傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用

1、傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 Ch2 Ch2 電阻式傳感器電阻式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 CH2 電阻式傳感器 DC I R 環(huán)境溫度T TRI 溫度傳感 器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 u基本原理基本原理 將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再由轉(zhuǎn)換電路變成 電量輸出。 u主要類(lèi)型 u 應(yīng)變式 u 壓阻式 CH2 電阻式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力與應(yīng)變 橫截面積A 外力F 內(nèi)力F 一、應(yīng)力一、應(yīng)力 = (pa 或者N/m2) F A F=F 應(yīng)力：由外力引起的內(nèi)力集度 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力與應(yīng)變 二、應(yīng)變二、應(yīng)變 FF 軸向應(yīng)變 l /

2、l (1) 徑向應(yīng)變 r /r (2) - (泊松比) (3) 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力與應(yīng)變 二、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系二、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系 E:楊氏彈性模量 E 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 應(yīng)力與應(yīng)變應(yīng)力與應(yīng)變 二、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系二、應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系 A=1cm1cm F=10kN (1) (2) =485 u (3) 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 一、工作原理一、工作原理 橫截面：A 長(zhǎng) 度：l 半 徑：r 電阻率： 橫截面：A+A 長(zhǎng) 度：l+l 半 徑：r+r 電阻率：+ FF 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 機(jī)械變形 滿足關(guān)系式： - (泊松比) 軸向應(yīng)變 l /l 徑向

3、應(yīng)變 r /r 一、工作原理一、工作原理 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 電阻變化 A l R 初始阻值(1) A dAd l dl R dR r drd l dl R dR2 相對(duì)變化 (2) (3) A dAd l dl R dR A dAd l dl R dR (1+2) (4) 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 A dAd l dl R dR A dAd l dl R dR (1+2) 阻值變化 金屬導(dǎo)體 A dAd l dl R dR 0 A dAd l dl R dR (1+2) K A dAd l dl R dR (5) 一、工作原理一、工作原理 1 應(yīng)變式傳感

4、器 幾何變形電阻率變 化 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 A dAd l dl R dR (1+2) K A dAd l dl R dR 電阻應(yīng)變效應(yīng)： 當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻 值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。 應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將被測(cè)物體變應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變效應(yīng)，將被測(cè)物體變 形轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。形轉(zhuǎn)換成電阻變化的傳感器。 一、工作原理一、工作原理 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 A dAd l dl R dR A dAd l dl R dR (1+2) 阻值變化 幾何變形電阻率變 化 一、工作原理一、工作原理 1 應(yīng)變式傳感器

5、 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 如何應(yīng)用應(yīng)變式傳感器進(jìn)行測(cè)量？ 敏感柵 一、工作原理一、工作原理 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 No Image 應(yīng)變片 一、工作原理一、工作原理 1 應(yīng)變式傳感器 如何應(yīng)用應(yīng)變式傳感器進(jìn)行測(cè)量？ 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 E 一、工作原理 1 應(yīng)變式傳感器 如何應(yīng)用應(yīng)變式傳感器進(jìn)行測(cè)量？ 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 u 金屬絲式 u 金屬箔式 u 金屬薄膜式 根據(jù)敏感柵分： 二、類(lèi)型與結(jié)構(gòu) 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 u 金屬絲式 特點(diǎn)：制作簡(jiǎn)單、成本低廉、使用方便、性能穩(wěn) 定、存在橫向效應(yīng)。 二、類(lèi)型與結(jié)構(gòu) 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路

6、應(yīng)用 特點(diǎn)：（1）可制成復(fù)雜形狀的敏感柵； （2）與試件接觸面積大，粘結(jié)與散熱性好； （3）橫向效應(yīng)??； （4）電阻值分散性大。 No Image 金屬箔式二、類(lèi)型與結(jié)構(gòu)- 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 （1）機(jī)械性能發(fā)生極大的改變； （2）無(wú)需與基體粘貼，消除滯后； （3）適于批量生產(chǎn)； （4）允許電流密度大，靈敏系數(shù)大，溫度影響??； 利用薄膜技術(shù)制成厚度小于0.1um的薄膜敏感柵。 特點(diǎn)： u 金屬薄膜式 二、類(lèi)型與結(jié)構(gòu) 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 1、靈敏系數(shù) （1）與金屬材料有關(guān)，常選用K較大的合金材料； A dAd l dl R dR (1+2) K A d

7、Ad l dl R dR K 稱(chēng)為靈敏系數(shù)，k (1+2)，一般為2左右 （2）實(shí)際的金屬應(yīng)變片比金屬絲的K值小. 三、特性指標(biāo) 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 2、機(jī)械滯后 原因：主要是敏感柵、基底和粘合層在承受機(jī)械 應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的。 應(yīng)變片安裝在試件上，在一定溫度下，其加載特 性與卸載特性不重合，它們的最大差值稱(chēng)為應(yīng)變片 的機(jī)械滯后。 三、特性指標(biāo) 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 3、零漂和蠕變 粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定、不 承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性， 稱(chēng)為應(yīng)變片的零漂。 三、特性指標(biāo) 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)

8、用 如果在一定溫度下，使應(yīng)變片承受恒定的機(jī)械應(yīng) 變，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱(chēng)為應(yīng)變片的蠕變。 蠕變中包含零漂，零漂是蠕變的特例。 3、零漂和蠕變 三、特性指標(biāo) 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 4、橫向效應(yīng) R1 R2 彎成敏感柵以后，長(zhǎng)度不變，但由于弧段的存在， R1 R2,所以靈敏系數(shù)k減小，這種現(xiàn)象就是橫 向效應(yīng)。 三、特性指標(biāo) 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 5、其他特性 （1）最大工作電流； （2）絕緣電阻； （3）電阻值R. 如何選擇這些參數(shù)？ 三、特性指標(biāo) 1 應(yīng)變式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 三、特性指標(biāo) 1 應(yīng)變式傳感器 A=1cm1cm F=10

9、kN 應(yīng)變片： 標(biāo)稱(chēng)電阻R120 靈敏度系數(shù)K2 12024851060.12 0.1% 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 （1）金屬導(dǎo)體 A dAd l dl R dR 0 (1+2) A dAd l dl R dR （2）半導(dǎo)體 A dAd l dl R dR A dAd l dl R dR A dAd l dl R dR (1+2) 阻值變化 幾何變形電阻率變 化 一、工作原理 2 壓阻式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 A dAd l dl R dR A dAd l dl R dR 半導(dǎo)體 這個(gè)式子表達(dá)的現(xiàn)象稱(chēng)為壓阻效應(yīng)，即半導(dǎo)體材料受 力作用時(shí)，電阻率發(fā)生變化。壓阻式傳感器就是利用壓 阻效應(yīng)工作

10、的。 一、工作原理 2 壓阻式傳感器 l l K l l Ee bll 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 1、粘貼式 2、擴(kuò)散型 一、工作原理 2 壓阻式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 u 靈敏系數(shù)Kb60150，靈敏系數(shù)特別大，這是壓阻 式傳感器的突出特點(diǎn)； u 不存在橫向效應(yīng) u 半導(dǎo)體材料的導(dǎo)電特性對(duì)溫度非常敏感。 阻值變化： A dAd l dl R dR Kb A dAd l dl R dR A dAd l dl R dR 一、工作原理 2 壓阻式傳感器 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 被測(cè)量XR 電流 I 電壓 U 傳感器 轉(zhuǎn)換電路 直流電橋 轉(zhuǎn)換電路 交流電橋 3 轉(zhuǎn)換電路 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用

11、 Uo R2 R3R4 R1 C B D A 一、直流電橋 3 轉(zhuǎn)換電路 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 平衡時(shí)：UB=UD UAB=UAD UBC=UDC I1=IAB =IBC I2=IAD =IDC I1 R1 = I2 R3 I1 R2 = I2 R4 條件：R4 /R3 = R2 /R1 Uo R2 R3R4 R1 C B D A I1 I2 一、直流電橋 3 轉(zhuǎn)換電路 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 R1 R4 = R2 R3 R4 /R3 = R2 /R1=n n橋臂比 平衡條件： 一、直流電橋 3 轉(zhuǎn)換電路 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 Uo UB UD U Uo R2 R3R4 +RR1 C B

12、D A U R R n n Uo 1 1 2 )1 ( 1 1 1 R R 時(shí) 一、直流電橋 3 轉(zhuǎn)換電路 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 Ku U n (1+n)2 電橋靈敏度： （1）Ku與輸入電壓有關(guān)； U0= U 4 R R （2）Ku與n有關(guān)。（何時(shí)Ku最大）？ 一、直流電橋 3 轉(zhuǎn)換電路 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 如何克服直流單臂電橋的非線性問(wèn)題？ 差動(dòng)技術(shù)： f(x)=a0 +a1x +a2x2 + anxn f(-x)=a0 -a1x +a2x2 + an(-x)n f(x)=2a1x +2a3x3 + 二、差動(dòng)電橋 3 轉(zhuǎn)換電路 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 U0= U 2 R R U Uo

13、 R2 R4 -RR3 C B D A +RR1 二、差動(dòng)電橋 3 轉(zhuǎn)換電路 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 三、恒流源 3 轉(zhuǎn)換電路 恒流源如何減小非線性？ 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 用應(yīng)變片測(cè)量時(shí)，由于環(huán)境溫度變化而引起電阻 變化，由此而產(chǎn)生的測(cè)量誤差，稱(chēng)為應(yīng)變片的溫度誤差。 三、溫度誤差與補(bǔ)償 3 轉(zhuǎn)換電路 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 u原因 敏感柵電阻隨溫度的變化引起的誤差 三、溫度誤差與補(bǔ)償 3 轉(zhuǎn)換電路 t R R t 1 )( t t溫度增量 電阻溫度系數(shù) 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 u原因 試件材料的線膨脹引起的誤差 三、溫度誤差與補(bǔ)償 3 轉(zhuǎn)換電路 tk R R sg )()( 2 k 靈敏度

14、系數(shù) g s 試件膨脹系數(shù) 應(yīng)變片膨脹系數(shù) 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 u原因 總的誤差 三、溫度誤差與補(bǔ)償 3 轉(zhuǎn)換電路 tkt R R sgtt )()( tt k k R R sg t tt )(/)( 熱輸出 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 u方法 （1）自補(bǔ)償法 三、溫度誤差與補(bǔ)償 3 轉(zhuǎn)換電路 )( sgt k 時(shí)0 t 對(duì)于給定的試件，通過(guò)對(duì)敏感柵材料合適的熱處理工藝、改 變合金成份等措施，使得 at 滿足上式。 或兩段不同材質(zhì)的敏感 柵串接，使得R1 R2 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 （2）線路補(bǔ)償法 接入消除溫度影響的電阻。如差動(dòng)補(bǔ)償、熱敏電 阻、補(bǔ)償電阻。 三、溫度誤差與補(bǔ)償 3 轉(zhuǎn)換電路

15、 R1 Rc R1Rc 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 1、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便、性能穩(wěn)定、可靠、適應(yīng)性強(qiáng),信號(hào)處 理簡(jiǎn)單，能適應(yīng)較大的振動(dòng)和沖擊，抗輻射能力強(qiáng)； 2、靈敏度、精度高、動(dòng)態(tài)測(cè)量，測(cè)量范圍大； 3、便于多點(diǎn)測(cè)量、遠(yuǎn)距離測(cè)量和遙測(cè)； 4、壓阻式靈敏系數(shù)大、分辨率高、頻率響應(yīng)高、體積小、適于 半導(dǎo)體工藝、機(jī)械滯后小、橫向效應(yīng)小、但易受溫度影響、機(jī) 械強(qiáng)度差。 一、應(yīng)用特點(diǎn)與范圍 4 應(yīng)用 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 綜合誤差在 1.0%-0.1%，高精度力傳感 器已能達(dá)到0.03%-0.01%。 壓力：104-109Pa；力：0.1-107N 一、應(yīng)用特點(diǎn)與范圍 4 應(yīng)用 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 1、應(yīng)變、應(yīng)力； 2、力，如拉力、壓力、壓強(qiáng)、扭矩； 3、加速度、位移等。 一、應(yīng)用特點(diǎn)與范圍 4 應(yīng)用 廣泛用于測(cè)應(yīng)力、應(yīng)變、力、稱(chēng)重、位移、加速度及扭矩等，并 且在力學(xué)量傳感器中，電阻應(yīng)變式傳感器至今仍占有主導(dǎo)地位。 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 一、應(yīng)用特點(diǎn)與范圍 4 應(yīng)用 建筑上常用應(yīng)變片檢測(cè)建筑物的所承受的應(yīng)力和應(yīng)變。 如大壩、立交橋的立柱等?？梢蚤L(zhǎng)時(shí)間檢測(cè)。 v 粘貼在建筑物表面； v 澆注在混凝土中。 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 二、應(yīng)用舉例 4 應(yīng)用 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)用 二、應(yīng)用舉例 4 應(yīng)用 傳感技術(shù)與測(cè)控電路應(yīng)