传感器第3章(3)

第3章电阻式传感器,直流电桥优点：电源稳定电路简单，仍是主要测量电路；缺点：直流放大器较复杂，存在零漂工频干扰。交流电桥优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定传感器带来方便；缺点：需专用测量仪器或电路不易取得高精度。,第3章电阻式传感器,3.4.6交流电桥,交流电桥采用了交流供电，这时，电桥的平衡条件、引线分布参数的影响、平衡调节、后续放大线路等许多方面的影响，与直流电桥有明显的差别。,1.交流电桥的平衡条件,Z1、Z2、Z3、Z4为复阻抗，U为交流电压源,，开路输出电压为U0，根据交流电路分析（和直流电路类似）可得平衡条件为：,第3章电阻式传感器,设,(i=1,2,3,4),因此，平衡条件必须同时满足：,或,2.交流电桥的输出特性,第3章电阻式传感器,1）设交流电桥的初始状态是平衡的，当工作应变片R1改变R1，引起Z1变化Z1，可算出：,第3章电阻式传感器,略去Z1/Z1，并设初始时Z1Z2，Z3Z4，则：,因为,所以,代入,第3章电阻式传感器,当时，上式变为,可见，当满足时，交流电桥的计算和直流电桥基本一样。同理可求得交流电桥的各种组桥输出分别为：,（1）单臂工作输出（2）半桥差动输出（3）全桥输出（4）灵敏度关系,第3章电阻式传感器,电桥的调平就是确保试件在未受载、无应变的初始条件下，应变电桥满足平衡条件(初始输出为零)。在实际的应变测量中，由于各桥臂应变计的性能参数不可能完全对称，加之应变计引出导线的分布电容如图（其容抗与供桥电源频率有关），严重影响着交流电桥的初始平衡和输出特性。因此必须进行预调平衡。,2）交流电桥的供桥电压交流电桥一般采用正弦交流电供电，即：,3）交流电桥的零位平衡调整交流电桥一般采用正弦交流电供电，即：,第3章电阻式传感器,图交流电桥分布电容影响,由图和式可见：,R1R3=R2R4和R3C2=R4C1,对全等臂电桥，上式即为R1=R2=R3=R4和C1=C2,上式表明：交流电桥平衡时，必须同时满足电阻和电容平衡两个条件。为此，在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节，即电阻调平法和电容调平法。,(1)电阻调平法,第3章电阻式传感器,串联电阻法如图(a)所示，调节R5，相当于改变并联在R3和R4桥臂上的电阻的大小，以实现电桥平衡。,并联电阻法如图(b)所示。,多圈电位器R5对应于电阻应变仪面板上的“电阻平衡”旋扭。调节R5即可改变桥臂AD和CD的阻值比，使电桥满足平衡条件。,第3章电阻式传感器,其可调平衡范围取决于R6的值：R6愈小，可调范围愈大，但测量误差也愈大。因此，要在保证精度的前提下选得小些。R5可采用R6相同的阻值。R6可按下式确定：,(2)电容调平法,差动电容法如图(a)所示。C3和C4为同轴差动电容；调节时，两电容变化大小相等，极性相反，以此调整电容平衡。,式中r1和r3分别为桥臂R1与R2和R3与R4的偏差。,第3章电阻式传感器,阻容调平法如图(b)。它靠接入T形RC阻容电路起到电容预调平的作用。必须注意：在同时具有电阻、电容调平装置进行阻抗调平的过程中，两者应不断交替调整才能取得理想的平衡结果。,3.5电阻应变片的温度误差及其补偿,（一）用应变片测量时，希望其电阻只随应变而变，而不受其它因素的影响。但实际上环境温度变化时，也会引起电阻的相对变化，从而产生温度误差。,第3章电阻式传感器,产生温度误差有两种原因：（1）应变电阻丝的电阻随温度变化引起电阻变化。（2）电阻丝材料与被测材料的温度系数不同引起的附加电阻变化。,电阻丝温度系数引起电阻变化设：R0为温度t0时的电阻；Rt为温度为t时的电阻；为应变丝的电阻温度系数。于是时的电阻值为：因为,第3章电阻式传感器,2.被测体与应变丝的温度系数不同引起附加电阻变换量,设为温度为t0时应变丝及被测体原长；为温度为t时应变丝长；为应变丝线温度系数。则当时，应变丝长度变化量为：,设为温度为t0时被测体原长；为温度为t时被测体长度；为被测体线温度系数。则当时，被测体长度变化量为：,第3章电阻式传感器,因为，所以，即造成长度误差为,电阻变化为,温度引起总电阻变化为,第3章电阻式传感器,结论：应变计的温度效应及其热输出由两部分组成：前部分为热阻效应所造成；后部分为敏感栅与试件热膨胀失配所引起。在工作温度变化较大时，这种热输出干扰必须加以补偿。,（二）温度误差的补偿,常采用温度自补偿法和桥路补偿法。,1.温度自补偿法这种方法是通过精心选配敏感栅材料与结构参数来实现热输出补偿的。,第3章电阻式传感器,(1)单丝自补偿应变计因为补偿的目的就是使，即,所以：,可知：（1）选择合适的参数就可以使等式成立，就能使电阻变化为0，消除了温度的影响。（2）此方法主要是设计时使用。,(2)双丝自补偿应变计,第3章电阻式传感器,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。当工作温度变化时，若Ra栅产生正的热输出a与Rb栅产生负的热输出b，能大小相等或相近，就可达到自补偿的目的，即:,第3章电阻式传感器,2.差动电桥补偿法差动电桥补偿法是利用电桥的和、差原理来达到补偿的目的。,工作片：补偿片：,当时,第3章电阻式传感器,3.热敏电阻补偿,如图热敏电阻Rt与应变片,处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压随温度升高而增加，从而提高电桥的输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。,第3章电阻式传感器,3.6应变式传感器的应用举例,3.6.1应变式传感器的原理及特点,非电量：力、力矩、压力、扭矩、应力、位移、速度、加速度、荷重、振动、生物动力参数。,第3章电阻式传感器,应变计式传感器有如下应用特点：(1)应用和测量范围广。用应变计可制成各种机械量传感器，如测力传感器可测10107N，压力传感器可测101106Pa，加速度传感器可测到103级m/s2。(2)分辨力(1)和灵敏度高，尤其是用半导体应变计，灵敏度可达几十mV/V；精度较高(一般达1%3%F.S.，高精度达0.1%0.01%F.S.)。(3)结构轻小，对试件影响小；对复杂环境的适应性强，易于实施对环境干扰的隔离或补偿，从而可以在高低温、高压、高速、强磁场、核幅射等特殊环境中使用；频率响应好。(4)商品化，选用和使用都方便，也便于实现远距离、自动化测量。,第3章电阻式传感器,3.6.2电阻应变式测力传感器,1.电阻应变式测力传感器一般框图,3.各个环节传递函数,2.柱（轴）式应变传感器组成框图及各环节的作用,第3章电阻式传感器,1）柱式弹性元件传递函数,因为,所以传递函数为,2）应变片的传递函数,因为,所以传递函数为,3）电桥的传递函数（取第一类对称电桥）,因为,所以传递函数为,4.柱(轴)式应变力传感器传递函数框图,第3章电阻式传感器,5.柱(轴)式应变力传感器工作原理式,工作原理式为,当确定参数后有为常数，所以（作用力）（线性函数）。,一般应变片均匀贴在圆柱表面中间部分，R1R2、R3R4串联摆放在两对臂内，当有偏心应力时，一方受拉另一方受压产生相反变化，可减小弯矩的影响。横向粘贴应变片为温度补偿片有提高灵敏度的作用。R=R1=R2=R3=R4，受力方向相同,桥路连接图,第3章电阻式传感器,第3章电阻式传感器,圆柱面展开图,第3章电阻式传感器,荷重传感器弹性元件形式,3.6.3电阻应变式压力传感器,1.组成框图及各环节的作用,第3章电阻式传感器,2.各个环节传递函数,1）平膜片的传递函数,因为,所以传递函数为,2）应变片的传递函数,因为,所以传递函数为,第3章电阻式传感器,3）半桥差动电桥的传递函数,因为,所以传递函数为,3.应变式压力传感器传递函数框图,4.工作原理式,当确定参数后有（线性函数）。,第3章电阻式传感器,力传感器,悬臂梁式力传感器,等强度梁,第3章电阻式传感器,平行双孔梁,S型拉力,各种平行双孔梁,第3章电阻式传感器,轮辐式测力传感器,膜片式压力传感器,第3章电阻式传感器,3.6.4电阻应变式位移传感器,应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用来近测或远测静态与动态的位移量。因此，既要求弹性元件刚度小，对被测对象的影响反力小，又要求系统的固有频率高，动态频响特性好。,图为国产YW系列应变式位移传感器结构。这种传感器由于采用了悬臂梁-螺旋弹簧串联的组合结构，因此它适用于较大位移(量程10100mm)的测量。其工作原理如图)所示,第3章电阻式传感器,1测量头；2弹性元件；3弹簧；4外壳；5测量杆；6调整螺母；7应变计,第3章电阻式传感器,由于测量杆位移d为悬臂梁端部位移量d1和螺旋弹簧伸长量d2之和。由材料力学可知，位移量与贴片处应变之间的关系为：,上式表明：d和成线性关系，其比例系数K与弹性元件尺寸、材料特性参数有关；通过4片应变计和应变仪测得。,3.6.5电阻应变式加速度传感器,1.电阻应变式加速度传感器测量原理,第3章电阻式传感器,2.测量加速度的原理框图,3.工作原理式二阶传感器微分方程传递函数令得出,第3章电阻式传感器,当被测物体做简谐运动时，即,幅频特性为：相频特性为：令：,第3章电阻式传感器,当时，M1,则,若采用等强度梁作弹性元件，即xt为梁的挠度，即,代入得,当确定参数后有（线性函数）。,4.系统传递函数框图,第3章电阻式传感器,工作原理式为,当确定参数后有（线性函数）。,5.标度变换,第3章电阻式传感器,3.7固态压阻式传感器,固态压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应为理论基础工作的，它是在半导体材料上扩散电阻制成的。,3.7.1压阻式传感器的工作原理,压阻式传感器的工作原理是基于半导体材料的压阻效应，即：半导体材料单一方向受力（拉或压）时，其电阻率相对变化与所受应力成正比的现象。固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度，其输出是模拟信号，可以为频率信号。,第3章电阻式传感器,3.7.2压阻式压力传感器的工作原理,压力测量:与金属膜片式压力传感器原理相同。,第3章电阻式传感器,3.7.3压阻式加速度传感器的工作原理,加速度测量，传感器弹性元件是硅梁，在硅梁的根部有四个扩散电阻，当硅梁的自由端因加速度受力作用时，惯性使梁弯曲，弯矩产生的应力使四个电阻值发生变化，应变范围在400500。,压阻式传感器有许多优点：频率响应高，f0可达1.5M；体积小、耗电少、灵敏度高、可测量到0.1%的精确度；无运动部件。压阻式传感器缺点：温度特性差；工艺复杂；压阻式传感器应用领域：航空工业，生物医学，兵器工业，防爆检测等。,微型硅应变压力传感器,第3章电阻式传感器,第3章应变式传感器,各种电子秤,广泛应用于,第3章应变式传感器,第3章应变式传感器,上海卢浦大桥通车应变试验,第3章电阻式传感器,上海国际会议中心模型试验,打桩船吊塔强度试验,第3章电阻式传感器,应变传感器力传感器贴在试件上的应变片的电阻变化率与应变成比例。半导体压力传感器可获得比金属大100倍以上的电阻变化。利用应变的传感器重量传感器、压力传感器、粘度传感器等。电桥电路平衡条件：R1R3=R2R4；用途：求未知电阻值，记录电阻变化率、温度补偿；欧姆定律、基尔霍夫定律：计算电路电压、电流。,本章要点：,本章要点：,电阻式传感器的基本原理，转换电路。了解不同电阻式传感器的结构、性能、灵敏度差别，分别使用在哪些场