傳感器與檢測技術(shù)教案NO5

1、教學(xué)目標(biāo)知識(shí)目標(biāo)：熟悉電阻應(yīng)變片式傳感器的使用，了解力檢測的一般原理和使用條件，掌握力傳感器的一般分類、原理和使用方法，能力目標(biāo)： 認(rèn)識(shí)電阻應(yīng)變片傳感器及其檢測適應(yīng)性素質(zhì)目標(biāo)： 教學(xué)重點(diǎn)壓阻式傳感器的檢測原理和檢測方法教學(xué)難點(diǎn)壓阻式傳感器的檢測原理教學(xué)手段理實(shí)一體實(shí)物講解小組討論、協(xié)作教學(xué)學(xué)時(shí)7教 學(xué) 內(nèi) 容 與 教 學(xué) 過 程 設(shè) 計(jì)注 釋項(xiàng)目五 力和壓力檢測系統(tǒng)理論學(xué)習(xí)任務(wù)一 認(rèn)識(shí)力傳感器一、電阻應(yīng)變片式測力傳感器電阻應(yīng)變片式測力傳感器多應(yīng)用于工程檢測上，如水壩、橋梁、涵洞等結(jié)構(gòu)件的應(yīng)力監(jiān)測，也應(yīng)用于變形測試和振動(dòng)檢測等行業(yè)中，在稱重檢測中也得到了廣泛的應(yīng)用。常見的電阻應(yīng)變片檢測力原理如圖

2、5-1所示。在一個(gè)圓柱形彈性體的圓柱面上按照徑向和軸向表面的對(duì)稱位置上粘貼電阻應(yīng)變片，根據(jù)彈性力學(xué)和材料力學(xué)的知識(shí)可以推斷由于彈性體受力變形，在徑向和軸向會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變，使得兩個(gè)方向上產(chǎn)生伸長和縮短的效應(yīng)，這時(shí)電阻應(yīng)變片也和彈性體表面一起產(chǎn)生相應(yīng)的變形，從而使得電阻發(fā)生變化。圖5-1 電阻應(yīng)變式測力傳感器電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)如圖5-3所示，將直徑為0.010.05 mm的高電阻系數(shù)的金屬絲彎曲成柵形，用粘結(jié)劑粘貼在絕緣基體上，金屬絲的兩端焊接有引線，表面粘接絕緣保護(hù)片。金屬絲的作用是感受試樣表面的應(yīng)變變化，被稱為敏感柵。圖5-3 電阻絲應(yīng)變片結(jié)構(gòu)敏感柵應(yīng)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)。（1）較高的電阻系數(shù)，即

3、單位長度的電阻較大。（2）較大的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，且電阻應(yīng)變靈敏度系數(shù)在盡可能大的應(yīng)變范圍內(nèi)保持常數(shù)，即線性度較好。（3）較小的溫度系數(shù)。（4）較高的彈性極限，有較寬的應(yīng)變檢測范圍。（5）良好的加工性能和焊接性。一般在200 300 以下工作時(shí)可選用康銅絲應(yīng)變片，在300 以上工作時(shí)可選用鎳鉻合金應(yīng)變片、鉑銥合金應(yīng)變片等。有金屬絲應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片，如圖5-4所示。 圖5-4 應(yīng)變片形式影響應(yīng)變式傳感器精度的主要因素有理論設(shè)計(jì)誤差，如傳感器電路、彈性元件、應(yīng)變片、殼體、保護(hù)層等因素的影響；工藝制造和使用誤差，如應(yīng)變片制造誤差、補(bǔ)償回路（包括蠕變補(bǔ)償）、彈性體材料熱處理、機(jī)械加工、殘

4、余應(yīng)力與應(yīng)變的影響等。這些因素制約高精度長壽命應(yīng)變傳感器的質(zhì)量和應(yīng)用，國內(nèi)生產(chǎn)的應(yīng)變片在精度與壽命上與先進(jìn)國家相比仍有差距。二、壓磁式力傳感器某些鐵磁材料（磁致伸縮材料）受到壓縮時(shí)，導(dǎo)磁率沿應(yīng)力方向下降，而沿與應(yīng)力垂直方向增加，稱為壓磁效應(yīng)。材料受拉時(shí)，導(dǎo)磁率變化則相反。無外力作用下，載流導(dǎo)線通過這種材料中的孔，材料中的磁力線呈以導(dǎo)線為中心的同心圓分布。在外力作用下，磁力線呈橢圓分布，橢圓長軸與外力方向一致（拉力）。若該鐵磁材料開有四個(gè)對(duì)稱的通孔，如圖5-6所示，交叉繞兩組相互垂直的線圈，激勵(lì)線圈所產(chǎn)生的磁力線在繞組兩側(cè)對(duì)稱布置，合成磁場強(qiáng)度與檢測繞組平面平行，磁力線不和檢測繞組交聯(lián)，從而使得

5、后者不產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。一旦受到外力作用，磁力線發(fā)生變化，部分磁力線和檢測繞組交聯(lián)，在該繞組中產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢。作用力越大，感應(yīng)電動(dòng)勢越大。這類力傳感器的輸出電動(dòng)勢較大，一般不需經(jīng)過放大，但需要經(jīng)過濾波和整流處理。圖5-6 壓磁效應(yīng)傳感器在使用上需要考慮受力點(diǎn)的位置，壓磁式傳感器如果受力點(diǎn)不同，即使受力值相同，檢測結(jié)果也有可能不同。所以，一般傳感器敏感元件作為核心部件，周圍布置有彈性框架傳遞力引起的變形，避免檢測中的不確定性。壓磁式傳感器的典型結(jié)構(gòu)形式如圖5-7所示。其中主要的區(qū)別是壓磁元件的結(jié)構(gòu)形式。圖5-7 壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)形式三、振弦式力傳感器利用不同的受力機(jī)構(gòu)可做成檢測力、扭矩或加速度等的

6、各種振弦式傳感器，檢測原理如圖5-8所示。圖5-8 振弦傳感器檢測原理四、檢測電橋1.按功能分類1）平衡電橋平衡電橋主要應(yīng)用于靜態(tài)檢測或在反饋系統(tǒng)中起到比較器的作用。由被測量變化引起作為橋臂的傳感器阻抗變化。橋路失去平衡，產(chǎn)生輸出，以此輸出作為反饋，使橋路中作為恢復(fù)平衡用的橋臂阻抗隨之調(diào)整，在橋路恢復(fù)平衡時(shí)，此調(diào)整的橋臂阻抗可反映被測量。2）不平衡電橋不平衡電橋是直接利用電橋平衡被破壞后產(chǎn)生的輸出（電壓或者電流）反映被測量。橋路失去平衡是由于作為橋臂的傳感器阻抗隨其輸入（被測非電量）變化而變化所致，由于不平衡電橋無反饋和恢復(fù)平衡的過程，因此對(duì)被測量的變化反應(yīng)快、結(jié)構(gòu)簡單，但準(zhǔn)確度不如平衡電橋。

7、2.按電橋電源分類1）直流電橋從電橋輸出的線性度以及電橋臂阻抗受溫度等干擾而變化時(shí)造成對(duì)橋輸出的影響看，恒流源電橋明顯優(yōu)于恒壓源電橋，因此適用于以半導(dǎo)體電阻為敏感元件的傳感器。如圖5-9所示，有四個(gè)電阻組成一四邊形電路，其中一組對(duì)角線中接激勵(lì)源（電壓或電流），另一組對(duì)角線接到電橋放大器上。R1R4稱為電橋的橋臂。 圖5-9 直流電橋常用電橋形式如圖5-10所示。圖5-10 常用電橋形式2）交流電橋交流電橋電源為正弦交流或?qū)ΨQ矩形波，它雖調(diào)節(jié)平衡比直流電橋麻煩，但輸出交流信號(hào)易于放大，抗干擾能力強(qiáng)，且電橋的靈敏度通常比直流電橋高。因此它不僅用于電感和電容參數(shù)的變換，也經(jīng)常用于電阻參數(shù)的變換。這類

8、電橋通?？色@得更為優(yōu)良的性能。任務(wù)二 壓阻式壓力傳感器的應(yīng)用一、壓阻式壓力傳感器當(dāng)力作用于某些硅晶體時(shí)，晶體的晶格產(chǎn)生變形，使載流子從一個(gè)能谷向另一個(gè)能谷散射，引起載流子的遷移率發(fā)生變化，擾動(dòng)了載流子縱向和橫向的平均量，從而使硅的電阻率發(fā)生變化。這種變化隨晶體的取向不同而異，因此硅的壓阻效應(yīng)與晶體的取向有關(guān)。硅的壓阻效應(yīng)不同于電阻應(yīng)變片，前者電阻隨壓力的變化主要取決于電阻率的變化，后者電阻的變化則主要取決于幾何尺寸的變化（應(yīng)變），而且前者的靈敏度比后者大50100倍。如圖5-15所示，利用腔體內(nèi)流體壓力不同，使得硅膜片受力后產(chǎn)生電阻變化，從而得到壓力數(shù)值，是一般通用壓力傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理。圖

9、5-15 壓阻式傳感器原理壓阻式壓力傳感器廣泛地應(yīng)用于航空航天、航海、石油化工、動(dòng)力機(jī)械、生物醫(yī)學(xué)工程、氣象、地質(zhì)、地震檢測等各個(gè)領(lǐng)域。二、壓力傳感器檢測常識(shí)1.負(fù)壓和絕壓檢測圖5-17所示為負(fù)壓檢測壓力圖，負(fù)壓傳感器也稱為表壓傳感器，傳感器兩端均連接至大氣，兩端大氣壓力相同時(shí)相互抵消。未加壓情況下為調(diào)整零點(diǎn)，并且零點(diǎn)輸出始終一致。所以，負(fù)壓檢測的是一種相對(duì)壓力，即當(dāng)前大氣相對(duì)于大氣壓的壓力。顯然，如果將大氣環(huán)境換為特定的參考?xì)鈮?，?fù)壓傳感器就成了差壓傳感器。圖5-17 負(fù)壓檢測壓力圖5-18所示為絕壓檢測壓力圖，絕壓傳感器的背面完全密封且抽為真空。因此，絕壓傳感器可以檢測大氣壓的變化，通常檢

10、測沒有參考?xì)鈮褐档臍怏w環(huán)境。圖5-18 絕壓檢測壓力2.漂移及影響傳感器漂移的因素壓力傳感器中的漂移產(chǎn)生的根本原因在于所有的壓力傳感器均基于一種材料的彈性變形，不論其材質(zhì)彈性如何良好，每次彈性回復(fù)后，總會(huì)產(chǎn)生一定的彈性疲勞和殘余形變。在傳感器使用過程中，由彈性材料引起的漂移根據(jù)材質(zhì)不同各不相同。除了材料引起的漂移外，還有一種更為顯著的漂移，即溫度漂移。溫度漂移是因?yàn)闇囟茸兓鸬膲毫鞲衅鬏敵龅淖兓?，這種漂移也是由材料的多重特性決定的。因?yàn)橐环N材料對(duì)壓力敏感的同時(shí)也對(duì)溫度敏感。通常壓力傳感器都要進(jìn)行溫度補(bǔ)償，利用另外一種溫度特性相反的材料抵消溫度引起的變化。隨著數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代傳感器也采

11、用數(shù)字補(bǔ)償方法。3.精度壓力傳感器的精度表示方法是以誤差值的大小來量度的，一般為%FS，即誤差相當(dāng)于滿量程的百分比。通常精度包含了非線性誤差、重復(fù)性誤差和遲滯（回復(fù)）誤差。例如，壓力傳感器標(biāo)示精度為0.5%FS，量程為100 kPa，則最大誤差不會(huì)大于0.5 kPa。三、壓力傳感器性能指標(biāo)壓力傳感器的種類繁多，其性能也有較大的差異，如何選擇較為適用的傳感器，做到經(jīng)濟(jì)、合理的使用，主要依靠以下指標(biāo)。1.額定壓力范圍額定壓力范圍是滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定值的壓力范圍，也就是在最高和最低溫度之間，傳感器輸出符合規(guī)定工作特性的壓力范圍。在實(shí)際應(yīng)用時(shí)傳感器所測壓力在該范圍之內(nèi)。2.最大壓力范圍最大壓力范圍是指傳感器

12、能長時(shí)間承受的最大壓力，且不引起輸出特性永久性改變，特別是半導(dǎo)體壓力傳感器，為提高線性和溫度特性，一般都大幅度減小額定壓力范圍。因此，即使在額定壓力以上連續(xù)使用也不會(huì)被損壞。一般最大壓力是額定壓力最高值的23倍。3.損壞壓力損壞壓力是指能夠加工在傳感器上，且不使傳感器元件或傳感器外殼損壞的最大壓力。4.線性度線性度是指在工作壓力范圍內(nèi)，傳感器輸出與壓力之間直線關(guān)系的最大偏離。5.壓力遲滯為在室溫下及工作壓力范圍內(nèi)，從最小工作壓力和最大工作壓力趨近某一壓力時(shí)，傳感器輸出之差。6.溫度范圍壓力傳感器的溫度范圍分為補(bǔ)償溫度范圍和工作溫度范圍。補(bǔ)償溫度范圍是由于施加了溫度補(bǔ)償，精度進(jìn)入額定范圍內(nèi)的溫度范圍。工作溫度范圍是保證壓力傳感器能正常工作的溫度范圍。實(shí)訓(xùn)1.認(rèn)識(shí)電阻應(yīng)變片及其使用方法2.使用壓阻式壓力傳感器檢測氣壓思考與練習(xí)1.通過電阻應(yīng)變片檢測應(yīng)變計(jì)算出所受到的力。請(qǐng)上網(wǎng)找一家生產(chǎn)電阻應(yīng)變片的企業(yè)，并仔細(xì)閱讀其產(chǎn)品說明書，說明其產(chǎn)品都適應(yīng)于什么行業(yè)的檢測。2.總結(jié)壓阻式傳感器的檢測原