传感器检测技术05 第五章

1、测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院1 1第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量1.1.掌握传感器工作原理及性能掌握传感器工作原理及性能 2.2.了解传感器结构、种类了解传感器结构、种类3.3.掌握测量电路及其补偿方法掌握测量电路及其补偿方法4.4.掌握应变片的布置及接桥方式掌握应变片的布置及接桥方式5.5.了解传感器的应用了解传感器的应用第第5章章 电阻应变式传感器电阻应变式传感器测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院2 2第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量 电阻式传感器的基本原理电阻式传感器的基本原理：将被测物理量的变化：将被测物理量的变化转换成电阻值

2、的变化，再经相应的测量电路显示或记转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛。录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛。 按照其工作原理可分为按照其工作原理可分为：变阻器：变阻器(电位器电位器)式、电阻式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁敏电阻式等。敏电阻式等。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变传感元件为电阻应变片。片。 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工

3、程学院3 3第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量应用范围应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等：用于位移、加速度、力、压力、力矩等各种参数测量。各种参数测量。电阻应变式传感器特点：电阻应变式传感器特点：精度高，测量范围广；精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，体积小，重量轻；结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；态测量；价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院4 4第第5 5

4、章章 力和压力测量力和压力测量3.1 电阻应变片的电阻应变片的工作原理及特性工作原理及特性 1 1、工作原理工作原理 电阻应变片的基本结构：电阻应变片的基本结构：金属材料金属材料半导体材料半导体材料34 21测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院5 5第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量电阻应变片的工作原理电阻应变片的工作原理电阻应变效应电阻应变效应是指是指金属导体金属导体在外力作用下发生机械在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形变形时，其电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。 应变片应变片压阻效应

5、：压阻效应：半导体半导体材料在受到外力作用时，其电材料在受到外力作用时，其电阻率阻率 发生变化的现象。发生变化的现象。测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院6 6第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量 电阻丝的电阻电阻丝的电阻R R为为ALR/dALdAALdLAdR2代入代入ALR/dAdALdLRdR任一参数变化均会引起电阻变化任一参数变化均会引起电阻变化, ,求导数求导数测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院7 7第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量dRdRx)21( x x电阻丝轴向相对变形，或称电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。纵向应变。电电阻阻丝丝

6、电电阻阻率率变变化化引引起起起起；电电阻阻丝丝几几何何尺尺寸寸变变化化引引 / dx)21 (电阻变化：电阻变化：对金属材料，电阻率几乎不变：对金属材料，电阻率几乎不变：xRdR)21( 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院8 8第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量对半导体材料，压阻效应为主：对半导体材料，压阻效应为主：xLEdRdR定义：电阻丝的灵敏度系数定义：电阻丝的灵敏度系数S0表示单位应变所引表示单位应变所引起的电阻相对变化。起的电阻相对变化。 xRdRS/0金属材料金属材料)(2210常常数数左左右右取取值值为为S半导体材料半导体材料之之间间，易易受受温温度度影影

7、响响取取值值100500ESL测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院9 9第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量2 2、电阻、电阻应变片的种类及材料应变片的种类及材料 电阻应变片的种类电阻应变片的种类常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院1010第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量丝式应变片：丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构金属电阻应变片的典型结构。将一根高。将一根高电阻率金属丝（电阻率金属丝（ 0.0250.025mmmm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘左右）绕成栅形，粘贴在

8、绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。的基片和覆盖层之间并引出导线构成。？栅状结构为了获得大的为了获得大的电阻变化量电阻变化量测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院1111第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。分为丝绕式和短接式两种。分为丝绕式和短接式两种。 o丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应横向效应较大；较大；o短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大径大5 51010倍的镀银丝短接而成，其

9、优点是克服了横向倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。效应。测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院1212第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量箔式应变片：箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将厚约为利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.0030.0030.01mm0.01mm的金属箔片制成敏感栅。的金属箔片制成敏感栅。 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院1313第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量半导体应变片：半导体应变片：分为体型和扩散型两种。分为体型和扩散型两种。 体型：利用半导体材料的体体型：利用半导体材料的体电阻制成。电阻制成。扩散型：在半导

10、体材料的基扩散型：在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成片上利用集成电路工艺制成扩散型电阻。扩散型电阻。 由于半导体由于半导体( (如单晶硅如单晶硅) )是各向异性材料，因此是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关关，还与晶向有关( (即对晶体的不同方向上施加力时，即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同其电阻的变化方式不同) )。 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院1414第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量薄膜应变片：薄膜应变片：采用采用真空沉积或高频溅射真空沉积或高频溅射

11、等方法，在等方法，在绝缘基片上形成厚度在绝缘基片上形成厚度在0.10.1mmmm以下的金属电阻材料薄膜以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅的敏感栅厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。优点优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，以其成膜温度低、可靠性好、系统简单等膜，以其成膜温度低、可靠性好、系统简单等 。薄膜应变片是今后的发展趋势薄

12、膜应变片是今后的发展趋势 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院1515第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量3 3、电阻、电阻应变片的性能参数应变片的性能参数 5 5）其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、）其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 2 2）几何参数：敏感栅基长）几何参数：敏感栅基长l l和宽度和宽度b b，制造厂常用，制造厂常用 b bl l表示。表示。1 1）电阻值：应变片原始阻值）电阻值：应变片原始阻值标准化，标准化，120120常用常用 3 3）灵敏系

13、数）灵敏系数S S：表示应变片变换性能的重要参数。：表示应变片变换性能的重要参数。 4 4）绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。一）绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。一般大于般大于10101010 。 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院1616第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量电阻应变片电阻应变片测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院1717第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量3.2 测量电路测量电路及温度补偿及温度补偿 电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流

14、信号，最终实现被将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的测量。测量的测量。 1 1、测量电桥、测量电桥应变片应变片电桥按其电源性质的不同可电桥按其电源性质的不同可以分为以分为直流电桥直流电桥和和交流电桥交流电桥。直流电桥只能测量电阻，而直流电桥只能测量电阻，而交流电桥可用于测量电阻、交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。电感和电容的变化。 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院1818第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量直流电桥的工作原理直流电桥的工作原理 4231RRRR 平衡条件：平衡条件：输出输出定义定义电桥的灵敏度电桥的灵敏度为：为： 工作时，各桥臂阻

15、值变化工作时，各桥臂阻值变化，则输出电压则输出电压U0 0 0000/ RRUSB实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，通常桥的最大灵敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0,即为即为等臂电桥等臂电桥. 241301234()()bcdcIR RR RUUUURRRR-=-=+测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院1919第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量直流电桥的联接方式直流电桥的联接方式: a) a) 半桥单臂半桥单臂 b) b) 半桥双臂半桥双臂 c) c) 全桥全桥 IoURRRRRRRRU)(43

16、421111半桥单臂半桥单臂：111RRR测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院2020第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量通常通常 RRIoURRU0041 IoURRRU00024输出电压为输出电压为IoURRU0021 IoURRU00222111,RRRRRR半桥双臂半桥双臂:全桥接法全桥接法: 444333222111,RRRRRRRRRRRR，测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院2121第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量电桥的工作特性电桥的工作特性: 1 1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采尽量

17、采用用半桥双臂或全桥半桥双臂或全桥方式。方式。IoURRU0041 IoURRU0021 IoURRU00在在 R R0 0RR Ri i），），为了减小误差，为了减小误差，R Ri i越大越好。越大越好。 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院5252第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量显然，电荷泄漏使得利用压电传感器测量静态或准静显然，电荷泄漏使得利用压电传感器测量静态或准静态量非常困难。通常压电传感器适宜作态量非常困难。通常压电传感器适宜作动态测量动态测量。 实际应用中为了增大输出值，压电传感器往往用实际应用中为了增大输出值，压电传感器往往用两个或两个以上的晶体串联或并

18、联：两个或两个以上的晶体串联或并联： 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院5353第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量串联时，输出电压大、电容小、串联时，输出电压大、电容小、时间常数小。时间常数小。 适宜测量高频信号和以电压适宜测量高频信号和以电压输出的场合。输出的场合。 并联时，输出电荷量大、电容并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大；大、时间常数大； 适宜测量缓变信号和以电荷适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。输出的场合。 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院5454第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量测量电路测量电路 由于压电式传感器的输出电信号

19、很微弱，通常先由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到把传感器信号先输入到高输入阻抗的高输入阻抗的前置放大器前置放大器：电电压放大器压放大器或或电荷放大器电荷放大器，对传感器输出的电压或电荷，对传感器输出的电压或电荷信号进行放大处理，并实现阻抗变换，将传感器的高信号进行放大处理，并实现阻抗变换，将传感器的高输出阻抗变为放大器的低输出阻抗，再用一般的放大输出阻抗变为放大器的低输出阻抗，再用一般的放大检波电路输入到指示仪表或记录器。检波电路输入到指示仪表或记录器。 前置放大器的作用：放大信号、阻抗变换前置放大器的作用：放大信号、阻抗变换测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院

20、机电工程学院5555第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量1)1)电压放大器电压放大器设作用于压电设作用于压电 晶片上的交变力晶片上的交变力F=F0sin t。则：则： tCFdCquacaasin0而而：q = dc F = dc F0sin t ，其中，其中，R = Ra/Ri，C = Ca + Cc + Ci。 1)()(sRCsRCsUsUaai测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院5656第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量2221)(CRRCAaRCarctg2)()(sin10222tFdCRRuci02221FdCRRUcim即：即：从而从而：输入端电压幅值

21、：输入端电压幅值：定义压电传感器输出电压灵敏度：定义压电传感器输出电压灵敏度： comudCRRAdFdUSo22201imomAUU输出端电压幅值：输出端电压幅值：测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院5757第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量1)(2RC00FCCCAdFCdAUicaccomicacuCCCAdSo，则：，则：当作用力频率当作用力频率 与电路时间常数与电路时间常数RC足够大时，足够大时，q U Uomom和和S Su u0 0与与C Cc c有关，当改变电缆长度或布线有关，当改变电缆长度或布线 方法时，方法时，U Uomom和和S Su uo o都会改

22、变，从而导致测量都会改变，从而导致测量 误差。误差。 显然：显然：测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院5858第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量q CRfi21q 对动态测量，对动态测量， 较大，易满足较大，易满足( ( RCRC) )2 2 1 1，此时此时U Uomom和和S Su uo o 近似与近似与 无关，即压电传感器具有良好的高频响无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。应特性。 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院5959第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量2)2)电荷放大器电荷放大器 电荷放大器是一个电荷放大器是一个高增益带电容负反馈

23、高增益带电容负反馈的运算放的运算放大器，其输入阻抗极高（大器，其输入阻抗极高（10101212 以上）。以上）。 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院6060第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院6161第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量0)1 (FCACCCAdAUUficacimom0FCdUfcom表明表明: :在一定条件下，电荷放大器的输出电压与外力在一定条件下，电荷放大器的输出电压与外力成正比，与反馈电容成反比，而与成正比，与反馈电容成反比，而与C Ca a、C Cc c和和C Ci i无关。无关。 电缆分

24、布电容变化不会影响传感器灵敏度及测量结果电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度及测量结果是电荷放大器的突出优点。是电荷放大器的突出优点。测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院6262第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院6363第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量ffCRf21 电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反之；但电压放大器下限频率较高，灵敏度与电反之；但电压放大器下限频率较高，灵敏度与电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。电压放大器和电荷放

25、大器比较：电压放大器和电荷放大器比较：测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院6464第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量3.6 压电式传感器的应用压电式传感器的应用 压电式传感器的特点压电式传感器的特点 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院6565第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量 应用应用 广泛应用于冲击、振动及动态力的测量。广泛应用于冲击、振动及动态力的测量。 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院6666第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院6767第第5 5章章 力和压力测量力和

26、压力测量压电式加速度计压电式加速度计测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院6868第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量 利用压电效应，在加速度计受振时，质量块加在利用压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力压电元件上的力(F=ma)也随之变化。当被测振动频率也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则产生的电压远低于加速度计的固有频率时，则产生的电压(或电或电荷荷)与被测加速度成正比。与被测加速度成正比。1)1) 灵敏度及其产生误差的原因灵敏度及其产生误差的原因灵敏度有灵敏度有电压灵敏度电压灵敏度和和电荷灵敏度电荷灵敏度两种表示方法两种表示方法aUSa

27、qSaVq选用压电系数选用压电系数大的压电元件大的压电元件测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院6969第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量对给定的压电材料而言，对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多（串联或并联）而增大。电元件的增多（串联或并联）而增大。一般来说，加一般来说，加速度计尺寸越大速度计尺寸越大 ，其固有频率越低。因此选用加速，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。和频率响应特性之间的利弊。 ammmaT1001f

28、mmmfT测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院7070第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量理想情况是只有主轴加速度的作用产生输出，垂直理想情况是只有主轴加速度的作用产生输出，垂直于主轴加速度的作用不应有输出。压电加速度计的于主轴加速度的作用不应有输出。压电加速度计的横向灵敏度横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计主轴线）表示它对横向（垂直于加速度计主轴线）振动的敏感程度。振动的敏感程度。测量误差测量误差横向灵敏度横向灵敏度：u横向灵敏度常以主轴灵敏度（即加速度计的电压横向灵敏度常以主轴灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。一个优良的灵敏度或电荷灵敏度）的

29、百分比表示。一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主轴灵敏度的加速度计的横向灵敏度应小于主轴灵敏度的3 3。测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院7171第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量u产生横向灵敏度的原因产生横向灵敏度的原因：晶片的切割误差、压电元：晶片的切割误差、压电元件表面粗糙或两表面不平行、基座平面或安装表面与件表面粗糙或两表面不平行、基座平面或安装表面与压电元件的最大灵敏度轴线不垂直等，造成传感器的压电元件的最大灵敏度轴线不垂直等，造成传感器的最大灵敏度方向与主轴线不重合，造成测量误差。最大灵敏度方向与主轴线不重合，造成测量误差。测试技术及应用测试技术及应用机电

30、工程学院机电工程学院7272第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量u横向灵敏度与横向加速度方向有关。一般在壳体上横向灵敏度与横向加速度方向有关。一般在壳体上用小红点标出用小红点标出最小横向灵敏度最小横向灵敏度方向，测量时该方向应方向，测量时该方向应对准对准存在最大横向干扰（存在最大横向干扰（最大横向加速度）方向，使最大横向加速度）方向，使横向加速度引起的误差最小。横向加速度引起的误差最小。测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院7373第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量2)2) 频率特性频率特性加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的谐振加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线

31、中的谐振频率。一般小阻尼频率。一般小阻尼( (=0.1)=0.1)的加速度计，上限频率的加速度计，上限频率若取为谐振频率的若取为谐振频率的1/31/3，便可保证幅值误差低于，便可保证幅值误差低于1 1dBdB（即即12%12%）；若取为谐振频率的）；若取为谐振频率的1/51/5，则可保证幅值，则可保证幅值误差小于误差小于0.50.5dBdB（即即6%6%），相移小于），相移小于3 30 0。压电式加速度计的幅频特性曲线压电式加速度计的幅频特性曲线 测试技术及应用测试技术及应用机电工程学院机电工程学院7474第第5 5章章 力和压力测量力和压力测量低端截止频率低端截止频率l在低频尤其小振幅振动时

32、，加速度值小，传感器在低频尤其小振幅振动时，加速度值小，传感器的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比的灵敏度有限，因此输出的信号将很微弱，信噪比很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测很低；另外电荷的泄漏，积分电路的漂移（用于测振动速度和位移）、器件的噪声都是不可避免的。振动速度和位移）、器件的噪声都是不可避免的。l后续电路（电压放大器和电荷放大器具有后续电路（电压放大器和电荷放大器具有高通滤高通滤波波的特点）的频率特性影响，有一定的下限截止频的特点）的频率特性影响，有一定的下限截止频率。率。l实际压电传感器低频端出现实际压电传感器低频端出现“截止频率截止频率”，约为，约为0.10.11 1H