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1、传感器技术电阻应变式传感器,1,第四章 敏感元件及与传感器技术,传感器技术电阻应变式传感器,2,1）传感器的定义 传感器（Transducer/sensor）的定义为：“能感受（或响应）规定的被测量，并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,4.1 传感器概论,2）传感器的组成,传感器技术电阻应变式传感器,3,敏感元件(Sensing element) 是指传感器中能直接感受被测量的部分,转换元件(Transition element) 是指传感器中能将
2、敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。,信号调理电路：能把转换输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。常用电桥、放大器、阻抗变换器等,传感器技术电阻应变式传感器,4,3） 传感器分类 （1）按被测量分类 机械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振动、噪声 热工量：温度、热量、流量（速）、风速、压力（差）、液位 物性参量：浓度、粘度、比重、酸碱度 状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损、表面质量 （2）按测量原理分类 按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。,传感器技术电阻应变式传感器,5,（3）按信号变换特征分
3、类 结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。例如:电容式和电感式传感器. 物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号变换。例如:水银温度计,压电测力计. （4）按能量关系分类 能量转换型：传感器直接由被测对象输入能量使其工作。例如:热电偶温度计,压电式加速度计.也称有源传感器。 能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如:电阻式、电容式、电感式.也称无源传感器。,传感器技术电阻应变式传感器,6,4.2 电阻式传感器,电位器式,电阻应变式,热敏效应式,其结构简单、易于制造、价格便宜、性能稳定、输出功率大，是目前在非电量检测技术中应
4、用最广、最成熟和最重要的传感器之一.,把被测量转换为电阻变化的一种传感器，是一种能量控制型传感器,可用于测量应变、位移、力、压力和加速度等参数。,传感器技术电阻应变式传感器,7,电阻应变式,金属电阻应变片,半导体应变片,按应变片所用的材料可分为：,导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化。,主要作用是敏感元件实现应变电阻的变换。,传感器技术电阻应变式传感器,8,（1）电阻应变片工作原理：,工作原理：,电阻丝电阻值：,纵向应变,横向应变：当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小,对上式进行全微分，并用相对变化量来表示：,泊松比,电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力
5、有关。,弹性模量,纵向压阻系数,传感器技术电阻应变式传感器,9,因此：,分析：,是由电阻丝几何尺寸改变引起的。,是由电阻丝的电阻率随应变的改变引起的。,注意：对金属电阻丝来说， 是很小的，可忽略；对半导体应变片来说， 是很小的，可忽略。 这正是两类电阻应变式传感器原理的主要区别。,传感器技术电阻应变式传感器,10,电阻丝应变片,金属电阻应变片：,常用的电阻材料：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金,灵敏度：,敏感元件是金属丝栅。,常用的结构形式：丝式、箔式、薄膜式,工作原理是基于金属导体的应变效应，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。,传
6、感器技术电阻应变式传感器,11,箔式应变片,1. 金属箔栅很薄，感受的应力状态与试件表面应力状态更接近 2. 箔材表面积大，散热条件好，所以允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度 3. 箔栅的尺寸准确、均匀，能制成任意形状，扩大了应变片的使用范围,优点：,敏感元件是通过照相制版或光刻腐蚀等工艺制成的薄金属箔栅。,缺点：,1. 生产工序较复杂； 2. 引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量。 3. 价格较贵,传感器技术电阻应变式传感器,12,一般市售电阻应变片的标准阻值有60、120、350、600、1000欧等，其中120欧应用最多。,通常静态测量时，允许的电流一般规
7、定为25mA，动态测量时可达75100mA，箔式应变片则可更大些。,选用应变片时，要考虑应变片的性能参数，主要是应变片的电阻值、灵敏度、允许电流、应变极限等。,传感器技术电阻应变式传感器,13,优点：灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小. 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,半导体应变片：,压阻效应是指当半导体受到应力作用时，由于载流子迁移率的变化，使其电阻率发生变化的现象 。,工作原理是基于半导体材料的压阻效应。因此，有时也称为压阻传感器。,灵敏度：,从半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使电阻率发生很大变化。,目前，国产半导体应变片大都采用P型硅单晶制成。,传感
8、器技术电阻应变式传感器,14,金属电阻应变片,半导体应变片,利用金属导体形变引起电阻的变化 。一般制作应变片的金属丝的灵敏度K0在1.73.6之间，有些工程书上，直接将金属丝应变片的灵敏度K0定义为2。,利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。用半导体应变片制成的传感器亦称为压阻传感器。半导体应变片具有很高的灵敏度（是金属丝应变片灵敏度大5070倍 ），但其最大的特点是温度灵敏度高，非线性严重及安装困难。,当测量较小应变时，一般选用压阻 效应工作的应变片，而测量大应变时，一般选用应变效应工作的应变片,传感器技术电阻应变式传感器,15,（2） 电阻式传感器的测量电路 由于机械应变一般都很小，要把微小
9、应变引起的微小电阻值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化 转换为电压或电流的变化，因此，需要设计专用的测量电路，常用桥式测量电路。 该电路目标：提高输出灵敏度、进行温度补偿,传感器技术电阻应变式传感器,16,当 时，电桥的输出电压 应为： 当电桥平衡时， ，由上式可得到 或 称为电桥平衡条件,1）直流电桥平衡条件 直流电桥的基本形式如图，R1，R2，R3，R4称为电桥的桥臂，RL为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。,电桥线路原理图,传感器技术电阻应变式传感器,17,不受力时，使电桥平衡,受应力或温度使电阻值变化时：,为使分析简化，选择,2）常用电桥电路,传感器技术电阻应变式传感器,18
10、,一般情况下， ，化简得到：,利用上式的和差特点，可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。,传感器技术电阻应变式传感器,19,为达到完全补偿，需满足下列三个条件： 互相补偿的应变片须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数都相同，互补应变片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件材料必须相同，即要求其线膨胀系数相等； 互相补偿的应变片处于同一温度环境中。,传感器技术电阻应变式传感器,20,根据工作中电阻值参与变化的桥臂的个数， 将电桥分为： 半桥式、全桥式,半桥单臂,只有一个桥臂 阻值随被测量而变化,若四个桥臂的初始电阻值相等， 且 时,传感器技术电阻应
11、变式传感器,21,半桥双臂,工作时，有相邻两个桥臂 阻值随被测量而变化。,若四个桥臂的初始电阻值相等，,设相邻两个桥臂阻值变化量相等时，为使输出不为零且提高灵敏度，使电阻变化方向相反（即一个阻值增大，另一个则减小）.,传感器技术电阻应变式传感器,22,全桥接法,工作时四个桥臂都随被测量变化。,设四个桥臂的阻值变化量相等：,若四个桥臂的初始电阻值相等，,为使输出不为零且提高输出灵敏度，任意两相邻桥臂电阻值变化方向均相反，此时：,传感器技术电阻应变式传感器,23,将 作为输入（有的仅把 当作输入），由此可以求得上述各种电桥的灵敏度分别为 半桥单臂： 半桥双臂： 全桥：,比较：,根据理想线性关系分析
12、所得,传感器技术电阻应变式传感器,24,当仅桥臂AB单臂承受应变 ，产生 时，,上式是在假定 时得到的。,此时电桥的实际输出是：,电桥的相对非线性误差为：,如果已知 ，并对非线性误差 提出要求，则通过上式可计算出允许测量的最大应变量。,当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。,传感器技术电阻应变式传感器,25,结论：如果被测应变大于10000，采用等臂电桥时的非线性误差大于1%。,例：设K=2，要求非线性误差1%，试求允许测量的最大应变值max。,传感器技术电阻应变式传感器,26,（3）电阻应变式传感器的应用,直接用来测定结构的应变或应力，如为了研究某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用不
13、同形状的应变片，粘贴在构件的选定部位，测得构件的拉、压应力或弯矩等，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的试验数据。 将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件得到与被测量成比例的应变，再由应变片转换为电阻的变化。,注意：电阻应变片必须被粘贴在试件或弹性单元上才能工作，应将其粘贴在应变最大的部位。粘合剂和粘合技术对测量结果有直接影响。,传感器技术电阻应变式传感器,27,因此，轴向应变片感受到的应变为（ ）：,圆周方向应变片感受到的应变为（ ）：,弹性元件分为实心和空心两种。实心圆柱可承受较大负荷；空心圆桶横向钢度大，稳定性好。,在
14、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。在与轴线任意夹角的方向，其应变为 ：,载荷,杨氏模量,1、柱式力传感器,传感器技术电阻应变式传感器,28,传感器技术电阻应变式传感器,29,传感器技术电阻应变式传感器,30,2、梁式力传感器,等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。,这种弹性元件的特点是：其截面按一定的规律变化，当集中力作用在自由端时，距作用力任何距离的截面上应力相等。,传感器技术电阻应变式传感器,31,传感器技术电阻应变式传感器,32,3、 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
15、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。,（b）,（a）,应变式压力传感器,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,传感器技术电阻应变式传感器,33,根据力学公式，当均匀压力作用在薄板上时：,圆板内任一点的应变值为：,径向和切向应力,径向和切向应变,圆板的半径和厚度,与圆心的径向距离,传感器技术电阻应变式传感器,34,4、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
16、向，把传感器固定在被测部位。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。,传感器技术电阻应变式传感器,35,图4-5冲床生产量和生产过程监测,图4-6电阻应变式电子秤,图4-7机械手,传感器技术电阻应变式传感器,36,作 业,1. 电阻应变片的种类有哪些？各有何特点？ 2. 电阻应变片阻值为120，灵敏度系数为K=2，沿纵向粘贴于直径为0.05的圆柱形钢柱表面，钢材的弹性模量为 ， ， 求钢柱受10吨拉力作用时，应变片的电阻相对变换量和电阻变化量，又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴，受同样拉力作用时，应变电阻的相对变化量为多少？,传感器技术电阻应变式传感器,37,3.有一薄壁圆管式拉力传感器如下图a所示。已知其弹性元件材料的泊松比为0.3，电阻应变片的灵敏系数K为2，贴片位置如下图b所示。若受拉力P作用，问： （1）欲测量拉力P的大小，应如何正确组成电桥（画出组成电桥图）？ （2）当供桥电压U2V，应变12500时，输出电压Uo是多少？ （11106）,