傳感器與檢測(cè)技術(shù)四PPT學(xué)習(xí)教案

1、會(huì)計(jì)學(xué)1傳感器與檢測(cè)技術(shù)四傳感器與檢測(cè)技術(shù)四2.1 應(yīng)變式傳感器 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理 1.金屬的應(yīng)變效應(yīng) 金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)其阻值將發(fā)生變化的現(xiàn)象 AlR 金屬絲的電阻值 電阻的相對(duì)變化量 AAllRR Errll /,/,/ )21(ERR 縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變: 泊松比泊松比: 壓阻系數(shù)壓阻系數(shù): 應(yīng)應(yīng)力力值值: 第1頁(yè)/共42頁(yè)靈敏系數(shù)：?jiǎn)挝粦?yīng)變引起的電阻值相對(duì)變化 ERRk 21/210 21 E 0k 0kRR 材料的幾何尺寸變化引起的 材料的電阻率隨應(yīng)變引起的(壓阻效應(yīng)) 金屬材料：k0以前者為主，則 k01+2=1.73.6 半導(dǎo)體：k0值主要是由電阻率相對(duì)變化所

2、決定 在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，k0為常數(shù) 第2頁(yè)/共42頁(yè)2.應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與種類(lèi) 種類(lèi)：絲式、箔式、薄膜應(yīng)變片 1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線絲式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)： 金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略 0)21(kRR 對(duì)同一電阻材料， k0=1+2是常數(shù)。k0多在之間 第3頁(yè)/共42頁(yè)箔式應(yīng)變片：在絕緣基底上，將厚度為電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕方法，制成各種需要的形狀 優(yōu)點(diǎn)： (1) 尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測(cè)量要求； (2) 可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵 (3) 與被測(cè)試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許 電流大

3、，靈敏度提高 (4) 橫向效應(yīng)可以忽略 (5) 蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長(zhǎng) 缺點(diǎn)：電阻值的分散性大 第4頁(yè)/共42頁(yè)金屬薄膜應(yīng)變片 采用真空蒸渡、沉積或?yàn)R射等方法在薄的絕緣基片上形成厚度 在m以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣， 易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)缺點(diǎn)：難控制電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系 電阻應(yīng)變片的特性 性能參數(shù)：電阻值、靈敏度、允許電流、應(yīng)變極限 應(yīng)變片的電阻值： 60、120、200、350、600、1000 電阻值大：可加大應(yīng)變片承受電壓，輸出信號(hào)大， 敏感柵尺寸也增大 第5頁(yè)/共42頁(yè)1. 靈敏系數(shù) RRk/ 標(biāo)稱靈敏系數(shù)：受軸向

4、單向力(拉或壓)，試件材料為泊松系數(shù)的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣5的產(chǎn)品來(lái)測(cè) 定，取平均值及允許公差值。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k 電阻絲的靈敏系數(shù)k0原因：粘結(jié)層傳遞變形失真、存在有橫向效應(yīng) 2. 橫向效應(yīng) 敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成 直線段：沿軸向拉應(yīng)變 ，電阻 x 圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度 ，電阻y k(箔式應(yīng)變片)第6頁(yè)/共42頁(yè)橫向效應(yīng)：應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了 一部分，從而降低了整個(gè)電阻應(yīng)變片的靈敏度橫向效應(yīng)大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長(zhǎng)，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小y 第7頁(yè)/共42頁(yè)3. 溫度誤差及其補(bǔ)償 原因：電阻溫度系數(shù)的影

5、響 敏感柵電阻絲阻值隨溫度變化引起的誤差 TllsT 01TRRRRTT 00 ：敏感柵材料的電阻溫度系數(shù) 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響 當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù) 不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加變形，產(chǎn)生附加電阻T s g 、設(shè)應(yīng)變絲長(zhǎng)度 l0，應(yīng)變絲和試件的線膨脹系數(shù)為 溫度變化 ，應(yīng)變絲膨脹至lT1，試件為lT2 TllgT 02(1) 溫度誤差 第8頁(yè)/共42頁(yè)TllsgT )(0 gs 若附加拉伸變形 TllsgTT )(0 附加應(yīng)變 附加電阻變化 TkRkRRsgTT )(0000 由于溫度變化而引起的總電阻變化為 TkTkRRsgTT )(/000 T

6、kRTRRRRsgTTT )(000 相應(yīng)的虛假應(yīng)變量 第9頁(yè)/共42頁(yè)(2) 溫度補(bǔ)償方法(電橋補(bǔ)償、應(yīng)變片補(bǔ)償) 電橋補(bǔ)償法 U0R1R4R3URBFFR1RB不承受應(yīng)變時(shí) 0)(3B410 RRRRAUT 溫度變化 0)()(34110 RRRRRRAUBTBT 若被測(cè)試件受到應(yīng)變 kRARU410 第10頁(yè)/共42頁(yè)R1 +RRB -RU0R1RR4R3URBR優(yōu)點(diǎn)： 簡(jiǎn)單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好 缺點(diǎn)： 在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，影響補(bǔ)償效果第11頁(yè)/共42頁(yè) 應(yīng)變片的自補(bǔ)償法 溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片：溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷?/p>

7、抵消a. 選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片 實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件 0)(0 TkTsgT )(0sgk 被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)已知，選擇敏感柵材料，使下式成立 可達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?優(yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低 缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄 第12頁(yè)/共42頁(yè)b. 雙金屬敏感柵(組合式)自補(bǔ)償應(yīng)變片 R1R2敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成 選用兩者具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù) 調(diào)整R1和R2的比例，滿足 T2T1)()(RR )()(/111222112221 ggTTkkRRRRRR通過(guò)調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長(zhǎng)度來(lái)控制應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償 第13頁(yè)/共42頁(yè) 熱敏電阻補(bǔ)償法 T，k RT， UR

8、T，U = Ui URT UiR1RR4R3U0R2RTR5 分流電阻 第14頁(yè)/共42頁(yè) 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 1. 電橋電路的工作原理 R1R2R4R3UUoRL電橋平衡條件： R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 )()()(-214343214321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUI IL=0時(shí)電橋平衡 第15頁(yè)/共42頁(yè)當(dāng)電橋后面接放大器時(shí), 電橋輸出端看成開(kāi)路 URRRRRRRRU)(432132410 )()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU 應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化 R 采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=

9、R )2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU RRRRRRRRUU432104若 RRi 432104 UkU則則第16頁(yè)/共42頁(yè)結(jié)論： 時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系 。 RRi 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，輸出電壓為兩者之差； 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性不同，輸出電壓為兩者之和。 若相對(duì)兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和； 反之則為兩者之差。 電橋供電電壓U越高，輸出電壓越大。但U增大時(shí)，電阻 應(yīng)變片通過(guò)的電流也大，若超過(guò)電阻應(yīng)變片所允許通過(guò)的 最大工作電流，傳感器就會(huì)出現(xiàn)蠕變和零漂。 增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k，可提高電橋的輸出電壓。 4321

10、04 UkU第17頁(yè)/共42頁(yè)2. 非線性誤差及其補(bǔ)償 單臂電橋，理想的線性關(guān)系 RRUU 4010211424 RRRRURRRUU kRRRRRRUU2121121112111100 電橋?qū)嶋H輸出電壓 電橋的相對(duì)非線性誤差為 消除非線性誤差的措施：采用半橋差動(dòng)或全橋差動(dòng)電路 第18頁(yè)/共42頁(yè)(1) 采用半橋差動(dòng)電路 R1R2FU0R1R1R4R3UR2R24332211110RRRRRRRRRUU R1R2R3R4=R，R1R2=R RRUU 20輸出電壓 嚴(yán)格的線性關(guān)系電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一倍 溫度補(bǔ)償作用第19頁(yè)/共42頁(yè)(2) 采用全橋差動(dòng)電路 RRUU 0U0R1R1UR2R2

11、R4R4R3R3第20頁(yè)/共42頁(yè) 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 1. 應(yīng)變式力傳感器被測(cè)量為荷重或力 (1) 柱式力傳感器 R5R8R7R6R1R2R3R4UoUR5R8R7R6R1R2R3R4SEFEll 第21頁(yè)/共42頁(yè)(2) 梁式力傳感器 等截面懸臂梁 b0hEbhlF26 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易加工，靈敏度高，適合于測(cè)5000N以下的載荷 第22頁(yè)/共42頁(yè) 等強(qiáng)度懸臂梁 b0hEhblF206 雙端固定梁 EbhlF243 第23頁(yè)/共42頁(yè)(3) 薄壁圓環(huán)式力傳感器 )21()2/(32 EbhhRF第24頁(yè)/共42頁(yè)2. 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)用：液體、氣體動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力的測(cè)量 trR1R2

12、R3R4(1) 膜片式壓力傳感器 膜 片EhxRPr22228)3)(1(3 徑向應(yīng)變 EhxRPt22228)(1(3 切向應(yīng)變 R4R3R1R2 UU0第25頁(yè)/共42頁(yè)(2) 筒式壓力傳感器測(cè)量較大壓力 圓筒外表面上的環(huán)向應(yīng)變(沿圓周線) )1()2(2 nEP 薄壁筒 )5 . 01(2 hEPD2/ )(0DDh 第26頁(yè)/共42頁(yè)(3) 組合式壓力傳感器測(cè)量小壓力 壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等 應(yīng)變片粘貼在懸臂梁上，不直接粘貼在壓力感受元件 缺點(diǎn)：缺點(diǎn)是固有頻率低，不適于測(cè)量瞬態(tài)過(guò)程 第27頁(yè)/共42頁(yè)AK-1型應(yīng)變式脈動(dòng)壓力傳感器 產(chǎn)品特點(diǎn)： 采用外殼和膜片為一體的

13、圓膜片結(jié)構(gòu) 尺寸小，安裝方便 頻響高，精度高，性能穩(wěn)定可靠 適用于各種動(dòng)，靜態(tài)、氣、液體介質(zhì)的壓力測(cè)量 第28頁(yè)/共42頁(yè)3. 應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量(或液位)傳感器 hgAAUUU )(21210 DQAAU)(210 電橋輸出 SGhg 第29頁(yè)/共42頁(yè)4. 應(yīng)變式加速度傳感器 低頻(1060Hz)振動(dòng)測(cè)量中得到廣泛的應(yīng)用， 但不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊第30頁(yè)/共42頁(yè)5. 應(yīng)變式扭矩傳感器 扭矩：M=Fl 6. 應(yīng)變式張力傳感器 第31頁(yè)/共42頁(yè)2.2 壓阻式傳感器 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 定義：?jiǎn)尉О雽?dǎo)體材料沿某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率會(huì) 發(fā)生變化壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高

14、。頻率響應(yīng)高，體積小。主要用于測(cè)量壓力、加速度和載荷等參數(shù)半導(dǎo)體材料對(duì)溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補(bǔ)償。第32頁(yè)/共42頁(yè) )21(RR )21(ERRl 壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體電阻率 llE ll 壓阻系數(shù)，與材料及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān) l E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān))21( 材料幾何形狀變化引起 El 壓阻效應(yīng)的影響，隨電阻率而變化 第33頁(yè)/共42頁(yè)半導(dǎo)體材料 )21( El llERR ERRkl /半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù) 應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小 第34頁(yè)/共42頁(yè) 體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 1. 結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn) 優(yōu)

15、點(diǎn)：靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍 橫向效應(yīng)和機(jī)械滯后極小 缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多 第35頁(yè)/共42頁(yè)2. 測(cè)量電路 恒壓源 )/(0TRRRUU RIU 0恒流源 輸出電壓受環(huán)境溫度的影響 環(huán)境溫度的變化對(duì)其沒(méi)有影響 擴(kuò)散型壓阻式壓力傳感器 采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜 第36頁(yè)/共42頁(yè)工作原理： 膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。 四個(gè)電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。四個(gè)電阻的配置位置： 按膜片上徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力t的分布情況確定 第37頁(yè)/共42頁(yè) )31()1(83)3()1(8322022202rrhprrhptr 優(yōu)點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，動(dòng)態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能 測(cè)出十幾帕的微壓，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻 率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。缺點(diǎn)：測(cè)量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。 智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對(duì)非線性和溫度進(jìn)行補(bǔ)償 第38頁(yè)/共42頁(yè) 壓阻式加速度傳感器 懸臂