傳感檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用第4章參考幻燈片

1、24.12.2020,傳感檢測(cè)技術(shù)及其應(yīng)用,24.12.2020,2,第4章 電阻式傳感器及應(yīng)用,一、電阻式傳感器及分類 1.電阻式傳感器 電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。 2.電阻式傳感器分類 電阻式傳感器主要有變阻器式、電阻應(yīng)變式和固態(tài)壓阻式傳感器。 二、變阻器式電阻式傳感器,24.12.2020,3,優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定； 受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等)影響?。?可以實(shí)現(xiàn)輸出輸入間任意函數(shù)關(guān)系； 輸出信號(hào)大，一般不需放大。,24.12.2020,4,缺點(diǎn)： 因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量； 由于磨損不

2、僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會(huì)降低測(cè)量精度，所以分辨力較低； 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測(cè)量變化較緩慢的量。 三、電阻應(yīng)變式電阻傳感器 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的電阻-應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。,24.12.2020,5,1.分類及結(jié)構(gòu) 金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲式、箔式和膜式等。 （1）電阻絲應(yīng)變片 金屬絲式應(yīng)變片的典型結(jié)構(gòu)：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑 0.025mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路中。,24.12.2020,6,（2）箔式應(yīng)

3、變片 箔式應(yīng)變片由厚度為 110m 的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。 箔式應(yīng)變片適于大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜形狀，線條均勻，敏感柵尺寸準(zhǔn)確，柵長(zhǎng)最小可到0.2mm ；散熱好，允許電流大；橫向效應(yīng)、蠕變和機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng)；柔性好（可貼于形狀復(fù)雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。 目前使用的應(yīng)變片大多是金屬箔式應(yīng)變片。,24.12.2020,7,24.12.2020,8,（3）膜式應(yīng)變片 膜式應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。它的優(yōu)點(diǎn)是應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達(dá)197317。 2.工作原

4、理（電阻應(yīng)變效應(yīng)） 電阻應(yīng)變效應(yīng)是指金屬電阻絲的電阻隨著它所承受機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）的大小而發(fā)生改變的一種物理現(xiàn)象。,24.12.2020,9,設(shè)有一根圓截面金屬電阻絲，其電阻為,金屬電阻絲受拉變形,當(dāng)受到軸向力F被拉伸時(shí)，其電阻變化為,24.12.2020,10,則,上式即為電阻應(yīng)變效應(yīng)表達(dá)式。,24.12.2020,11,對(duì)于電阻應(yīng)變片，其電阻變化率與應(yīng)變的關(guān)系為,3.電阻應(yīng)變片的主要特性 （1）應(yīng)變計(jì)的電阻值R 應(yīng)變計(jì)在沒有粘貼及未參與變形有前，在室溫 下測(cè)定的電阻值。,（2）靈敏度系數(shù)k,應(yīng)變計(jì)的靈敏度系數(shù)由其材料及結(jié)構(gòu)決定，由 實(shí)驗(yàn)獲得。,24.12.2020,12,（3）機(jī)械滯后

5、 試件上加載、卸載過程中，對(duì)同一機(jī)械應(yīng)變， 應(yīng)變片指示應(yīng)變值發(fā)生變化，其差值稱之機(jī)械滯后。 其滯后大小與應(yīng)變片承受的應(yīng)變量大小有關(guān)，造成 原因主要是敏感柵、基底粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后 所留下的機(jī)械變形。,24.12.2020,13,（4）橫向效應(yīng)與橫向效應(yīng)系數(shù),應(yīng)變片在感受被測(cè)試件的應(yīng)變時(shí)，橫向應(yīng)變將 使電阻變化率減小，從而降低靈敏度系數(shù)的現(xiàn)象， 稱為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。,在同一單向應(yīng)力作用下，垂直于單向應(yīng)變方向 安裝的應(yīng)變計(jì)的指示應(yīng)變與平行于單向應(yīng)變方向安 裝的同批應(yīng)變計(jì)的指示應(yīng)變之比，稱為橫向應(yīng)變系 數(shù)。 所以，為了減小橫向效應(yīng)的影響，應(yīng)變片都做 成窄長(zhǎng)的形狀。,（5）零點(diǎn)漂移 指試件空載（

6、不受應(yīng)力作用）、溫度恒定的條 件下，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化值。,24.12.2020,14,（6）蠕變 粘貼在試件上的應(yīng)變片，在恒溫恒載條件下， 指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化數(shù)值稱為蠕變。 （7）應(yīng)變極限 對(duì)于已安裝的應(yīng)變計(jì)， 在溫度恒定時(shí)，指示應(yīng)變 和真實(shí)應(yīng)變的相對(duì)誤差不 超過規(guī)定數(shù)值的真實(shí)應(yīng)變 值，稱為應(yīng)變極限。如圖 所示。,24.12.2020,15,（8）疲勞壽命 在恒定幅值交變應(yīng)力作用下，連續(xù)工作到產(chǎn)生 疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)，稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。 （9）溫度效應(yīng)及熱輸出 由于環(huán)境溫度變化的影響，將使應(yīng)變片的電阻 發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)。而由于 溫度變化引起的應(yīng)變輸出稱為熱輸出。

7、熱輸出定義為 ：當(dāng)應(yīng)變片安裝在某一線性膨脹系數(shù)的試件上，試件 可以自由膨脹，在緩慢升（或降）溫的均勻溫度場(chǎng)內(nèi) ，由溫度變化引起的指示應(yīng)變。,24.12.2020,16,從上面可知，影響熱輸出因素主要有三個(gè)：溫度變 化；應(yīng)變片敏感柵材料電阻溫度系數(shù)；試件材料和 敏感柵材料線性膨脹系數(shù)不等。,24.12.2020,17,（10）應(yīng)變計(jì)的最大工作電流 應(yīng)變片正常工作允許通過的最大電流。通常靜 態(tài)測(cè)量時(shí)為25mA，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)為 75100mA。工作 電流過大會(huì)導(dǎo)致應(yīng)變片過熱、靈敏度變化、零漂和 蠕變?cè)黾?，甚至燒毀?（11）絕緣電阻 已安裝的應(yīng)變計(jì)的敏感柵及引線與被測(cè)試件之 間的電阻值。是檢查應(yīng)變計(jì)的

8、粘貼質(zhì)量與粘合劑是 否干燥或固化的重要指標(biāo)。絕緣電阻越高越好，在 室溫下，一般為5005000M之間。,（12）應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性 應(yīng)變片在測(cè)量變化頻率較高的動(dòng)態(tài)應(yīng)變時(shí)，應(yīng) 該考慮其頻率響應(yīng)，即動(dòng)態(tài)特性問題。,24.12.2020,18,應(yīng)變片的動(dòng)態(tài)特性最終可歸結(jié)到應(yīng)變片的基長(zhǎng) 與輸入應(yīng)變波的頻率的關(guān)系。 若輸入正弦應(yīng)變波的極限工作頻率f與應(yīng)變片基 長(zhǎng)L的關(guān)系為,若輸入應(yīng)變波為階躍波時(shí),24.12.2020,19,四、應(yīng)變計(jì)測(cè)量電橋 測(cè)量電橋在應(yīng)變計(jì)電阻傳感器中得到廣泛的應(yīng)用 ，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，靈敏度高，測(cè)量范圍寬，線性度好，精 度高，易于實(shí)現(xiàn)和補(bǔ)償。 測(cè)量電橋有直流電橋和交流電橋，本課重點(diǎn)講直 流電

9、橋。 1.直流電橋,24.12.2020,20,當(dāng)R1R4=R2R3時(shí)，電橋平衡， 輸出為零。,按接入電橋應(yīng)變片的數(shù)量可分為單臂工作電橋、 半橋工作電橋、全橋工作電橋。,2.單臂工作電橋 只有一個(gè)橋臂接入應(yīng)變片，其它三個(gè)橋臂是平 衡電阻。,24.12.2020,21,（1）立式橋,立式橋,（2）臥式橋,24.12.2020,22,（3）等臂電橋,3.半臂工作電橋 有兩只應(yīng)變片接入電橋，,設(shè)R1，R2作為應(yīng)變片，,半 臂 工 作 電 橋,（1）半臂臥式電橋,24.12.2020,23,(2)半臂等臂電橋,4.全臂工作等臂電橋,四個(gè)臂均接入應(yīng)變片，并為差動(dòng)工作，,且,24.12.2020,24,5

10、.恒流供電電橋 上面所講都是恒壓供電的電橋。在全橋差動(dòng)工作 時(shí)，在不考慮溫度變化時(shí)，電橋的輸出與電阻的相對(duì) 變化量RR成比例。而實(shí)際上溫度變化時(shí)，每個(gè)電 阻隨溫度變化量為Rt，電橋的輸出為 UO=E R/(R+Rt) 電橋的輸出是非線性的。,恒流源供電電橋如右圖所示，設(shè)4個(gè)橋臂初始電阻均為R，則IABC=IADC=I/2，。有壓力作用 時(shí)，仍有IABC=IADC=I/2，則電橋 輸出為,24.12.2020,25,因此，電橋的輸出與溫度無(wú)關(guān)。,總結(jié)：從上面可以知道，半臂工作臥式電橋、等臂 電橋的輸出是單臂工作臥式電橋、等臂電橋的輸出 的2倍；而全臂工作等臂電橋的輸出是半臂工作電橋 輸出的2倍。

11、,6.電橋輸出非線性誤差,上述電橋輸出公式都是在RR的假設(shè)條件下 得到,。當(dāng)該條件不成立時(shí)，必存,非線性誤差。,24.12.2020,26,對(duì)于單臂工作的臥式電橋和等臂電橋，有,相對(duì)誤差為,24.12.2020,27,如果 2，當(dāng)相對(duì)誤差 1時(shí)，則 ， 則 ，也就是應(yīng)變值 時(shí)，電橋輸出相對(duì)誤差 。,24.12.2020,28,7.電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償,由前面內(nèi)容知道電阻應(yīng)變片的熱輸出為,由于應(yīng)變片電阻絲溫度系數(shù) 而產(chǎn)生的誤差； 由于電阻絲膨脹系數(shù) 與測(cè)試試件材料的膨脹系數(shù) 之間不同而產(chǎn)生誤差?？梢圆捎醚a(bǔ)償法消除電阻 應(yīng)變片的熱輸出誤差，稱為熱輸出補(bǔ)償。,補(bǔ)償常用的方法有兩種：溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片法

12、， 用于高溫下測(cè)量；橋路補(bǔ)償法，用于常溫下測(cè)量。,（1）溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片法 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片,24.12.2020,29,通過選配敏感柵材料與試件材料相匹配實(shí)現(xiàn)熱 輸出補(bǔ)償。,由上式可知，要使 ，只要滿足 即可。所以，在選用應(yīng)變計(jì)時(shí)，通過選擇敏感柵的合 金材料，使其 、 與試件材料的 相匹配，即滿足 上式，就能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康摹?雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變片,如左圖所示，當(dāng)應(yīng)變計(jì)的敏感柵 是由電阻溫度系數(shù)為一正一負(fù)的兩種,24.12.2020,30,合金絲Ra和Rb串接而成，當(dāng)工作溫度變化時(shí)，若Ra柵 產(chǎn)生的正（負(fù)）熱輸出與Rb柵產(chǎn)生的負(fù)（正）熱輸出 大小相等或相近，就可達(dá)到自補(bǔ)償?shù)哪康摹?（2）橋路

13、補(bǔ)償發(fā) 橋路補(bǔ)償法是利用電橋的和、差原理來達(dá)到補(bǔ)償 的目的。常主要有雙絲半橋式，補(bǔ)償計(jì)式。在工業(yè)應(yīng) 用中常用補(bǔ)償計(jì)式。 選用型號(hào)和特性完全相同的兩只應(yīng)變片，可以構(gòu) 成單臂工作補(bǔ)償電橋和半臂工作補(bǔ)償電橋。 如果相同的兩應(yīng)變片之一粘貼在被測(cè)試件上作為 工作片，另一只粘貼在與被測(cè)試件的結(jié)構(gòu)材料相同而 不受應(yīng)力的補(bǔ)償塊上，作為補(bǔ)償片，構(gòu)成單臂工作補(bǔ) 償電橋。,24.12.2020,31,如圖，工作片R1和補(bǔ)償片R2 處于相同環(huán)境溫度下，則他們所 產(chǎn)生的熱輸出相等。當(dāng)被測(cè)試件 受力為F，并有溫度變化t時(shí)， 則工作應(yīng)變片電阻由原來R1變?yōu)?為R1，補(bǔ)償電阻由R2變?yōu)镽2即,代入電橋電壓輸出公式，則電橋輸出

14、端電壓為,24.12.2020,32,當(dāng)R3=R4=R0時(shí),代入 和 得,由上述條件知R1=R2=R， 時(shí),因?yàn)?得,24.12.2020,33,上式表示電橋輸出端電壓僅與作用力有關(guān)，而與溫度 變化產(chǎn)生的熱輸出無(wú)關(guān)，即消除了熱輸出的影響。,如果R1和R2都是工作應(yīng)變片，但使R2粘貼于被測(cè)試件的相反應(yīng)變處，則構(gòu)成半臂工作補(bǔ)償電橋。則 R1和R2在應(yīng)力作用和溫度變化影響下有：,24.12.2020,34,根據(jù)上述條件有R1=R2=R， ， ，則有,上式同樣表示電橋輸出端電壓僅與作用力有關(guān)，而與 溫度變化產(chǎn)生的熱輸出無(wú)關(guān)，即消除了熱輸出的影響。,24.12.2020,35,五、壓阻式傳感器及其應(yīng)用,

15、1.壓阻效應(yīng) 根據(jù)電阻應(yīng)變效應(yīng)，有,對(duì)于金屬電阻絲而言，,，而對(duì)于半導(dǎo),來說，,，所以半導(dǎo)體的電阻應(yīng)變效,應(yīng)為,24.12.2020,36,2.固態(tài)壓阻式壓力傳感器 （1）結(jié)構(gòu) N作為彈性敏感元件，在其上擴(kuò)散制成P型 電阻，稱為硅杯。 （2）特點(diǎn) 體積小，重量輕，可微型化；相應(yīng)頻率高，頻 帶寬，適合動(dòng)態(tài)測(cè)量；精度、靈敏度高等。 （3）電源電橋及其特點(diǎn) （4）固態(tài)壓阻傳感器的補(bǔ)償 3.壓阻式壓力傳感器的三種測(cè)量方式 絕壓測(cè)量方式、表壓測(cè)量方式、差壓測(cè)量方式。 4.壓阻壓力傳感器分類 壓力傳感器、壓力變送器等。,24.12.2020,37,5.壓阻壓力傳感器選用 6.壓阻壓力傳感器制造商 Free

16、scale(Motorola),Honeywell,Philips等,24.12.2020,38,直流電橋的測(cè)量電路如圖所示,六、電阻式傳感器測(cè)量電路,1.恒流源和恒壓源,24.12.2020,39,2.放大電路,（1）差動(dòng)放大器,24.12.2020,40,（2）運(yùn)算放大器的儀表放大器,24.12.2020,41,（3）運(yùn)算放大器的儀表放大器,24.12.2020,42,七、電阻式傳感器應(yīng)用,1.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,特點(diǎn)：應(yīng)用和測(cè)量范圍廣：測(cè)力可達(dá)到10-2 107N；測(cè)壓力可達(dá)103108Pa；測(cè)加速度可達(dá)103 m/s3數(shù)量級(jí)。 分辨力、靈敏度和精度高。 （1）測(cè)力 柱筒形彈性元件測(cè)

17、力傳感器,24.12.2020,43,24.12.2020,44,24.12.2020,45,24.12.2020,46,環(huán)形彈性元件測(cè)力傳感器,24.12.2020,47,懸臂梁彈性元件測(cè)力傳感器,24.12.2020,48,24.12.2020,49,2.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用示例,基本應(yīng)用 平面膜片式壓力傳感器，應(yīng)變橋連接成全橋，且,如圖422所示，應(yīng)變計(jì)k=2.0，膜片允許測(cè)試的最大 應(yīng)變?yōu)?00 ，對(duì)應(yīng)的壓力100kPa，電橋電壓為5V， 試求最大應(yīng)變時(shí)，測(cè)量電路輸出端電壓為多少？當(dāng)輸 出電壓為3.3V時(shí)，所測(cè)壓力為多少？A4的作用是什么 ？,24.12.2020,50,24.12.2020,51,該例為恒壓源供電全橋等臂電橋，則電橋輸出電壓為,電路中A1，A2，A3運(yùn)放組成同相輸入并串聯(lián)差動(dòng)放 大電路，放大倍數(shù)為,則，最大應(yīng)變時(shí)電路輸出端電壓為 UO=0.008*625=5V,輸出端電壓為3.2V時(shí)對(duì)應(yīng)的壓力為,24.12.2020,52,3.壓阻壓力傳感器應(yīng)用 （1）恒流工作測(cè)壓電路,24.12.2020,53,（2）恒壓工作測(cè)壓電路,24.12.2020,54,（3）壓力控制電路,24.12.2020,55,24.12.2020,56,4.