传感器与检测技术第02章.ppt

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1、第二章 电阻式传感器,1 电位器式电阻传感器2 应变片式电阻传感器,电位器式：（电位计）应变式：,物理量变化,电阻变化,传感元件,属于大电阻变化型，R：0R传,物理量变化,变形（应力、应变）,敏感元件,属于微电阻变化型，R：020%R传,传感元件,电阻变化,电阻式传感器的基本原理：将被测量的变化转化成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示被测量的变化,电位计式传感器的优、缺点：,优点：结构简单、尺寸小、重量轻、精度高(0.1%0.05%)、性能稳定、受环境因素影响小，可实现输出-输入任意函数关系，输出信号较大，一般不用放大。缺点：存在滑动触头与线圈等之间的摩擦，输入能量要求较大，且磨损降低

2、寿命和可靠性，也会降低测量精度。,2.1 电位器式电阻传感器,电位计分类,按输出-输入特性,线性电位计非线性电位计,按结构形式,线绕式在传感器中应用较多薄膜式具有较高的精度和线性特性光电式无摩擦和磨损，分辨率高,2.1.1 线性线绕电位计,以线位移型为例,若变阻器式：,若分压器式：,kR 电阻灵敏度,kU 电压灵敏度,一、线性线绕电位器式传感器工作原理：,kR 电阻灵敏度,kU 电压灵敏度,二、阶梯特性、阶梯误差和分辨率,2 阶梯特性 电位计输出电压随x的变化是不连续的，而是一条阶梯形的折线。,1 理论特性曲线（线性）通过每个阶梯中点的曲线。,4 阶梯误差 阶特梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动

3、产生的偏差。,5 分辨率 电压分辨率和行程分辨率,3 视在分辨脉冲：,主要分辨脉冲，次要分辨脉冲。,2.1.2 非线性电位器,非线性电位器是指在空载时其输出电压(或电阻)与电刷行程之间具有非线性函数关系的一种电位器，也称函数电位器。常用的非线性线绕电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。,2.1.3 负载特性与负载误差,1 负载特性电位器端接有负载电阻时的特性。,电阻相对变化系数：,令 负载系数：,负载特性曲线：,负载误差 由于负载电阻存在，造成负载特性为一下垂曲线，产生误差，也称非线性误差。电刷在起始和最终位置时，L=0；电刷在相对行程r=1/2时，Lmax。当m，有L 通常

4、希望：m0.1,2 负载误差,3 改善电位器式电阻传感器的特性,（1）采用高输入阻抗放大器；（2）将电位器空载特性设计成某种上凸特性。,2.1.4 电位器的结构与材料,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。,1电刷2电阻元件,2.1.5 电位器式传感器应用举例,2.1.5 电位器式传感器应用举例,2.1.5 电位器式传感器应用举例,1骨架；2触点；3输入轴；4导电片,2.1.5 电位器式传感器应用举例,2.1.5 电位器式传感器应用举例,变阻器式传感器产品,案例：重量

5、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,一、金属丝式应变片 二、金属箔式应变片三、测量电路四、应变式传感器,2.2 金属应变片式传感器,应变效应,结构与材料,主要特性,温度误差及系数,2.2.1 工作原理及分类,电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。根据应变片的材料不同，可分为两种,金属电阻应变片：应变效应（本节内容）半导体应变片：压阻效应,2.2.1 工作原理及分

6、类,电阻应变式传感器的工作原理是基于应变效应，将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。,应变效应：在导体产生机械形变时，导体的电阻值相应地发生变化。,1 应变效应：,2 应变片式电阻传感器的工作原理：,3 理论基础：,根据欧姆定律：,金属丝的电阻应变效应 金属丝的电阻值随着金属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而发生相应的变化的现象。,称为泊松比,且对金属材料，导电率几乎不变,优点：精度高，测量范围广 频率响应特性较好（响应速度快）结构简单，尺寸小，重量轻 可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作

7、 易于实现小型化、固态化 价格低廉，品种多样，便于选择缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采 取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。,4 优缺点：,一、应变片结构与材料,1.敏感珊2.基底和盖片3.粘合剂4.引线,2.2.2 金属电阻应变片主要特性,（1）敏感栅 电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格，以120最为常用。应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。,（2）基底和盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，基底的全长称为基底长，其宽度称为

8、基底宽。,（3）引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。,（4）粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。常用的粘结剂分为有机和无机两大类。,金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。,二、主要特性,1（应变片）灵敏系数,金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KO表示；而电阻应变片的灵敏系数K却不同，一般 K KO。原因有二：（1）弹性元件的形变是通过剪切力传递到金属丝上的；（2）因横向效应的存在,应变片的灵敏系数 K 只能通过实验方法抽样测定确定，具体方法：

9、每批产品中提取一定百分比的产品进行标定。,2 横向效应 金属应变片发生机械形变时，除应变片的轴向应变使敏感栅电阻发生变化外，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。金属应变片在发生机械形变时，既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,图为 应变片敏感栅半圆弧部分的形状。沿轴向应变为，沿横向应变为r。,3 机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。,产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。,4

10、零点漂移和蠕变零点漂移：对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。产生原因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。蠕变：如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。,5 温度效应,温度效应：粘贴在试件上的电阻应变片在环境温度变化时引起的电阻变化，产生虚假效应，这种现象称为温度效应。两种主要影响因素：敏感栅的电阻温度系数引起的电阻变化；由于热胀冷缩，膨胀系数不同形成的机械形变而引起的电阻变化。,虚假

11、应变：,6 应变极限、疲劳寿命应变极限：在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。,疲劳寿命：连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N，称为应变片的疲劳寿命。,疲劳损坏：三种情形。敏感栅或引线发生断路；输出指示应变的极值变化10%；输出波形上出现穗状尖峰。,7 绝缘电阻、最大工作电流,应变片绝缘电阻Rm：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Rm在50100M以上。应变片最大工作电流Imax:对已安装的应变片，允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流称为应变片最大工作电流。,8 动态特性 当被测应变值随时间变化的频率

12、很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。,2.2.3 温度误差及其补偿,1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻相对变化为2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化,温度误差,相应的虚假应变输出：,温度补偿,单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿,（1）单丝自补偿应变片,优点：容易加工，

13、成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。,实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，使下式成立 即可达到温度自补偿的目的。,一、自补偿法,组合自补偿法一,（2）组合式自补偿应变片（双金属丝栅法）,敏感栅丝由两种不同符号的电阻温度系数的金属丝串接组成,选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足,通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度,（2）组合式自补偿应变片,敏感栅丝由两种相同符号的温度系数，R2为补偿电阻,满足以上条件即可实现自补偿,二 线路补偿法 如图，电桥输出电压与

14、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,E,桥路补偿法,由上式可知，当R3、R4为常数时，Rl和R2（可调）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。,由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。为达到完全补偿，需满足下列三个条件：R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同；用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等；两应变片处于同一温度环境中。,缺点：三个条件不易满足，

15、尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。,方法一：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，因温度变化造成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。,方法二：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。,构件受弯曲

16、应力,构件受单向应力,如图所示，热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下，当应变片的灵敏度随温度升高而下降时，热敏电阻Rt的阻值下降，使电桥的输入电压温度升高而增加，从而提高电桥输出电压。选择分流电阻R5的值，可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿。,方法三：采用热敏电阻进行补偿,应变片式电阻传感器的测量电路 应变片将应变的变化转换成电阻相对变化R/R，要把电阻的变化转换成电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。根据电源不同，分为直流电桥和交流电桥。一 直流电桥,由IL=0可得：,1 直流电流平衡条件,检流计中流过的电流IL=O。,式中 RL为负载电阻，,当R1R4=R2R3时，I

17、L=0，UL=0，即电桥处于平衡状态。若电桥的负载电阻RL为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简为：,2 直流电桥的输出电压,电桥的输出电压Ug为：,3 直流电桥的电压灵敏度,应变片工作时：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进行放大。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。当受应变时：若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，导致电桥不平衡，那么电桥输出电压Uo0。,3 直流电桥的电压灵敏度（续）,单臂电桥当只有R1为应变片发生应变时，输出电压为：,设桥臂比n=R2/R1，由于R1R1，分母中R1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R

18、1=R4/R3，则上式可写为：,电桥电压灵敏度定义为：,分析：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。,半桥差动当只有R1、R2为应变片发生应变时，一个受拉应变，一个受压应变，输出电压为,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得：,可知：Uo与R1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。,全桥差动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

19、入相对桥臂上。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则：,结论：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。,4.非线性误差及其补偿方法,与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为：,理想情况（略去分母中的R1/R1项）：,实际情况（保留分母中的R1/R1项）：,如果桥臂比n=1，则：,减小和消除非线性误差的方法:,半桥（单臂、双臂）和全桥,初始情况：R1=R2=R3=R4，假设R1=R2=R3=R4,根据参与工作的桥臂数,半桥,半桥单臂,半桥双臂,全桥,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

20、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。,2.2.5 应变式传感器的应用举例,应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。,柱力式传感器梁力式传感器应变式压力传感器应变式加速度传感器,1、荷重柱式传感器,圆柱式力传感器的弹性元件分为实

21、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。,2、梁力式传感器,力F作用于梁端三角形顶点上，等强度梁内各断面产生的应力相等，故在对长度L方向上粘贴应变片位置要求不严。梁的形式：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)。

22、,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。,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,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时，固定在被测部位。,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,各种悬臂梁,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,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。,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,人体秤,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。,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,案例：机器人握力测量,讨论，设计一个地音入侵探测器,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。,