第4章 结构型传感器.ppt

1、第四章结构传感器、第四章结构传感器、4.1电阻应变传感器，利用电阻应变片将应变转化为电阻变化，从而实现非电量的电气测量。电阻应变计的工作原理是基于电阻应变效应。也就是说，当导体发生机械变形时，其电阻值会相应地发生变化。4.1.1工作原理：在外力作用下，金属或半导体材料会发生机械变形，其电阻值也会相应变化。这种现象被称为“电阻应变效应”。对于不同的材料，电阻率相对变化的应力效应不同。4.1.1工作原理，1。金属材料的应变电阻效应。通过研究发现，金属材料电阻率的相对变化与体积的相对变化成正比，即在公式中，C是由材料和加工方法决定的与金属导体晶格结构相关的比例系数。金属材料电阻的相对变化与其线成正比

2、。这是金属材料的抗应变效应。1.金属材料的应变电阻效应，将方程(4-6)代入方程(4-5)，Km=(1-2)C(1-2)是金属电阻丝的应变敏感系数，它由两部分组成：第一部分是应力后导线几何尺寸的变化引起的，第二部分是应变引起的电阻率的相对变化。从以上分析可以看出：是半导体在应力方向上的压阻系数；e是半导体材料的弹性模量。从以上分析可以看出，外力引起的轴向应变会使电阻丝的电阻成比例地变化，这种电阻变化可以转换成电信号，由转换电路输出。这是应变仪测量的基本原理。2.半导体材料的应变电阻效应。将方程(4-8)代入方程(4-5)得到方程，其中Ks=(1 2) E为半导体线的应变敏感系数。前半部分是由尺

3、寸变化引起的，后半部分是由半导体材料的压阻效应引起的。背面，利用金属或半导体电阻丝(也称为应变丝)的应变电阻效应，可以制成测量样品表面应变的敏感元件。为了对小尺寸范围内的应变敏感并产生大的电阻变化，应变丝通常被制成网格状的应变敏感元件，即电阻应变片，简称应变片。4.1.2结构和类型、应变仪的结构和应变仪的结构。(1)根据加工方法，应变仪可分为以下四种类型：线应变仪、箔应变仪、半导体应变仪和薄膜应变仪。(2)根据敏感栅的材料，应变可分为金属应变仪和半导体应变仪。应变计的类型，2除了敏感网格外，还有对基底材料、粘合剂和铅材料的要求，可根据不同的应用对象进行选择。电阻应变仪材料、电阻应变仪材料和应变

4、计时。首先，应根据使用的目的、要求、对象和环境条件选择应变仪的类型；然后，根据使用温度、时间、最大应变和精度要求，选择合适的敏感栅应变计和基底材料；然后，根据测量电路或仪器，选择合适的应变仪的标准电阻值；最后，应根据可连接应变仪的样品表面面积选择合适尺寸的应变仪。电阻应变片的选择。电阻应变片的选择和粘贴。电阻应变片工作时，用粘合剂粘贴在被测件或传感器的弹性元件上。由粘合剂形成的粘合层必须准确、快速地将测量的应变传递到敏感网格，因此粘合剂和粘合技术对测量结果有直接影响。电阻应变片粘贴，4。电阻应变计选择和粘贴，返回，4。电阻应变片的选择和粘贴，4.1.3主要特性，静态特性是指应变片感觉到应变不随

5、时间变化或变化缓慢时的输出特性，表征静态特性的指标主要包括灵敏度系数、机械滞后、蠕变、应变极限等。初始电阻值为R的应变仪安装在试样表面。在轴向单向应力作用下，应变片电阻值的相对变化与试样表面轴向应变之比即为灵敏度系数。应变片的电阻应变特性不同于单根电阻丝。通常，应变计的灵敏度系数小于相应长度的单根应变丝的灵敏度系数。灵敏度系数(k)，横向效应，将直导线缠绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变计敏感栅的电阻变化小于直导线，其灵敏度系数降低。这种现象称为应变仪的横向效应。为了减小横向效应引起的测量误差，一般采用短路或直角横向网格，现在更多地采用箔式应变仪，可以有效地克服横向效应的影响。2

6、.横向效应、机械滞后和机械滞后主要是由敏感网格、基底和胶粘剂在承受机械应变后的残余变形引起的。为了减少机械滞后，除了选择合适的胶粘剂外，最好在正式使用前添加和卸载几次，然后正式测量，以减少机械滞后的影响。机械滞后、蠕变和零点漂移。当粘贴在试件上的应变片温度保持不变且不承受机械应变时，其电阻值随时间变化，这称为应变片的零点漂移。如果在一定温度下承受恒定的机械应变，应变计电阻值随时间变化的特性称为应变计蠕变。通常，蠕变方向与原始应变变化方向相反。选择弹性模量较高的胶粘剂和基材有利于改善蠕变性能。4.应变计的蠕变和零漂移、应变极限和线性度(恒定灵敏度系数)只能保持在一定的应变极限范围内。当从试样输入

7、的实际应变超过某一极限值时，应变计的输出特性将是非线性的。在恒温条件下，非线性误差达到10%时的真实应变值称为应变极限。5.应变极限、绝缘电阻和最大工作电流。应变片的绝缘电阻是指所附应变片的引线与被测件之间的电阻值。一般要求大于50100米。不影响应变仪工作特性的最大电流称为最大工作电流。如果工作电流大，输出信号就会大，灵敏度就会高。然而，当电流过高时，应变计将被加热和变形，零点漂移和蠕变将增加，甚至烧坏。如果散热条件好，电流可以适当加大。6.绝缘电阻和最大工作电流；2.动态特性。以正弦应变为例，介绍了应变计的动态特性。当应变按照正弦规律变化时，应变计反映应变计敏感网格上各点应变的平均值。显然

8、，应变片反射的振幅低于真实的应变波，这带来了一些误差。显然，这种误差将随着应变仪的基本长度的增加而增加。有一个正弦应变波，其波长和频率为f=0sin(2x/),在试样中以一定速度沿应变仪的网格长度方向传播，应变仪的基本长度为L0。图4-6显示了应变仪在某一时刻达到最大振幅时的瞬时关系图。2.动态特性；2.动态特性。此时，应变仪两端的坐标为x1=/4-L0/2和x2=/4 L0/2。当应变片输出的平均应变达到最大值时，应变波振幅测量的相对误差可计算如下：2 .动态cha因为=v/f和=nL0，所以可测量频率f、应变波速v和应变计波长与基本长度之比之间的关系如下：返回；4.1.4温度效应及其补偿；

9、1.温度效应。用应变片测量时，通常期望工作温度恒定，但在实际应用中，工作温度可能偏离或超过正常温度范围，这将改变应变片的工作特性，影响输出。应变仪输出因温度变化而变化的现象称为应变仪的温度效应(也称为温度误差)。温度效应的原因是： 1。温度变化引起应变仪敏感门的电阻变化，产生附加应变；2.试件材料和敏感材料之间的线性膨胀系数的差异使得应变仪产生额外的应变。首先是温度效应；二是电阻应变片的温度补偿；首先是应变计自补偿法，通过仔细选择敏感的栅极材料和结构参数，使温度变化时的附加应变为零或相互抵消。选择性自补偿应变仪，又称单线自补偿应变仪和双线自补偿应变仪。电桥补偿法和电桥补偿法，又称补偿板法，是最

10、常用和最有效的线路补偿方法。电桥补偿的优点是方法简单，常温下补偿效果好。然而，当温度梯度较大时，很难使工件和补偿件的温度完全一致，这将影响补偿效果。3.热敏电阻补偿方法，如图4-9所示，热敏电阻Rt与应变仪温度相同。当应变计的灵敏度随着温度的升高而降低时，热敏电阻Rt的电阻值也降低，从而电桥的输入电压随着温度的升高而升高，从而提高电桥的输出，以补偿应变计引起的输出降低。选择分流电阻Rs的值可以获得良好的补偿效果。4.1.5电桥测量电路，1。应变桥，典型阻抗应变桥，如图4-10所示，四条腿Z1、Z2、Z3和Z4按顺时针顺序排列，交流作为电源端，bd作为输出端。当桥臂连接到应变计时，它被称为应变桥

11、。当一个臂、两个臂甚至四个臂连接到应变计时时，相应地形成单臂、双臂和全臂工作桥。4.1.5电桥测量电路，2。DC大桥和DC大桥的基本形式如图4-11所示。电桥各臂的电阻值为R1、R2、R3和R4，u为DC电源电压，U0为输出电压。第二，DC电桥，当U0=0时，电桥处于平衡状态，然后R1R3=R2R4，这是电桥平衡状态。根据这个条件，它可以分为以下三种情况：(1)对称于输出端，即R1=R2，R3=R4，这也称为第一种对称形式；(2)与电源端子对称，即R1=R4，R2=R3，也称为第二对称形式；(3)等臂桥结构，即R1=R2=R3=R4。单臂工作桥，一个桥臂上有电阻应变仪，另一个桥臂上有固定电阻，

12、如图4-12所示。假设R1是电阻应变仪，R2、R3和R4是固定电阻。当应变片无应变时，其电阻值为R1，电桥处于平衡状态，即R1R3=R2R4，电桥输出电压为0；当受到应变时，应变计改变R1，R1的实际电阻变成R1R1，电桥不平衡，输出电压为：2。DC桥，2号。DC电桥，在上述公式中称为电桥电压灵敏度。显然，单臂电桥的灵敏度可以通过适当增加电源电压u(受应变仪允许的最大电流限制)或调整桥臂比n来提高。通过进一步分析可以看出，当电源电压恒定时，如果n=1，可以达到最大的电压灵敏度，即采用第一对称电桥结构。此时，电压灵敏度为Ku=U/4，输出电压为。2.DC桥，如果电阻应变仪连接到两个桥臂，其他桥臂

13、是固定电阻，从而形成一个双臂工作桥。A此时，电桥不再平衡，输出电压如下：从等式(4-30)可以看出，差分电桥的输出是线性的，不存在非线性误差问题。与等式(4-24)相比，灵敏度加倍。双臂工作桥、双DC桥和双DC桥。如果所有四个桥臂都是电阻应变仪，它将构成一个全桥工作桥。如图4-15所示，R1、R2、R3和R4都是电阻应变计。当电桥不处于应变状态时，它处于平衡状态，即R1R3=R2R4；当受到应变时，应变计R1的电阻增加R1，应变计R2的电阻减少R2，R3的电阻增加R3，R4的电阻减少R4，其中R1=R2=R3=R4。这种桥也称为差动全桥。此时，电桥不再平衡，输出电压为：从等式(4-32)可以看

14、出，差分全桥的电压输出是线性的，不存在非线性误差问题。与方程(4-24)和(4-30)相比，差动全桥的灵敏度是单臂桥的4倍，是双臂差动桥的2倍。根据DC电桥的分析，由于应变电桥的输出电压很小，一般需要增加一个放大器，而直流放大器容易产生零点漂移，所以应变电桥大多采用交流电桥。图4-16(a)显示了交流电桥的一般形式。交流电桥非常适合电容和电感传感器的测量需要，并且有很多应用。弹性敏感元件物体在外力作用下改变其原始尺寸或形状的现象称为变形。当外力消除后，物体可以完全恢复其原来的大小和形状，这时这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特征的物体称为弹性元件。4.电阻应变传感器及其应用。电阻应变传感器有两

15、个主要应用：第一，作为敏感元件，它直接用于被测零件的应变测量；另一方面，作为转换元件，传感器由弹性元件形成，以间接测量能够转换成弹性元件的应变的任何其他物理量。4.电阻应变式传感器及其应用，4.2电容式传感器，4.2.1工作原理、类型和特点。如果不考虑边缘效应的影响，由两块平行金属板组成的平板电容器的电容C与板间介质的介电常数、板间有效面积S和板间距离D有关：当被测参数变化时，公式中的D、S和D，如果两个参数保持不变，只有一个参数发生变化，则参数的变化可以转化为电容的变化，电容的变化可以转化为测量电路输出的电量。根据上述原理，在应用中有三种基本类型的电容传感器，即可变极距(或可变间隙)型、可变

16、面积型和可变介电常数型。它们的电极形状是平的、圆柱形和球形。4.2.1工作原理、类型和特点。对于可变极距电容式传感器，传感器的两个极板之间的和为常数，通过改变极板之间的距离可以测量相关的物理量。4 . 2 . 1可变面积电容式传感器的工作原理、类型和特性，当测量移动板的运动时，两个板之间的相对有效面积s发生变化，导致电容c发生变化。4.2.1可变介电电容传感器的工作原理、类型和特点可变介电电容传感器有多种结构类型，可用于测量纸张、绝缘膜等的厚度和液位。也可用于测量非导电固体物质(如谷物、纺织品、木材或煤)的湿度。4.2.1工作原理、类型和特性，4.2.2应用注意事项和措施，电容的相对变化是：传感器的相对非线性误差是：电容传感器的灵敏度是K=S/d02，为提高灵敏度，初始间隙d0应减小，而非线性误差随着d0的减小而增大。在实际应用中，为了提高灵敏度和减小非线性误差，常采用微分结构。电容式传感器的灵敏度和非线性，差动电容式传感器具有以下特点：4.2.2应用注意事项和措施，等效电路，上述各种电容式传感器的特性分析，都是在纯电容条件下进行的。如果电容传感器工作在高温、高湿度和高频激励的条件下，电容的附加损耗是不可忽略的。电容传感器的等效电路如图4-28所示。4.2.2应用注意事项