第3章 常用传感器的工作原理( [1].......ppt

3.1电阻传感器电阻传感器是将测试的参数转换为电阻变化的传感器，是目前非力检测技术中应用最广泛、最成熟、最重要的传感器之一，经常使用电位器、电阻应变、热敏电阻等类型的电阻传感器。应变电阻传感器是使用电阻应变效应将电阻应变计和弹性敏感元件相结合的传感器。将应变计粘贴到各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件感受到外力、位移、加速度等参数的作用时，弹性敏感元件通过应变、贴在上面的电阻应变计转换成电阻的变化。通常由重要元件、基底、导线和遮蓬组成。核心组件是电阻应变计(敏感组件)，主要用于重要组件实现变形-电阻的转换。应变计可根据敏感部件的材料和结构分为金属电阻应变计和半导体应变计。下一步，返回到3.1.1金属电阻应变计(1)基本结构金属电阻应变计的基本结构，如图3.1所示。包括四部分：罩、敏感门、底座和引线。敏感网格可以用铁丝、金属箔制成，作为转换元素附着在基板上。用粘合剂粘在传感器弹性元件或试件上的应变计通过基板将变形传递到敏感门，基板具有绝缘作用。盖子起到绝缘保护的作用。焊接在敏感网格的两端以连接测量引线。图3.1应变电阻传感器的原理图1-敏感栅2-基板3-引线4-复盖5-粘合剂，下，上，回，目前常用的金属电阻应变计主要为导线应变、箔应变、金属薄膜应变计等。钢丝应变计的敏感浇口是用钢丝蚀刻制作的。导线材料是电阻率大、电阻温度系数小的材料。导线应变计的规格通常表示为使用面积(Lb)和敏感浇口的电阻值。电阻通常在50-1000 范围内使用120。箔应变计是利用光刻、腐蚀等工艺制作的非常薄的金属薄浇口，厚度为0.003-0.010mm。表面积比截面面积大，冷却条件好，可以通过更多的电流，形成各种需要的形状，有利于批量生产的优点。金属薄膜应变计由真空溅射或真空沉积制成，将产生变形的金属或合金直接沉积在弹性元件上，而不是粘合剂上。这个应变计具有更好的性能和更高的灵敏度。薄膜是指厚度在0.1m以下的金属膜。厚度为25m左右的厚膜箔应变计是厚膜。(2)金属电阻应变计的工作原理金属电阻应变计的工作原理是利用金属材料的电阻规律。应变计的结构尺寸改变时，电阻也相应地改变。以下是应变计电阻变化与应变之间关系的说明。下、上、回、金属导体的电阻为(3.1)。是金属导体的电阻率()；L线材长度(m)；A导线的横截面积(，)；D线材直径(m)。均匀应力作用于电阻值长度时，丝电阻的相对变化：(3.2)式：根据材料的轴向变形、丝半径变形、通用单位()根据材料力学知识，在弹性范围内拉伸丝，沿轴向增加，缩短为径向时，轴变形与径向变形的关系为，下页，后，样式根据此关系，(3.3)表达式：是电阻线几何尺寸更改导致的变形效果部分。是电阻线的电阻率因变形变化而产生的压阻效应部分。对于大多数金属电阻导线，值是常量，通常很小，可以忽略。该样式表明，材料电阻的变化是应力引起的形状变化和电阻率变化的综合结果。然后、上、后、3.1.2半导体应变计半导体应变计是半导体材料，采用与导线应变计相同的方法制作的半导体应变计。结构如图3.2所示。图3.2半导体应变计1-基板2-半导体敏感条3-外部引线4-引线耦合片5-内部引线半导体应变计基于半导体材料的压阻效应工作。压阻效应是指半导体材料的特定轴被外力作用时电阻率发生变化的现象。半导体应变计通过轴向力工作时，电阻是(3-4)半导体应变计的电阻率的相对变化，其值与(3-5)式33363603354半导体材料的压阻系数半导体灵敏度成一定比例。下、上、后、替代(3-5)为(3-6)，是随阻力变化的抑制效果。实验结果：扩大近100倍，可以忽略，半导体应变计的灵敏度如下。(3-7)半导体应变计最显着的优点是体积小、灵敏度高、频率响应范围大、输出宽度大、不需要放大器，可以直接与记录器连接，使测量系统变得简单；但是，温度系数大，变形时非线性有更严重的缺点。下一个、上一个、下一个、下一个、3.1.3变体图纸的命名标准编号为GB/t 13992-92，其内容如下：(1)每个应变计产品命名模型，型号由汉语拼音字母和数字组成。(2)从左到右依次排列，第一个字符表示应变计类别。(3)第二个字母表示应变计基础材料。(4)项目iii号码表示标称电阻值，单位为，不建议使用包含括号的规格。(5)项目数字表示应变计浇口长度，小于lmm时省略小数点。(6) v项由表示应变计结构的两个字母组成，表3-1仅列出了常用的代表性字符。(7)项目表示应变计的最高工作温度，省略常温应变计。(8)段落括号内的数字表示应用于温度自补偿拉伸的诗篇材料的线膨胀系数。下，上，后，例如，bh350-3aa 150 (16)是线性膨胀系数为1610-6/c的单轴箔环氧基体的材料，最大工作温度为150，浇口长度为3mm的温度自补偿应变。下页、上、下、表3-1模型命名表、3.1.4电阻传感器的测量电路通常机械变形较小，因此，在测量小变形引起的小电阻值的变化的同时，必须设计特殊测量电路，将电阻的相对变化转换为电压或电流的变化，通常需要使用桥式测量电路。以下是电路和这几个指标的具体说明。(1)直流桥平衡条件直流桥的基本形式见图3.3。R1、R2、R3和R4称为桥的桥臂，RL是负载(可以是测量设备的内部电阻或其他负载)。下，上，后，桥的输出电压称为(3-8)桥平衡时R1 R4=r2r3或(3-9)式(3-9)桥平衡条件。平衡桥在桥上两个相邻臂的阻力比率必须相同，桥相邻臂的阻力比率必须相同，通过负载阻力的电流为零。(2)在电压灵敏度实际测量中，将第一桥R1替换为应变计，如果小变形引起小电阻小电阻的变化，则桥输出不平衡电压的小变化。通常需要添加放大器。放大器的输入阻抗可能远高于网桥的输出电阻，因此网桥仍被认为处于打开状态。应变时应变电阻更改为R1，另一桥臂固定时，桥输出电压。您可以设定、(3-10)桥臂比率。由于可以在分母中忽略并考虑起始平衡条件，因此(3-10)式(3-11)桥电压灵敏度(3-12)，下一页，上一页，返回，返回，格式(3-12)。桥电压灵敏度与桥电压成正比，桥电压越高，桥电压灵敏度越高，但桥电压灵敏度越高，被定义为可变瓦允许的功耗。桥电压灵敏度是桥臂电阻比n的函数，因此，为了确保高于桥臂比n的电压灵敏度，必须相应地选择桥臂比n的值。如果确定桥电压e，那么为了提高桥电压灵敏度，在n中应该使用哪个值，下面的分析。来源的最大值是(3-13) n=l时的最大值。也就是说，如果确定桥电压，则在R1=R2，R3=R4时，桥的电压灵敏度最高。此时，型式(3.1-10)、型式(3.1-12)和型式(3.1-13)分别为、下一个、上一个、下一个、下一个、和(3)非线性误差及其校正方法如下：1)桥对/桥比2)使用差分桥半桥差分电路时使用全桥差分电路时，下一页，上一页，后退，后退，一种是将应变计粘贴到弹性敏感组件上，从而使弹性组件在测试物理量的作用(如力、压力、加速度等)中产生成比例的变化，然后将应变计用作检测组件，将应变计转换为电阻变化，通过测量电路检测测试物理量，因此可以配置当前传感器，特别是称重传感器内的各种特殊应变传感器。另一种方法是将应变计直接附着到测试目标组件，然后直接读取应变计上相应的应变值。例如，电阻应变计就是这种应用的例子。(1)柱力传感器柱力传感器的弹性元件有实心柱和空心柱两种，以实心柱为例。下、上、后、下、上、后、(2)电阻应变计电阻应变计是用于测量电阻应变计对应变量的工具。在实际测量中，只要将应变计连接到比萨点，然后连接到应变计的测量桥，就可以通过应变计直接获得比萨点的应变值。电阻应变计有两大类别：静态和动态。例如：(1)静态电阻应变计。静态电阻应变计可以测量频率在0到15hz之间的应变。示例：国产型号包括YJ-5、YJB-I、YJS-14等。(2)静态和动态电阻应变计。测量静态或数百Hz以下变形的静态和动态电阻应变计、国内型号YJD-1、YJD-7等。(3)动态电阻应变计。测量5kHz以下的变化，例如Y4D-l、Y6D-2、YD-15等。(4)超动态电阻应变计。可以测量频率为0 0 kHz的动态变化，例如Y6C-9。(5)遥测应变计。用于解决无法通过有线传输信号时的应变测量，例如旋转部件、运动部件等应变测量。3.2电容式传感器电容传感器是通过将静电的变化转换为电能来测量物理量的。电容式传感器广泛用于测量位移、角度、振动、速度、水平、压力、成分分析、介质特性等。3.2.1电容式传感器的特征(1)散热影响低(2)静态重力低(3)动态响应良好(4)结构简单，适应性高(5)非接触可测量容量传感器(1)输出阻抗高，负载容量低(2)寄生电容影响大两个平行板覆盖区域；极之间的距离。下、上、后、图3.10平板电容器，显然电容是、的函数。如果不变更其中两个参数，只变更其中一个参数，则可以将该参数的变更转换为电气量变更。因此，电容传感器分为极轴变化型、面积变化型和介质变化型三类。、底部、顶部、后退、(1)可变螺距电容式传感器、底部、顶部、顶部、顶部、底部、顶部、顶部、顶部、顶部、顶部、顶部、顶部形式(3-26)表明，电容量c和板距离d不是线性关系，而是双曲线关系(见图3.10)。电容器板距离从初始值l0减小到，板距离分别为和，C0和C1，即，为了提高传感器在实际应用中的灵敏度，克服电源电压、环境温度等一些外部因素对测量的影响，经常将传感器制成差分形式(变极差动电容传感器)，结构原理如图3.11所示。差动电容传感器的输出特性曲线如图3.12所示。设置移动到零位置、距两个平板相等距离的接地中心电极。中心电极位移为机械位移时，传感器总电容变化为、下页、(2)板间距和介电常数为常数，平板电容器的面积为变量的传感器称为可变面积电容传感器。晶体管区域电容式传感器有线位移和角度位移。线位移电容传感器分为平面线位移和圆柱线位移。图3.14a是平面线位移传感器，下一个、上、回、灵敏度：常数(3.47)图3.14b是圆形线位移传感器，电容量是：(3.48)灵敏度：常数(3.49)图3.14c表示每个位移传感器、电容、可变区域电容器通常还使用微分形式，这可以使传感器的输出和灵敏度提高一倍。(3)介质变更容量传感器3.15也是介质变更容量传感器，在固定两个平板之间添加空气以外的经测试的固体介质，如果介质改变，则电容量也发生变化。忽略边界效应，假设空气相对介电常数，固体介电相对介电常数，电容量(3.52)为两极之间的距离，电容量为(3.53)，下，上页，返回(3.53)，板面积和板如果知道材料的介电常数，就可以制作测厚仪；如果知道材料的厚度，就可以制作介电常数测量仪。下页，后退，后退，3.2.3电容传感器测量电路和电容传感器大量使用桥式电路、调频振荡电路、运算放大器电路和脉宽调制电路。(1)调频电路转换信号该电路使用电容传感器作为振荡器电路的一部分，测量发生变化，当电容发生变化时，可以适当地改变振荡频率。振荡器的频率被电容传感器的电容调制，因此称为调频电路。图3.15