第3章 电阻式传感器1.ppt

1、,第3章 电阻式传感器,传感器原理与应用,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,主要内容 3.1 金属丝电阻应变片 3.2 电阻应变片测量电路 3.3 电阻应变式传感器的应用 3.4 半导体压阻式传感器的应用,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,电阻应变式传感器是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转换电路变换成电量(电流、电压)输出。 电阻应变式传感器也是应用最广泛的传感器，可用于应变力、压力、转矩、位移、加速度。据统计日本力传感器中应变片占70%，美国占90%。 测力范围：小到肌肉纤维（510-5N)，大到登月火箭(5107N)； 精确度：在0.010.1%，有10年以上的校准稳定

2、性。 应变式传感器主要特征 有不同材料类型，金属应变片、半导体应变片; 优点，结构简单、精度高、范围大体积小； 缺点，电阻、半导体会随温度变化。,概述,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,电阻应变式传感器广泛应用于各种衡器和应变测量,1） 用于各种电子秤,电 子 天 平,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,吊秤,遥 动 遥 控 吊 秤,液 压 叉 车 秤,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,电子皮带秤,行李秤,钢包电子秤,行车电子秤,防爆汽车衡,给料秤,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,机 械 秤 包 装 机,动 态 电 子 秤,自动称重给料机,给料斗秤,称重包装机,定量包装

3、机,灌装机,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,2）用于应变仪 全自动应力、应变实时监测仪,动态监测各种工件施工中的应变、应力、载荷或合成应力；可检测振动时效果。,可静态地测量内应力、接触应力，如焊接件、铸件、锻件、水坝、岩石、混凝土内的内应力；焊接、铸造、机加工、热加工、锻造、冷凝、体变等残余接触应力；,用于各种弹性固体材料、构建的应变测量、应力检测及监测，如：钢结构、合金件、机床、大坝体、隧道、桥梁、高楼、建筑、土建、管道、输水管、岩石、地震、船舶、海洋平台、油井、小堤坝、电缆、锅炉，,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,上海卢浦大桥通车应变试验,传感器原理及应用,第3章 应变式传

4、感器,上海国际会议中心模型试验,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,打桩船吊塔 强度试验,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,金属应变片结构： 网状敏感栅 高阻金属丝、金属箔 基片 绝缘材料 盖片 保护层,1. 应变片结构,金属丝式应变片结构,金属箔式应变片结构,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,1. 应变片结构,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,1. 应变片结构,单体型半导体应变片,半导体应变片结构,硅片,基片,集成式应变传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,金属电阻应变片的基本原理基

5、于电阻应变效应： 即导体在外力作用下产生机械形变时阻值发生变化。,2. 工作原理,当电阻丝受到轴向拉力F 作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻值的相对变化,与电阻率变化成正比,一根长L，截面积为S，电阻率为的金属丝电阻,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,径向应变为： （截面积相对变化量）,轴向应变为：,横向变形系数： （泊松系数）,在弹性范围内金属丝受拉时，轴向应变和径向应变的关系，负号表示应变受力方向相反,2. 工作原理,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,用轴向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：,定义金属电阻丝的灵敏系数为k0 ； 即：单位应变能引起的金属丝电阻相对变化,金属

6、丝受力后主要引起两个方面的变化： 材料几何尺寸变化（1+2）； 材料电阻率的变化（/）/,2. 工作原理,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,金属丝灵敏系数k0 主要由材料的几何尺寸变化引起的 应力 =E（E 弹性模量） ，R / R 应力 应变 R/R 电阻变化（反映应力大小） 通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量通过应力变化，并转换为电阻的变化进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。,已知泊松系数 = 0.250.5 (钢 = 0.285),因为,所以近似： k0 1+2， k0 1.52,2. 工作原理,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,弹性

7、元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位，首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。,3. 弹性敏感元件,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,常用弹性元件的结构和特性,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,a） 刚度 刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变

8、形下所需要的力，用C 表示，其数学表达式为,3. 弹性敏感元件,式中: F 作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（N）； x 弹性元件所产生的变形，单位为毫米（mm）。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用S 表示，其表达式为,3. 弹性敏感元件,从上式可以看出，灵敏度是单位力作用下弹性元件产生变形的大小，灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变量，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的.,弹性特性曲线

9、,b） 灵敏度,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.1 金属丝电阻应变片,各种形式的金属式电阻应变片,金属式电阻应变片常见的有丝式、箔式、薄膜型,4. 应变片种类,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,按材料分为 体型 丝式、箔式 金属式： 薄膜型 半导体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型 按结构分：单片、双片、特殊形状 按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下,4. 应变片种类,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,金属丝式 敏感栅用0.025mm金属丝（康铜、贵金属）； 金属箔式 通过照相制版，光刻腐蚀工艺作成金属薄栅， 厚度在0.0030.01mm，敏感栅截面为矩形，

10、 可通过大电流，工艺适于批量生产； 金属薄膜型采用真空技术，在基片上蒸镀金属薄膜， 厚度为纳米级。 半导体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型,4. 应变片种类,体型半导体电阻应变片,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,k0 表征金属丝的灵敏系数，但金属丝做成应变片后，电阻应变特征与单根金属丝不同。 实际的灵敏系数包括基片、粘合剂、敏感栅的横向效应等因素。做成应变片以后灵敏系数k0不同，必须重新标定。,3.1 金属丝电阻应变片,（1）应变片灵敏系数 k,通常采用实验的方法，按统一的标准，如受单向力拉力或压力，试件材料为钢，箔松系数=0.285； 取成品的 5% 进行测定，取平均值做产

11、品的灵敏系数，称标称灵敏系数k ，即产品出厂时标注的灵敏系数。 实验表明，应变片灵敏系数小于电阻丝灵敏系数，即kk0 如果实际应用与标定条件不同时，k 误差较大需要修正。,5. 主要特性,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但圆弧部分应变状态不同，圆弧段电阻的变化小于沿轴向摆放的电阻丝电阻变化。 实际应变变化 = L/L 比拉直了看要小，可见直线的电阻丝作成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同。,（2）横向效应,园弧部分使灵敏系数 k0下降，这种现象 称为横向效应。敏感栅越窄、基长越长， 横向效应越小。,为减小横向效应产生的测量误差，一般多采用箔式应变片

12、，圆弧部分尺寸较大。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.2 电阻应变片测量电路,一般应变片阻值变化很小 若k0 =2，应变片电阻 R=120， =1000时 电阻变化仅0.24。 要检测如此微小电阻的变化必须经过放大电路放大输出。 放大器前通常采用 直流电桥或交流电桥。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器, 直流电桥的平衡条件,电桥平衡时: I0 = 0 ，U0 = 0,（1）直流电桥,要满足电桥平衡条件，必须有对比积相等，邻臂比相等,E 直流供电 R1-R4桥臂电阻,当负载 RL（放大器的输入阻抗比桥路阻抗大的多，可视为开路）电桥输出电压为：,传感器原理及应用,第3章 应变式传

13、感器,设R1为应变片，应变时R1变化量为R1 ， 应变片阻值变化电桥失衡，不平衡输出电压为, 电桥电压灵敏度,R1,（1）直流电桥,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,电桥输出的电压灵敏度为,电桥输出电压可近似为,，忽略分母中,由于,设桥臂比,考虑平衡条件,对于, 电桥电压灵敏度,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,电桥电压灵敏度讨论： 1. 电桥的电压灵敏度 Ku 越大，电桥输出电压越大， Ku 与电桥电源 E 成正比，但供电受应变片允许功耗限制； 2. Ku 是桥臂比n的函数，恰当选择桥臂比可提高电压灵敏度； 显然 n=1、R1=R2、R3=R4 时 Ku 有最大值。 4. 单臂工

14、作片的电桥输出电压及电压灵敏度分别为,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（1）直流电桥,等臂电桥 n =1时, 非线性误差补偿,实际输出值为,非线性误差,，忽略了分母中,前面计算中设,将分母按幂级数展开，略去高阶量近似得到单桥非线性误差,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,对金属电阻丝应变片，因灵敏系数 k0 主要由几何尺寸引起的， R 非常小，电桥非线性误差可以忽略。 对于半导体应变片，灵敏度系数k0 主要由电阻率变化引起的， 应变时R/R 变化 很大，非线性误差不能忽略。 例：金属应变片 半导体应变片,由式 可见，非线性误差与R1/R1成正比, 非线性误差补偿,（1）直流电桥,传

15、感器原理及应用,第3章 应变式传感器,实际电路中非线性误差总是存在的，为减小非线性误差，常采用差动电桥。 在试件上安装两个工作片，分别接在电桥的相邻两个臂，当有作用力F 时一个受拉、一个受压。, 非线性误差补偿,电桥的输出电压为,（1）直流电桥,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（1）直流电桥,半桥电路电压输出和电压灵敏度分别为,半桥电路讨论： 1. 输出电压U0 与R/R呈线性关系，无非线性误差； 2. 半桥电路（两工作片）电压灵敏度Ku是单臂电桥的两倍； 3. 同时电路具有温度补偿作用。,按等臂电桥：,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（1）直流电桥,全桥电路的电压输出和电压灵

16、敏度分别为,全桥输出电压灵敏度是单桥的4倍， 没有非线性误差。,将电桥四个桥臂按照对臂同性、 邻臂异性原则连接四个应变片 并且有：R1=R2=R3=R4,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（1）直流电桥,单桥,半桥,全桥,直流电桥输出电压,采用阻值R=120，灵敏度系数K=2.0的金属应变片与阻值R=120的固定电阻组成电桥，供电电压为10V。当应变片应变为0.001时，若要使输出电压不小于10mv，则可采用何种工作方式(设输出阻抗为无穷大)？,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（1）直流电桥,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（2）交流电桥,交流电桥由单频交流电源供电，交流

17、电桥各臂的电阻要考虑分布电容的影响，这时桥臂不再是纯电阻了，可将桥臂视为复阻阻抗，分别为 电源电压、输出电压分别用复数表示 交流电桥输出特征方程为,交流电桥,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（2）交流电桥,式中：x 电抗、r 电阻、Z 复数的模、 相角 用指数形式代入得到交流电桥平衡条件，需满足两个方程式： 对臂复数的模积相等，相角之和相等。,交流电桥平衡条件：,设各桥臂阻抗:,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（2）交流电桥,已知,忽略分母项,交流半桥输出：,交流单桥输出：,其中, Z1=R1 / XC1,交流电桥输出：,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（2）交流电桥,

18、若半桥Z3、Z4为固定电阻，Z1、Z2为两个应变片，阻值为R1、R2， 分布电容为C1、C2，电桥平衡时实部、虚部分别相等。 交流电桥除满足电阻平衡条件外，还必须要满足电容平衡条件：,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.2 电阻应变片测量电路,直流电桥 优点：电源稳定；平衡电路简单；电桥的连接导线不会形成分布电容；仍是主要测量电路； 缺点：直流放大器较复杂，存在零漂和工频干扰。 直流电桥适合静态量的测量 交流电桥 优点：交流放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定 传感器带来方便； 缺点：存在电容分布参数；交流电桥输出为交流信号(调幅波)，需专用测量仪器或电路，不易取得高精度。,（2） 交

19、流电桥,交流电桥的调幅作用(以单臂电桥为例),供桥电源电压为：,零应变输出,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（2）交流电桥,当试件受到拉伸产生静的正应变时，电桥输出为,输出波形与电源电压相同，但幅度为其幅值的,静态正应变输出,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（2）交流电桥,当试件受到挤压产生静的负应变时，电桥输出为,输出波形仍与电源电压相同，但幅度降为电源电压的 倍，与受拉相比波形在相位上相差了180。,静态负应变输出,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,当试件受动态应力产生简谐应变 时，输出,正弦应变输出,输出波形是在载波上，叠加了一个低频的工作正弦波，载波的波幅由常数U

20、m变为：,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,交流电桥输出的调幅波是由振幅相等而频率分别为 (w-)和(w+)的两个频率的叠加,实际应变的变化频率多为非正弦的，其中有不可忽视的高次谐波频率n，则此时电桥输出频率宽度为wn。,为使电桥调制后不失真，载波频率w应比应变信号频率n大10倍左右。,结 论,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（3）电阻应变仪原理,应变仪电路主要分为：直流电桥和交流电桥； 应变片采用直流电桥时，由放大、A/D及显示电路组成； 应变片采用交流电桥时需解调电路，主要包括: 振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示等。,电阻

21、应变仪交流电桥电路原理框图,3.2 电阻应变片测量电路,交流电桥电阻应变仪组成框图,电桥：电源4002000Hz 放大器：放大倍数510104； 振荡器：载波信号、相敏检波器的参考电压； 相敏检波器：检波器（解调）、辨别相位,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（3）电阻应变仪原理,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。,（4）应变片温度误差及补偿,环境温度变化t 时，电阻丝的电阻会发生变化。,1） 应变片温度误差,应变片温度误差来源有两个主要因素：,因试件随温度变化使应变片电

22、阻产生附加形变造成的电阻变化,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（3）应变片温度误差及补偿,环境温度变化t 时，电阻丝的电阻变化为：,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,因试件随温度变化使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,例3.1,有一个电阻为120，K=2的应变片，粘贴在弹性极限为400MN/ ,弹性模量为200GN/ 的钢件上： 1)当应力等于弹性范围的1/10时； 2)如果应变片材料为康铜丝(a=2010-6/C，膨胀系数为1210-6m/m/C，钢的膨胀系数为1410-6m/m/C ），温度变化20C； 试分别计算此应变片的电阻变化

23、。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（3）应变片温度误差及补偿,温度补偿方法有：线路补偿、自补偿、辅助测量补偿、热敏电阻补偿、计算机补偿等。,自补偿法，具有温度补偿作用的应变片RB称为补偿片,用特制的温度补偿片进行补偿。当温度变化时产生的附加应变相互抵消，补偿片制作的原理是使t=0。,试件材料g给定，制作中改变栅丝的合金成分，控制温度 系数t，使s、g 抵消。,2） 应变片温度补偿,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（3）应变片温度误差及补偿,线路补偿（电桥补偿）：被测试件位置上安装一个补偿片处于相同的温度场；,单臂电桥时,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（3）应变片温度

24、误差及补偿,电桥补偿方法,双臂电桥时,结论：差动电桥可以大大的降低温度的影响,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻式传感器的应用,电阻式应变传感器的应用主要分为两大类 1.应变测量 应变片直接粘贴在被测试件上，通过电阻应变仪测量构件的应力、应变、形变； 2.应变片与弹性元件组合使用构成测量仪器（如电子秤），测量重物、力、压力、位移、速度、加速度等物理量。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻式传感器的应用,电阻应变仪是直接测量应变的专用仪器，在科研和工业生产中常常要对构件或组件的应变进行测量。 如:长征系列运载火箭、三峡工程、大庆石油井架等工程项目测试。 测量高

25、压容器的变形时压力高压气瓶、高压锅炉、高压锅; 机械设备的构件形变研究火炮炮管、汽车底盘、飞机机翼。,（1）电阻应变仪,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.3 电阻式传感器的应用,按测量应变力的频率可分为静态应变仪;动态应变仪 又可细分为： 静态5Hz，静动态几百Hz； 测量应力、应变，系统要求高速高精度AD； 动态5KHz；超动态几十KHz； 测量振动、频谱分析，系统除要求高性能解调电路，要有强大数据处理功能，数字滤波、频谱分析。 不同应变频率范围的应变仪，数据采集与数据处理电路有较大差别。,静态应变仪电路原理示意图,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,（1）应变仪,应变仪主要特

26、性参数： 测量通道：8通道，可多模块组合 测量范围：30000 测量精度：1.5 扫描率高于1次/秒 支持多种桥路接入方式：1/4桥、半桥、全桥（4线、6线） 应变片类型：1201k 应变系数：1.802.20 采样率可设置为每通道10次/秒到几天采集一次 实时显示当前数据和所设置的参数 28MByte非易失性存储器，用于存储测量数据.,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,力传感器由弹性元件和应变片组成，有：柱式、梁式、环式、轮辐式等。 柱式力传感器 有空心（筒形）、实心（柱形）两种 在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆筒（柱）在外力作用下产生 形变。对实心圆柱，外力F 作用时产生的应变

27、为：,式中：L 为弹性元件的长度；E 为弹性模量； S 为弹性元件的横截面积；应力= F/S ； 应变与力成正比关系，要提高变换灵敏度必须减小横截面积S，但S 小抗弯能力差易产生横向干扰； 为解决这一矛盾多采用空心圆筒，空心圆筒在同样横截面积情况下横向刚度大。,（2）力传感器（测力与秤重）,3.3 电阻式传感器的应用,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,实心圆柱 H 2D + L 空心圆柱 H D d+L,试验研究结果建议选用以下公式：,柱式力传感器称重荷重，量程在0.1100吨之间，国产有 BLR-1型测拉力、BHR型测荷重传感器; 火箭发动机实验台架都采用空心圆柱结构。,H柱高, D外

28、径, d空心内径, L应变片基长, 柱式力传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,设轴的横截面积为S，轴材料的弹性模量为E，材料的泊松比为u。等截面轴承受轴向拉力、压力时: 轴向的应变为： 径向应变为, 柱式力传感器受力情况分析,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器, 柱式力传感器,应变片连接电路,邻臂电阻应变方向相反，大小相等吗？,桥臂串联或并联电阻应变片能 否提高灵敏度？,电阻R5，R6，R7，R8电阻的作用？,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,荷重传感器弹性元件形式,（2）力传感器, 柱式力传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,例 3-2 电阻应变片的阻值为12

29、0，灵敏度系数K=2，沿轴向粘贴于直径为0.05m的圆形钢柱表面，钢材的 ， ，求钢材受10t拉力作用时，应变片电阻的变化 和相对变化 。若应变片沿钢柱圆周方向粘贴，受同样拉力作用时，应变片电阻的相对变化量为多少？,应用举例,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,等截面梁 悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。 当外力F 作用在梁的自由端时，固定端产生的应变最大， 粘贴在应变片处的应变为：,式中： 是梁上应变片至自由端距离， b、h 分别为梁的宽度和梁的厚度。,悬臂梁式力传感器有等截面梁、等强度梁两种形式，弹性元件一端固定,力作用在自由端,（2）力传感器, 悬臂梁式力传感器,传感器原理及

30、应用,第3章 应变式传感器,等截面梁 因为应变片的应变大小与力作用的距离有关，所以应变片应贴在距固定端较近的表面，顺梁的方向贴，上下各贴两只。 四个应变片组成全桥，上面两个受压时下面两个受拉。保证对臂同极性、邻臂反极性连接。 这种传感器适用于中等荷重，测量500Kg以下荷重。, 悬臂梁式力传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,等强度梁 悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，是一种特殊形式的悬臂梁。 当力作用在自由端时，梁任何位置上距作用点应力相等，应变片的应变大小为：,为梁的长度，当力作用在自由端时，梁表面产生的应变相等。对应变片粘贴位置要求不严，使用更为方便。, 悬臂梁式力传感器,

31、传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,各种形式的应变梁应用于不同场合, 悬臂梁式力传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,各种平行双孔梁,各种形式的应变梁，双孔梁多用于盘秤, 悬臂梁式力传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,各种形式的应变梁，S梁、工字梁多用于吊秤。,S 型 拉 力 梁,弯曲环式, 悬臂梁式力传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,轮辐式传感器结构主要由五个部分组成：轮轱、轮圈、 轮辐条、受拉和受压应变片； 通过测量轮辐条对角线方向(450)的线应变测力。 8个应变片分别粘贴在四个轮辐条的正反两面组成全桥。, 轮辐式测力传感器（剪切力）,（2）力传感

32、器,侧视,俯视,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器, 轮辐式测力传感器,汽车衡器传感器,电 子 台 秤,扁平外型有大的抗载能力，可承受大的偏心度和侧向力； 埋在地下用于测量行走中的拖车、卡车，可根据输出对超载车辆报警。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,显示仪表,桥式力传感器,力传感器应用,扭力传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,电 子 吊 车 秤,力传感器应用,利用单片机可进行数字处理,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,基本结构由悬臂梁、应变片、质量块、机座外壳组成。悬臂梁（等强度梁）自由端固定质量块，壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。, 应变式加速度传感器,当壳体

33、与被测物体一起作加速度运动时，悬臂梁在质量块的惯性作用下作反方向运动，使梁体发生形变，粘贴在梁上的应变片阻值发生变化。通过测量阻值的变化求出待测物体的加速度。,（2）力传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器, 应变式加速度传感器,应变片式加速度传感器不适于测较高频率的振动冲击,常用于低频振动测量,范围在1060Hz。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器, 应变式加速度传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,电子秤应用电路,集成器件MC14433为A/D转换集成块，4511为LED显示驱动，1413为位选，1403提供主集成电路稳定比较电压，7650为斩波稳零单片集成运算放大

34、器，放大传感器输出的电压信号。,传感器为BLR型拉压式传感器； 图中RA、RB、RC、RD为传感器； 稳压电路7805向整个电路提供5V电压，7805的输人电压在 815V时正常工作。,BLR型拉压式传感器,（2）力传感器,数字电子秤 电路原理图,A/D 转 换 显 示 驱 动,放大,LED显示器,数字电子秤系统框图,整体原理图,电 源,交流双69V输入,传感器电路,+5,-5,OUT,调零电位器,放大电路,放大倍数调节电位器,差分放大级,传感器信号输入,IC1,IC2,IC3,注：运放采用LM324,IC1、IC2组成同相并联差动放大器，提高输入阻抗。 IC3 组成基本差动放大器,A,B,D

35、,C,R1,R1,RG,R2,R2,R3,R3,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.4 压阻式传感器,半导体电阻应变片是一种利用半导体材料压阻效应的电阻型传感器。 半导体材料在某一方向受到作用力时，它的电阻率会发生明显变化，这种现象被称为压阻效应，由压阻系数表示。,已知，金属电阻丝应变片的灵敏系数 k0 主要由材料的几何尺寸引起的,1. 半导体压阻效应,为固体受力引起电阻变化,且= 0.250.5 ，k01.52,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.4 压阻式传感器,压阻系数随应力的方向和电流方向不同而不同 半导体的压阻效应具有明显的各项异性，可用矩阵表示，这里我们不讨论半导体

36、的晶向表示方法，只用结论。,1. 半导体压阻效应,施力方向和电流方向相同，称纵向压阻系数l ; 施力方向和电流方向垂直时，称横向压阻系数e 。 严格讲压阻系数共有四阶张量（i j k l），81个分量。 硅膜很薄时三维向量简化为二维，应力作用下膜片电阻变化近似只与纵向和横向应力有关，为：,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.4 压阻式传感器,半导体的电阻率取决于有限数量的载流子（空穴、电子）迁移率，加在一定单晶向的外应力引起半导体能带变化，使载流子的迁移率发生大的变化，使电阻率有很大变化。,1. 半导体压阻效应,半导体的电阻率变化与压阻系数有如下关系：,传感器原理及应用,第3章 应变式

37、传感器,3.4 压阻式传感器,可见半导体应变片灵敏系数k0主要由电阻率的变化引起的。半导体压阻传感器的灵敏度k0 比金属应变片可以大50100倍； 半导体器件体积小便于集成，但是半导体元件对温度变化敏感，这在很大程度上限制了半导体应变片的应用。,1. 半导体压阻效应,半导体硅材料压阻系数为,半导体硅材料弹性模量为,半导体灵敏系数中半导体的电阻率变化大于材料的几何形状变化,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,3.4 应变式传感器的应用,气体压力测量，与金属膜片式压力传感器原理相同，不同的是硅杯上的硅膜片利用集成电路工艺扩散了四个阻值相等的电阻，构成应变电桥。膜片两边存在压差时就有压力作用在膜

38、片上。,2. 压阻式传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,2. 压阻式传感器,压阻式传感器有许多优点： 频率响应高，f0可达1.5M； 体积小、耗电少、灵敏度高， 可测量到0.1%的精确度； 无运动部件。 压阻式传感器缺点： 温度特性差；工艺复杂； 压阻式传感器应用领域： 航空工业，发动机进气处的动压； 生物医学，体内压力测量，心、颅、眼等； 兵器工业，枪炮腔内压力，爆炸力，冲击波测量； 防爆检测，压阻传感器所需电流小，在可燃气体许可值之下，是理想的防爆压力传感器,微型硅压力传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,普通压阻式压力传感器属于简单传感器； 近年单片集成硅压力传感器

39、进入市场，单片集成硅压力传感器，英文缩写ISP（Integrated Silicon Pressure），内部除传感器单元外，增加了信号调理、温度补偿、压力修正等电路。,MPX压力传感器引脚与封装,电阻式扩散硅压敏集成传感器,3. 硅压阻式传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,MPX2100/4100A/5100系列集成硅压力传感器，由美国Motorola公司生产，适合测量管道中绝对压力（MAP） 测量范围： 0100kPa（不同）； 电源电压范围：+4.855.36V； 温度补偿范围：-40+125。 热塑壳内部有密封真空塞，提供参考压力，当垂直方向受到压力时，将检测压力P与真空压

40、力P0相比较，输出电压正比于绝对压力，输出电压与绝对压力的关系曲线在20100kPa范围成正比关系，超出范围后U0 基本不随压力P变化。,MPX压力传感器引脚与输出特性,电阻式扩散硅压敏集成传感器,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,本章要点：,电阻式传感器的基本原理，转换电路。了解不同电阻式传感器的结构、性能、灵敏度差别，分别使用在哪些场合；如何通过电阻式传感 器测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数； 金属箔式应变片：直流单臂、半桥、全桥比较； 应用测量电路，交流全桥,相移器、相敏检波器、电阻应变仪，电子秤。,传感器原理及应用,第3章 应变式传感器,本章小结：,应变片金属丝拉长，电阻增加，反之减少。 电桥电路平衡条件：R1R4=R