第四章力敏传感器.

第4章力敏传感器 第4章力敏传感器 应变式电阻传感器 压电式力传感器 电容式力传感器 4 1应变式电阻传感器 4 1 1电阻应变片的种类4 1 2金属电阻应变片4 1 3半导体应变片4 1 4电阻应变片的测量电路4 1 5电阻应变式传感器应用 4 1 2金属电阻应变片 4 1 2 1金属电阻应变片的结构 图4 1金属电阻应变片结构 4 1 2金属电阻应变片 4 1 2 2金属电阻应变片的分类1 丝式应变片 分回线式和短接式两种 回线式应变片短接式应变片2 箔式应变片3 薄膜应变片 图4 3箔式应变片 4 1 2金属电阻应变片 金属应变片的工作原理式中 电阻的相对变化 电阻率的相对变化 金属丝长度相对变化 用表示 为金属丝长度方向的应变或轴向应变 截面积的相对变化 因为 r为金属丝的半径 则为金属丝半径的相对变 即径向应变 4 1 2金属电阻应变片 金属应变片的工作原理为金属材料的泊松比 CC由一定的材料和加工方式决定的常数 V 式中 为金属丝材的应变灵敏系数 简称灵敏系数 C 4 1 2金属电阻应变片 4 1 2 4金属电阻应变片的参数应变片电阻值灵敏系数K机械滞后横向效应及横向效应系数H零漂P和蠕变绝缘电阻 1 温度误差讨论应变片特性 通常是以室温恒定为前提条件的 实际在应用时 环境 工作 温度经常会发生变化 使应变片上的条件改变 影响其输出特性 这种单纯由温度变化引起的应变片电阻值变化的现象 称为温度效应 设环境引起的构件温度变化为时 粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为 则应变片产生的电阻相对变化为 4 7 同时 由于敏感栅材料和被测构件材料两者的线膨胀系数不同 当存在时 引起应变片的附加应变 其值为 4 8 为试件材料的线膨胀系数 为敏感栅材料的线膨胀系数 由温度变化形成的总电阻相对变化为温度变化所引起的总的输出应变为 温度补偿 单丝自补偿应变片若使应变片在温度变化时热输出值为零 必须满足条件当被测试件材料确定后 就可以选择合适的应变片敏感栅材料满足上式 以达到温度补偿的目的 双丝自补偿应变片双丝自补偿应变片也称为组合式的补偿片或双金属敏感栅自补偿片 这种应变片的敏感栅是由电阻温度系数为一正一负的两种合金丝串联而成的 有丝绕式和短接式两种形式 如图所示 电桥补偿法 4 1 3半导体应变片 4 1 3 1半导体应变片的分类和结构按照材料类型分为P型硅应变片 N型硅应变片 P N互补型应变片 按照特性分为灵敏系数补偿型应变片和非线性补偿应变片 以材料的化学成分分为硅 锗 锑化铟 磷化嫁 磷化铟等应变片 按结构分类包括体型应变片 扩散型应变片和薄膜型半导体应变计 4 1 3半导体应变片 4 1 3 2半导体应变片的工作原理 4 1 4 电阻应变片的测量电路 4 1 4 电阻应变片的测量电路1直流电桥电路2交流电桥电路 4 1 4 电阻应变片的测量电路 4 1 4 4直流电桥电路 直流电桥平衡条件 图4 6直流电桥电路 4 1 4 电阻应变片的测量电路 电压灵敏度 电桥电压灵敏度 4 1 4 电阻应变片的测量电路 a 电桥的电压灵敏度正比于电桥电源电压 电源电压愈高 电压灵敏度愈高 但是 电源电压的提高 受到两方面的限制 一是应变片的允许温升 即应变片的允许功耗 二是应变片电阻的温度误差 所以 电源电压应适当选择 一般取1 3V b 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数 即和电桥各桥臂的初始比值有关 4 1 4 电阻应变片的测量电路 非线性误差及其补偿方法 理想情况下电桥输出电压 实际清空下电桥输出电压 非线性误差 4 1 4 电阻应变片的测量电路 消除非线性误差的方法a 提高桥臂比 来考虑 提高桥臂比会降低电压灵敏度 因此 为达到既减小非线性误差 又不降低电压灵敏度 必须适当提高电源电压 可减小非线性误差 但是从电压灵敏度 提高桥臂比 4 1 4 电阻应变片的测量电路 b 采用差动电桥 图4 7半桥差动电路 图4 8全桥差动电路 4 1 4 电阻应变片的测量电路 电桥输出电压 电桥初始时是平衡 则 在对称情况下 与 成线性关系 差动电桥无非线性误差 4 1 4 电阻应变片的测量电路 给电桥的四臂接入四片应变片 使两个桥臂应变片受到拉力 两个桥臂应变片受到压 将两个应变符号相同的接入相对桥臂上 则构成全桥差动电路 若电桥初始是平衡的 在对称情况下有 差动桥路的输出电压 电压灵敏度比单片提高了四倍 比半桥差动电路提高了一倍 4 1 4 电阻应变片的测量电路 图4 9恒流源电桥 电桥输出电压为 比前面的单臂供压电桥的非线性误差减少了50 图4 9恒流源电桥 4 1 4 电阻应变片的测量电路 交流电桥电路 交流电桥的工作原理 交流电桥也称为不平衡电桥 是利用电桥输出电流或电压与电桥各参数间的关系进行工作的 a 交流电桥 b 等效电路 图4 10交流电桥 4 1 4 电阻应变片的测量电路 交流电桥的输出电压为 则交流电桥的平衡条件为 将桥臂上的复阻抗代入式上式可得 由此可知 由应变片构成的交流电桥 除了满足电阻平衡条件外 还必须满足电容平衡条件 为此 交流电桥上设置有电阻平衡调节和电容平衡调节 4 1 4 电阻应变片的测量电路 交流电桥平衡调节电路 a b 可变电阻调节 c d 电容调节 图4 11交流电桥平衡调节电路 4 1 5电阻应变式传感器应用 1 应变式力传感器2 应变式压力传感器3 应变式加速度传感器 4 1 5电阻应变式传感器应用 柱 筒 式力传感器 图4 12柱 筒 式力传感器 4 1 5电阻应变式传感器应用 电桥的输出电压为 从而得到被测力F为 4 1 5电阻应变式传感器应用 环式力传感器 a 环式弹性原件 b 应力分布曲线 图4 13环式力传感器 4 1 5电阻应变式传感器应用 悬臂梁式力传感器是一种结构简单 高精度 应变片容易黏贴 抗偏 抗侧性能优越的称重测力传感器 最小可以测几十克 最大可以测几十吨的质量 精度可达到0 02 FS 悬臂梁有两种 一种为等截面梁 另一种为等强度梁 4 1 5电阻应变式传感器应用 a 等截面梁 b 等强度梁 图4 14悬臂梁 4 1 5电阻应变式传感器应用 应变式压力传感器 图4 15筒式压力传感器 圆筒外表面沿圆周方向产生的环向应变为 对于薄壁圆筒 环向应变为 4 1 5电阻应变式传感器应用 应变式加速度传感器 图4 16应变式加速度传感器 当被测点的加速度沿图中箭头a 所示方向时 悬臂梁自由端受惯性力 的作用 质量块向箭头 相反的方向相对于基座运动 使梁发生弯曲变形 应变片电阻发生变化 产生输出信号 输出信号大小与加速度成正比 4 2压电式力传感器 4 2 1 压电效应和压电材料压电效应某些电介质在受到一定方向的外力作用下发生形变时 内部会产生极化现象 同时在其表面会产生电荷 且所产生的电荷量与外力的大小成正比 a 正压电效应 b 正压电效应的可逆性 图4 17压电效应 4 2 1 压电效应和压电材料 1 压电材料的主要特性参数压电常数是衡量材料压电效应强弱的参数 它直接关系到压电输出灵敏度 弹性常数压电材料的弹性常数决定着压电器件的固有频率和动态特性 介电常数对于一定形状 尺寸的压电元件 其固有电容与介电常数有关 而固有电容又影响着压电传感器的频率下限 机电耦合系数它定义为 在压电效应中 转换输出的能量 如电能 与输入的能量 如机械能 之比的平方根 它是衡量压电材料机电能量转换效率的一个重要参数 电阻压电材料的绝缘电阻将减少电荷泄漏 从而改善压电传感器的低频特性 居里点即压电材料开始丧失压电性的温度 4 2 1 压电效应和压电材料 2 石英晶体的压电效应 图4 18石英晶体 4 2 1 压电效应和压电材料 图4 19石英晶体压电效应机理示意图 4 2 1压电效应和压电材料 3 压电陶瓷的压电效应 图4 20钛酸钡BaTiO 3的压电效应 a 未极化 b 极化 c 极化后 4 2 1 压电效应和压电材料 4 新型压电材料压电半导体有机高分子压电材料 4 2 2压电传感器的等效电路与测量线路 4 2 2 1等效电路 电容量为 输出端电荷为 输出端电压为 图4 21压电原件等效电路 a 电荷等效电路 b 电压等效电路 4 2 2压电传感器的等效电路与测量线路 图4 22压电式传感器测试系统等效电路 a 电压等效电路 b 电荷等效电路 4 2 2压电传感器的等效电路与测量线路 4 2 2 2测量电路1 电压放大器 图4 23压电式传感器与电压放大器连接的等效电路 a 等效电路 b 简化后的等效电路 4 2 2压电传感器的等效电路与测量线路 2 电荷放大器 图4 24压电传感器与电荷放大器连接的等效电路 电荷放大器的输出电压 4 2 2压电传感器的等效电路与测量线路 图4 25电荷放大器电路 4 2 3压电式传感器的应用举例 压电式测力传感器 图4 26压电式测力传感器的基本结构 4 2 3压电式传感器的应用举例 图4 27压电式加速度传感器的结构图 4 2 3 2压电式加速度传感器 4 2 3压电式传感器的应用举例 压电式金属加工切削力测量 图4 28压电式刀具切削力的示意图 4 2 4压电式传感器的主要性能及其影响因素 4 2 4 1压电式传感器的主要性能1 灵敏度2 频率响应 图4 29压电式加速度传感器的频响特性 4 3电容式力传感器 4 3 1 电容式传感器的特点一 优点 1 温度稳定性好2 结构简单 适应性强3 动态响应好二 电容式传感器有一下不足之处 1 输出阻抗高 负载能力差2 寄生电容影响大 4 3 2电容式压力传感器 4 3 3 3电容式压力传感器工作原理和结构1 电容式压力传感器的工作原理 2 电容式压力传感器的结构 图4 31差分式电容式压力传感器 4 3 2电容式压力传感器 4 3 3 4测量电路 图4 32双T型电桥电路 4 3 3电容式集成压力传感器 4 3 3 1电容式集成压力传感器的结构 图4 33电容式集成电容传感器 4 3 3电容式集成压力传感器 4 3 3 2电容式集成压力传感器的电路 图4 34电容式集成压力传感器电路 4 4电感式压力传感器 电感式传感器具有以下特点 结构简单 可靠 测量力小 灵敏度和分辨力高 能测出0 1 m甚至更小的机械位移 输出信号强 电压灵敏度可达每毫米数百毫伏 重复性好 线性度优良 在几十微米到数百毫米的位移范围内 传感器的非线性误差可做到0 05 0 1 输出特性的线性度较好 且比较稳定 能实现远距离传输 记录 显示和控制 响应频率低 不宜于高频动态测量 4 4 1电感式压力传感器 电感 磁阻 4 4 1电感式压力传感器 图4 35变隙式电感压力传感器工作原理图 电感式压力传感器 4 4 1电感式压力传感器 变隙式差动电感压力传感器 图4 36变隙电感式压力传感器结构图图4 37变隙式差动电感压力传感器 4 4 2差动变压器式传感器 图4 38差动分变压器式压力传感器 4 5谐振式压力传感器 4 6 1 工作原理和特性谐振式压力传感器的工作原理 为振子材料的刚度 为振子的等效振动质量 图4 39谐振式传感器的组成 4 6 2谐振式压力传感器的特性 图4 40振子的基本类型 4 6 2谐振式压力传感器的特性 1 振弦式谐振压力传感器特性 4 6 2谐振式压力传感器的特性 单根振弦测压力时的灵敏度为 图4 41差动式振弦传感器原理 4 6 2谐振式压力传感器的特性 振膜式谐振传感器特性 式中 分别为与膜片尺寸 材料有关的常数 分别为膜片的半径 厚度 泊松比 4 6 2谐振式压力传感器的特性 令 将公式 4 54 两边平方之后整理得 忽略高次项后的线性输入输出关系如下 4 6 2谐振式压力传感器的特性 图4 42振膜压力传感器输入输出特性 4 6 3谐振式压力传感器的类型 1 振弦式压力传感器 图4 43振弦式压力传感器 4 6 3谐振式压力传感器的类型 2 振膜式压力传感器应用 图4 44振膜式压力传感器 4 6 3谐振式压力传感器的类型 3 振筒式压力传感器 图4 45振筒式压力传感器原理结构 4 6 3谐振式压力传感器的类型 石英音叉谐振传感器 图4 46音叉谐振器 4 6光纤力学传感器 4 6 1 光纤压力传感器的分类光纤压力传感器主要有强度调制型 相位调制型和偏振调制型三类 强度调制型光纤压力传感器大多是基于弹性元件受压变形 将压力信号转换成位移信号来检侧 故常用于位移的光纤检测技术 相位调制型光纤压力传感器则是利用光纤本身作为敏感元件 偏振调制型光纤压力传感器主要是利用晶体的光弹性效应 4 6 2光纤压力传感器的应用 1 采用弹性元件的光纤压力传感器 2 光纤微弯传感器 图4 47 图4 48光纤微弯传感器示意图 4 6 2光纤压力传感器的应用 3 光弹性式光纤压力传感器 a 检侧原理 b 传感器结构 图4 49光弹性式光纤压力传感器结构 4 6 2光纤压力传感器的应用 1 光纤 2 起偏器 3 光弹性元件 4 1 4波长板 5 偏振分光镜 6 反射位 图4 50光弹性式光纤压力传感器的另一种结构 4 7压电涂层压力传感器 一 压电涂层传感器 图4 51压电涂层传感器 4 7压电涂层压力传感器 二 压电涂层传感器的性能压电效率由于它是一种压电混合物 所以压电效率就成为涂层传感器的主要技术指标 压电效率是指结构产生单位应变所能感应出的电荷多少 该性能指标与压电涂层组成成分 压电涂层厚度