传感器与检测技术的理论基础.ppt

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1、3.1工作原理3.2应变片的种类、材料及粘贴3.3电阻应变片特性3.4电阻应变片的测量电路3.5应变式传感器应用,主要内容,应变式传感器是电阻式传感器的一种，电阻式传感器主要是使用传感器阻值的变化来检测被测量。常见的有电位器式电阻传感器、应变片式电阻传感器、热电阻式传感器、固态压阻式传感器、半导体传感器中的气敏电阻、湿敏电阻。,概述,各种电子称:,1.电位器式电阻传感器讨论（1）电位器式电阻传感器的原理（2）阶梯特性、阶梯误差和分辨率（3）负载特性和负载误差,1.电位器式电阻传感器（了解）2.应变片式电阻传感器（重点）,主要内容：,电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大

2、到登月火箭，精确度可到 0.010.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。,2.电阻式应变传感器,电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器,传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上时,弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转换电路将其转变成电量输出,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。,应变式传感器特征：不同材料类型：金属应变片、半导体应变片应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度；主要优点：精度高，测量范围广、使用寿命长，性能稳定可靠、结构简单、尺寸小，重量轻、频率响应特性好，响应时间约为10-7秒、可在各种恶劣条

3、件下工作、应变片种类繁多，价格便宜,3.1 工作原理,电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变化。如图 3-1 所示,一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为 R=,当电阻丝受到轴向拉力F作用时，电阻值R的 变化引起电阻的相对变化为:,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的相对变化,用应变表示长度相对变化量,S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量,即,由材料力学可知,在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,沿径向缩短,那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,可得 或,通常把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是

4、单位应变所引起的电阻相对变化量,其表达式为,灵敏度系数受两个因素影响:一个是受力后材料几何尺寸的变化,即（1+2）;另一个是受力后材料的电阻率发生的变化,即（/）/。对金属材料电阻丝来说,灵敏度系数表达式中（1+2）的值要比（/）/）大得多,而半导体材料的（/）/）项的值比（1+2）大得多。,半导体应变片使用半导体材料制成，其工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指半导体材料某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。,其中：-半导体材料的压阻系数-半导体材料的所受应变力 E-半导体材料的弹性摸量-半导体材料的应变,半导体应变片与金属丝式应变片的比较：优点：灵敏系数高，可比金属丝高

5、5080倍缺点：温度系数大，应变时非线性比较严重，应用范围有限。,用应变片测量应变或应力时,根据上述特点,在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量R时,便可得到被测对象的应变值。根据应力与应变的关系,得到应力值为=E 式中:试件的应力;试件的应变;E 试件材料的弹性模量。由此可知,应力值正比于应变,而试件应变正比于电阻值的变化,所以应力正比于电阻值的变化,这就是利用应变片测量应变的基本原理。,3.2应变片的种类、材料及粘贴,电阻应变片的种类 但常用的应变片可分为两类:金属电阻应变片和半导体电阻应变片。其中金属应变

6、片有丝式电阻应变片和箔式应变片。,金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成,如图 3-2 所示。,敏感栅是应变片的核心部分,它粘贴在绝缘的基片上,其上再粘贴起保护作用的覆盖层,两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。,金属电阻应变片的材料要求：详细情况见P45,箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅,其厚度一般在0.0030.01mm。其优点是散热条件好,允许通过的电流较大,可制成各种所需的形状,便于批量生产。薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1m以下的金属电阻薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。,3.3电阻应变片的

7、特性,1.弹性敏感元件及其基本特性,弹性元件的基本特性有：刚度、灵敏度、灵敏系数等。,(1)刚度 刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义为弹性元件在单位变形下所需要的力，用C来表示,(2)灵敏度 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。,(3)灵敏系数,思考其他特征 有那些？,直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同，园弧部分使灵敏系数K下降，这种现象称为横向效应。,3.3 金属应变片的主要特性2.横向效应,不能满足测量精度要求时,应进行必要的修正,为了减小横向效应产生的测量误差,现在一般多采用箔式应变片。,其他：绝缘电阻和最大电流、应变片的动态响应特性,

8、讨论：电阻应变片的动态特性,阶跃响应：,频率响应：应变片所反映的幅值将低于真实应变波，从而带来一定的测量误差。,e,x,l0,x1,x2,(1)应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有:,电阻温度系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,3.3 金属应变片的主要特性3.应变片的温度误差及补偿,1)电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：Rt=R0（1+0t）式中:Rt温度为 t 时的电阻值;R0温度为t0时的电阻值;0金属丝的电阻温度系数;t温度变化值,t=t-t0。当温度变化t

9、时,电阻丝电阻的变化值为 Rt=Rt-R0=R00t,2)试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时,不论环境温度如何变化,电阻丝的变形仍和自由状态一样,不会产生附加变形。当试件和电阻丝线膨胀系数不同时,由于环境温度的变化,电阻丝会产生附加变形,从而产生附加电阻。设电阻丝和试件在温度为 0 时的长度均为L0，它们的线膨胀系数分别为s和g,若两者不粘贴,则它们的长度分别为 Ls=L0（1+st）,Lg=L0（1+gt）当二者粘贴在一起时,电阻丝产生的附加变形L,附加应变和附加电阻变化R分别为 L=Lg-Ls=（g-s）L0t=L/L0=（g-s）t R=K0 R

10、0=K0 R0(g-s)t,可得由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为,折合成附加应变量或虚假的应变t,有,由此可知,因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量,除了与环境温度有关外,还与应变片自身的性能参数（K0，0，s）以及被测试件线膨胀系数g有关。(2).电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有：,线路补偿法 应变片自补偿,(1)线路补偿法 电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法。如图所示是电桥补偿法的原理图。电桥输出电压Uo与桥臂参数的关系为 Uo=A（R1 R4-RB R3）,3.3 金属应变片的主要特性3.应变片的温度误差及补偿,式中:A由桥臂电阻和电源电压决

11、定的常数。R1工作应变片；RB补偿应变片 由上式可知,当R3和R4为常数时,R1和RB对电桥输出电压U0的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。测量应变时,工作应变片R1粘贴在被测试件表面上,补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上,且仅工作应变片承受应变。,当被测试件不承受应变时,R1和RB又处于同一环境温度为 t 的温度场中,调整电桥参数，使之达到平衡,有Uo=A（R1R4-RBR3）=0,工程上,一般按R1=R2=R3=R4 选取桥臂电阻。当温度升高或降低t=t-t0时,两个应变片的因温度而引起的电阻变化量相等,电桥仍处于平衡状态,即 Uo=A（R1+R1t）R4

12、-(RB+RBt)R3=0 若此时被测试件有应变的作用,则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K,而补偿片因不承受应变,故不产生新的增量,此时电桥输出电压为 Uo=AR1R4K 由上式可知,电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关,而与环境温度无关。应当指出,若实现完全补偿,上述分析过程必须满足四个条件:,在应变片工作过程中,保证R3=R4。R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数,线膨胀系数,应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样,两者线膨胀系数相同。两应变片应处于同一温度场。(2)应变片的自补偿法 这种温度补偿法是利用自身具有温度

13、补偿作用的应变片,称之为温度自补偿应变片。,根据温度自补偿应变片的工作原理,要实现温度自补偿,必须有 0=-K0（g-s）上式表明,当被测试件的线膨胀系数g已知时,如果合理选择敏感栅材料,即其电阻温度系数0、灵敏系数K0和线膨胀系数s,使上式成立,则不论温度如何变化,均有Rt/R0=0,从而达到温度自补偿的目的。,3.4 电阻应变片的测量电路,由于机械应变一般都很小,要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来,同时要把电阻相对变化R/R转换为电压或电流的变化。因此,需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路,通常采用直流电桥和交流电桥。一、直流电桥 1.直流电桥平衡条件 电桥如图

14、3-5 所示,E为电源,R1、R2、R3及R4为桥臂电阻,RL为负载电阻。,3.4 电阻应变片测量电路1.直流电桥,(1)直流电桥的平衡条件 负载RL（开路）,电桥平衡时 I0=0 U0=0 对比积相等 邻臂比相等,当电桥平衡时,Uo=0,则有 R1R4=R2R3 或,欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,或相对两臂电阻的乘积相等。,(2).电压灵敏度 R1为电阻应变片，R2,R3,R4为电桥固定电阻，这就构成了单臂电桥。应变片工作时,其电阻值变化很小,电桥相应输出电压也很小,一般需要加入放大器放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多,所以此时仍视电桥为开路情况。当产生应变时,若应变

15、片电阻变化为R,其它桥臂固定不变,电桥输出电压Uo0,则电桥不平衡输出电压为,3.4 电阻应变片测量电路1.直流电桥,设桥臂比n=R2/R1,由于R1 R1,分母中R1/R1可忽略,并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3,则式（3-30）可写为,电桥电压灵敏度定义为,从上式分析发现:电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压,供电电压越高,电桥电压灵敏度越高,但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制,所以要作适当选择;电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数,恰当地选择桥臂比n的值,保证电桥具有较高的电压灵敏度。当E值确定后,n值取何值时使KU最高？,由dKU/dn=0求RU的最大值,得 求得n=1时,KU

16、为最大值。这就是说,在电桥电压确定后,当R1=R2=R3=R4时,电桥电压灵敏度最高,此时有 KU=,从上述可知,当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时,电桥的输出电压及其灵敏度也是定值,且与各桥臂电阻阻值大小无关。(3).非线性误差及其补偿方法 在求出的输出电压因略去分母中的R1/R1项而得出的是理想值,实际值计算为,非线性误差为 L=,如果是四等臂电桥,R1=R2=R3=R4,则,L=,对于一般应变片来说,所受应变通常在510-3以下,若取KU=2,则R1/R1=KU=0.01,代入式（3-38）计算得非线性误差为0.5%;若KU=130,=10-3时,R1/R1=0.130,则得到

17、非线性误差为6%,故当非线性误差不能满足测量要求时,必须予以消除。,3.4 电阻应变片测量电路2.直流电桥(差动电桥),半桥电压灵敏度为：,讨论：输出电压U0与R1/R1呈线性关系，无非线性误差；电压灵敏度是单桥的两倍；具有温度补偿作用。,电桥输出：,若将电桥四臂接入四片应变片,即两个受拉应变,两个受压应变,将两个应变符号相同的接入相对桥臂上,构成全桥差动电路,若R1=R2=R3=R4,且R1=R2=R3=R4,则,此时全桥差动电路不仅没有非线性误差,而且电压灵敏度是单片的 4 倍,同时仍具有温度补偿作用。,3.4 电阻应变片测量电路3.直流电桥(全桥),3.4 电阻应变片测量电路4.交流电桥

18、(全桥)由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,而直流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用交流电桥。,图中 为交流电压源,开路输出电压为，由于供桥电源为交流电源,引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性,即相当于二只应变片各并联了一个电容,则每一桥臂上复阻抗分别为,3.4 电阻应变片测量电路4.交流电桥(全桥),式中C1、C2表示应变片引线分布电容,由交流电路分析可得 要满足电桥平衡条件,即=0,则有 Z1 Z4=Z2 Z3,其实部、虚部分别相等,并整理可得交流电桥的平衡条件为:及,对这种交流电容电桥,除要满足电阻平衡条件外,还必须满足电容平衡条件,为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设

19、有电容平衡调节。,3.3 电阻应变片测量电路5.交流电桥,已知,忽略分母项,其中：,交流电桥输出用复数表示：,讨论：输出电压U0有两个分量，前一个分量的相位与输入电源电压U同相，叫同相分量；后一个分量的 相位与电源相位相差900，叫正交分量。两个分量均是 R的调幅正弦波，采用普通二极管检波电路无法检测出调制信号R，必须采用相敏检波电路。检波器只检出同相分量的调制信号，对正弦分量不起检波作用，只起到滤除作用。,3.3 电阻应变片测量电路5.交流电桥,3.5 应变式传感器的应用 1.电阻应变仪,按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动 态应变仪，按应变力频率又可细分为：静态 5Hz；静动态几百Hz；

20、动态 5KHz；超动态几十KHz；交流电桥电阻应变仪主要由电桥、振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示 电路组成。,3.5 应变式传感器的应用 1.电阻应变仪,电桥 测20-200Hz应变力输出调幅调制波；放大器 将电桥输出的调幅波放大；振荡器 产生等幅正弦波提供电桥电压和相敏检波器参考电压；相敏检波器 如果应变有拉应变和压应变，可通过相敏检波电路区分双相信号 相移器 相敏检波器的参考信号与被测信号有严格的相位关系 滤波器 为了还原被检测的信号用低通滤波器去掉高频保留低频应变信号,3.5 应变式传感器的应用 1.电阻应变仪,3.5 应变式传感器的应用 1.电阻应变仪,相敏检波器可以区分

21、正负极性的双相信号，在传感器转换电路中广泛应用，相敏检波器的电路形式较多，下面做一介绍简要。相敏检波器有两个作用：一是只对同相信号检波 二是识别调制信号的正负,3.5 应变式传感器的应用 1.电阻应变仪,3.5 应变式传感器应用,2.应变式力传感器 被测物理量为荷重或力的应变式传感器,统称为应变式力传感器。其主要用作各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性,当传感器在受到侧向作用力或力的作用点发生轻微变化时,不应对输出有明显的影响。,荷重传感器弹性元件形式,3.5 应变式传感器的应用3.圆柱形传感器,3.5应变式传感器

22、的应用4.圆柱力传感器,圆柱面展开图,一般应变片均匀贴在圆柱表面中间部分，R1、R2、R3、R4串联 摆放在两对臂内，当有偏心应力时，一方受拉另一方受压产生相反变化，可减小弯矩和载荷偏心的影响。横向粘贴应变片为温度补偿片有提高灵敏度的作用。R=R1=R2=R3=R4，受力方向相同,桥路连接图,3.5应变式传感器的应用4.圆柱力传感器,3.5 应变式传感器的应用5.悬臂梁式力传感器,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。,因为应变片的应变大小

23、与力作用的距离有关（等截面梁），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。这种传感器适用于测量500Kg以下荷重。,3.5 应变式传感器的应用5.悬臂梁式力传感器,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，力距作用点任何截面积上应力相等，应变片的应变大小为：,3.5 应变式传感器的应用 5.悬臂梁式力传感器,3.5 应变式传感器的应用6.膜片式压力传感器,膜片式传感器的弹性敏感元件是一个圆形的金属膜片，金属元件的膜片周边被固定，当膜片一面受压力P作用时，膜片的另一面有径向应变r

24、和切向应变t。应变值分别为：,式中：r 膜片半径 h 膜片厚度 E 膜片弹性模量 膜片泊松比 x 任意点离圆心距离,3.5 应变式传感器的应用 6.膜片式压力传感器,膜片中心处，x=0，r与t都达到正的最大值，这时切向应变和径向应变为：膜片边缘处x=r,切向应变t=0,径向应变r达到负的最大值，径向应变处位置，应在距圆心 的圆环附近。,3.5 应变式传感器的应用 6.膜片式压力传感器,根据应力分布粘贴四个应变片，两个贴在正的最大区域（R2、R3）两个贴在负的最大区域（R1、R4），就是粘贴在的内外两侧。R1、R4测量径向应变r（负），R2、R3测量切向应变t（正），四个应变片组成全桥，即可增大

25、传感器的灵敏度，又起到温度补偿作用。这类传感器一般可测量105106 Pa的压力。,3.5 应变式传感器的应用 6.膜片式压力传感器,3.5应变式传感器的应用7.应变式加速度传感器,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。当壳体与被测物体一起 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。,补充内容（称重传感器）,随着技术的进步,由称重传感器制作的电子衡器已广泛地应用到各行各业,实现了对物料的快速、准确的称量，特别

26、是随着微处理机的出现，工业生产过程自动化程度化的不断提高，称重传感器已成为过程控制中的一种必需的装置，从以前不能称重的大型罐、料斗等重量计测以及吊车秤、汽车秤等计测控制，到混合分配多种原料的配料系统、生产工艺中的自动检测和粉粒体进料量控制等，都应用了称重传感器，目前，称重传感器几乎运用到了所有的称重领域。,有些单片机不带程序存储器，有些带，单片机程序存储器有着不同的类型。,例1、高速定量分装系统（定值分装控制系统）,例2、电子称,上图是采用CHBL3型号S型双连孔弹性体称重传感器制作的便携式家用电子手提秤的原理图，由称重传感器、放大电路、A/D转换和液晶显示四部分组成。图中，E为9V的叠层电池

27、，R1-R4是称重传感器的4个电阻应变片，R5、R6与W1组成零点调整电路。当载荷为零时，调节RW1使液晶显示屏显示为零。A1，A2为双运放集成电路LM358中的两个单元电路，组成了一个对称的同相放大器，A/D转换器采用ICL7106双积分型A/D转换器，液晶显示采用3 1/2液晶显示片。该电子秤精度高，简单实用，携带方便。称重传感器是一种高精度的传感器，必须按规定的规格使用。若不按规定的规格使用，不仅不能发挥称重的作用，而且容易损坏，尤其是绝对不准超过负荷安全值使用。,芯片（7106）内部包含双积分A/D 转换器，显示锁存器，七段译码器和显示驱动器,放大器：OP07,OP77,AD620等,数码管可分为共阴极和共阳极：1、共阳极接法，“0”=亮，“1”=不亮 2.共阴极接法，“1”=亮，“0”=不亮,基于测量放大器(对称的同相放大器)具有高输入阻抗、较低失调电压和低漂移以及稳定的放大倍数和低输出阻抗等优点，使其得到广泛应用。目前，测量放大器已有单片集成产品问世。,