傳感檢測技術(shù)及其應用第4章課件

傳感檢測技術(shù)及其應用

其次篇典型傳感器的原理

及其應用技術(shù)11/21/2023由于在相關(guān)課程中，如工程測試技術(shù)，學習過各種傳感器的根本原理，所以，在本課程中對各種典型傳感器只作簡要介紹，重點在于學習他們的信號處理電路和應用。各種典型傳感器的學習內(nèi)容11/21/20232第4章電阻式傳感器及應用一、電阻式傳感器及分類1.電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。2.電阻式傳感器分類電阻式傳感器主要有變阻器式、電阻應變式和固態(tài)壓阻式傳感器。二、變阻器式電阻式傳感器

11/21/20233優(yōu)點：＊構(gòu)造簡潔、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能穩(wěn)定；＊受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響?。唬梢詫崿F(xiàn)輸出—輸入間任意函數(shù)關(guān)系；＊輸出信號大，一般不需放大。11/21/20234缺點：＊由于存在電刷與線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量；＊由于磨損不僅影響使用壽命和降低牢靠性，而且會降低測量精度，所以區(qū)分力較低；＊動態(tài)響應較差，適合于測量變化較緩慢的量。三、應變，應力，泊松比及應變片各種構(gòu)造〔如機械構(gòu)造、土木構(gòu)造、混凝土構(gòu)造等〕在外力作用下會產(chǎn)生變形，從而在其內(nèi)部產(chǎn)生應力。應力是確保構(gòu)造強度和安全的重要因素。11/21/20235目前，還沒有直接測量構(gòu)造應力、強度和安全性的傳感器。但是可以依據(jù)應變計算出其應力，進而可以推斷其強度和安全性。金屬材料在外力作用下，其伸長〔壓縮〕量與其原長之比率稱為拉〔壓〕應變。應力和應變之間的關(guān)系是：σ=Eε。其中ε是應變，E是楊氏模量，σ是應力。橫行應變和縱向應變比率確實定值稱為泊松比。，其中ε2是橫向應變，ε1是縱向應變。剪切模量與楊氏模量和泊松比關(guān)系是：11/21/20236電阻應變片可用于各種應變的測量，靜態(tài)測量、動態(tài)測量〔頻率高于100kHz〕、沖擊應變。11/21/20237四、金屬電阻應變式電阻傳感器金屬電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的電阻-應變效應，即金屬導體在外力作用下發(fā)生氣械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻應變片可用于試驗、爭論、工業(yè)測量和掌握等。可應用在很多領(lǐng)域：如機械工程、電氣工程、土木工程、建筑工程、化學工程、制約工程等。此外，應變片作為敏感元件用于測量載荷、壓力、加速度、位移、力矩等。11/21/202381.分類及構(gòu)造金屬電阻應變片分為金屬絲式、箔式和膜式等?！?〕電阻絲應變片金屬絲式應變片的典型構(gòu)造：將一根高電阻率金屬絲〔康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑0.025mm左右〕繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和掩蓋層之間，由引出導線接于電路中。11/21/20239〔2〕箔式應變片箔式應變片由厚度為1~10m的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。箔式應變片適于大批量生產(chǎn)，可制成多種簡單外形；線條均勻，敏感柵尺寸準確，柵長最小可到0.2mm；散熱好，允許電流大；橫向效應、蠕變和機械滯后小，疲憊壽命長；柔性好〔可貼于外形簡單的外表〕，傳遞試件應變性能好。目前使用的應變片大多是金屬箔式應變片。11/21/20231011/21/202311〔1〕單軸式〔2〕0/90°雙軸式〔3〕0/90/45°三軸式〔4〕0/90°雙軸式〔5〕0/90°雙軸測扭矩〔6〕0/120/240°三軸式〔7〕0/30/90/150°四軸式〔8〕單軸多單元〔9〕單軸多單元11/21/202312〔3〕膜式應變片膜式應變片承受真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。它的優(yōu)點是應變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，可達－197～317℃。2.工作原理〔電阻－應變效應〕電阻－應變效應是指金屬電阻絲的電阻隨著它所承受機械變形〔伸長或縮短〕的大小而發(fā)生轉(zhuǎn)變的一種物理現(xiàn)象。11/21/202313設(shè)有一根圓截面金屬電阻絲，其電阻為

金屬電阻絲受拉變形當受到軸向力F被拉伸時，其電阻變化為11/21/202314則上式即為電阻－應變效應表達式。11/21/202315對于電阻應變片，其電阻變化率與應變的關(guān)系為3.電阻應變片的主要特性〔1〕應變計的電阻值R應變計在沒有粘貼及未參與變形有前，在室溫下測定的電阻值?！?〕靈敏度系數(shù)k應變計的靈敏度系數(shù)由其材料及構(gòu)造打算，由試驗獲得。11/21/202316〔3〕機械滯后試件上加載、卸載過程中，對同一機械應變，應變片指示應變值發(fā)生變化，其差值稱之機械滯后。其滯后大小與應變片承受的應變量大小有關(guān)，造成緣由主要是敏感柵、基底粘合劑在承受機械應變后所留下的機械變形。11/21/202317〔4〕橫向效應與橫向效應系數(shù)應變片在感受被測試件的應變時，橫向應變將使電阻變化率減小，從而降低靈敏度系數(shù)的現(xiàn)象，稱為應變片的橫向效應。在同一單向應力作用下，垂直于單向應變方向安裝的應變計的指示應變與平行于單向應變方向安裝的同批應變計的指示應變之比，稱為橫向應變系數(shù)。所以，為了減小橫向效應的影響，應變片都做成窄長的外形?！?〕零點漂移指試件空載〔不受應力作用〕、溫度恒定的條件下，指示應變隨時間的變化值。11/21/202318〔6〕蠕變粘貼在試件上的應變片，在恒溫恒載條件下，指示應變隨時間的變化數(shù)值稱為蠕變?！?〕應變極限對于已安裝的應變計，在溫度恒定時，指示應變和真實應變的相對誤差不超過規(guī)定數(shù)值的真實應變值，稱為應變極限。如圖所示。11/21/202319〔8〕疲憊壽命在恒定幅值交變應力作用下，連續(xù)工作到產(chǎn)生疲憊損壞的循環(huán)次數(shù)，稱為應變片的疲憊壽命?！?〕溫度效應及熱輸出由于環(huán)境溫度變化的影響，將使應變片的電阻發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應變計的溫度效應。而由于溫度變化引起的應變輸出稱為熱輸出。熱輸出定義為：當應變片安裝在某一線性膨脹系數(shù)的試件上，試件可以自由膨脹，在緩慢升〔或降〕溫的均勻溫度場內(nèi)，由溫度變化引起的指示應變。11/21/202320從上面可知，影響熱輸出因素主要有三個：溫度變化；應變片敏感柵材料電阻溫度系數(shù)；試件材料和敏感柵材料線性膨脹系數(shù)不等。11/21/202321〔10〕應變計的最大工作電流應變片正常工作允許通過的最大電流。通常靜態(tài)測量時為25mA，動態(tài)測量時為75－100mA。工作電流過大會導致應變片過熱、靈敏度變化、零漂和蠕變增加，甚至燒毀。〔11〕絕緣電阻已安裝的應變計的敏感柵及引線與被測試件之間的電阻值。是檢查應變計的粘貼質(zhì)量與粘合劑是否枯燥或固化的重要指標。絕緣電阻越高越好，在室溫下，一般為500－5000MΩ之間?！?2〕應變片的動態(tài)特性應變片在測量變化頻率較高的動態(tài)應變時，應該考慮其頻率響應，即動態(tài)特性問題。11/21/202322應變片的動態(tài)特性最終可歸結(jié)到應變片的基長與輸入應變波的頻率的關(guān)系。假設(shè)輸入正弦應變波的極限工作頻率f與應變片基長L的關(guān)系為假設(shè)輸入應變波為階躍波時11/21/202323五、應變計測量電橋測量電橋在應變計電阻傳感器中得到廣泛的應用，構(gòu)造簡潔，靈敏度高，測量范圍寬，線性度好，精度高，易于實現(xiàn)和補償。測量電橋有直流電橋和溝通電橋，本課重點講直流電橋。1.直流電橋

11/21/202324當R1R4=R2R3時，電橋平衡，輸出為零。按接入電橋應變片的數(shù)量可分為單臂工作電橋、半橋工作電橋、全橋工作電橋。2.單臂工作電橋只有一個橋臂接入應變片，其它三個橋臂是平衡電阻。11/21/202325〔1〕立式橋立式橋〔2〕臥式橋11/21/202326〔3〕等臂電橋3.半臂工作電橋有兩只應變片接入電橋，設(shè)R1，R2作為應變片，半臂工作電橋〔1〕半臂臥式電橋11/21/202327(2)半臂等臂電橋4.全臂工作等臂電橋四個臂均接入應變片，并為差開工作，且11/21/2023285.恒流供電電橋上面所講都是恒壓供電的電橋。在全橋差開工作時，再不考慮溫度變化時，電橋的輸出與電阻的相對變化量△R／R成比例。而實際上溫度變化時，每個電阻隨溫度量為△Rt，電橋的輸出為UO=E·△R/(R+△Rt)電橋的輸出是非線性的。恒流源供電電橋如右圖所示，設(shè)4個橋臂初始電阻均為R，則IABC=IADC=I/2，。有壓力作用時，仍有IABC=IADC=I/2，則電橋輸出為11/21/202329因此，電橋的輸出與溫度無關(guān)。總結(jié)：從上面可以知道，半臂工作臥式電橋、等臂電橋的輸出是單臂工作臥式電橋、等臂電橋的輸出的2倍；而全臂工作等臂電橋的輸出是半臂工作電橋輸出的2倍。6.電橋輸出非線性誤差上述電橋輸出公式都是在△R《R的假設(shè)條件下得到。當該條件不成立時，必存非線性誤差。11/21/202330對于單臂工作的臥式電橋和等臂電橋，有相對誤差為11/21/202331假設(shè)＝2，當相對誤差<1％時，則，則，也就是應變值時，電橋輸出相對誤差。11/21/2023327.電阻應變片的溫度補償由前面內(nèi)容知道電阻應變片的熱輸出為由于應變片電阻絲溫度系數(shù)

而產(chǎn)生的誤差；由于電阻絲膨脹系數(shù)

與測試試件材料的膨脹系數(shù)之間不同而產(chǎn)生誤差。可以承受補償法消退電阻應變片的熱輸出誤差，稱為熱輸出補償。補償常用的方法有兩種：溫度自補償應變片法，用于高溫下測量；橋路補償法，用于常溫下測量?！?〕溫度自補償應變片法①單絲自補償應變片11/21/202333由式可知，假設(shè)εt=0，需αt=-k(βs-βf)，在研制和選用應變計時，假設(shè)所選擇敏感柵材料，其αt、βf能與試件βs的相匹配，即滿足上式就能到達溫度自補償?shù)哪康摹＂陔p絲自補償應變計該應變計由電阻溫度系數(shù)一正一負的兩種金屬電阻絲串接而成，如下圖。假設(shè)εt+=εt-,則正負熱輸出抵消就可到達自補償?shù)哪康摹?1/21/202334〔2〕橋路補償法①補償計法補償計法是選用型號和特性完全一樣〔靈敏度系數(shù)、電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)均一樣〕的兩只應變計，一只粘貼在被測試件上作為工作應變片，另一只粘貼在與被測試件的構(gòu)造和材料一樣而不受力的補償塊上，作為補償片；并使補償塊與被測試件處于一樣溫度環(huán)境下。假設(shè)工作片為R1，補償片為R2，把它們分別接入電橋的相鄰橋臂，構(gòu)成如圖4-14所示電橋。當被測試件受力為F，并有溫度變化Δt時，則工作應變片電阻由原來的R1變?yōu)镽1’,即

11/21/202335而補償片電阻值由原來的R2變?yōu)镽2’,即

以上兩個電阻代入電橋電壓輸出公式，即可得電橋輸出端電壓為式中R3和R4為平衡電阻，為固定值，假設(shè)令R3=R4=R0，則有代入R1’和R2’，得11/21/202336由于R1與R2型號和特性均一樣，而且感受一樣的溫度變化，則則有

由于則可得到從以上分析可知，此時指示應變值只是由于工作應變片受力引起的應變值，而由于溫度變化所產(chǎn)生的熱輸出已經(jīng)消退。11/21/202337假設(shè)補償片R2也作為工作應變片，且粘貼于被測試件的相反響變處，則R1、R2在應力和溫度變化影響下，則有

代入電壓輸出表達式，得由于R1和R2型號特性一樣，感受應力一樣，溫度影響也一樣，則有11/21/202338故

上式同樣說明，指示應變值已消退了溫度影響的熱輸出，且輸出提高了一倍。11/21/2023398.應變計測量電路直流電橋的測量電路如下圖9.電阻應變式傳感器的應用〔1〕電阻應變計式傳感器應用特點電阻應變計有兩方面的應用：一種是作為敏感元件，直接用于被測試件的應變測量；另一種是作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性元件構(gòu)成傳感器，用以對任何能轉(zhuǎn)換為彈性元件應變的其他物理量間接測量。11/21/202340(2)電阻應變式傳感器的應用電阻應變式傳感器可用于測量載荷和力、測量位移、測量加速度、測量扭矩、等。應變計式傳感器主要特點如下：*應用和測量范圍廣；*區(qū)分力和靈敏度高；*構(gòu)造輕小；*商品化，選用和使用便利。1〕載荷和力傳感器剪切梁稱重傳感器11/21/202341懸臂梁稱重傳感器柱式稱重〔測力〕傳感器S梁稱重傳感器扭矩〔力〕傳感器11/21/202342平面膜片式壓力傳感器，應變橋連接成全橋，且如下圖，應變計k=2.0，膜片允許測試的最大應變?yōu)?00，對應的壓力100kPa，電橋電壓為5V，試求最大應變時，測量電路輸出端電壓為多少？當輸出電壓為3.3V時，所測壓力為多少？A4的作用是什么？根本應用例如11/21/202343該例為恒壓源供電全橋等臂電橋，則電橋輸出電壓為電路中A1，A2，A3運放組成同相輸入并串聯(lián)差動放大電路，放大倍數(shù)為則，最大應變時電路輸出端電壓為UO=0.008*625=5V輸出端電壓為3.2V時對應的壓力為11/21/202344六、壓阻式傳感器及其應用1.壓阻效應依據(jù)電阻－應變效應，有對于金屬電阻絲而言，，而對于半導體來說，，所以半導體的電阻－應變效應為π-半導體材料的壓阻系數(shù)；E-半導體材料的彈性模量，約為1.67X1011Pa。11/21/2023452.半導體應變片依據(jù)制造工藝及安裝方式不同，半導體應變片可分為體型半導體應變片〔粘貼式〕、薄膜型半導體應變片〔利用真空沉積技術(shù)將半導體材料沉積在絕緣基