理来达到补偿的目的 与自补偿法相比更易于实现 图 2 16 双丝半桥式热补偿应变计 图 2 17 补偿块半桥热补偿应变计 12 1 双丝半桥式 这种应变计的结构如图所示 敏感栅是由同符号电阻温度系数的两种合金 丝串接而成 组成测量电桥时 R1 和 R2 分别接人电桥的相邻两臂上 工作栅 R1 接人电桥工 作臂 补偿臂接入 R2 和不敏感温度的补偿电阻 RB 另两臂照例接人平衡电阻 R3 和 R4 RB 应满足 2 42 式中 1t 2t 分别为工作栅和补偿栅的热输出 当温度变化时 电桥工作臂和补偿臂的热输出相等或相近 达到了热补偿目的 这种热补偿法 的最大优点是通过调整 RB 值 不仅可使热补偿达到最佳状态 而且还适用于不同线膨胀系数 的试件 缺点是对 RB 的精度要求高 使应变计输出灵敏度降低 2 补偿块法 这种方法是用两个参数相同的应变计 R1 R2 R1 贴在试件上 接人电桥作 工作臂 R2 贴在与试件同材料 同环境温度 但不参与机械应变的补偿块上 接人电桥相邻臂 作补偿臂 R3 R4 同样为平衡电阻 如图 2 17 所示 这样 补偿臂产生与工作臂相同的热输 出 起了补偿作用 这种方法简便 但补偿块的设置有时受到现场环境条件的限制 此外 还 有热敏元件补偿法 差动补偿等等 13 3 电容式传感器电容式传感器 早在 1920 1925 年期间 R Whiddington 及其合作者就利用电容传感器成功地测量了大气 压下的 9 3 1O 4Pa 的压力变化 10 8cm 数量级的机械位移 1 16000 的温度变化 10 10N 的 重量 但是将实验室的结果应用到工业上有很多具体困难 因此电容式传感器在几十年内发展 缓慢 随着对电容式传感器检测原理和结构的深人研究及新材料 新工艺 新电路的开发 其 中一些缺点逐渐得到了克服 应用也越来越广泛 目前电容式传感器已在位移 压力 厚度 物位 湿度 振动 转速 流量的测量等方面得到了广泛的应用 电容式传感器的精度和稳定 性也日益提高 高达 0 01 精度的电容式传感器国外已有商品供应 还有一种 250mm 量程的电 容式位移传感器 精度可达 5 m 电容式传感器作为一种频响宽 应用广 非接触测量的传感 器 是很有发展前途的 电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器 结构简单 高分辨 力 可非接触测量 并能在高温 辐射和强烈振动等恶劣条件下工作 这是它的独特优点 随 着集成电路技术和计算机技术的发展 促使它扬长避短 成为一种很有发展前途的传感器 3 1 电容式传感器的原理与结构电容式传感器的原理与结构 1 电容式传感器的原理电容式传感器的原理 如图 2 18 所示 由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器 当忽略边缘效应影 响时 其电容量与真空介电常数 0 8 854 10 12F M 极板间介质的相对介电常数 r 极板的有效面积 A 以及 两极板间的距离 有关 2 43 0rA C 若被测量的变化使式中 A r 三个参量中任意一个发 生变化时 都会引起电容量的变化 再通过测量电路就可 转换为电量输出 因此 电容式传感器可分为变极距型 变面积型和变介质型三种类型 其中 变极距型具有很高 的灵敏度 用以测量微小位移如纳米级的位移 或者把力 加速度 位移及转速等力学量转换 成极距的微小变化的测量 变面积型有较大的量程 可测出从角秒级至几十度的的角度 也用 以测量较大的线性位移 变介质型主要用以测量液体物位 空气湿度等 2 变极距型电容传感器 变极距型电容传感器 膜式结构也常用以构成变极距型电容传感器 如 2 19 图所示 这种传感器的膜片厚度比直 径小得多 而且没有起始径向应力 只考虑挠曲力 假定距中心线任意半径 r 处的挠度为 y 则有 2 44 2 22 3 2 1 16 3 rR E py 式中 p 为流体压力 R 为膜片半径 为膜片厚度 E 为弹 性模量 为泊松比 挠曲的紧固膜片 其电容量为无数小窄环平板电容器 电容之和 球面上 宽为 dr 长为 2 r 的窄环与固定片 所构成的局部电容为 2 yd rdr dC 2 0 45 式中 d 为电容极板起始间距 在 y d l 时 根据泰勒级数展开式 可近似取为 2 46 d y dyd 1 11 则挠曲时的总电容为起始电容加上增量电容 即 图 2 18 平板电容传感器 图 2 19 膜片结构电容传感器 图 2 20 电容压力传感器两种结构 a 双圆形膜结构 b 环形膜结构 14 RR rdr d y d dCCC 00 0 1 2 最后可得电容相对变化为 2 47 p Ed R C C 3 42 16 1 硅 或蓝宝石 电容压力传感器由压力敏感电容 转换电路组成 压力敏感电容的结构如 下 在厚的基底材料 如玻璃 上镀制一层金属薄膜 作为电容器的一个极板 固定极板 另一极板 活动极板 处于硅片的薄膜上 压力使薄膜硅片弯曲 电容活动极板弯曲 改变电 容量 结构如图 2 20 所示 其中 Cx为受压力作用的敏感电容 C0不受外力的参考电容 2 变面积型电容传感器变面积型电容传感器 两平行极板相对运动引起两极板有效覆盖面积 A 改变 构成变 面积型电容传感器 与变极距型相比 变面积型电容传感器灵敏度 较低 圆筒形电容器如图所示 这种传感器的电容为 2 48 0 2lnln r ClRr 式中 l 为圆筒长度 R 为外筒内半径 r 为内筒外半径 非电量引起 l 的变化转换成电容量的变化 可用以测量与线性位移有关的量 角位移测量用的差动式典型结构如图 2 22 所示 图中 A B 为同一平 柱 面而形状和尺寸均相同且互相绝缘的定极板 动极 板 C 平行于 A B 并在自身平 柱 面内绕 O 点摆动 从而改变 极板间覆盖的有效面积 传感器电容随之改变 C 的初始位置必须保证与 A B 的初始电容值相 同 对图 a 有 2 49 00 22 0 0 r ACBC Rr CC 对图 b 有 2 50 00 0r ACBC lr CC Rr 图 2 22 变面积型差动式结构 a 扇形平板结构 b 柱面板结 构 上两式中 初始位置时一组极板相互覆盖有效面积所包的角度 或所对的圆心角 0 为 极距 r 为极板间物质的介电常数 都是固定值 图中 动极板 C 随角位移 输人而摆 动时两组电容值一增一减 可形成差动输出 4 4 变介质型电容传感器 变介质型电容传感器 一种电容式湿敏传感器的结构如图 2 23 所示 薄膜型陶瓷湿度传感器采用平行板制成平板 电容 上下两层是金属电极 中间是感湿薄膜 电极为多孔结构 厚度只有几百埃 可以保证 水汽自由进出 中间多孔金属氧化物的孔径 孔的分布都会影响到器件的感湿性能 这种结构 的湿敏元件兼有电容 电阻随湿度变化两种感湿性能 一方面 平行板间的电容值由金属氧化 物和水的介电常数共同决定 另一方面 气孔吸附水分子 使透气孔表面电阻减小 但湿敏电容比湿敏电阻的灵敏度 高得多 所以表现出湿敏电容特性 常用的金属氧化物材料是三氧化二铝 Al2O3 和五 氧化二钽 Ta2O5 薄膜型湿度传感器响应很快 但高温环 境下宜采用钽电容式湿敏传感器 测量液体物位的电容传感器如图 2 24 a 所示 这 图 2 21 圆筒电容传感器 上电极 氧化铝膜 Au Pd 70nm 1 3um 下电极 Au Pd 100nm 衬底 图 2 23 薄膜型陶瓷湿敏传感器 15 种电容传感器有较多的结构型式 可以用来测量纸张 绝缘薄膜等的厚度 也可用来测量粮食 纺织品 木材或煤等非导电固体物质的湿度 图 2 24 为原理结构 图 2 24 a 中两平行极板固定不动 极距为 0 相对介电常数为 r2的电介质以不同深度插人电容器中 从而改变两种介质的极板覆盖面积 传感器的总电容 量 C 为两个电容 C1和 C2的并联结果 2 12 0 0 120 0 rr b CCClll 51 式中 l0 b0 极板长度和宽度 l 第二种电介质进入极间的长度 若电介质 1 为空气 r1 1 当 l 0 时传感器的初始电容 C0 0 rl0b0 0 当介质 2 进入 极间 l 后引起电容的相对变化为 2 52 20 000 1 r CCC l CCl 可见 电容的变化与电介质 2 的移动量 l 成线型关系 图 2 24 变介质型电容传感器 a 电介质插入式 b 非导电流散材料物位的电容测量 上述原理可用于非导电流散材物料的物位测量 如图 2 24 b 所示 将电容器极板插人被监 测的介质中 随着灌装量的增加 极板覆盖面增大 由式 2 52 可知 测出的电容量即反映 灌装高度 l 3 2 应用中存在的问题及其改进措施应用中存在的问题及其改进措施 3 2 1 变极距型平板电容传感器线性问题变极距型平板电容传感器线性问题 当传感器的 r 和 A 为常数 初始极距为 0 由式 2 43 知其初始电容量 C0为 当动极端板因被测量变化而向上移动使 0减小 0时 电容量增大 C 则有 000r CA 2 53 0 00 000 1 1 rA CCCC 可见 传感器输出特性 C f 是非线性的 电容相对变化量为 2 54 1 000 1 C C 如果满足条件 0 1 时 则 24 有 2 91 01 2 0 W W UU 上式表明 输出电压 Uo与衔铁位移 成比例 式中负号表明 向上为正时 输出电 压 Uo 与电源电压 U 反相 向下为负时 两者同相 由式 2 91 可得 形差动变压器的灵敏度表达式 2 92 1 2 0 0 W WUU K 可见传感器的灵敏度随电源电压 U 和变压比 W2 W1 的增大而提高 随初始气隙增大而 降低 增加次级匝数 W2与增大激励电压 U 将提高灵敏度 但 W2过大 会使传感器体积变大 且使零位电压增大 U 过大 易造成发热而影响稳定性 还可能出现磁饱和 因此常取 0 5 8 V 并使功率限制在 1VA 以下 由式 3 34 可知 当激励频率过低时 L1 C2时 各点的电压波形如图 2 67 b 所示 Q 两端间的平均Q 电压 经一低通滤波器 为 2 138 1212 011 1212 TTCC UUU TTCC 式中 Tl和 T2分别为 Q 端和端输出方波脉冲的宽度 亦即 C1和 C2的充电时间 Q 39 图 2 67 各点电压波形图 当该电路用于差动式变极距型电容传感器时 式 4 34 有 2 139 01 0 UU 用于差动式变面积型电容传感器时有 2 140 01 A UU A 这种线路不需要载频和附加解调线路 无波形和相移失真 输出信号只需要通过低通滤波 器引出 直流信号的极性取决于 C1和 C2 对变极距和变面积的电容传感器均可获得线便输出 这种脉宽调制线路也便于与传感器做在一起 从而使传输误差和干扰大大减小 还可以用 2524 系统或 555 定时期设计脉宽市制测量电路 5 4 直接放大直接放大 1 1 运算放大器直接放大运算放大器直接放大 图 2 68 为其电原理图 CX为传感器电容 它 跨接在高增益运算放大器的输入端和输出端之间 放大器的输入阻抗很高 因此列视作理iZ 想运算成大器 具输出瑞输出一与 C1成反比的电 压 U0 即 t 0i l C UU C 2 141 式中 Ui为信号源电压 C0为固定电容 要求它们都很稳定 对变极距型电容传感器 这种电路的输出为 10 rCA 2 142 0 0i 0 1 C UU A 可见配用运算放大器测量电路的最大特点是克服了变极距型电容传感器的非线性 2 专用集成电路专用集成电路 已有一些专用集成电路可 用于电容测量 MS3110 便是其 中一例 内部原理如图 2 69 所 示 CS1IN 和 CS2IN 为差动敏 感电容 整个芯片单一 5 伏供 电 V2P25 是内部 2 5 伏分压 VNEG 就是地电位 图中二路 V2P25 VNEG 相位相反 在时 序控制下轮流接通 V2P25 和 VNEG 相敏整流部分未标出 包含在图中低通滤波器部分中 该电路的增益 Gain 带宽 BW 输出直流偏置 Offset 都可程控 该电路对敏感电容的分辨率为 4 0 aF Hz 直接放大电路不象电桥一样可以设置调零措施 但随着嵌入式系统的应用 可以在软件中 进行调零 还可以根据情况在软件中设置测量的灵敏度 3 3 频率式测量电路 频率式测量电路 图 2 68 运算放大器直接放大 图 2 69 MS3110 电容通用读出集成电路 40 阻抗式电路还常采用频率式测量电路 将电容式传感器或电感式传感器接入高频振荡器的 LC 谐振回路中 当被测量变化使传感器的电容或电感改变时 振荡器的振荡频率 随之改变 测定频率或经鉴频器将频率变化转换成电压幅值的变化 就可测得1 2fLC 被测量的变化 一种电路如图 2 70 所示 图中为固定电容 为寄生电容 设 则 1 C i C 1i0 CCC CC 23 CCC 2 134 1i0 11 f 2LC2L CC CC 图 2 70 调频电路原理图 调频电路的灵敏度较高 可测至 0 01级位变化量 频率输出易于得到数字输出而不m 需要 A D 转换器 能获得高电平 伏特级 直流信号 抗干扰能力强 可以发送 接受实现遥 测遥控 但调频电路的频率受温度和电缆电容影响较大 需采取稳频措施 要求各元件参数稳 定 直流电源电压稳定 电路较复杂 频率稳定度也不可能很高 约为 因此精度为 8 10 0 1 1 电平电路输出非线性较大 需用线性化电路进行补偿 6 微机械传感器微机械传感器 传统的机电系统以毫米作为基本单位 加工可以达到 0 01 0 001 毫米数量级 20 世纪后 半叶 随着集成电路技术的成熟发展 科学家就开始利用集成电路工艺 在硅片上制造出传感 器和执行器 机电系统发展到以纳米 1 10 6毫米 为基本单位 庞大的机电系统有可能变得 十分小巧 70 年代初 这种固态的传感器和执行器就孕育了微系统或微机电系统的基本思想 MEMS Micro Electro Mechanical Systems 通常称为微机电系统技术 其含义是指可批量 制作的 集微型机构 微型传感器 微型执行器以及信号处理和控制电路 包括接口 通信和 电源等于一体的微型器件或系统 MEMS MEMS 可以完成大尺寸机电系统所不能完成的任务 可以嵌入到大尺寸系统中 把自动化 智能化和可靠性水平提高到一个新的水平 八十年代末 微机械压力传感器等技术的成熟并市场化 加州大学伯克利分校和 M IT 的研究小组利用半导 体制造技术 研制成功了直径约 100 微米的静电微马达 标志着微机电技术已经发展成了一门 独立的新兴学科 在科学家们的推动下 微机械技术受到了美国 德国 日本等发达国家的重 视 投入了大量的人力物力 几十余年间 微机械技术取得了众多新成果 微机械技术透浸到 众多领域 产生了巨大的经济和社会效益 展现了美好的前景 41 由于微机电系统是在微机械传感器基础之上发展起来的 因此微机械传感器不仅具有微机 电系统的典型特征 而且是微机电系统中一个非常有特色的独立分支 也是目前微机电系统中 发展最快 已经具有实用价值的研究方向之一 6 1 微机电系统的分类和特点微机电系统的分类和特点 微机电系统是指总尺度在毫米级以下的机电系统 表 2 2 给出了以尺度为标准的分类 表 2 2 微机电系统的分类 由上表可看出微机电系统最明显的特点就是尺度上的细微 但是 微机械不是传统机械按 比例简单地缩小 由于微机械的尺寸缩小 导致尺寸效应问题 即当尺寸缩小到一定程度时 宏观机械的模拟原理和相似理论不再适用 微机械系统有以下特点 1 微机械中起主导作用的力是表面力 由于体积是长度的三次方 表面积是长度的两次 方 因此微机械体积的缩小要快于表面积的缩小 这将表面力 如摩擦力 静电力 和体积力 如重和 之比相对增大 表面力成为微机械系统统中的主导作用力 如随着尺寸的缩小 粘 性力 静电力 摩擦力成为影响微机械性能的主要因素 2 材料不同 首先 微机械装置制品的尺寸可能接近甚至小于材料的晶体尺寸 由于尺 寸微小 材料的内部缺陷减少 材料的机械性能与常态相比有很大提高 表征材料性能的物理 量需要重新定义 其次 微小尺寸下材料会表现出更多的各向异性 再其次 微机械传感器多 采用硅作为原材料 也有用石英作为原材料 材料不同将导致系统的性能和工艺与普通机电装 置都有很大的区别 3 能源供给 对于具有移动和转动功能的微型机械系统 电缆成为运动的障碍 所以一般 不采用电缆供电 目前微机械一般用静电力供能 此外常用振动直接激励供能 压电 电磁及形 状记忆合金制动 热力供能等 4 由于尺寸微小 微