《阻抗型传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《阻抗型传感器（155页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第四章 阻抗型传感器,了解阻抗型传感器的常见类型 理解常见阻抗型传感器的基本工作原理 掌握常见阻抗型传感器的测量电路,基本要求：,4.1电阻式传感器,将被测量如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等物理量转换式成电阻值这样的一种器件。,4.1.1 电位器式传感器,利用电位器为传感元件可制成电位器式传感器，可以测量线位移或角位移; 还可测量一切可以转换为位移的物理量参数，如压力、加速度等。,电位器式传感器是由电阻元件及电刷(活动触点) 两个基本部分组成。,电位器式传感器,一、组成原理,把电位器作为变阻器用，(c)图有：,把电位器作为变压器用，(d)图有：,二、电位计分类及特点,电位计分类,按输出-
2、输入特性,按结构形式,线性电位计,非线性电位计,线绕式在传感器中应用较多,薄膜式具有较高的精度和线 性特性,光电式无摩擦和磨损，分辨 率高,优点：精度、寿命、分辨率、可靠性高、阻值范围宽,缺点：温度范围窄、输出电流小、输出阻抗较高 结构复杂、体积和重量大,三、输入输出特性,1. 线性特性线性电位器 假定全长为 的电位器的阻值为 ，电阻沿长均匀分布，则当电刷由A向B移动 后，则： 若变阻器式： 若分压式：,2非线性特性非线性电位器,例：一电位计式位移传感器及接线图如图所示，变阻器有效长度为L，总电阻R ，读数仪表电阻RL，活动触点位置x=L/5。 求：读数仪表的指示值 ？,四、电位器式传感器的应
3、用,电位器式传感器常用来测量位移、压力、加速度等。,电位计式压力传感器,案例：玩具机器人,原理 直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化,总结,4.1.2 电阻应变式传感器-应变片,利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。电阻应变片是电阻应变式传感器中的传感元件，简称应变片。,应变片一种是金属导体材料，另一种是半导体材料。 工作原理是基于金属导体的应变效应，或者是基于半导体材料的压阻效应。 应变效应：金属导体在外力的作用下产生机械形变时，它的电阻值随着所受机械形变（伸长或缩短）的变化而变化的物理现象。 压阻效应：半导体受到应力时，其电阻率发生变化的物理现象。,一、 导电材料的应
4、变电阻效应,轴向 线应变,（1）金属材料的应变电阻效应, 金属材料的电阻相对变化与线应变成正比,（2）半导体材料的应变压阻效应,其中 ：压阻系数； ：作用于材料的轴向应力； E ：半导体材料的弹性模量, 半导体材料的电阻相对变化与线应成正比,（3）导电丝材的应变电阻效应,金属,半导体,金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主， Km=1.8 4.8,半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应,二、电阻应变片,1.组成结构,敏感栅（金属丝）：是应变片内实现应变-电阻转换的敏感元件。,基底：为了保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通过粘合剂将其固定在基底上。,引线：起着敏感栅与测量电路之间的连接作用。
5、,盖片：覆盖在敏感栅上的保护层。,粘合剂：用粘合剂将盖片、敏感栅和基底牢固地粘合在一起。,(1)金属丝式应变片： 敏感栅由直径0.015mm0.05mm的金属丝绕成栅状。,(2)金属箔式应变片： 敏感栅由金属箔经光刻腐蚀成栅状，具有横向效应小， 精度高，散热好等优点。,(3)薄膜应变片,其厚度在0.1m以下。 采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片。 灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应变片。 实际使用中的主要问题，是尚难控制其电阻对温度和时间的变化关系。,3.安装,应变片粘贴在被测试件表面（应使应变片轴向与所测应变方向一致） 将应变
6、片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。,4、应变片灵敏系数,应变片电阻相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比,应变片灵敏系数k小于制作应变片的应变电阻材料灵敏系数 K0, 主要原因就是存在横向效应。,横向效应,敏感栅通常是呈栅状，由轴向纵栅和圆弧横栅两部分。,试件承受单向应力时，表面处于平面应变状态，即轴向（拉伸）应变x 和横向（收缩）应变y 。,纵栅主要感受轴向应变x（纵栅受拉伸）、横栅主要感受横向应变y（横栅受压缩），从而引起应变片总电阻的变化为：,式中：,kx：轴向灵敏系数,ky横向灵敏系数,H=ky / kx,双向应变灵敏系数比，称为横向效应系数,=y /x,双向
7、应变比（横向应变与轴向应变比）,实验证明：y /x= -0 0双向应变比系数,式中：k=kx(1-0H),三、测量电路,测量过程,电压或电流的变化 并显示和记录,1.直流电桥,(1) 平衡电桥,R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。,当RL时，电桥输出电压为,当电桥平衡时，Uo=0，则有,R1R4=R2R3,或,结论：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。,（2） 非平衡电桥,初始状态时电桥平衡，没有输出电压；电桥工作时，电桥失去平衡，有输出电压，为非平衡电桥。,令,输出电压为：,略去二阶微量，近似为,非线性误差：,a)单臂工作电桥,设R2=R3
8、=R4 R0，,R1=R0 R,若R0 R , 则：,电桥的灵敏度为：,非线性误差：,b)双臂工作电桥,若 且R3=R4 R0 ，则：,非线性误差：,电桥的灵敏度为：,C)四臂工作电桥（全差动等臂电桥）,电桥的灵敏度为：,非线性误差：,结论：,电桥接法与电桥灵敏度的关系： S半桥单臂：S半桥双臂：S全桥=1：2：4 电桥连接的规律 电阻变化符号相反的连入相邻臂中 电阻变化符号相同的连入相对臂中,2、交流电桥,交流电桥的结构与直流电桥相同，但电源电压为交流电压，桥臂用阻抗表示，即,设电桥输出接高阻抗放大器，电桥输出视为开路。,3.应变电桥,（1）单应变片工作：一个工作应变片接入电桥的一臂,另外
9、三个臂接固定电阻。,R2=R3=R4 R0,R1为工作应变片且,则输出为：,（2）双应变片工作： 为减小和克服非线性误差，采用差动电桥， 在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂.,R3=R4 R0,R1， R2为工作应变片且,则输出为：,（4）四应变片工作：,若将电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。,R1， R4受拉， R2， R3受压，即,则输出为：,四、温度误差及其补偿,1.温度误差产生原因,应变片电阻随温度变化,Rt温度t时电阻值;R0温度0度电阻值； 应变片电阻的温度系数； 温度
10、变化值，,当温度变化时，应变片电阻的变化值为,试件材料与应变片的线膨胀系数不一致,试件和敏感栅线膨胀系数不同，环境温度的变化，敏感栅产生附加变形，产生附加电阻。,温度为0度时长度均为 ,线膨胀系数分别为 和 ，若两者不粘贴，在温度改变时，则它们的长度分别为,当应变片粘贴到试件材料的表面后，应变片被迫从 拉长到,产生附加变形为：,即附加应变为：,产生的电阻的变化为：,温度引起的总电阻变化为：,相应的虚假应变输出:,温度变化引起的总电阻变化,2. 电阻应变片的温度补偿方法,单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿,2. 电阻应变片的温度补偿方法,电桥补偿方法
11、,差动电桥法,两应变片型号参数、环境温度及所粘贴材料均相同，将两应变片接入电桥的相邻两臂，就可消除温度变化引起的测量误差。,电桥补偿法特点,优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好； 缺点：温度变化梯度较大条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致，影响补偿效果。, 应变片的自补偿法,温度自补偿应变片粘贴在被测部位上的一种特殊应变片，温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消。 a. 选择式自补偿应变片 b. 双金属敏感栅自补偿应变片,五、电阻应变式传感器的应用,1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件工作状态下的受力、变形情况
12、，利用应变片，粘贴在构件的预测部位，测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等。,2）应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。该情况下，弹性元件得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。,测物体产生位移时，悬臂梁产生于位移相等的挠度，应变片产生相应的应变。在小挠度情况下，挠度与应变情况成正比。,电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,冲床生产记数和生产过程监测,总结,4.1.3 热电阻和热敏电阻,电阻式温度传感器利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。 1)金属热电阻-热电阻 2)半导体热
13、敏电阻-热敏电阻,一 热电阻,1、热电阻材料特点,（1）高温度系数、高电阻率 （2）较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质 （3）良好的输出特性 （4）良好工艺性,Rt、R0 温度为 t 和 0 时的电阻； A = 3.940 10-2 / B = -5.84 10-7 /2 C = -4.22 10-12 /4,分度表 R0 = 10 和 100 时的 Rt t 关系,(2)、铜电阻,A = 4.28899 10-3 / ; B = -2.133 10-7 /; C = 1.233 10-9 /3,国际温标规定： 259.34 630.74 ，以铂电阻为温度基准器,优点：（1）易提纯； （2
14、）在高温和氧化性介质中性能稳定； （3）输出近线性； （4）测量精度高。,-50 150,模型1：精确计算时,模型2：简便计算，常用二项式计算,二 热敏电阻,1、热敏电阻的结构和特点,金属氧化物：钴Co、锰Mn、镍Ni 等的氧化物 采用不同比例配方、高温烧结而成。,优点：（1）结构简单、体积小、可测点温度； （2）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）； （3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。,2 热敏电阻的温度特性,(1)NTC的 R-T 特性,B:热敏电阻的材料常数，又可称为热灵敏指标，通常B=20005000K。,(3) NTC的温度系数,三、热电阻测温电路,r = 0，导线电阻 r 对测
15、量无影响,平衡：,r：电桥电源；2r：相邻臂,（1）不受其它条件约束； （2）恒流源 I 稳定。,四、热敏电阻测温电路,课堂练习题： 已知铂电阻温度计，0C时电阻为100，100 0C时电阻为139。当它与热介质接触时，电阻值增至281。试确定该介质的温度。,4.2 电容式传感器,一、基本工作原理,1、平板电容器,2 、同轴圆筒形,二、变间隙型电容传感器,设极板面积为S， 初始时： 动极板上移,1、单一式,单一式变极距型电容传感器的灵敏度为：,2、差动式,初始时上下两电容器电容相等：,动极板上移,差动电容公式为：,灵敏度为：,三、变面积型电容传感器,初始时：,移动 后：,电容因位移而产生的变化
16、量为 ：,其灵敏度为,四、变介电常数式电容传感器,大多用于测量电介质的厚度、位移、液位等。,设静态时极板长为 ，宽为 ，间距为 ，极板间空气的介电常数为 。有一个固体介质长、宽分别为 、 ，厚为 ，且其相对介电常数为 ，初始时固体介质居中，则电容为：,介质（ ）块右移 时,故：,同理,所以,结论：电容传感器的灵敏系数为常数，即输出与输入呈线性关系。,五、测量电路,1、比例运算电路,应用于单一变极距式电容传感器,应用于变面积式电容传感器,应用于差动变面积式和差动变介质式电容传感器,2、交流电桥,七、电容式传感器应用,电容式压力传感器,具有预张力的金属膜片作为感压敏感元件，同时作为可变电容的动极板。采用蒸镀工艺将
