传感器技术第5讲rlc传感器

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1、5.1 电阻式传感器 5.2 电感式传感器 5.3 电容式传感器,第五章 RLC传感技术,5.1 电阻应变式传感器 一 、金属应变片式传感器 （金属丝式应变片、金属箔式应变片、测量电路、应用） 金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。 优点：精度高，测量范围广。频率响应特性较好。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。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，

2、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。 二、压阻式传感器,(一) 金属丝式应变片 1、应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。 设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，其电阻R为 两边取对数，得 等式两边取微分，得 电阻的相对变化； 电阻率的相对变化； 金属丝长度相对变化，用表示，= 称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变； 截面积的相对变化。,电阻应变片结构示意图,2、应变片的结构与材料 由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和

3、要求合理地加以选择。,（1） 敏感栅 由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格，以120最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，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。对敏感栅的材料的要求：应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；,在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。 （2）基底和盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和

4、相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。 （3）引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。 （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。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用

5、的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。,3、主要特性 （1） 灵敏度系数 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KS表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即 K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。 （2） 横向效应 金属应变

6、片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，其横向应变r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外)，应变片受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,（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。机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。,（4） 零

7、点漂移和蠕变 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。 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。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。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。 这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例 （5）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%

8、）时的最大真实应变值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。,主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。,（6） 动态特性 当被测应变值随时间变化的频率很高时，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。,4、 温度误差及其补偿 （1） 温度误差 用作测量应变的金属应

9、变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误差，又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素：应变片电阻丝具有一定温度系数；电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。 （2） 温度补偿（自补偿法和线路补偿法）,（二）金属箔式应变片 箔式应变片的工作原理基本和电阻丝式应变片相同。它的电阻敏感元件不是金属丝栅，而是通过光刻、腐蚀等工序制成的薄金属箔栅，故称箔式电阻应变片，如图。金属箔的厚度般为(0.0030.

10、010)mm，它的基片和盖片多为胶质膜，基片厚度一般为(0.030.05)mm。金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点。金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更为接近。提高了应变测量的精度较大信号，提高了测量灵敏度。箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变,片的使用范围。 箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出。便于成批生产。 缺点：电阻值分散性大，有的相差几十，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。,（三）测量电路 应变片将应变的

11、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。电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配交流放大器)，其原理和直流电桥相似。直流电桥比较简单，因此首先分析直流电桥，如图所示。当电源E为电势源，其内阻为零时，可求出检流计中流过的电流Ig与电桥各参数之间的关系为,式中 Rg为负载电阻，因而其输出电压Ug为,设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量R，当为拉伸应变时，R为正；压缩应变时，R为负。在上式中以R1+R代替R1，则,设电桥各臂均有相应的电阻增量R1、R2、R3、R4时,在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。,当R1R4=R2R3时，Ig=0，

12、Ug=0，即电桥处于平衡状态。若电桥的负载电阻Rg为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简为：,1、等臂电桥 当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。 此时电桥输出可写为 一般情况下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即RRi，略去上式中的高阶微量，并利用 式得到,当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性不同时，输出电压为两者之和。若相对两桥臂应变的极性一致时，输出电压为两者之和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。,当考虑单臂工作时，即A

13、B桥臂变化R，则,由上式展开级数，得,则电桥的相对非线性误差为,可见，K愈大，愈大，通常K1。,1/2K,当仅桥臂AB单臂工作时，输出电压为 由前两式可知，当假定RR时，输出电压Ug与应变间呈线性关系。若假定不成立，则按线性关系刻度的仪表用来测量必然带来非线性误差。,（四） 应变式传感器应用 金属应变片， 除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量。 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

14、变式压力传感器 应变式加速度传感器,1、柱力式传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。 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。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为 ：,1沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。,当=0时,当=90时,E：弹性元件的杨氏模量,2、梁力式传感器 等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。,L,R1,R3,R2,R4,x,F,h,b,等强度梁弹性元件,b0,R4,力F作用于梁端三角形顶点上，梁内

15、各断面产生的应力相等，故在对L方向上粘贴应变片位置要求不严。 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)。,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。 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

16、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。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。,5.2 电感式传感器（变磁阻）,自感式传感器 气隙型自感传感器 螺管型自感传感器 自感线圈的等效电路 测量电路 差动变压器 结构原理与等效电路 误差因素分析 测量电路 应用 电涡流式传感器,定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的装置。 感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 种类：根据转换原理，分自感式和互感式两种； 根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。 优点： 结构简单、可靠，测量力