传感检测技术及其应用第4章课件.ppt

1、2020年7月21日,传感检测技术及其应用第二篇 典型传感器的原理及其应用技术,2020年7月21日,2,因为在相关课程中，如工程测试技术，学习过各种传感器的基本原理，所以，在本课程中对各种典型传感器只作简要介绍，重点在于学习他们的信号处理电路和应用。,各种典型传感器的学习内容,2020年7月21日,3,第4章 电阻式传感器及应用,一、电阻式传感器及分类 1.电阻式传感器 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。 2.电阻式传感器分类 电阻式传感器主要有变阻器式、电阻应变式和固态压阻式传感器。 二、变阻器式电阻式传感器,2020年7月21日,4,优点： 结构简单、尺寸小、重量轻、价格

2、低廉且性能稳定； 受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小； 可以实现输出输入间任意函数关系； 输出信号大，一般不需放大。,2020年7月21日,5,缺点： 因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量； 由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低； 动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。 三、应变，应力，泊松比及应变片 各种结构（如机械结构、土木结构、混凝土结构等）在外力作用下会产生变形，从而在其内部产生应力。应力是确保结构强度和安全的重要因素。,2020年7月21日,6,目前，还没有直接测量结构应力、强度和安全性的传感器。但是可以根据应变

3、计算出其应力，进而可以判断其强度和安全性。 金属材料在外力作用下，其伸长（压缩）量与其原长之比率称为拉（压）应变。 应力和应变之间的关系是：=E。其中是应变，E是杨氏模量，是应力。 横行应变和纵向应变比率的绝对值称为泊松比。 ，其中2 是横向应变，1是纵向应变。剪切模量与杨氏模量和泊松比关系是：,2020年7月21日,7,电阻应变片可用于各种应变的测量，静态测量、动态测量（频率高于100kHz）、冲击应变。,2020年7月21日,8,四、金属电阻应变式电阻传感器 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的电阻-应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短

4、)的变化而发生变化的现象。,电阻应变片可用于实验、研究、工业测量和控制等。可应用在很多领域：如机械工程、电气工程、土木工程、建筑工程、化学工程、制约工程等。此外，应变片作为敏感元件用于测量载荷、压力、加速度、位移、力矩等。,2020年7月21日,9,1.分类及结构 金属电阻应变片分为金属丝式、箔式和膜式等。 （1）电阻丝应变片 金属丝式应变片的典型结构：将一根高电阻率金属丝（康铜、镍铬、卡玛合金等，直径 0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路中。,2020年7月21日,10,（2）箔式应变片 箔式应变片由厚度为 110m 的康铜箔或镍铬箔经光刻，腐蚀工艺

5、制成的栅状箔片。 箔式应变片适于大批量生产，可制成多种复杂形状；线条均匀，敏感栅尺寸准确，栅长最小可到0.2mm ；散热好，允许电流大；横向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试件应变性能好。 目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。,2020年7月21日,11,2020年7月21日,12,（1）单轴式,（2）0/90双轴式,（3）0/90/45三轴式,（4）0/90双轴式,（5）0/90双轴测扭矩,（6）0/120/240三轴式,（7）0/30/90/150四轴式,（8）单轴多单元,（9）单轴多单元,2020年7月21日,13,（3）膜式应变片 膜式应变片采

6、用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达197317。 2.工作原理（电阻应变效应） 电阻应变效应是指金属电阻丝的电阻随着它所承受机械变形（伸长或缩短）的大小而发生改变的一种物理现象。,2020年7月21日,14,设有一根圆截面金属电阻丝，其电阻为,金属电阻丝受拉变形,当受到轴向力F被拉伸时，其电阻变化为,2020年7月21日,15,则,上式即为电阻应变效应表达式。,2020年7月21日,16,对于电阻应变片，其电阻变化率与应变的关系为,3.电阻应变片的主要特性 （1）应变计的电阻

7、值R 应变计在没有粘贴及未参与变形有前，在室温 下测定的电阻值。,（2）灵敏度系数k,应变计的灵敏度系数由其材料及结构决定，由 实验获得。,2020年7月21日,17,（3）机械滞后 试件上加载、卸载过程中，对同一机械应变， 应变片指示应变值发生变化，其差值称之机械滞后。 其滞后大小与应变片承受的应变量大小有关，造成 原因主要是敏感栅、基底粘合剂在承受机械应变后 所留下的机械变形。,2020年7月21日,18,（4）横向效应与横向效应系数,应变片在感受被测试件的应变时，横向应变将 使电阻变化率减小，从而降低灵敏度系数的现象， 称为应变片的横向效应。,在同一单向应力作用下，垂直于单向应变方向 安

8、装的应变计的指示应变与平行于单向应变方向安 装的同批应变计的指示应变之比，称为横向应变系 数。 所以，为了减小横向效应的影响，应变片都做 成窄长的形状。,（5）零点漂移 指试件空载（不受应力作用）、温度恒定的条 件下，指示应变随时间的变化值。,2020年7月21日,19,（6）蠕变 粘贴在试件上的应变片，在恒温恒载条件下， 指示应变随时间的变化数值称为蠕变。 （7）应变极限 对于已安装的应变计， 在温度恒定时，指示应变 和真实应变的相对误差不 超过规定数值的真实应变 值，称为应变极限。如图 所示。,2020年7月21日,20,（8）疲劳寿命 在恒定幅值交变应力作用下，连续工作到产生 疲劳损坏的

9、循环次数，称为应变片的疲劳寿命。 （9）温度效应及热输出 由于环境温度变化的影响，将使应变片的电阻 发生变化，这种现象称为应变计的温度效应。而由于 温度变化引起的应变输出称为热输出。热输出定义为 ：当应变片安装在某一线性膨胀系数的试件上，试件 可以自由膨胀，在缓慢升（或降）温的均匀温度场内 ，由温度变化引起的指示应变。,2020年7月21日,21,从上面可知，影响热输出因素主要有三个：温度变 化；应变片敏感栅材料电阻温度系数；试件材料和 敏感栅材料线性膨胀系数不等。,2020年7月21日,22,（10）应变计的最大工作电流 应变片正常工作允许通过的最大电流。通常静 态测量时为25mA，动态测量

10、时为 75100mA。工作 电流过大会导致应变片过热、灵敏度变化、零漂和 蠕变增加，甚至烧毁。,（11）绝缘电阻 已安装的应变计的敏感栅及引线与被测试件之 间的电阻值。是检查应变计的粘贴质量与粘合剂是 否干燥或固化的重要指标。绝缘电阻越高越好，在 室温下，一般为5005000M之间。,（12）应变片的动态特性 应变片在测量变化频率较高的动态应变时，应 该考虑其频率响应，即动态特性问题。,2020年7月21日,23,应变片的动态特性最终可归结到应变片的基长 与输入应变波的频率的关系。 若输入正弦应变波的极限工作频率f与应变片基 长L的关系为,若输入应变波为阶跃波时,2020年7月21日,24,五

11、、应变计测量电桥 测量电桥在应变计电阻传感器中得到广泛的应用 ，结构简单，灵敏度高，测量范围宽，线性度好，精 度高，易于实现和补偿。 测量电桥有直流电桥和交流电桥，本课重点讲直 流电桥。 1.直流电桥,2020年7月21日,25,当R1R4=R2R3时，电桥平衡， 输出为零。,按接入电桥应变片的数量可分为单臂工作电桥、 半桥工作电桥、全桥工作电桥。,2.单臂工作电桥 只有一个桥臂接入应变片，其它三个桥臂是平 衡电阻。,2020年7月21日,26,（1）立式桥,立式桥,（2）卧式桥,2020年7月21日,27,（3）等臂电桥,3.半臂工作电桥 有两只应变片接入电桥，,设R1，R2作为应变片，,半

12、 臂 工 作 电 桥,（1）半臂卧式电桥,2020年7月21日,28,(2)半臂等臂电桥,4.全臂工作等臂电桥,四个臂均接入应变片，并为差动工作，,且,2020年7月21日,29,5.恒流供电电桥 上面所讲都是恒压供电的电桥。在全桥差动工作 时，再不考虑温度变化时，电桥的输出与电阻的相对 变化量RR成比例。而实际上温度变化时，每个电 阻随温度量为Rt，电桥的输出为 UO=E R/(R+Rt) 电桥的输出是非线性的。,恒流源供电电桥如右图所示，设4个桥臂初始电阻均为R，则IABC=IADC=I/2，。有压力作用 时，仍有IABC=IADC=I/2，则电桥 输出为,2020年7月21日,30,因此

13、，电桥的输出与温度无关。,总结：从上面可以知道，半臂工作卧式电桥、等臂 电桥的输出是单臂工作卧式电桥、等臂电桥的输出 的2倍；而全臂工作等臂电桥的输出是半臂工作电桥 输出的2倍。,6.电桥输出非线性误差,上述电桥输出公式都是在RR的假设条件下 得到,。当该条件不成立时，必存,非线性误差。,2020年7月21日,31,对于单臂工作的卧式电桥和等臂电桥，有,相对误差为,2020年7月21日,32,如果 2，当相对误差 1时，则 ， 则 ，也就是应变值 时，电桥输出相对误差 。,2020年7月21日,33,7.电阻应变片的温度补偿,由前面内容知道电阻应变片的热输出为,由于应变片电阻丝温度系数 而产生

14、的误差； 由于电阻丝膨胀系数 与测试试件材料的膨胀系数 之间不同而产生误差。可以采用补偿法消除电阻 应变片的热输出误差，称为热输出补偿。,补偿常用的方法有两种：温度自补偿应变片法， 用于高温下测量；桥路补偿法，用于常温下测量。,（1）温度自补偿应变片法 单丝自补偿应变片,2020年7月21日,34,由式,可知，若t=0，,需t=-k(s-f)，在研制和选用应变计时，若所选 择敏感栅材料，其t、f能与试件s的相匹配，即 满足上式就能达到温度自补偿的目的。 双丝自补偿应变计 该应变计由电阻温度系数一正一负的两种金属电阻丝 串接而成，如图所示。若t+=t-,则正负热输出抵消 就可达到自补偿的目的。,

15、2020年7月21日,35,（2）桥路补偿法 补偿计法 补偿计法是选用型号和特性完全相同（灵敏度系数、电阻温度系数、线膨胀系数均相同）的两只应变计，一只粘贴在被测试件上作为工作应变片，另一只粘贴在与被测试件的结构和材料相同而不受力的补偿块上，作为补偿片；并使补偿块与被测试件处于相同温度环境下。若工作片为R1，补偿片为R2，把它们分别接入电桥的相邻桥臂，构成如图4-14所示电桥。当被测试件受力为F，并有温度变化t时，则工作应变片电阻由原来的R1变为R1,即,2020年7月21日,36,而补偿片电阻值由原来的R2变为R2,即 以上两个电阻代入电桥电压输出公式，即可得电桥输出端电压为 式中R3和R4

16、为平衡电阻，为固定值，若令R3=R4=R0，则有 代入R1和R2，得,2020年7月21日,37,由于R1与R2型号和特性均相同，而且感受相同的温度变化，则 则有 因为 则可得到 从以上分析可知，此时指示应变值只是由于工作应变片受力引起的应变值，而由于温度变化所产生的热输出已经消除。,2020年7月21日,38,如果补偿片R2也作为工作应变片，且粘贴于被测试件的相反应变处，则 R1、R2在应力和温度变化影响下，则有 代入电压输出表达式，得 由于R1和R2型号特性相同，感受应力相同，温度影响也相同，则有,2020年7月21日,39,故 上式同样表明，指示应变值已消除了温度影响的热输出，且输出提高

17、了一倍。,2020年7月21日,40,8.应变计测量电路,直流电桥的测量电路如图所示,9.电阻应变式传感器的应用,（1）电阻应变计式传感器应用特点 电阻应变计有两方面的应用：一种是作为敏感 元件，直接用于被测试件的应变测量；另一种是作 为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任 何能转换为弹性元件应变的其他物理量间接测量。,2020年7月21日,41,(2)电阻应变式传感器的应用,电阻应变式传感器可用于测量载荷和力、测量位移、测量加速度、测量扭矩、等。,应变计式传感器主要特点如下： *应用和测量范围广；*分辨力和灵敏度高； *结构轻小；*商品化，选用和使用方便。,1）载荷和力传感器,剪切梁称

18、重传感器,2020年7月21日,42,悬臂梁称重传感器,柱式称重（测力）传感器,S梁称重传感器,扭矩（力）传感器,2020年7月21日,43,平面膜片式压力传感器，应变桥连接成全桥，且 如图所示，应变计k=2.0，膜片允许测试的最大应变 为800 ，对应的压力100kPa，电桥电压为5V， 试求最大应变时，测量电路输出端电压为多少？当输 出电压为3.3V时，所测压力为多少？A4的作用是什么 ？,基本应用示例,2020年7月21日,44,该例为恒压源供电全桥等臂电桥，则电桥输出电压为,电路中A1，A2，A3运放组成同相输入并串联差动放 大电路，放大倍数为,则，最大应变时电路输出端电压为 UO=0.008*625=5V,输出端电压为3.2V时对应的压力为,2020年7月21日,45,六、压阻式传感器及其应用,1.压阻效应 根据电阻应变效应，有,对于金属电阻丝而言，,，而对于半导体,来说，,，所以半导体的电阻应变效,应为,-半导体材料的压阻系数； E-半导体材料的弹性模量，约为1.67X1011Pa。,2020年7月21日,46,2.半导体应变片 根据制造工艺及安装方式不同，半导体应变片可分为体型半导体应变片（粘贴式）、薄膜型半导体应变片（利用真空沉积技术将半导体材料沉积在绝缘基底上制成）和扩散性半导体应变片（在半导体