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1、传感检测技术及其应用第二篇 典型传感器的原理 及其应用技术2018/8/10因为在相关课程中，如工程测试 技术，学习过各种传感器的基本原 理，所以，在本课程中对各种典型 传感器只作简要介绍，重点在于学 习他们的信号处理电路和应用。各种典型传感器的学习内容Date2第4章 电阻式传感器及应用一、电阻式传感器及分类 1.电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种 传感器。 2.电阻式传感器分类电阻式传感器主要有变阻器式、电阻应变式和固 态压阻式传感器。 二、变阻器式电阻式传感器 Date3优点： 结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定 ； 受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)
2、影响小 ； 可以实现输出输入间任意函数关系； 输出信号大，一般不需放大。Date4缺点： 因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要 较大的输入能量； 由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会 降低测量精度，所以分辨力较低； 动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。 三、电阻应变式电阻传感器金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的电 阻-应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变 形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的 变化而发生变化的现象。Date51.分类及结构金属电阻应变片分为金属丝式、箔式和膜式等。 （1）电阻丝应变片金属丝式应变片的典型结构：将一根高电阻率 金属丝（康
3、铜、镍铬、卡玛合金等，直径 0.025mm 左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间 ，由引出导线接于电路中。 Date6（2）箔式应变片 箔式应变片由厚度为 110m 的康铜箔或镍铬 箔经光刻，腐蚀工艺制成的栅状箔片。 箔式应变片适于大批量生产，可制成多种复杂 形状，线条均匀，敏感栅尺寸准确，栅长最小可到 0.2mm ；散热好，允许电流大；横向效应、蠕变和 机械滞后小，疲劳寿命长；柔性好（可贴于形状复 杂的表面），传递试件应变性能好。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。Date7Date8（3）膜式应变片膜式应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法， 在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下
4、的金属电阻 材料薄膜的敏感栅。它的优点是应变灵敏系数大， 允许电流密度大，工作范围广，可达197317 。 2.工作原理（电阻应变效应）电阻应变效应是指金属电阻丝的电阻随着它 所承受机械变形（伸长或缩短）的大小而发生改变 的一种物理现象。Date9设有一根圆截面金 属电阻丝，其电阻为 金属电阻丝受拉变形当受到轴向力F被拉伸时，其电阻变化为Date10则上式即为电阻应变效应表达式。Date11对于电阻应变片，其电阻变化率与应变的关系为3.电阻应变片的主要特性 （1）应变计的电阻值R应变计在没有粘贴及未参与变形有前，在室温 下测定的电阻值。 （2）灵敏度系数k应变计的灵敏度系数由其材料及结构决定，
5、由 实验获得。Date12（3）机械滞后试件上加载、卸载过程中，对同一机械应变， 应变片指示应变值发生变化，其差值称之机械滞后。 其滞后大小与应变片承受的应变量大小有关，造成 原因主要是敏感栅、基底粘合剂在承受机械应变后 所留下的机械变形。Date13（4）横向效应与横向效应系数应变片在感受被测试件的应变时，横向应变将 使电阻变化率减小，从而降低灵敏度系数的现象， 称为应变片的横向效应。在同一单向应力作用下，垂直于单向应变方向 安装的应变计的指示应变与平行于单向应变方向安 装的同批应变计的指示应变之比，称为横向应变系 数。所以，为了减小横向效应的影响，应变片都做 成窄长的形状。 （5）零点漂移
6、指试件空载（不受应力作用）、温度恒定的条 件下，指示应变随时间的变化值。Date14（6）蠕变粘贴在试件上的应变片，在恒温恒载条件下， 指示应变随时间的变化数值称为蠕变。 （7）应变极限对于已安装的应变计， 在温度恒定时，指示应变 和真实应变的相对误差不 超过规定数值的真实应变 值，称为应变极限。如图 所示。Date15（8）疲劳寿命在恒定幅值交变应力作用下，连续工作到产生 疲劳损坏的循环次数，称为应变片的疲劳寿命。 （9）温度效应及热输出由于环境温度变化的影响，将使应变片的电阻 发生变化，这种现象称为应变计的温度效应。而由于 温度变化引起的应变输出称为热输出。热输出定义为 ：当应变片安装在某
7、一线性膨胀系数的试件上，试件 可以自由膨胀，在缓慢升（或降）温的均匀温度场内 ，由温度变化引起的指示应变。Date16从上面可知，影响热输出因素主要有三个：温度变 化；应变片敏感栅材料电阻温度系数；试件材料和 敏感栅材料线性膨胀系数不等。Date17（10）应变计的最大工作电流应变片正常工作允许通过的最大电流。通常静 态测量时为25mA，动态测量时为 75100mA。工作 电流过大会导致应变片过热、灵敏度变化、零漂和 蠕变增加，甚至烧毁。 （11）绝缘电阻已安装的应变计的敏感栅及引线与被测试件之 间的电阻值。是检查应变计的粘贴质量与粘合剂是 否干燥或固化的重要指标。绝缘电阻越高越好，在 室温下
8、，一般为5005000M之间。 （12）应变片的动态特性应变片在测量变化频率较高的动态应变时，应 该考虑其频率响应，即动态特性问题。Date18应变片的动态特性最终可归结到应变片的基长 与输入应变波的频率的关系。若输入正弦应变波的极限工作频率f与应变片基 长L的关系为若输入应变波为阶跃波时Date19四、应变计测量电桥测量电桥在应变计电阻传感器中得到广泛的应用 ，结构简单，灵敏度高，测量范围宽，线性度好，精 度高，易于实现和补偿。测量电桥有直流电桥和交流电桥，本课重点讲直 流电桥。1.直流电桥Date20当R1R4=R2R3时，电桥平衡， 输出为零。按接入电桥应变片的数量可分为单臂工作电桥、
9、半桥工作电桥、全桥工作电桥。 2.单臂工作电桥只有一个桥臂接入应变片，其它三个桥臂是平 衡电阻。Date21（1）立式桥立式桥（2）卧式桥Date22（3）等臂电桥3.半臂工作电桥有两只应变片接入电桥， 设R1，R2作为应变片，半 臂 工 作 电 桥（1）半臂卧式电桥Date23(2)半臂等臂电桥4.全臂工作等臂电桥 四个臂均接入应变片，并为差动工作，且Date245.恒流供电电桥上面所讲都是恒压供电的电桥。在全桥差动工作 时，再不考虑温度变化时，电桥的输出与电阻的相对 变化量RR成比例。而实际上温度变化时，每个电 阻随温度量为Rt，电桥的输出为UO=E R/(R+Rt) 电桥的输出是非线性的
10、。恒流源供电电桥如右图所示 ，设4个桥臂初始电阻均为R， 则IABC=IADC=I/2，。有压力作用 时，仍有IABC=IADC=I/2，则电桥 输出为Date25因此，电桥的输出与温度无关。总结：从上面可以知道，半臂工作卧式电桥、等臂 电桥的输出是单臂工作卧式电桥、等臂电桥的输出 的2倍；而全臂工作等臂电桥的输出是半臂工作电桥 输出的2倍。 6.电桥输出非线性误差上述电桥输出公式都是在RR的假设条件下 得到。当该条件不成立时，必存 非线性误差。Date26对于单臂工作的卧式电桥和等臂电桥，有相对误差为Date27如果 2，当相对误差 1时，则 ， 则 ，也就是应变值 时，电桥输出相对误差 。
11、Date287.电阻应变片的温度补偿由前面内容知道电阻应变片的热输出为由于应变片电阻丝温度系数 而产生的误差； 由于电阻丝膨胀系数 与测试试件材料的膨胀系数之间不同而产生误差。可以采用补偿法消除电阻 应变片的热输出误差，称为热输出补偿。补偿常用的方法有两种：温度自补偿应变片法， 用于高温下测量；桥路补偿法，用于常温下测量。 （1）温度自补偿应变片法单丝自补偿应变片Date29由式可知，若t=0，需t=-k(s-f)，在研制和选用应变计时，若所选 择敏感栅材料，其t、f能与试件s的相匹配，即 满足上式就能达到温度自补偿的目的。 双丝自补偿应变计 该应变计由电阻温度系数一正一负的两种金属电阻丝 串
12、接而成，如图所示。若t+=t-,则正负热输出抵消 就可达到自补偿的目的。Date30（2）桥路补偿法 补偿计法补偿计法是选用型号和特性完全相同（灵敏度 系数、电阻温度系数、线膨胀系数均相同）的两只 应变计，一只粘贴在被测试件上作为工作应变片， 另一只粘贴在与被测试件的结构和材料相同而不受 力的补偿块上，作为补偿片；并使补偿块与被测试 件处于相同温度环境下。若工作片为R1，补偿片为 R2，把它们分别接入电桥的相邻桥臂，构成如图4- 14所示电桥。当被测试件受力为F，并有温度变化t 时，则工作应变片电阻由原来的R1变为R1,即Date31而补偿片电阻值由原来的R2变为R2,即以上两个电阻代入电桥电
13、压输出公式，即可得电桥 输出端电压为式中R3和R4为平衡电阻，为固定值，若令R3=R4=R0 ，则有代入R1和R2，得Date32由于R1与R2型号和特性均相同，而且感受相同的温 度变化，则 则有 应为 则可得到从以上分析可知，此时指示应变值只是由于工 作应变片受力引起的应变值，而由于温度变化所产 生的热输出已经消除。Date33如果补偿片R2也作为工作应变片，且粘贴于被测试 件的相反应变处，则 R1、R2在应力和温度变化影响 下，则有 代入电压输出表达式，得由于R1和R2型号特性相同，感受应力相同，温度影 响也相同，则有Date34故 上式同样表明，指示应变值已消除了温度影响的热 输出，且输
14、出提高了一倍。Date358.应变计测量电路直流电桥的测量电路如图所示9.电阻应变式传感器的应用（1）电阻应变计式传感器应用特点电阻应变计有两方面的应用：一种是作为敏感 元件，直接用于被测试件的应变测量；另一种是作 为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任 何能转换为弹性元件应变的其他物理量间接测量。Date36(2)电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器可用于测量侧力、测量位移、 测量加速度、测量扭矩等。如书上图422425。基本应用平面膜片式压力传感器，应变桥连接成全桥，且应变计式传感器主要特点如下：*应用和测量范围广；*分辨力和灵敏度高；*结构轻小；*商品化，选用和使用方便。Date
15、37如图所示，应变计k=2.0，膜片允许测试的最大应变 为800 ，对应的压力100kPa，电桥电压为5V， 试求最大应变时，测量电路输出端电压为多少？当输 出电压为3.3V时，所测压力为多少？A4的作用是什么 ？Date38该例为恒压源供电全桥等臂电桥，则电桥输出电压为电路中A1，A2，A3运放组成同相输入并串联差动放 大电路，放大倍数为则，最大应变时电路输出端电压为UO=0.008*625=5V 输出端电压为3.2V时对应的压力为Date39五、压阻式传感器及其应用1.压阻效应根据电阻应变效应，有对于金属电阻丝而言，而对于半导体来说，所以半导体的电阻应变效应为-半导体材料的压阻系数； E-
16、半导体材料的弹性模量，约为1.67X1011Pa。Date402.半导体应变片根据制造工艺及安装方式不同，半导体应变片 可分为体型半导体应变片（粘贴式）、薄膜型半导 体应变片（利用真空沉积技术将半导体材料沉积在 绝缘基底上制成）和扩散性半导体应变片（在半导 体材料硅的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻构 成）。半导体应变片线性范围小；电阻温度系数大； 灵敏度随温度变化；光照使阻值减小。Date413.固态压阻式压力传感器 （1）结构N作为弹性敏感元件，在其上扩散制成P型 电阻，称为硅杯。 （2）特点体积小，重量轻，可微型化；相应频率高，频 带宽，适合动态测量；精度、灵敏度高等。 （3）电源电桥及其特点 （4）固态压阻传感器的补偿 4.压阻式压力传感器的三种测量方式
