传感器与检测技术四学习教案

1、会计学1传感器与检测传感器与检测(jin c)技术四技术四第一页，共43页。2.1 应变(yngbin)式传感器 金属(jnsh)电阻应变片的工作原理 1.金属(jnsh)的应变效应 金属丝在外力作用下发生机械变形时其阻值将发生变化的现象 AlR 金属丝的电阻值 电阻的相对变化量 AAllRR Errll /,/,/ )21(ERR 纵向应变纵向应变: 泊松比泊松比: 压阻系数压阻系数: 应应力力值值: 第1页/共42页第二页，共43页。灵敏系数：单位(dnwi)应变引起的电阻值相对变化 ERRk 21/210 21 E 0k 0kRR 材料的几何尺寸变化(binhu)引起的 材料(cilio

2、)的电阻率随应变引起的(压阻效应) 金属材料：k0以前者为主，则 k01+2=1.73.6 半导体：k0值主要是由电阻率相对变化所决定 在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，k0为常数 第2页/共42页第三页，共43页。2.应变片的结构(jigu)与种类 种类(zhngli)：丝式、箔式、薄膜应变片 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出(yn ch)线丝式应变片结构： 金属电阻应变片，材料电阻率随应变产生的变化很小，可忽略 0)21(kRR 对同一电阻材料， k0=1+2是常数。k0多在之间 第3页/共42页第四页，共43页。箔式应变片：在绝缘基底上，将厚度为电阻箔材，利用照相

3、制板或光刻腐蚀方法，制成各种需要(xyo)的形状 优点(yudin)： (1) 尺寸准确，线条均匀，适应(shyng)不同的测量要求； (2) 可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 (3) 与被测试件接触面积大，粘结性能好。散热条件好，允许 电流大，灵敏度提高 (4) 横向效应可以忽略 (5) 蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长 缺点：电阻值的分散性大 第4页/共42页第五页，共43页。金属(jnsh)薄膜应变片 采用真空蒸渡、沉积或溅射等方法在薄的绝缘基片上形成厚度 在m以下(yxi)的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层优点：应变灵敏系数大，允许(ynx)电流密度大，工作范围广， 易实现工业化生产

4、缺点：难控制电阻与温度和时间的变化关系 电阻应变片的特性 性能参数：电阻值、灵敏度、允许电流、应变极限 应变片的电阻值： 60、120、200、350、600、1000 电阻值大：可加大应变片承受电压，输出信号大， 敏感栅尺寸也增大 第5页/共42页第六页，共43页。1. 灵敏(ln mn)系数 RRk/ 标称灵敏系数(xsh)：受轴向单向力(拉或压)，试件材料为泊松系数(xsh)的钢等。一批产品中只能抽样5的产品来测 定，取平均值及允许公差值。电阻应变(yngbin)片的灵敏系数k 电阻丝的灵敏系数k0原因：粘结层传递变形失真、存在有横向效应 2. 横向效应 敏感栅是由多条直线和圆弧部分组成

5、 直线段：沿轴向拉应变 ，电阻 x 圆弧段：沿轴向压应度 ，电阻y k(箔式应变片)第6页/共42页第七页，共43页。横向效应：应变片的横栅部分将纵向丝栅部分的电阻变化抵消了 一部分，从而(cng r)降低了整个电阻应变片的灵敏度横向效应大小与敏感(mngn)栅的构造及尺寸有关。敏感(mngn)栅的纵栅愈窄、愈长，而横栅愈宽、愈短，则横向效应的影响愈小y 第7页/共42页第八页，共43页。3. 温度(wnd)误差及其补偿 原因：电阻温度系数(xsh)的影响 敏感栅电阻丝阻值随温度变化引起(ynq)的误差 TllsT 01TRRRRTT 00 ：敏感栅材料的电阻温度系数 试件材料和电阻丝材料的线

6、膨胀系数的影响 当环境温度变化时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数 不同，应变片将产生附加变形，产生附加电阻T s g 、设应变丝长度 l0，应变丝和试件的线膨胀系数为 温度变化 ，应变丝膨胀至lT1，试件为lT2 TllgT 02(1) 温度误差 第8页/共42页第九页，共43页。TllsgT )(0 gs 若附加(fji)拉伸变形 TllsgTT )(0 附加(fji)应变 附加电阻(dinz)变化 TkRkRRsgTT )(0000 由于温度变化而引起的总电阻变化为 TkTkRRsgTT )(/000 TkRTRRRRsgTTT )(000 相应的虚假应变量 第9页/共42页第十页，共

7、43页。(2) 温度(wnd)补偿方法(电桥补偿、应变片补偿) 电桥(din qio)补偿法 U0R1R4R3URBFFR1RB不承受(chngshu)应变时 0)(3B410 RRRRAUT 温度变化 0)()(34110 RRRRRRAUBTBT 若被测试件受到应变 kRARU410 第10页/共42页第十一页，共43页。R1 +RRB -RU0R1RR4R3URBR优点(yudin)： 简单、方便(fngbin)，在常温下补偿效果较好 缺点(qudin)： 在温度变化梯度较大的条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况，影响补偿效果第11页/共42页第十二页，共43页。 应变(

8、yngbin)片的自补偿法 温度自补偿应变片：温度变化(binhu)时，产生的附加应变为零或相互抵消a. 选择式自补偿(bchng)应变片 实现温度补偿的条件 0)(0 TkTsgT )(0sgk 被测试件的线膨胀系数已知，选择敏感栅材料，使下式成立 可达到温度自补偿的目的 优点：容易加工，成本低 缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄 第12页/共42页第十三页，共43页。b. 双金属敏感栅(组合式)自补偿(bchng)应变片 R1R2敏感栅丝由两种不同(b tn)温度系数的金属丝串接组成 选用两者具有不同符号的电阻温度系数 调整(tiozhng)R1和R2的比例，满足 T2T1)()

9、(RR )()(/111222112221 ggTTkkRRRRRR通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿 第13页/共42页第十四页，共43页。 热敏电阻(r mn din z)补偿法 T，k RT， URT，U = Ui URT UiR1RR4R3U0R2RTR5 分流电阻 第14页/共42页第十五页，共43页。 电阻(dinz)应变片的测量电路 1. 电桥电路(dinl)的工作原理 R1R2R4R3UUoRL电桥(din qio)平衡条件： R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 )()()(-214343214321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUI IL

10、=0时电桥平衡 第15页/共42页第十六页，共43页。当电桥(din qio)后面接放大器时, 电桥(din qio)输出端看成开路 URRRRRRRRU)(432132410 )()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU 应变片工作时，其电阻变化 R 采用(ciyng)等臂电桥，即R1= R2= R3=R4=R )2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU RRRRRRRRUU432104若 RRi 432104 UkU则则第16页/共42页第十七页，共43页。结论(jiln)： 时，电桥的输出电压与应变成线性关系 。 R

11、Ri 若相邻(xin ln)两桥臂的应变极性一致，输出电压为两者之差； 若相邻(xin ln)两桥臂的应变极性不同，输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出(shch)电压为两者之和； 反之则为两者之差。 电桥供电电压U越高，输出电压越大。但U增大时，电阻 应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的 最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数k，可提高电桥的输出电压。 432104 UkU第17页/共42页第十八页，共43页。2. 非线性误差(wch)及其补偿 单臂电桥(din qio)，理想的线性关系 RRUU 4010211424 RRRRUR

12、RRUU kRRRRRRUU2121121112111100 电桥实际输出(shch)电压 电桥的相对非线性误差为 消除非线性误差的措施：采用半桥差动或全桥差动电路 第18页/共42页第十九页，共43页。(1) 采用(ciyng)半桥差动电路 R1R2FU0R1R1R4R3UR2R24332211110RRRRRRRRRUU R1R2R3R4=R，R1R2=R RRUU 20输出(shch)电压 严格(yng)的线性关系电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用第19页/共42页第二十页，共43页。(2) 采用(ciyng)全桥差动电路 RRUU 0U0R1R1UR2R2R4R4R3R3第20页

13、/共42页第二十一页，共43页。 电阻(dinz)应变式传感器的应用 1. 应变(yngbin)式力传感器被测量为荷重或力 (1) 柱式力传感器 R5R8R7R6R1R2R3R4UoUR5R8R7R6R1R2R3R4SEFEll 第21页/共42页第二十二页，共43页。(2) 梁式力传感器 等截面(jimin)悬臂梁 b0hEbhlF26 结构简单(jindn)，易加工，灵敏度高，适合于测5000N以下的载荷 第22页/共42页第二十三页，共43页。 等强度(qingd)悬臂梁 b0hEhblF206 双端固定(gdng)梁 EbhlF243 第23页/共42页第二十四页，共43页。(3) 薄

14、壁圆环式力传感器 )21()2/(32 EbhhRF第24页/共42页第二十五页，共43页。2. 应变(yngbin)式压力传感器 应用：液体(yt)、气体动态和静态压力的测量 trR1R2R3R4(1) 膜片式压力(yl)传感器 膜 片EhxRPr22228)3)(1(3 径向应变 EhxRPt22228)(1(3 切向应变 R4R3R1R2 UU0第25页/共42页第二十六页，共43页。(2) 筒式压力(yl)传感器测量较大压力(yl) 圆筒外表面上(min shn)的环向应变(沿圆周线) )1()2(2 nEP 薄壁筒 )5 . 01(2 hEPD2/ )(0DDh 第26页/共42页第

15、二十七页，共43页。(3) 组合式压力(yl)传感器测量小压力(yl) 压力(yl)敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等 应变片粘贴在悬臂梁上，不直接粘贴在压力(yl)感受元件 缺点：缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程 第27页/共42页第二十八页，共43页。AK-1型应变(yngbin)式脉动压力传感器 产品特点： 采用(ciyng)外壳和膜片为一体的圆膜片结构 尺寸小，安装方便 频响高，精度高，性能稳定可靠 适用于各种动，静态、气、液体介质的压力测量 第28页/共42页第二十九页，共43页。3. 应变式容器(rngq)内液体重量(或液位)传感器 hgAAUUU )(21210 DQAA

16、U)(210 电桥(din qio)输出 SGhg 第29页/共42页第三十页，共43页。4. 应变(yngbin)式加速度传感器 低频(1060Hz)振动测量中得到广泛的应用(yngyng)， 但不适用于频率较高的振动和冲击第30页/共42页第三十一页，共43页。5. 应变(yngbin)式扭矩传感器 扭矩：M=Fl 6. 应变(yngbin)式张力传感器 第31页/共42页第三十二页，共43页。2.2 压阻式传感器 半导体的压阻效应(xioyng) 定义：单晶半导体材料(cilio)沿某一轴向受外力作用时，其电阻率会 发生变化压阻式传感器的灵敏系数大，分辨率高。频率响应(pn l xin

17、yn)高，体积小。主要用于测量压力、加速度和载荷等参数半导体材料对温度很敏感，因此压阻式传感器的温度误差较大，必须要有温度补偿。第32页/共42页第三十三页，共43页。 )21(RR )21(ERRl 压阻效应(xioyng) 半导体电阻率 llE ll 压阻系数，与材料及应力方向与晶轴方向之间的夹角有关 l E为半导体材料(cilio)的弹性模量，与晶向有关)21( 材料几何形状变化引起 El 压阻效应的影响，随电阻率而变化 第33页/共42页第三十四页，共43页。半导体材料 )21( El llERR ERRkl /半导体单晶的应变灵敏(ln mn)系数 应变灵敏系数(xsh)还与掺杂浓度

18、有关，它随杂质的增加而减小 第34页/共42页第三十五页，共43页。 体型半导体电阻(dinz)应变片 1. 结构型式(xn sh)及特点 优点：灵敏系数比金属电阻(dinz)应变片的灵敏系数大数十倍 横向效应和机械滞后极小 缺点：温度稳定性和线性度比金属电阻应变片差得多 第35页/共42页第三十六页，共43页。2. 测量(cling)电路 恒压源 )/(0TRRRUU RIU 0恒流源 输出电压(diny)受环境温度的影响 环境温度的变化(binhu)对其没有影响 扩散型压阻式压力传感器 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件，在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 第36页/共42页第三十七页，共4

19、3页。工作(gngzu)原理： 膜片两边存在压力差时，膜片产生变形，膜片上各点产生应力(yngl)。 四个电阻在应力(yngl)作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，输出相应的电压，电压与膜片两边的压力差成正比。四个电阻(dinz)的配置位置： 按膜片上径向应力r和切向应力t的分布情况确定 第37页/共42页第三十八页，共43页。 )31()1(83)3()1(8322022202rrhprrhptr 优点：体积小，结构比较简单，动态响应(xingyng)也好，灵敏度高，能 测出十几帕的微压，长期稳定性好，滞后和蠕变小，频 率响应(xingyng)高，便于生产，成本低。缺点(qudin)：测量准确度受到非线性和温度的影