传感检测技术及其应用第4章.ppt
2023/9/21,传感检测技术及其应用,2023/9/21,2,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,2023/9/21,3,优点：结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；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。,2023/9/21,4,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、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)的变化而发生变化的现象。,2023/9/21,5,1.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。,2023/9/21,6,（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。,2023/9/21,7,2023/9/21,8,（3）膜式应变片 膜式应变片采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。,2023/9/21,9,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,2023/9/21,10,则,上式即为电阻应变效应表达式。,2023/9/21,11,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。,2023/9/21,12,（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。,2023/9/21,13,（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。,2023/9/21,14,（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。,2023/9/21,15,（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。,2023/9/21,16,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。,2023/9/21,17,（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。,2023/9/21,18,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,2023/9/21,19,四、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,2023/9/21,20,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。,2023/9/21,21,（1）立式桥,立式桥,（2）卧式桥,2023/9/21,22,（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，,半臂工作电桥,（1）半臂卧式电桥,2023/9/21,23,(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,2023/9/21,24,5.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，在不考虑温度变化时，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，每个电阻随温度变化量为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,2023/9/21,25,因此，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。,2023/9/21,26,对于单臂工作的卧式电桥和等臂电桥，有,相对误差为,2023/9/21,27,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。,2023/9/21,28,7.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,2023/9/21,29,通过选配敏感栅材料与试件材料相匹配实现热输出补偿。,由上式可知，要使，只要满足 即可。所以，在选用应变计时，通过选择敏感栅的合金材料，使其、与试件材料的 相匹配，即满足上式，就能达到温度自补偿的目的。,双丝自补偿应变片,如左图所示，当应变计的敏感栅是由电阻温度系数为一正一负的两种,2023/9/21,30,合金丝Ra和Rb串接而成，当工作温度变化时，若Ra栅产生的正（负）热输出与Rb栅产生的负（正）热输出大小相等或相近，就可达到自补偿的目的。（2）桥路补偿发 桥路补偿法是利用电桥的和、差原理来达到补偿的目的。常主要有双丝半桥式，补偿计式。在工业应用中常用补偿计式。选用型号和特性完全相同的两只应变片，可以构成单臂工作补偿电桥和半臂工作补偿电桥。如果相同的两应变片之一粘贴在被测试件上作为工作片，另一只粘贴在与被测试件的结构材料相同而不受应力的补偿块上，作为补偿片，构成单臂工作补偿电桥。,2023/9/21,31,如图，工作片R1和补偿片R2处于相同环境温度下，则他们所产生的热输出相等。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R1变为为R1，补偿电阻由R2变为R2即,代入电桥电压输出公式，则电桥输出端电压为,2023/9/21,32,当R3=R4=R0时,代入 和 得,由上述条件知R1=R2=R，时,因为 得,2023/9/21,33,上式表示电桥输出端电压仅与作用力有关，而与温度变化产生的热输出无关，即消除了热输出的影响。,如果R1和R2都是工作应变片，但使R2粘贴于被测试件的相反应变处，则构成半臂工作补偿电桥。则R1和R2在应力作用和温度变化影响下有：,2023/9/21,34,根据上述条件有R1=R2=R，则有,上式同样表示电桥输出端电压仅与作用力有关，而与温度变化产生的热输出无关，即消除了热输出的影响。,2023/9/21,35,五、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,来说，,，所以半导体的电阻应变效,应为,2023/9/21,36,2.固态压阻式压力传感器（1）结构 N作为弹性敏感元件，在其上扩散制成P型电阻，称为硅杯。（2）特点 体积小，重量轻，可微型化；相应频率高，频带宽，适合动态测量；精度、灵敏度高等。（3）电源电桥及其特点（4）固态压阻传感器的补偿3.压阻式压力传感器的三种测量方式 绝压测量方式、表压测量方式、差压测量方式。4.压阻压力传感器分类 压力传感器、压力变送器等。,2023/9/21,37,5.压阻压力传感器选用6.压阻压力传感器制造商 Freescale(Motorola),Honeywell,Philips等,2023/9/21,38,直流电桥的测量电路如图所示,六、电阻式传感器测量电路,1.恒流源和恒压源,2023/9/21,39,2.放大电路,（1）差动放大器,2023/9/21,40,（2）运算放大器的仪表放大器,2023/9/21,41,（3）运算放大器的仪表放大器,2023/9/21,42,七、电阻式传感器应用,1.电阻应变式传感器的应用,特点：应用和测量范围广：测力可达到10-2107N；测压力可达103108Pa；测加速度可达103m/s3数量级。分辨力、灵敏度和精度高。（1）测力柱筒形弹性元件测力传感器,2023/9/21,43,2023/9/21,44,2023/9/21,45,2023/9/21,46,环形弹性元件测力传感器,2023/9/21,47,悬臂梁弹性元件测力传感器,2023/9/21,48,2023/9/21,49,2.电阻应变式传感器的应用示例,基本应用 平面膜片式压力传感器，应变桥连接成全桥，且,如图422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？,2023/9/21,50,2023/9/21,51,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,2023/9/21,52,3.压阻压力传感器应用（1）恒流工作测压电路,2023/9/21,53,（2）恒压工作测压电路,2023/9/21,54,（3）压力控制电路,2023/9/21,55,2023/9/21,56,4.Freescale压阻压力传感器,2023/9/21,57,2023/9/21,58,2023/9/21,59,2023/9/21,60,2023/9/21,61,2023/9/21,62,2023/9/21,63,问题：1.推导电阻丝的电阻应变效应。2.根据温度效应及热输出，说明影响电阻应变片温度误差的主要因素，如何进行补偿？3.推导或说明半臂工作电桥和全臂工作电桥的非线性误差。4.上网查Freescale(Motorola)或Honeywell半导体压力传感器资料，选择一种压力传感器，设计一种测量空气流动速度的空速计。,
