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1、测控电路（含传感器）MEASURING & CONTROLING CIRCUIT AND SENSOR,2009,天津大学精密仪器与光电子工程学院,Ch2 电阻式传感器,CH2 电阻式传感器,温度传感器,基本原理,CH2 电阻式传感器,应力与应变,一、应力,F=F,应力：由外力引起的内力集度,应力与应变,二、应变,轴向应变 l /l (1)径向应变 r /r (2),- (泊松比) (3),应力与应变,二、应力与应变的关系,E:杨氏弹性模量, E,应力与应变,二、应力与应变的关系,(1),(2),=485 u (3),一、工作原理,横截面：A长 度：l半 径：r电阻率：,横截面：A+A
2、 长 度：l+l 半 径：r+r 电阻率：+,1 应变式传感器,机械变形,满足关系式： - (泊松比),轴向应变 l /l 径向应变 r /r,一、工作原理,1 应变式传感器,电阻变化,1 应变式传感器,(1+2),阻值变化,一、工作原理,1 应变式传感器,几何变形,电阻率变化,电阻应变效应：,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。,应变式传感器是利用电阻应变效应，将被测物体变形转换成电阻变化的传感器。,一、工作原理,1 应变式传感器,一、工作原理,1 应变式传感器,如何应用应变式传感器进行测量？,敏感栅,一、工作原理,1 应变式传感器,应变片
3、,一、工作原理,1 应变式传感器,如何应用应变式传感器进行测量？, E,一、工作原理,1 应变式传感器,如何应用应变式传感器进行测量？,金属丝式 金属箔式 金属薄膜式,根据敏感栅分：,二、类型与结构,1 应变式传感器,金属丝式,特点：制作简单、成本低廉、使用方便、性能稳 定、存在横向效应。,二、类型与结构,1 应变式传感器,特点：（1）可制成复杂形状的敏感栅； （2）与试件接触面积大，粘结与散热性好； （3）横向效应小； （4）电阻值分散性大。,金属箔式,二、类型与结构-,1 应变式传感器,（1）机械性能发生极大的改变；（2）无需与基体粘贴，消除滞后；（3）适于批量生产； （4）允许电流密度大
4、，灵敏系数大，温度影响小；,利用薄膜技术制成厚度小于0.1um的薄膜敏感栅。,特点：,金属薄膜式,二、类型与结构,1 应变式传感器,1、灵敏系数,（1）与金属材料有关，常选用K较大的合金材料；,K 称为灵敏系数，k (1+2)，一般为2左右,（2）实际的金属应变片比金属丝的K值小.,三、特性指标,1 应变式传感器,2、机械滞后,原因：主要是敏感栅、基底和粘合层在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的。,应变片安装在试件上，在一定温度下，其加载特性与卸载特性不重合，它们的最大差值称为应变片的机械滞后。,三、特性指标,1 应变式传感器,3、零漂和蠕变,粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机
5、械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。,三、特性指标,1 应变式传感器,如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。,蠕变中包含零漂，零漂是蠕变的特例。,3、零漂和蠕变,三、特性指标,1 应变式传感器,4、横向效应,弯成敏感栅以后，长度不变，但由于弧段的存在， R1 R2,所以灵敏系数k减小，这种现象就是横向效应。,三、特性指标,1 应变式传感器,5、其他特性,（1）最大工作电流；（2）绝缘电阻；（3）电阻值R. 如何选择这些参数？,三、特性指标,1 应变式传感器,三、特性指标,1 应变式传感器,应变片：标称电阻R120灵敏度系
6、数K2,12024851060.12,0.1%,(1+2),阻值变化,几何变形,电阻率变化,一、工作原理,2 压阻式传感器,半导体,这个式子表达的现象称为压阻效应，即半导体材料受力作用时，电阻率发生变化。压阻式传感器就是利用压阻效应工作的。,一、工作原理,2 压阻式传感器,1、粘贴式,2、扩散型,一、工作原理,2 压阻式传感器,灵敏系数Kb60150，灵敏系数特别大，这是压阻 式传感器的突出特点； 不存在横向效应 半导体材料的导电特性对温度非常敏感。,阻值变化：,Kb,一、工作原理,2 压阻式传感器,3 转换电路,一、直流电桥,3 转换电路,平衡时：UB=UD,条件：R4 /R3 = R2 /
7、R1,一、直流电桥,3 转换电路,一、直流电桥,3 转换电路,Uo UB UD,时,一、直流电桥,3 转换电路,电桥灵敏度：,（1）Ku与输入电压有关；,（2）Ku与n有关。（何时Ku最大）？,一、直流电桥,3 转换电路,如何克服直流单臂电桥的非线性问题？,差动技术： f(x)=a0 +a1x +a2x2 + anxn f(-x)=a0 -a1x +a2x2 + an(-x)n,f(x)=2a1x +2a3x3 +,二、差动电桥,3 转换电路,二、差动电桥,3 转换电路,三、恒流源,3 转换电路,恒流源如何减小非线性？,用应变片测量时，由于环境温度变化而引起电阻变化，由此而产生的测量误差，称为
8、应变片的温度误差。,三、温度误差与补偿,3 转换电路,原因敏感栅电阻随温度的变化引起的误差,三、温度误差与补偿,3 转换电路,t温度增量,电阻温度系数,原因试件材料的线膨胀引起的误差,三、温度误差与补偿,3 转换电路,灵敏度系数,试件膨胀系数,应变片膨胀系数,原因总的误差,三、温度误差与补偿,3 转换电路,热输出,方法 （1）自补偿法,三、温度误差与补偿,3 转换电路,对于给定的试件，通过对敏感栅材料合适的热处理工艺、改变合金成份等措施，使得 at 满足上式。 或两段不同材质的敏感栅串接，使得R1 R2,（2）线路补偿法 接入消除温度影响的电阻。如差动补偿、热敏电阻、补偿电阻。,三、温度误差与
9、补偿,3 转换电路,R1,Rc,1、结构简单，使用方便、性能稳定、可靠、适应性强,信号处 理简单，能适应较大的振动和冲击，抗辐射能力强；2、灵敏度、精度高、动态测量，测量范围大；3、便于多点测量、远距离测量和遥测；4、压阻式灵敏系数大、分辨率高、频率响应高、体积小、适于半导体工艺、机械滞后小、横向效应小、但易受温度影响、机械强度差。,一、应用特点与范围,4 应用,综合误差在 1.0%-0.1%，高精度力传感器已能达到0.03%-0.01%。 压力：104-109Pa；力：0.1-107N,一、应用特点与范围,4 应用,1、应变、应力；2、力，如拉力、压力、压强、扭矩；3、加速度、位移等。,一、应用特点与范围,4 应用,广泛用于测应力、应变、力、称重、位移、加速度及扭矩等，并且在力学量传感器中，电阻应变式传感器至今仍占有主导地位。,一、应用特点与范围,4 应用,建筑上常用应变片检测建筑物的所承受的应力和应变。如大坝、立交桥的立柱等。可以长时间检测。 粘贴在建筑物表面； 浇注在混凝土中。,二、应用举例,4 应用,二、应用举例,4 应用,二、应用举例,4 应用,二、应用举例,4 应用,二、应用举例,4 应用,大型称重,二、应用举例,4 应用,弹性元件,二、应用举例,4 应用,二、应用举例,4 应用,二、应用举例,4 应用,应变式位移传感器,二、应用举例,4 应用,a,