第三章力传感器

回顾思考 1 热电偶的工作原理是什么 热电阻工作原理是什么 2 热敏电阻与热电阻有何不同 热敏电阻如何分类 3 P4914 模块三力传感器 概述 力传感器将各种力学量转换成电信号的器件 敏感元件 转换元件 测量电路 辅助电源 本章主要内容1 弹性敏感元件 2 几种有代表性的力传感器 3 力传感器在工业和日常生活中应用 4 配合有关力传感器安排两个实验 敏感元件 转换元件 一 弹性敏感元件 一 概念变形 物体因外力作用而改变原来尺寸或形状 弹性变形 如果外力消失后能完全恢复其原来的尺寸和形状的变形 弹性元件 具有弹性变形这类特性的元件 二 基本特性1 刚度 Rigidity 是指弹性元件在外力作用下变形大小的量度 一般用k来表示 2 灵敏度 Sensitivity 是指弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小 在弹性学中也称为弹性元件的柔度 用K表示 3 弹性滞后 ElasticHysteresis 实际弹性元件在加 卸载的正 反行程中变形曲线是不重合的 1 2 原因 弹性敏感元件在工作过程中分子间存在内摩擦 4 弹性后效 ElasticHysteresisEffect 当载荷从某一数值变化到另一数值时 弹性变形不是立即完成相应的变形 而是在一定的时间间隔中逐渐完成变形的 这一现象称为弹性后效 原因 弹性敏感元件在工作过程中分子间存在内摩擦 5 固有振动频率 IntrinsicVibrationFrequency 弹性敏感元件都有自己的固有振荡频率 它将影响传感器的动态特性 传感器工作频率应避开弹性敏感元件的固有振荡频率 往往希望它较高 三 弹性敏感元件的材料 1 对弹性敏感元件材料要求 1 有良好的机械加工和良好的机械加工及热处理性能 2 良好的弹性特性 3 弹性模量的温度系数要小且稳定 材料的线膨胀系数小且稳定 5 某些场合还要求耐腐蚀 有良好的导电性或高的绝缘性 2 常用弹性敏感元件的材料 四 弹性敏感元件的分类 1 变换力的弹性敏感元件 2 变换压力的弹性敏感元件 1936首次制成了粘贴式的纸基丝绕式电阻应变片 电阻应变测量迅速发展起来 1952年英国的制出了第一批箔式应变片 1957年出现了第一批半导体应变片 此后又出现了能在高温环境下测量的高温应变片 在疲劳条件下测量用的疲劳应变片 以及用于断裂韧性测试的裂纹扩展应变片等 应变式电阻传感器 本节主要内容 电阻应变片的工作原理电阻应变片的种类和结构电阻应变片的测量电路电阻应变片的温度补偿电阻应变片的应用 1856年英国W Thomson在铺设海底电缆时 发现了电缆的电阻值由于拉伸而增加 他在进一步对铜丝和铁丝进行了拉伸试验后 给出了三个结论 铜丝和铁丝的应变与其电阻变化有函数关系 铜丝和铁丝对各自的应变与电阻的变化关系有各不相同的灵敏度 由应变而产生的微小电阻变化可用惠斯登电桥进行测量 一 电阻应变片的工作原理 应变效应导体或半导体材料在外力作用下发生机械形变 导致其电阻值发生变化的物理现象 设有一根圆截面的金属电阻丝 电阻丝长度为 截面积为S 电阻率为 则电阻值为 当沿金属丝的长度方向作用均匀力时 参数 都将发生变化 从而导致电阻值R发生变化 实验证明 电阻丝及应变片的电阻相对变化量 R R与材料力学中的轴向应变 x的关系在很大范围内是线性的 即 K 电阻应变片的灵敏度 对于不同的金属材料 K略微不同 一般为2左右 而对半导体材料而言 由于其感受到应变时 电阻率 会产生很大的变化 所以灵敏度比金属材料大几十倍 在材料力学中 x l l称为电阻丝的轴向应变 也称纵向应变 是量纲为1的数 x通常很小 常用10 6表示之 例如 当 x为0 000001时 在工程中常表示为1 10 6或 m m 在应变测量中 也常将之称为微应变 对金属材料而言 当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于1 10 3 即1000 m m 否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂 应变片用于测量力F的计算公式 由材料力学可知 x F AE 所以 R R又可表示为 二 电阻应变片的种类和结构 金属应变片 半导体应变片 金属丝式应变片 金属箔式应变片 薄膜式应变片 选用厚度为0 002 0 005mm的合金箔作为敏感栅材料 在箔的一面涂胶基 另一面涂感光材料 经过照相制板 光刻 腐蚀等工艺制成敏感栅 最后在表面涂一层胶膜保护层 金属箔式应变片 表中 哪几个型号是半导体应变片 回顾思考 1 什么是弹性敏感元件 作用是什么 2 什么是电阻应变效应 三 应变片的粘贴 1 试件的表面处理除去测点附近的油污 锈斑 氧化膜 电镀层和涂料 油漆等 采用手持砂轮工具除去构件表面的油污 漆 锈斑等 并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗 2 确定贴片位置 在应变片上标出敏感栅的纵 横向中心线 在试件上按照测量要求划出中心线 稍停片刻 将应变片放在粘贴部位上 用镊子对应变片定位 然后垫上玻璃纸用食指按在玻璃纸上 由引出线端向另一端滚压 挤出气泡和多余的胶水后按住不动 保持约两三分钟后即可将手松开 小心解开玻璃纸 3 贴片 用干棉球擦干表面 用画笔在测点处和应变片底面涂一层薄而均匀的粘结剂 检查应变片的粘贴是否有缺陷 5 粘贴质量检查 4 固化 贴好后 根据所使用的粘合剂的固化工艺要求进行固化处理和时效处理 6 引线焊接引线与导线采用焊接 为便于焊接还可在二者之间加接线端子 焊接要求快速 准确 防止加热过程太长将应变片损坏 7 固定 防护导线连接 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起 防止损坏引线和应变片 然后在应变片上涂一层柔软的防护层 例题 有一金属箔式应变片 标称阻值R0为100 灵敏度K 2 粘贴在横截面积为9 8mm2的钢质圆柱体上 钢的弹性模量E 2 1011N m2 所受拉力F 2000N 求受拉后应变片电阻的变化值 受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0 2 四 测量电路 直流电桥电路输出电压 电桥平衡条件是 应变片接入电桥通常有三种情况 单臂工作 半桥工作和全桥工作1 单臂工作 对全等臂电桥 桥路输出电压 2 半桥工作 R1和R2为应变片 R3和R4为固定电阻当两应变片差动工作时 对全等臂电桥和半等臂电桥桥路输出电压 3 全桥工作 当采用差动工作方式时 其输出电压为 4 桥式电路灵敏度分析桥式电路灵敏度通解公式 为桥臂系数 该式表明 桥臂系数越大 电桥电路的灵敏度越高 供桥电压U越大 电桥电路的灵敏度也越高 注 供电电压的提高受两方面的限制 一是应变片的允许温升 允许功耗 二是应变电阻的温度误差 电桥平衡的条件 R1 R2 R4 R3 调节RP 最终可以使R1 R2 R4 R3 R1 R2 是R1 R2并联RP后的等效电阻 电桥趋于平衡 Uo被预调到零位 这一过程称为调零 图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻 5 调零电路 五 温度补偿 温度误差原因1 因温度变化而引起的应变片敏感栅的电阻变化及附加变形 2 因被测物体材料的线膨胀系数不同 使应变片产生附加应变 措施常采用自补偿法和桥路补偿法 自补偿法这种方法是通过合理选择敏感栅材料和结构参数来实现热输出补偿的 桥路补偿法1 补偿块补偿法 被测物体 补偿块 补偿块 材料 温度与试件相同 但不受力的试块 2 桥路自补偿法 六 应变效应的应用 应变效应应用十分广泛 它除了可以测量应变外 还可测量应力 弯矩 转矩 加速度 位移等物理量 应变式力传感器 F F F F 各种悬臂梁 各种悬臂梁 F F 固定点 固定点 电缆 应变片在悬臂梁上的粘贴及变形 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 F 应变式荷重传感器外形及受力位置 F F 应变式荷重传感器外形及受力位置 F F 荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形 轴向变短 径向变长 汽车衡 汽车衡 以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料 汽车衡称重系统 电子秤 磅秤 超市打印秤 远距离显示 电子天平 电子天平的精度可达十万分之一 人体秤 吊钩秤 便携式 压阻式传感器 扩散硅压力传感器1一引出线 2一电极 3一扩散电阻引线 4一扩散型应变片5 单晶硅膜片 6 硅环 7一玻璃粘接剂 8一玻璃基板 根据结构不同 扩散硅型传感器可用来测量压力 力 压力差 加速度等 其中应用最广的是扩散硅压力传感器 压阻式固态压力传感器的隔离 承压膜片 隔离 承压膜片可以将腐蚀性的气体 液体与硅膜片隔离开来 压阻式固态压力传感器内部结构 信号处理电路 回顾思考 1 电子称中所使用的应变片应选择 应变片 为提高集成度 测量气体压力应选择 A 金属丝式B 金属箔式C 电阻应变仪D 固态压阻式传感器2 应变测量中 希望灵敏度高 线性好 有温度自补偿功能 应选择 测量转换电路 3 应变测量中温度补偿原因是什么 有哪些方法 压电传感器 本节教学目标 了解压电效应及特点掌握压电式传感器测量电路的形式 特点分析电压前置放大器和电荷前置放大器的区别及特点 电量 机械量 压电效应的可逆性 一 压电效应 正压电效应某些晶体在沿定方向上受到外力的作用而产生变形时 内部会产生极化现象 同时在其表面上产生电荷 当外力去掉后 又重新回到不带电的状态 当作用力方向改变时 电荷的极性也随之改变 逆压电效应若在晶体的极化方向上施加外部电场 晶体产生伸缩机械形变 当外电场消失则电介质的机械形变消失 晶体的压电效应 a 具有压电效应的晶体 b 不具有压电效应的晶体 二 压电效应分析 天然形成的石英晶体 1 石英晶体压电效应 天然形成的石英晶体外形 石英晶体 分子式是SiO2 居里点为576 优点 温度稳定性好 机械强度高 绝缘性好 动态性能好 缺点 灵敏度低 压电系数小 价格昂贵 应用 石英晶体大多只在标准传感器 高精度传感器和使用温度较高的传感器中用作压电元件 外部结构 六角形晶柱 两端呈六棱锥形 中间为六棱柱 晶体轴Z轴 纵向轴称之为Z轴 X轴 平行于相邻棱柱面内夹角的等分线 垂直于此轴的晶面上压电效应最强 称为电轴 Y轴 又称为机械轴 垂直于六边形对边的轴线 石英晶体切片 石英晶体薄片 石英晶体压电演示 石英晶体内部结构图硅 氧离子结构排列 三个顶点为带4个正电荷的硅离子 另三个顶点为带有两个负电荷的氧离子硅离子 氧离子正好分布在正六边形的顶角上 思考 1 什么是压电效应 逆压电效应 2 当石英晶体受压时 电荷产生在 A 与光轴垂直的Z面上B 与电轴垂直的X面上C 与机械轴垂直的Y面上D 所有的面 X Y Z 上3 动态力传感器中 两片压电片采用 接法 可增大输出电荷量 在电子打火机和煤气灶点火装置中 多片压电片多采用 接法 可使输出电压达到上万伏 从而产生电火花 4 压电传感器等效电路有几种 画出其电路图 受到电轴方向作用力时 受机械轴方向作用力时 电偶极距 从负电荷指向正电荷方向的正负电荷 电偶 之间的作用力P ql q为电荷量 l为正 负电荷之间距离 当力的方向改变时 电荷的极性随之改变 输出电压的频率与动态力的频率相同 当动态力变为静态力时 电荷将由于表面漏电而很快泄漏 消失 1 石英晶体是各向异性晶体 x电轴 y机械轴 z光轴 2 不是在任何方向上都存在压电效应 x电轴受力 在x轴两面上产生电荷 纵向压电效应 y机械轴受力 仍然在x轴两面上产生电荷 横向压电效应 即y轴不能产生电荷 只能施加力 z轴 光轴 受力没有电荷产生 3 晶体正压电效应和逆压电效应是对应存在的 4 力 电之间大小成正比 结论 陶瓷材料是经过高温烧结后形成的 类似于铁电体 具有类似于铁磁材料磁畴结构的电畴结构 无数的细微电畴是分子自发极化形成的小区域 具有一定的极化方向 存在一定的电场 由于各电畴极化方向任意方向排列 自发极化的作用相互抵消 陶瓷内极化强度为零 结构 2 压电陶瓷的压电效应 1 在一定温度 100 170 下 施加直流高压外电场 20 30kV cm 在外电场作用下 经过一定时间 2 3h 后 电畴自发极化方向趋近于与外加电场方向一致 压电陶瓷的极化方向 通常取z轴方向 极化处理 2 撤掉电场后 各电畴自发极化在一定程度上按所加外电场方向取向 存在很强的剩余极化强度 无铅压电陶瓷及其换能器外形 压电陶瓷片 三 压电元件的结构形式 并联与单片相比 两片并联时 输出电压不变 电容量变为2倍 电荷量变为2倍 适用于测量缓慢变化的信号和以电荷作为输出量的场合 串联与单片相比 两片串联时 输出电荷相等 输出电压为2倍 总电容量为1 2 适用于以电压为输出信号及高输入阻抗的测量电路 内部电荷源Q和一个电容器C并联 电荷等效电路电压源U Q C和一个电容器C串联 电压等效电路 四 等效电路 电缆的分布电容CC 泄漏电阻Rd 放大器输入电阻Ri 放大器电容Ci 实际等效电路 电压放大器 高内阻的电压源转换成低内阻的电压源输出电压 输入电压电荷放大器 高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源输出电压 输入电荷 压电传感器 后续测量电路仪器 前置放大器 输出阻抗很高 降低输出阻抗 放大信号 信号微弱 前置放大器 五 测量电路 电缆的分布电容CC 泄漏电阻Rc 放大器输入电阻Ri 放大器电容Ci F Ua Ui UO 1 电压放大器 压电器件的输出电压 F Ua Ui UO 放大器输入电压 放大器输入电压幅值 输入电压与作用力之间相位差 电压灵敏度 理想情况下 压电器件电阻Ra和前置放大器输入电阻Ri都为无限大 前置放大器输入电压与频率无关 结论 就可以认为输入电压与角频率无关 这表明电压放大器具有很好的高频响应 输入电压随频率变化但变化不大 压电传感器与前置放大器之间连接电缆不能随便更换 否则将引入测量误差 当作用于压电元件力为静态力时 输入电压为0 2 电荷放大器 1 当放大器开环增益A足够大 104 的条件下 放大器的输出电压仅仅与压电效应产生的电荷量q和运算放大器的反馈电容Cf有关 与电缆分布电容无关 电缆电容改变 传感器灵敏度就不会再受到影响 可以通过使用可变的Cf 100 10000pF 改变前置放大器输出的大小 特性讨论 2 考虑到电容负反馈线路工作在直流状