传感器1电阻式传感器.ppt

传感器测量原理(1),本章学习要求：,1.掌握电阻式传感器的工作原理2.了解电阻式传感器的结构、分类3.了解电阻传感器的测量电路4.了解电阻传感器的应用,工程测试技术基础,第二讲 传感器测量原理（1）,2.1 概述,1.传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：敏感元件的输出就是它的输入，它把输入转换成电路参量。,基本转换电路：上述电路参数接入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,传感器的组成,敏感元件在传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。,弹性敏感元件（弹簧管）,弹簧管(布尔登管）将压力转换为角位移,P418,最简单的传感器由一个敏感元件(兼转换元件)组成，它感受被测量时直接输出电量，如热电偶。有些传感器由敏感元件和转换元件组成，没有转换电路，如压电式加速度传感器，其中质量块m是敏感元件，压电片（块）是转换元件。有些传感器，转换元件不只一个，要经过若干次转换。,由于空间的限制或者其他原因,转换电路常装入电箱中。然而，因为不少传感器要在通过转换电路后才能输出电信号，从而决定了转换电路是传感器的组成环节之一。,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,本课中，传感器泛指将一个被测物理量按照一定的物理规律转换为另一物理量的装置，着重研究装置的信号转换规律，并不严格区分其是一个敏感元件还是一个传感器。,2、按传感器的工作机理，分为结构型与物性型,1、按照被测物理量，分为位移、压力、振动、温度传感器等，表明传感器的用途,传感器的分类,结构型传感器：依赖结构参数的变化实现信息转换场定律,2)物性型传感器：依赖敏感元件的物理特性的变化实现信息转换物质定律,3、按传感器使用电源与否：分为有源传感器和无源传感器；按传感器的能量转换情况，分为能量控制型传感器和能量转换型传感器,4、按照工作原理分类：十大类,电阻式电感式磁电式压电式电容式,光电式热电式陀螺式机械式流体式,5、按传感器输出信号，分为开关型、模拟型和数字型,P163 表4.1 常用传感器类型及作用原理,2.2 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,第二讲 传感器测量原理（1）,3个参数中的1个或数个发生变化，电阻R就变化！,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、压阻式.,（一）变阻器式传感器的构造与原理 1.机械结构 2.物理模型 3.数学模型,一、变阻器式传感器（电位器式传感器）,变阻式传感器,等效电路分析:,l 电位计电阻元件长;x 电刷移动量.R 总电阻;Rx电刷电阻;,l,x,=,R,Rx,=,Ui,Uo,变阻式传感器,电位计,电位计空载输出电压,当电位计结构及电源电压确定后，理想线性电位计KR和KU为常数，因此线性电位计输出电压与电刷位移（或转角）成呈线性关系。,动手做一做,如何变成传感器?一个具体的工程实例:请将电位器接入实际身高测量应用中.,1.结构误差 阶梯特性与阶梯误差,（二）工程应用中存在的问题,阶梯误差是一种原理误差，它限制了电位计的精度和分辩力。,2.负载特性 负载特性与负载误差,若使非线性误差(1020)R,m为电位计的负载系数,（三）产品及应用,某些电刷结构,由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成。,按制作方式：,线绕电位器,线绕电位器,薄膜电位器,(四)变阻器式传感器的性能参数:1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命,(3)变阻器式传感器的分类,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,特点及应用,优点 结构简单,性能稳定,输出信号大,受外界条件影响小等优点缺点 动态响应差,精度差,分辨率低,YCO-l50型压力传感器原理图,膜盒电位器式压力传感器原理图,电位器式加速度传感器示意图,电位计的技术指标,应用 常用来测位移,压力,加速度.问题:前述的测身高装置如何改为测体重装置?,案例：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码）,原理：电机-转角-电位器-电阻,变阻器式传感器产品,2 电阻应变式传感器-应变片,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。,拉,压,1)工作原理,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,金属应变片的电阻R为,代入,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,电阻丝轴向变形,电阻丝材料的泊松比,有：,其中,与电阻丝轴向正应力有关，为压阻系数，E为弹性模量,由电阻丝几何尺寸变化引起,由电阻丝电阻率随应变的改变而引起,对金属材料，近似看作导电率不变：,金属丝应变片：,电阻变化与应变成正比，电阻应变片灵敏度系数定义：,Sg的范围在（1.74.0）,应变计,金属应变计,半导体应变计,优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,半导体应变片灵敏度,3)应变片的主要参数,4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应变计的原始电阻值。(60,90,120,300,500,1000),3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,4)应变片的误差及补偿,影响应变片精度的主要因素是温度 电阻值随温度的变化而改变；应变片与衬底材料的热膨胀系数不一样。应变片测量的另一误差来自应变片的大小和测点的位置,（2）温度补偿（自补偿法和线路补偿法）单丝自补偿应变片 每一种材料的被测试件，其线膨胀系数都为确定值,选择应变片敏感栅材料，使其电阻温度系数和线膨胀系数满足一定条件，可实现温度自补偿。双丝组合式自补偿应变片 两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反。电路补偿法,电路补偿法 如图，电桥输出电压与桥臂参数的关系为 式中A由桥臂电阻和电源电压决定的常数。,USC,R2,R4,R1,R3,U,桥路补偿法,由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2对输出电压的作用方向相反。利用这个基本特性可实现对温度的补偿，并且补偿效果较好，这是最常用的补偿方法之一。,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，图中R1称为工作应变片。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，图中R2，称为补偿应变片。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。由于R1与R2接入电桥相邻臂上，造成R1t与R2t相同，根据电桥理论可知，其输出电压USC与温度无关。当工作应变片感受应变时，电桥将产生相应输出电压。,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即上式中可以选择R1=R2=R及R3=R4=R。当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，可知电桥的输出电压为零。若有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。,图(a)为一个梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2的阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。,构件受弯曲应力,构件受单向应力,(b)图是受单向应力的构件，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1和R2接入电桥相邻臂，其输出为,电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆.,3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,应变片的粘贴：1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。,3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,3)应变片测量电路,令：,金属丝应变片：,USC与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变,R2,R3,R1,R4,U0,电桥线路原理图,Rg,a,c,d,Ig,b,USC,I1,I2,电桥平衡公式：,设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量R，当为拉伸应变时，R为正；压缩应变时，R为负。在上式中以R1+R代替R1，则,设电桥各臂均有相应的电阻增量R1，R2，R3，R4时,在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。,1、等臂电桥当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。此时电桥输出可写为 一般情况下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即RRi，略去上式中的高阶微量，并利用 式得到,当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性不同时，输出电压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性一致时，输出电压为两者之和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。,当仅桥臂ab单臂工作时，输出电压为 由前两式可知，当假定RR时，输出电压Ug与应变间呈线性关系。若假定不成立，则按线性关系刻度的仪表用来测量必然带来非线性误差。,2、第一对称电桥 若电桥桥臂两两相等，即R1=R2=R，R3=R4=R，则称它为第一对称电桥，其实质上是半等臂电桥。设R1有一增量R，电桥的输出电压为,半桥 1)相邻臂,a)相邻臂：补偿应变片,b)相邻臂：极性相反应变片,半桥 2)相对臂,全桥,对不同结构的应变式传感器，由于弹性元件上粘贴的应变片数量和方式不同，构成等臂电桥时，在相同载荷下电桥输出电压大小不一样。,桥臂系数决定了电桥的输出灵敏度,电桥的非线性误差,四、应变效应的应用,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,电阻应变式传感器的应用：测力,1、柱力式传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。,在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为：,1沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。,当=0时,当=90时,E：弹性元件的杨氏模量,2、梁力式传感器 等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。,L,R1,R3,R2,R4,x,F,h,b,等强度梁弹性元件,b0,R4,力F作用于梁端三角形顶点上，梁内各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。横截面梁双空梁S形弹性元件,（b）,（a）,应变式压力传感器,3、应变式压力传感器 测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。,圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或与传感器外壳作成一体，如图(b)。,应变片,4、应变式加速度传感器由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向,L,应变片,质量块m,弹簧片,外壳,基座,a,应变式加速度传感器,时，固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。,六、应变式传感器举例,（一）应变式力传感器,1.柱（筒）式力传感器 图 所示为柱式、筒式力传感器,贴片在圆柱面上的位置及在桥路中的连接如图（c）、（d）所示。纵向和横向各贴四片应变片，纵向对称的R1和R3串接,R2和R4串接,横向的R5和R7串接,R6和R8串接,并置于桥路对臂上以减小偏心载荷及弯矩的影响,横向贴片作温度补偿用。桥路输出电压,2.薄壁圆环式力传感器 所示为环式力传感器结构图及应力分布图。A处应力为负，B处为正。对R/h5的小曲率圆环,A、B两点处的应变为,h圆环厚度;b圆环宽度;E材料弹性模量。若A处内外环对称贴两片应变片，B处受拉或压应力将应变片接于电桥电路。输出电压为,3梁式力传感器,4轮辐式力传感器,（二）应变式压力传感器 1.膜片式压力传感器,应变片贴在膜片内壁,在压力p作用下,距离圆心x处膜片产生径向应变r和切向应变t,表达式分别为:,p膜片上均匀分布的压力;R,h膜片的半径和厚度;x离圆心的径向距离。,膜片弹性元件承受压力p时,其应变变化曲线的特点为:,在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片,在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片,然后接成全桥测量电路。输出电压为：,2筒式压力传感器,3组合式压力传感器,（三）应变式加速度传感器,测量时,将传感器壳体与被测对象刚性连接。,应变片加速度传感器不适用于频率较高的振动和冲击,一般适用频率为1060Hz范围。,案例：桥梁固有频率测量,标准产品,案例：电子称,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,案例：冲床生产记数 和生产过程监测,案例：机器人握力测量,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,应变式力传感器,应变式力传感器,F,F,F,F,各种悬臂梁,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,汽车衡（以下参考北京远亚兴业商贸有限公司资料）,汽车衡称重系统,荷重传感器计算公式,当KF 为常数时，桥路所加的激励源电压Ui 越高，满量程输出电压Uom也越高。,思考：综合考虑灵敏度与功耗发热，Ui 的取值范围多少为好？,荷重传感器应用估算,例2-2 现用荷重传感器称重。当桥路电压为6V时，测得桥路的输出电压为24mV，求被测荷重为多少吨?解:从荷重传感器铭牌上得到F m=100103N，KF=2mV/V，根据式（2-5）得Uom=24mV。被测荷重,荷重传感器应用估算,在上面介绍过的汽车衡示意图中，共使用了4个荷重传感器，量程Fm=20t，灵敏度KF=2.5mV/V，使用4个独立的桥路电源，每一个电源电压均相等，Ui=12V，四个荷重传感器的输出串联，总的输出电压Uo=24mV，请估算汽车的质量。汽车在钢板上有少许的前、后、左、右偏位，是否会影响测量结果？为什么？,荷重传感器用于构件的称重,荷重传感器（共 3个，120度分布，以达到均衡目的，另两个未拍出）,底座,垫块,电缆,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,吊钩秤,便携式,应变式数显扭矩扳手,可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,压阻式固态压力传感器 利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。,隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。,压阻式固态 压力传感器 内部结构,信号处理电路,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,绝对压力传感器,小型压阻式固态压力传感器（续）,呼吸、透析和注射泵设备中用的压力传感器,p1进气管,p2进气管,固态压力传感器,小型压阻式固态压力传感器（续）,表压压力传感器,p1进气管,投入式液位计,压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。,投入式液位计外形（续）,压阻式固态压力传感器,光柱 显示器,橡胶 背压管,投入式液位传感器 投入式液位传感器安装方便，适应于深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他液体的液位测量。,投入式液位计液位的计算：安装高度h0处水的表压 p1=gh1,h=h0+h1=h0+p1/（g）,例：液位计安装高度为1m，测得压力为98kPa，求水的深度。,电阻应变仪,下图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率：1；电桥电压：直流2.5V；应变片：120或其他阻值；测量点数：8/16点；,电阻应变仪（续）,右图所示的静动态 应变仪技术指标：量程：110000频率范围：0-150kHz 平衡方式：手动 精度：0.3%零点飘移：-/：0.1-/24小时：0.5灵敏度变化：-/：0.05%-/24小时：0.3%信噪比：52dB,（参考东方振动和噪声技术研究所资料）,电阻应变仪（续）,接线端子,与计算机接口的多路电阻应变测量模块,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,