第4章 结构型传感器.ppt
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1、第4章 结构型传感器 第第4章章 结构型传感器结构型传感器4.3 电感式传感器电感式传感器4.2 电容式传感器电容式传感器4.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器4.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器4.1.1 工作原理工作原理4.1.2 结构与类型结构与类型4.1.3 主要特性主要特性4.1.4 温度效应及其补偿温度效应及其补偿4.1.5 电桥测量电路电桥测量电路电阻应变式传感器是利用电电阻应变式传感器是利用电阻阻应应变片将应变转换为电阻变片将应变转换为电阻的变化的变化,从而从而实现电测非电量的实现电测非电量的传感器传感器。电阻应变片的工作原理是基于电阻应变片的工作原理是基于电电阻应变效应
2、阻应变效应。即在导体产生机械。即在导体产生机械变形时,它的电阻值相应发生变变形时,它的电阻值相应发生变化。化。4.1.1 工作原理工作原理在外界力的作用下,将引起金属或半导体材料发生机械变形,其电阻值将会相应发生变化,这种现象称为“电阻应变效应电阻应变效应”。对于不同的材料,电阻率相对变化的受力效应是不同的。4.1.1 4.1.1 工作原理工作原理1.金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应通过研究发现,金属材料的电阻率相对变化正比金属材料的电阻率相对变化正比于体积的相对变化于体积的相对变化,即有式中,C为由材料及加工方式决定的与金属导体晶格结构相关的比例系数。金属材料的电阻相对变化与其线
3、应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应。1.金属材料的应变电阻效应金属材料的应变电阻效应将式(4-6)代入(4-5)可有式中,Km=(1+2)+C(1-2)为金属电阻丝的应变灵敏度系数,它由两部分组成:前半部分为受力后金属丝几何尺寸变化所致,后半部分为因应变而发生的电阻率相对变化.由以上分析可见:2.半导体材料的应变电阻效应半导体材料的应变电阻效应研究发现,锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应,即:式中,为作用于材料上的轴向应力;为半导体在受力方向的压阻系数;E为半导体材料的弹性模量。由以上分析可知,外力作用而引起的轴向应变,将导致电阻丝的电阻成比例地变化,通过转换电路可
4、将这种电阻变化转换为电信号输出。这就是应变片测量应变的基本原理应变片测量应变的基本原理。2.半导体材料的应变电阻效应半导体材料的应变电阻效应将式(4-8)代入式(4-5)可得式中,Ks=(1+2)+E为半导体丝材的应变灵敏度应变灵敏度系数系数。前半部分为尺寸变化所致,后半部分为半导体材料的压阻效应所致.返回返回 利用金属或半导体材料电阻丝(也称应变丝)的应变电阻效应,可以制成测量试件表面应变的敏感元件。为在较小的尺寸范围内敏感应变,并产生较大的电阻变化,通常把应变丝制成栅状的应变敏感元件,即电阻应变计电阻应变计,简称应变应变计计。4.1.2 结构与类型结构与类型 应变计的结构应变计的结构1.应
5、变片的结构应变片的结构(1)按加工方法,可以将应变片分为以下四种:丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片、薄膜应变片(2)按敏感栅的材料,可将应变计分为金属应变计和半导体应变计两大类 应变计的类型应变计的类型2.应变计的类型应变计的类型 制作应变片敏感栅常用的金属材料有康铜、镍铬合金、铁铬铝合金、贵金属(铂、铂钨合金等)材料等,其中康铜是目前应用最广泛的应变丝材料。除敏感栅以外,对基底材料、粘结剂、引线的材料方面都有要求,可以根据应用对象的不同进行选择。电阻电阻应变应变计计的的材料材料3.电阻应变计的材料电阻应变计的材料 选用应变计时,首先应根据使用的目的、要求、对象及环境条件等,对应变计的类型
6、进行选择;然后根据使用温度、时间、最大应变量及精度要求,选用合适的敏感栅、基底材料的应变计;接着根据测量线路或仪器选择合适应变计的标准阻值;最后还应根据试件表面可贴应变片的面积大小选择合适尺寸的应变计。电阻电阻应变应变计计的的选用选用4.电阻应变计的选用与粘贴电阻应变计的选用与粘贴 电阻应变片工作时,是用粘贴剂粘贴到被测试件或传感器的弹性元件上的。粘贴剂形成的胶层必须准确迅速地将被测应变传递到敏感栅上去,所以粘贴剂以及粘贴技术对于测量结果有着直接的影响。电阻电阻应变应变计计的的粘贴粘贴4.电阻应变计的选用与粘贴电阻应变计的选用与粘贴返回返回4.电阻应变计的选用与粘贴电阻应变计的选用与粘贴4.1
7、.3 主要特性主要特性静态特性静态特性是指应变计感受不随时间变化或变化是指应变计感受不随时间变化或变化缓慢的应变时的输出特性,表征静态特性的指缓慢的应变时的输出特性,表征静态特性的指标主要有:标主要有:灵敏度系数灵敏度系数、机械滞后机械滞后、蠕变蠕变、应应变极限变极限等。等。将具有初始电阻值将具有初始电阻值R的应变计安装于试件表面,的应变计安装于试件表面,在其轴线方向的单向应力作用下,应变计阻在其轴线方向的单向应力作用下,应变计阻值的相对变化与试件表面轴向应变之比即为值的相对变化与试件表面轴向应变之比即为灵敏度系数。灵敏度系数。应变计的电阻应变特性与单根电阻丝时不应变计的电阻应变特性与单根电阻
8、丝时不同,一般情况下,应变计的灵敏系数小于相同,一般情况下,应变计的灵敏系数小于相应长度单根应变丝的灵敏系数。应长度单根应变丝的灵敏系数。1.灵敏度系数(灵敏度系数(k)横向效应横向效应将直的金属丝绕成敏感栅后,虽然长度相同,将直的金属丝绕成敏感栅后,虽然长度相同,但应变状态不同但应变状态不同,应变片敏感栅的电阻变化较,应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小,直的金属丝小,其灵敏系数降低了其灵敏系数降低了,这种现象这种现象称称为应变片的为应变片的横向效应横向效应。为了减为了减小小横向效应横向效应带来的带来的测量误差测量误差,一般采用一般采用短接式或直角式横栅,现在更多的是采用箔式短接式或直角式横
9、栅,现在更多的是采用箔式应变片,可有效克服横向效应的影响。应变片,可有效克服横向效应的影响。2.横向效应横向效应 机械滞后机械滞后产生机械滞后的原因主要是敏感栅、基底和粘产生机械滞后的原因主要是敏感栅、基底和粘合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造合剂在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的成的。为了减小机械滞后为了减小机械滞后,除选用合适的粘合除选用合适的粘合剂外剂外,最好在最好在正式使用之前预先加、正式使用之前预先加、卸卸载若干载若干次次再正式测量再正式测量,以减小机械滞后的影响,以减小机械滞后的影响。3.机械滞后机械滞后蠕变和零漂蠕变和零漂粘贴在试件上的应变计粘贴在试件上的应变计,在温
10、度保持恒定在温度保持恒定、不承受机械应变时不承受机械应变时,其电阻值随时间而变化其电阻值随时间而变化的特性的特性,称为称为应变计的零漂应变计的零漂。如果在一定温如果在一定温度下度下,使其承受恒定的机械应变使其承受恒定的机械应变,应变计,应变计电电阻值随时间而变化的特性阻值随时间而变化的特性,称为称为应变计的蠕应变计的蠕变变。一般蠕变的方向与原应变变化的方向相一般蠕变的方向与原应变变化的方向相反。反。选用弹性模量较大的粘贴剂和基底材料,选用弹性模量较大的粘贴剂和基底材料,有利于蠕变性能的改善。有利于蠕变性能的改善。4.蠕变和零漂蠕变和零漂应变极限应变极限应变计的线性应变计的线性(灵敏系数为常数灵
11、敏系数为常数)特性特性,只有只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一入的真实应变超过某一极极限值时限值时,应变计的输应变计的输出特性将出特性将呈现呈现非线性。在恒温条件下非线性。在恒温条件下,使非线使非线性误差达到性误差达到10%10%时的真实应变值时的真实应变值,称为称为应变极限应变极限。5.应变极限应变极限绝缘电阻和最大工作电流绝缘电阻和最大工作电流应变片绝缘电阻应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求为与被测试件之间的电阻值。通常要求为50 100M以上。不影响应变片工作
12、特性的最以上。不影响应变片工作特性的最大电流称为大电流称为最大工作电流最大工作电流。工作电流大,输工作电流大,输出信号就大,灵敏度也就高。但是电流过大出信号就大,灵敏度也就高。但是电流过大时,会使应变片发热、变形,使零漂、蠕变时,会使应变片发热、变形,使零漂、蠕变增加,甚至烧坏。如果散热条件好,则电流增加,甚至烧坏。如果散热条件好,则电流可适当大一些。可适当大一些。6.绝缘电阻和最大工作电流绝缘电阻和最大工作电流二、二、动态特性动态特性以正弦变化的应变为例,介绍应变计的动态以正弦变化的应变为例,介绍应变计的动态特性。特性。当应变按正弦规律变化时当应变按正弦规律变化时,应变应变片片反反映出来的是
13、应变映出来的是应变片片敏感栅敏感栅上上各点应变量的平各点应变量的平均值均值,显然显然与某一与某一“点点”的应变值的应变值不同,应不同,应变片所反映的波幅将低于真实应变波,从而变片所反映的波幅将低于真实应变波,从而带来一定的误差。显然这种误差将随着应变带来一定的误差。显然这种误差将随着应变片基长的增加而增大。片基长的增加而增大。设有一波长为设有一波长为、频、频率为率为f f的正弦应变波的正弦应变波=0 0sin(2sin(2 x/)x/),在,在试件试件中以速度中以速度 沿沿应变片栅长方向传播,应变片栅长方向传播,应变片的基长为应变片的基长为L L0 0。图图4-64-6所示为某一时刻所示为某一
14、时刻应变片正处于应变波应变片正处于应变波达到最大幅值时的瞬达到最大幅值时的瞬时关系图。时关系图。二、二、动态特性动态特性二、二、动态特性动态特性 这时应变片两端的坐标为:这时应变片两端的坐标为:x x1 1=/4-L=/4-L0 0/2/2,x x2 2=/4+L=/4+L0 0/2/2,则此时应变计输出的平均应变,则此时应变计输出的平均应变p p达到最大值达到最大值 则可求出应变波波幅测量相对误差为则可求出应变波波幅测量相对误差为二、二、动态特性动态特性由式(由式(4-114-11)可知,测量误差与应变波波长对基)可知,测量误差与应变波波长对基长的比值长的比值n=/Ln=/L0 0有关,当有
15、关,当/L/L0 0越大,则误差越小。越大,则误差越小。一般可取一般可取/L/L0 0=10=10 2020,这时测量误差约为,这时测量误差约为1.6%1.6%0.4%0.4%。因为因为=v/fv/f,且,且=nL=nL0 0,则应变片可测频率,则应变片可测频率f f、应、应变波波速变波波速v v以及波长与基长之比的关系为以及波长与基长之比的关系为返回返回4.1.4 温度效应及其补偿温度效应及其补偿一、温度效应一、温度效应用应变计测量时,用应变计测量时,通常通常希望工作温度是恒定希望工作温度是恒定的,的,实际应用时工作温度可能偏离实际应用时工作温度可能偏离或或超出常超出常温范围温范围,致使致使
16、应变计的应变计的工作特性改变工作特性改变而而影响影响输出输出。这种由温度变化引起应变计这种由温度变化引起应变计输出输出变化变化的现象的现象,称为称为应变应变片片的温度效应的温度效应(也称温度(也称温度误差)。误差)。温度效应产生的原因温度效应产生的原因:1.1.温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变生附加应变;2.2.试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同,试件材料与敏感材料的线膨胀系数不同,使应变片产生附加应变使应变片产生附加应变一、一、温度效应温度效应二、二、电阻应变片的温度补偿电阻应变片的温度补偿应变片应变片自补偿法自补偿法1桥路补偿法桥路补偿法2
17、热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法31、应变片应变片自补偿法自补偿法这种方法是通过精心选配敏感栅材料与结构这种方法是通过精心选配敏感栅材料与结构参数参数,使得当温度变化时,产生的附加应变,使得当温度变化时,产生的附加应变为零或相互抵消。为零或相互抵消。选择式自补偿应变片选择式自补偿应变片,也称单丝自补偿应,也称单丝自补偿应变片变片 双丝自补偿应变双丝自补偿应变片片2、桥路补偿法桥路补偿法桥路补偿桥路补偿,也称,也称补偿片法补偿片法,是最常用而且效果,是最常用而且效果较好的线路补偿方法。桥路补偿的优点是方法较好的线路补偿方法。桥路补偿的优点是方法简单,在常温下补偿效果好。但是当温度变化简单,在常温下补
18、偿效果好。但是当温度变化梯度较大时,很难做到工作片与补偿片处于温梯度较大时,很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致的情况,因而会影响补偿效果。度完全一致的情况,因而会影响补偿效果。3、热敏电阻补偿法热敏电阻补偿法如图如图4-94-9所示,热敏电所示,热敏电阻阻R Rt t处在与应变片相同处在与应变片相同的温度条件下,当应变的温度条件下,当应变片的灵敏度随温度升高片的灵敏度随温度升高而下降时,热敏电阻而下降时,热敏电阻R Rt t的阻值也下降,使电桥的阻值也下降,使电桥的输入电压随温度升高的输入电压随温度升高而增加,从而提高电桥而增加,从而提高电桥的输出,以补偿因应变的输出,以补偿因应变片引起的
19、输出下降。选片引起的输出下降。选择分流电阻择分流电阻R Rs s的值,可的值,可以得到良好的补偿效果以得到良好的补偿效果返回返回4.1.5 电桥测量电路电桥测量电路一、应变电桥一、应变电桥典型的阻抗应变电桥典型的阻抗应变电桥如图如图4-104-10所示,四个所示,四个桥臂桥臂Z Z1 1、Z Z2 2、Z Z3 3、Z Z4 4按按顺时针为序,顺时针为序,acac为电为电源端,源端,bdbd为输出端。为输出端。当桥臂接入应变计时,当桥臂接入应变计时,即称为即称为应变电桥应变电桥。当。当一个臂、二个臂甚至一个臂、二个臂甚至四个臂接入应变计时,四个臂接入应变计时,就相应构成了单臂、就相应构成了单臂
20、、双臂和全臂工作电桥。双臂和全臂工作电桥。4.1.5 电桥测量电路电桥测量电路二、直流电桥二、直流电桥直流电桥的基本形式如直流电桥的基本形式如图图4-114-11所示。电桥各臂所示。电桥各臂的电阻值分别为的电阻值分别为R R1 1、R R2 2、R R3 3和和R R4 4,U U是直流电源是直流电源电压,电压,U U0 0是输出电压。是输出电压。二、二、直流电桥直流电桥当U0=0时,电桥处于平衡状态,则有:R1R3=R2R4,此即电桥平衡条件。根据此条件可分为以下三种情况:(1)对输出端对称,即R1=R2,R3=R4,这种结构形式也称为第一种对称形式;(2)对电源端对称,即R1=R4,R2=
21、R3,这种结构形式也称为第二种对称形式;(3)全等臂电桥结构,即R1=R2=R3=R4。单臂工作电桥单臂工作电桥一个桥臂上为电阻应变片,其他桥一个桥臂上为电阻应变片,其他桥臂上为固定电阻,如图臂上为固定电阻,如图4-124-12所示。所示。设设R R1 1为电阻应变片,为电阻应变片,R R2 2、R R3 3和和R R4 4为固为固定电阻。设应变片未承受应变时阻定电阻。设应变片未承受应变时阻值为值为R R1 1,电桥处于平衡状态,即满,电桥处于平衡状态,即满足足R R1 1R R3 3=R=R2 2R R4 4,电桥输出电压为,电桥输出电压为0 0;当;当承受应变时,应变片产生承受应变时,应变
22、片产生RR1 1的变的变化,化,R R1 1的实际阻值变为的实际阻值变为R R1 1+R+R1 1,电,电桥不平衡,输出电压为:桥不平衡,输出电压为:二、二、直流电桥直流电桥二、二、直流电桥直流电桥 上式中,称为电桥电压灵敏度电桥电压灵敏度。显然,可通过适当提高电源电压U(受应变片允许承受的最大电流限制)或调节桥臂比n的方式,提高单臂电桥的灵敏度。通过进一步的分析可知,当电源电压一定时,如果n=1,则可以有最大的电压灵敏度,即采用第一种对称的电桥结构形式。此时,电压灵敏度为Ku=U/4,输出电压为二、二、直流电桥直流电桥若在两个桥臂上接入电阻应变片,其他桥臂上为固定电阻,从而构成双臂工作电桥。
23、如图4-14所示,设R1、R2为电阻应变片,R3和R4为固定电阻。设应变片未承受应变时阻值为R1、R2,电桥处于平衡状态,即满足R1R3=R2R4,电桥输出电压为0;当承受应变时,应变片R1的电阻增大R1,应变片R2的电阻减小R2,且有R1=R2,这种电桥也称为差动电桥。这时电桥不再平衡,输出电压为:由式(4-30)可知,差动电桥的输出是线性的,没有非线差动电桥的输出是线性的,没有非线性误差问题性误差问题。与式(4-24)相比,灵敏度提高了一倍灵敏度提高了一倍。双臂工作电桥双臂工作电桥二、二、直流电桥直流电桥二、二、直流电桥直流电桥若四个桥臂上为全为电阻应变片,也即构成全桥工作电桥。如图4-1
24、5所示,R1、R2、R3和R4全为电阻应变片。未承受应变时电桥处于平衡状态,即满足R1R3=R2R4;当承受应变时,应变计R1的电阻增大R1,应变计R2的电阻减小R2,R3的电阻增大R3,R4的电阻减小R4,且有R1=R2=R3=R4,这种电桥也称为差动全桥差动全桥。这时电桥不再平衡,输出电压为:由式(4-32)可见,差动全桥的电压输出是线性的,没有非线性误差问题。与式(4-24)、(4-30)相比,差动全差动全桥的灵敏度是单臂电桥的桥的灵敏度是单臂电桥的4 4倍,是双臂差动电桥的倍,是双臂差动电桥的2 2倍。倍。全臂工作电桥全臂工作电桥三、三、交流电桥交流电桥根据直流电桥分析可知,根据直流电
25、桥分析可知,由于应变电桥输出电压很由于应变电桥输出电压很小,一般都要加放大器,小,一般都要加放大器,而直流放大器易于产生零而直流放大器易于产生零漂,因此应变电桥多采用漂,因此应变电桥多采用交流电桥。图交流电桥。图4-16(a)4-16(a)为为交流电桥的一般形式。交交流电桥的一般形式。交流电桥很适合电容式、电流电桥很适合电容式、电感式传感器的测量需要,感式传感器的测量需要,应用场合较多。应用场合较多。1.1.弹性敏感元件弹性敏感元件 物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现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,当外力去掉后物体又能完全恢复象称为变形,当外力去掉后物体又能完全恢复其
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- 第4章 结构型传感器 结构 传感器
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