第5章 RLC传感器.ppt

1、第5章电阻传感器。电阻式传感器的基本原理是将测量的变化转化为传感元件电阻值的变化，然后通过转换电路将其转化为电信号。第一部分是应变传感器，目前广泛用于自动测力或称重。应变传感器具有以下优点：1 .良好的准确度、线性度和灵敏度；2.迟滞和蠕变小，使用寿命长；3.易于与二次仪表匹配，实现自动检测；4.结构简单，体积小，应用灵活；5.运行稳定，维护方便。除了力参数之外，应变传感器还可以用来测量加速度。应变式传感器是一种利用金属的电阻应变效应将测量数据转换成电输出的传感器。1.工作原理(1)金属的电阻应变效应当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值会发生变化。取一根金属线，长度为1，横截面积为1，

2、电阻率为1。当它不受压时，它的电阻为、(2 -1)。当电阻丝受到拉力F时，它将拉伸L，它的横截面积将相应地减小S，并且它的电阻率将由于晶格变形和其他因素而改变，因此电阻值的相对变化是，其中L/L是长度的相对变化，用应变表示，并且S/S是圆形的(2 -2)、(2 -3)、(2 -5)，从材料力学的角度来看，在弹性范围内，当金属丝受到拉力时， 它沿轴向延伸，沿径向缩短，因此轴向应变和径向应变之间的关系可以表示为：电阻丝材料的泊松比，负号表示相反的应变方向。 或者，(2-6)和(2-7)可以通过将等式(2-3)和(2-5)代入等式(2-2)来获得。通常，由单位应变能引起的电阻变化称为金属电阻丝的灵敏

3、度系数。它的物理意义是单位应变引起的电阻的相对变化，其表达式为，(2-8)、(2-9)。因此，灵敏度系数受到两个因素的影响，即(1 2)。受力后材料电阻率的变化，即/。用应变仪测量时，将其贴在被测物体的表面。当被测物体受力变形时，应变片的敏感栅随之变形，其电阻值相应变化，通过转换电路转换成电压或电流的变化，直接用于测量应变。位移、力、力矩、加速度、压力等物理量通过弹性敏感元件转化为应变，上述量可通过应变仪测量，从而制成各种应变传感器。(2)应变仪的基本结构和测量原理；(1)敏感网格感测应变并将应变转换成电阻的变化。有三种类型的敏感栅格：线、箔和膜。(2)衬底绝缘和应变转移。测量结果是，应变仪的

4、基底提高了粘合剂对测试片的粘附力，这要求基底将测试片的应变准确地传递到敏感网格。同时，基板的绝缘性能更好，否则应变计的微小电信号将会丢失。由薄纸、树胶薄膜等制成。(3)压敏格栅与基底、基底与试样、基底与覆盖层之间的粘接。(4)覆盖层的保护作用。防潮、防腐蚀、防尘。(5)导线与电阻丝和测量电路相连，输出电参数。2.应变仪的类型和材料(1)应变仪的类型和材料1。线式应变仪回路式：短路式：克服横向效应线式应变仪的材料要求2。金属箔式应变计是用0.0030.01毫米厚的电阻箔在绝缘基片上通过照相或光刻技术制成的。优点：它可以制成各种复杂形状和精确尺寸的敏感栅；与被测件结合面积大；散热条件好，允许电流大

5、，输出灵敏度提高；横向影响小；蠕变和机械滞后小，使用寿命长。缺点：电阻值分散性大；3.金属薄膜应变仪，利用真空蒸发或真空沉积，在薄绝缘衬底上形成厚度小于0.1微米的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后加入pr存在以下问题：温度稳定性差(2)粘贴应变仪应变仪用粘合剂粘贴在被测件上。由粘合剂形成的粘合剂层必须准确且快速地将应变计的应变传递到敏感网格。胶粘剂的性能和粘接过程的质量直接影响应变计的工作特性，如零点漂移、蠕变、迟滞、灵敏度系数、线性度及其受温度变化的影响程度。对粘合和粘贴工艺有严格的要求。第三，金属应变计的主要特点(1)灵敏度系数，这是由实验确定的。发现实际应变片的K值小于单丝的K值，这是由横

6、向效应引起的。且粘合层传递变形变形。(2)将直电阻丝通过横向效应缠绕成敏感网格后，虽然长度相同，但应变状态不同，其敏感系数降低。这种现象被称为横向效应。1.定性分析当应变片粘贴在被测件上时，由于其敏感光栅由长度为l1的n个直段和半径为r的(n-1)个半圆组成，如果应变片承受轴向应力并产生纵向拉伸应变x，则每个直段的电阻将增大，但半圆段将承受从x到-x变化的应变.一般作用结果：将直电阻丝绕入敏感栅后，虽然长度不变，应变状态不变，但圆弧段横向收缩引起的电阻减小抵消了轴向伸长引起的电阻增大。因此，应变电阻的变化减小，k值减小，这是一种横向效应。2.定量分析应变仪放置在二维应力场中，即两者都有。横向效

7、应发生在圆弧段，通过消除圆弧段可以消除横向效应。为了减小横向效应引起的测量误差，目前普遍采用箔式应变片，其圆弧尺寸远大于栅线，电阻值较小，电阻变化较小。(3)机械滞后、零点漂移和蠕变。加载和卸载特性曲线之间的最大差异称为应变仪的滞后值。当粘贴在试件上的应变计的温度保持不变且没有机械应变时，电阻值随时间变化的特性称为应变计的零点漂移。当温度保持不变，并承受一定的恒定机械应变时，粘贴在试样上的应变计的电阻值随时间变化的特性称为应变计的蠕变。一般来说，蠕变方向与原始应变变化的方向相反。(4)对于应变极限和疲劳寿命，应选择抗剪强度高的粘结剂和基材，且基底和粘结剂的厚度不应太大，并应适当固化。对于已安装

8、的应变仪，在恒定振幅交变力的作用下，能够连续工作而不产生疲劳损伤的循环次数称为应变仪的疲劳寿命。(5)最大工作电流和绝缘电阻，指应变仪引线与被测件之间的电阻值。最大工作电流是指在不影响其工作特性的情况下，允许通过应变仪的最大电流。工作电流大，应变计的输出信号大，灵敏度高，但过大的电流会烧坏应变计。(6)应变片的电阻值可以增加应变片的耐压，所以输出信号大，但敏感门的尺寸也增加了。(6)动态响应特性。在高频测量动态应变时，应考虑动态特性。动态应变以应变波的形式在试样中传播，其传播速度与声波相同。电路的功能是将电阻的变化转化为电压输出。通常使用DC桥和交流桥。1.直流电桥1。直流电桥的工作原理。转换

9、电路。直流电桥电路如图所示。它的四个桥臂由电阻组成。交流端接直流电压U，直流端输出电压。在性别上此时，电桥的电流为：AB和CD之间的电位差为：空载输出，当电桥平衡时，Uo=0，那么R1R4=R2R3或，电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等，或相反两臂电阻的乘积应相等。当电桥与电阻应变仪连接时，它就是一个应变电桥。当一个桥臂、两个桥甚至四个桥连接到应变仪时，相应的桥是单臂桥、半臂桥和全臂桥。不平衡DC电桥的工作原理和电压灵敏度当电桥后接一个放大器时，放大器的输入阻抗很高，远远大于电桥的输出电阻，因此电桥的输出端可视为开路。R1是电阻应变仪，RL。让桥臂比n=R2/R1，分母中的R1/R1可以忽

10、略不计。桥梁的平衡条件为R2/R1=R4/R3。电桥的电压灵敏度定义为：提高灵敏度的措施是增加电源的电压u(在允许的功耗范围内)，n=1 R1=R2=R3=R4，KU的最大值由dKU /dn=0计算，表明当n=1时KU为最大值。当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高。此时得出结论，单臂电桥的电桥输出为，而DC电桥的优点是：高稳定性DC电源容易获得，电桥调整和平衡电路简单，传感器和测量电路的分布参数影响很小。(2)电桥的非线性误差单臂电桥的实际输出为：非线性误差为0，对于对称电桥，n=1。(1)利用差动电桥减小非线性误差在试件上安装两个应变计，R1在张力下，R2在压力下。如果桥的相邻桥臂

11、相连，则桥的输出电压为0。对于一般应变仪，应变通常低于510-3。如果KU=2，R1/R1=KU=0.01，通过代入等式(3-38)计算的非线性误差为0.5%。如果KU=130，=10-3，R1/R1=0.130，非线性误差为6%。因此，当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。如果R1=R2，R1=R2，R3=R4，则可以得出结论，与单臂电桥相比，差分电桥消除了非线性误差，灵敏度提高了一倍。并具有温度补偿功能。全桥差分电路：R1R4拉伸应变，R2R3压缩应变，将符号相同的两个应变连接到相反的桥臂。结论：全桥电路的电压灵敏度是单臂桥的4倍，消除了非线性误差，具有温度补偿功能。如果R1=R2

12、=R3=R4和R1=R2=R3=R4，则(2)使用恒流源电桥来减小非线性误差，以及(2)当作为动态量测量时，使用交流电桥作为应变电桥。由于电桥的电源为交流电源，导线的分布电容使第二桥臂的应变片呈现复阻抗特性，相当于两个应变片并联一个电容，那么每个桥臂上的复阻抗为：满足电桥平衡条件，即U0=0，Z1=Z4=Z2，Z3将代替Z1、Z4、Z2和Z3的值，整理上述公式后，交流电桥的平衡条件如下。结论：因此，除了电阻平衡调节外，电桥还具有电容平衡调节。当Z1=Z0 Z，Z2=Z0Z因测量应力的变化而变化时，电桥输出为：交流电桥平衡调节；5.温度误差及其补偿(1)温度误差：由于测量现场环境温度的变化而给测

13、量带来的附加误差称为应变仪的温度误差。当环境温度变化时，敏感栅电阻随温度变化引起的误差。敏感栅电阻丝电阻值与温度的关系可由下式表示，其中： t金属丝的电阻温度系数；t温度变化值，tt t0。当温度变化和环境温度变化时，由试样材料的线性膨胀、应变片敏感系数、试样的膨胀系数和应变片敏感栅材料的膨胀系数引起的误差，因此，由于温度变化引起的总相对电阻变化如下：(2)温度补偿通常有两种情况组合补偿应变片的另一种形式：两根串联的电阻丝具有相同的符号温度系数，它满足以下条件，并可由此得到：2 .线路补偿法，最常用的补偿方法是电桥补偿法。补偿原理：电桥的两个相邻臂增加相同的电阻，这对电桥的输出没有影响。电桥输

14、出电压Uo和电桥臂参数之间的关系是Uo=A(R1 R4 RB R3)，其中： A是由电桥臂电阻和电源电压确定的常数。R1工作应变仪；RB补偿应变仪，温度补偿条件：R3=R4。R1和RB是具有相同特性的应变仪。R1是工作应变仪，RB是补偿应变仪。它们处于同一个温度场，只有工作应变仪R1承受应变。补偿过程：当温度升高或降低t=tt0时，工作应变片从R1变为R1 R1t，补偿应变片从RB变为RB RBt。R1t=RBt。此时，电桥的输出为Uo=A(R1 R1t)R4 (RB RBt)R3=0。如果此时被测试件具有应变效应，则工作应变计电阻器R1具有新的增量R1=R1K，而补偿件不产生新的增量，因为它

15、不承受应变。此时，电桥的输出电压为Uo=AR1R4K Uo，并且具有单值函数关系。差动电桥补偿法，当测量梁的弯曲应变时，两个应变计被附着在对称位置的上侧和下侧并具有相同的特性，因此两个电阻变化具有相同的值但符号相反。然而，电桥是按照图连接的，因此电桥的输出电压比单芯片的输出电压高一倍。当光束温度一致时，可以起到温度补偿的作用。热敏电阻补偿法，热敏电阻Rt与应变仪处于同一温度。当应变计的灵敏度随着温度的升高而降低时，热敏电阻的阻值也随之降低，这使得电桥的输入电压随着温度的升高而升高，从而提高了电桥的输出电压。选择分流电阻值可以很好地补偿应变片灵敏度降低对电桥输出的影响。应变传感器的示例(1)应变

16、力传感器(1)柱(圆柱)力传感器显示为柱和圆柱力传感器，圆柱表面上的贴片位置及其在桥中的连接如图(c)和(d)所示。四个应变仪纵向和横向连接。R1和R3串联，R2和R4串联，R5和R7串联，R6和R8串联，置于桥上，以减小偏心荷载和弯矩的影响。横向贴片用于温度补偿。桥式电路的输出电压，2。薄壁环力传感器显示为环力传感器的结构图和应力分布图。a处的应力为负，b处的应力为正。对于R/h5的小曲率环，A点和B点的应变是H环的厚度；b环的宽度。e材料弹性模量。如果两个应变仪对称地连接在A处的内环和外环上，则应变仪通过B处的拉伸或压缩应力连接到桥式电路上.输出电压为：3束力传感器，4辐力传感器，(2)应变压力传感器1。膜片压力传感器，应变片贴在膜片内壁，在压力P的作用下，膜片远离中心X产生径向应变R和切向应变T，它们的表达式分别为：压力P均匀分布在膜片上；r和h隔膜