传感技术精实用教案

1、电阻电阻(dinz)(dinz)应变式传感器应变式传感器 目前自动(zdng)测力或称重中应用最普遍的是应变式传感器，应变式传感器有下列优点： 1.精确度，线性度好，灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小，寿命高 3.容易与二次仪表相匹配实现自动(zdng)检测 4.结构较简单，体积较小应用灵活 5.工作稳定和保养方便应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速度，振幅等其他物理量。 电阻(dinz)应变式传感器是利用金属或半导体的电阻(dinz)应变效应，将被测量转换为电量输出的一种传感器。第1页/共70页第一页，共71页。一、工作(gngzu)原理（一）金属的电阻应变效应当金属丝在外力作用下

2、发生机械变形时，其电阻值发生变化。取一根长度为L，截面积为S，电阻率为 的金属丝，未受力时其电阻R为.LRS第2页/共70页第二页，共71页。 当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长L, 横截面积相应(xingyng)减小S, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变, 故引起电阻值相对变化量为SSLLRR式中L/L是长度相对变化量, 用应变(yngbin)表示LLS/S为圆形电阻丝的截面积相对(xingdu)变化量, 即 rrSS2第3页/共70页第三页，共71页。由材料力学可知(k zh), 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为LLrr式

3、中: 电阻丝材料(cilio)的泊松比, 负号表示应变方向相反。 或)21 (RR)21 (RR第4页/共70页第四页，共71页。 通常把单位应变(yngbin)能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变(yngbin)所引起的电阻相对变化量, 其表达式为012K 0RkR因此(ync)灵敏度系数受两个因素影响: 受力后材料几何尺寸的变化(binhu), 即（1+2）; 受力后材料的电阻率发生的变化(binhu), 即/ 。第5页/共70页第五页，共71页。 用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通

4、过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。 通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加速度、压力(yl)等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传感器。( (二二) )应变片的基本结构应变片的基本结构(jigu)(jigu)及测量原及测量原理理第6页/共70页第六页，共71页。（1）敏感栅 感受应变(yngbin)，并将应变(yngbin)转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。（2）基底 绝缘及传递应变(yngbin)。测量是应变(yngbin)片的基底提高粘结剂粘在试件上，要求基底准确地把试件应变(yngbin)传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好，

5、否则应变(yngbin)片微小电信号就要漏掉。 由纸薄、胶质膜等制成。第7页/共70页第七页，共71页。（3）粘结剂 敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。（4）覆盖层保护作用。防湿、蚀、尘。（5）引线(ynxin)连接电阻丝与测量电路，输出电参量。第8页/共70页第八页，共71页。二、应变二、应变(yngbin)片的类型和材料片的类型和材料（一）应变片的类型和材料1.金属丝式应变片回线式：横向(hn xin)效应较大短接式：克服横向(hn xin)效应金属丝式应变片材料要求第9页/共70页第九页，共71页。2.金属(jnsh)箔式应变片箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度为0.003

6、0.01mm电阻箔材，利用照相制版(zho xing zh bn)或光刻技术，制成各种需要的形状。优点：可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；与被测件粘结面积大；散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；横向效应小；蠕变和机械滞后(zh hu)小，寿命长。缺点：电阻值的分散性大第10页/共70页第十页，共71页。3.金属(jnsh)薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成(xngchng)厚度在0.1微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大。存在问题：温度稳定性差(二)应变片的粘贴 应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形成

7、(xngchng)的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线性以及它们受温度变化影响的程度。对粘合剂和粘贴工艺有严格要求第11页/共70页第十一页，共71页。 电路的作用：将电阻(dinz)的变化量转换为电压输出。 通常采用直流电桥和交流电桥。 一、 直流电桥 1. 直流电桥工作原理 三、转换(zhunhun)电路第12页/共70页第十二页，共71页。直流电桥电路(dinl)如图所示，它的四个桥臂由电阻1,2,3,4R R R R组成(z chn)AC端接(dun ji)直流电压UBD端输出电压0U一

8、般情况桥路应接成等臂电桥,输出为零。这样无论哪个桥臂上受到外来信号作用后，桥路都将失去平衡，就会有信号输出。第13页/共70页第十三页，共71页。电桥输出端接入输入阻抗很高的指示仪表或放大器时，可认为电桥负载为无穷大，电桥输出端相当于开路，只能输出电压信号(xnho)，称为电压输出。此时，桥路的电流为：112UIRR234UIRRAB之间和CD之间的电位差分别(fnbi)为：11ABUI R23ADUI R第14页/共70页第十四页，共71页。01123ABADUUUI RI R314231012341234()()()RR RR RRUUURRRRRRRR311234URURRRRR空载(k

9、n zi)输出当电桥(din qio)平衡时, Uo=0, 则有 R1R4 = R2R3 或4321RRRR电桥(din qio)平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。第15页/共70页第十五页，共71页。电桥接入的是电阻应变片时，即为应变桥。当一个(y )桥臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时，相应的电桥为单臂桥、半桥和全臂桥。2不平衡直流电桥的工作原理及电压灵敏度 当电桥后面(hu mian)接放大器时，放大器的输入阻抗很高，比电桥输出电阻大很多，可把电桥输出端看成开路。R1为电阻(dinz)应变片，RL 。311401123411234()()()RRR RUU

10、URRRRRRRRRR第16页/共70页第十六页，共71页。413113124113(1)(1)RRRRUR RRRRRRR同除以 设桥臂比n = R2/R1, 分母中R1/R1可忽略(hl)。 由电桥平衡条件R2/R1= R4/R3。 1021(1)RnUUnR电桥(din qio)电压灵敏度定义为0211(1)UUnKURnR第17页/共70页第十七页，共71页。 提高灵敏度的措施 提高供电电源的电压(diny)U（在功耗允许的范围内） n=1 R1=R2=R3=R4由dKU /dn = 0求KU的最大值, 得0)1 (132nndndKU n=1时, KU为最大值。 当R1=R2=R3=

11、R4时, 电桥电压(diny)灵敏度最高, 此时有第18页/共70页第十八页，共71页。1044URUURUK得出(d ch)单臂电桥电桥输出为04UUK直流电桥(din qio)的优点：高稳定度直流电源易于获得，电桥(din qio)调节平衡电路简单，传感器及测量电路分布参数影响小等。第19页/共70页第十九页，共71页。 （二）电桥的非线性误差(wch)单臂桥实际输出为：非线性误差(wch)为11011(1)(1)RnRUURnnR 11110001RRnRRUUUL对于(duy)对称电桥，n=1KKRRRRL211212121111第20页/共70页第二十页，共71页。（1）采用差动电桥

12、减小非线性误差试件上安装两个(lin )应变片，R1 受拉，R2受压。接入电桥相邻桥臂, 则电桥输出电压为 对于一般应变片来说, 所受应变通常在510-3以下, 若取KU=2, 则R1/R1=KU=0.01, 代入式（3 - 38）计算得非线性误差(wch)为0.5%; 若KU=130, =10-3时, R1/R1=0.130, 则得到非线性误差(wch)为6%, 故当非线性误差(wch)不能满足测量要求时, 必须予以消除。 3110112234()RRRUURRRRRR第21页/共70页第二十一页，共71页。如果(rgu)R1=R2, R1=R2, R3=R4, 则得1012RUUR结论(j

13、iln)：差动电桥消除了非线性误差，灵敏度比单臂电桥提高了一倍。且具有温度补偿作用。全桥差动电路(dinl)：R1R4受拉应变, R2R3两个受压应变, 将两个应变符号相同的接入相对桥臂上第22页/共70页第二十二页，共71页。3311011223344()RRRRUURRRRRRRR101RUURUKU 结论：全桥电路电压灵敏度为单臂桥的4倍，消除了非线性误差，且具有温度(wnd)补偿作用。若R1=R2=R3=R4, 且R1=R2=R3=R4, 则(2)采用(ciyng)恒流源电桥减小非线性误差第23页/共70页第二十三页，共71页。(二)交流电桥当被测量为动态量时，应变电桥(din qio

14、)采用交流电桥(din qio)。 由于供桥电源为交流电源, 引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性, 相当于二只应变片各并联了一个电容, 则每一桥臂上复阻抗分别为 11111CjwRRRZ22222CjwRRRZ33RZ 44RZ )()(432132410ZZZZZZZZUU输出电压第24页/共70页第二十四页，共71页。 要满足(mnz)电桥平衡条件, 即U0=0, 则有 Z1 Z4 = Z2 Z3 将Z1 、Z4 、 Z2、 Z3值代入得3222411111RCjwRRRCjwRR 整理(zhngl)上式得24241313CjwRRRCjwRRR第25页/共70页第二十五页，共71

15、页。交流电桥的平衡条件为 3412RRRR2112CCRR结论： 交流电桥除了要满足电阻(dinz)平衡条件外, 还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻(dinz)平衡调节外还设有电容平衡调节。第26页/共70页第二十六页，共71页。当被测应力(yngl)变化引起Z1= Z0+Z, Z2=Z0Z变化时, 则电桥输出为：0001()22ZZUUZ第27页/共70页第二十七页，共71页。交流电桥平衡(pnghng)调节第28页/共70页第二十八页，共71页。四、温度误差(wch)及其补偿环境温度变化时，敏感栅电阻(dinz)随温度的变化引起 的误差。环境温度变化时，试件材料的线膨胀引起(y

16、nq)的误差第29页/共70页第二十九页，共71页。 1. 应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。 1) 电阻温度系数的影响(yngxing) 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： Rt=R0(1+0t) 第30页/共70页第三十页，共71页。式中: Rt温度(wnd)为t时的电阻值； R0温度(wnd)为t0时的电阻值； 0温度(wnd)为t0时金属丝的电阻温度(wnd)系数； t温度(wnd)变化值，t=t-t0。 当温度(wnd)变化t时，电阻丝电阻的变化值为： R=Rt-R0

17、=R00t 第31页/共70页第三十一页，共71页。 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，电阻丝的变形仍和自由(zyu)状态一样，不会产生附加变形。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，由于环境温度的变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为l0, 它们的线膨胀系数分别为s和g，若两者不粘贴，则它们的长度分别为 ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt) 第32页/共70页第三十二页，共71页。 当两者粘贴在一起时，电阻(dinz)丝产生的附加变形l、附加应变和附加电阻(di

18、nz)变化R分别为 tRKRKRtlltllllsgsggsgsg)()()(000000第33页/共70页第三十三页，共71页。由于温度(wnd)变化而引起的应变片总电阻相对变化量为 tKtKtRRRRRsgsgt)()(000000因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关(yugun)外，还与应变片自身的性能参数（K0, 0, s）以及被测试件线膨胀系数g有关(yugun)。 第34页/共70页第三十四页，共71页。 2. 电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。 1) 线路补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。

19、图 (a)是电桥补偿法的原理图。电桥输出(shch)电压Uo与桥臂参数的关系为： Uo=A(R1R4-RBR3) 第35页/共70页第三十五页，共71页。式中, A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知， 当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反(xingfn)。 利用这一基本关系可实现对温度的补偿。 测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变, 如图 (b)所示。 当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有 0)(341RR

20、RRAUBo工程上，一般按R1 = RB = R3 = R4 选取(xunq)桥臂电阻。 第36页/共70页第三十六页，共71页。图 电桥(din qio)补偿法R1R3RBR4UoR1RB(a)(b)R1工作应变片；RB补偿应变片FFU第37页/共70页第三十七页，共71页。 当温度升高或降低t=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡(pnghng)状态， 即 0)()(3411RRRRRRAUBtBto若此时被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受(chngshu)应变，故不产生新的增量， 此时电桥输出电压为 KRAR

21、Uo41由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变有关(yugun)， 而与环境温度无关。 第38页/共70页第三十八页，共71页。 应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件： 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度(wnd)系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度(wnd)场。 第39页/共70页第三十九页，共71页。 2) 应变片的自补偿(bchng)法 这种温度补偿(bchng)法是利用自身具有温度补偿(bc

22、hng)作用的应变片(称之为温度自补偿(bchng)应变片)来补偿(bchng)的。根据温度自补偿(bchng)应变片的工作原理， 可由式（3-27）得出，要实现温度自补偿(bchng)，必须有 )(00sgK 上式表明，当被测试件的线膨胀系数g已知时，如果合理选择敏感栅材料， 即其电阻温度系数0、灵敏系数K0以及线膨胀系数s，满足(mnz)式，则不论温度如何变化，均有Rt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。 第40页/共70页第四十页，共71页。二、 电阻应变(yngbin)片的测量电路 直流电桥(din qio) 1. 直流电桥(din qio)平衡条件 电桥(din qio)电路如图所

23、示，图中E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。 当RL时，电桥(din qio)输出电压为 433211RRRRRREUo第41页/共70页第四十一页，共71页。当电桥(din qio)平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3或 4321RRRR 式为电桥平衡条件。 这说明欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对(xingdu)两臂电阻的乘积应相等。 第42页/共70页第四十二页，共71页。图 直流电桥 R1R2R4R3ACBEDIoRLUo第43页/共70页第四十三页，共71页。 2. 电压灵敏度 应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小

24、，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路(kil)情况。当受应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不平衡，输出电压为 第44页/共70页第四十四页，共71页。341211113443211414332111111)(RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo第45页/共70页第四十五页，共71页。 设桥臂比n=R2/R1，由于(yuy)R1R1，分母中R1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则式 可写为 ERRnnUo112)1 ( 电桥(din qio)电压灵敏度定

25、义为 EnnRRUKoU211)1 ( 第46页/共70页第四十六页，共71页。 从式分析发现： 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压， 供电电压越高， 电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择； 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有(jyu)较高的电压灵敏度。 当E值确定后，n取何值时才能使KU最高。 第47页/共70页第四十七页，共71页。由dKU/dn = 0求KU的最大值，得 0)1 (132nndndKU求得n=1时，KU为最大值。这就是说，在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥(din qio)电压

26、灵敏度最高，此时有 4411EKRREUUo从上述可知，当电源电压E和电阻相对变化量R1/R1一定时， 电桥的输出(shch)电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。 第48页/共70页第四十八页，共71页。 3. 非线性误差及其补偿方法 式 是略去分母中的R1/R1项，电桥输出电压与电阻相对变化成正比的理想(lxing)情况下得到的，实际情况则应按下式计算， 即 )1 (11111nRRnRRnEUo 与R1/R1的关系是非线性的，非线性误差为 oU11111RRnRRUUUoooL第49页/共70页第四十九页，共71页。如果是四等(s dn)臂电桥，R1=R2=R3=R4，即n

27、=1， 则 1111212RRRRL对于一般应变(yngbin)片来说，所受应变(yngbin)通常在5000以下，若取KU=2，则R1/R1=KU=0.01，代入式计算得非线性误差为0.5%；若KU=130，=1000时，R1/R1=0.130，则得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。 第50页/共70页第五十页，共71页。 为了减小和克服非线性误差，常采用差动电桥如图所示， 在试件上安装两个工作(gngzu)应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂，称为半桥差动电路， 如图 (a) 所示。 该电桥输出电压为 433221111RRRRRRRRR

28、EUo若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得 112 RREUo由式可知，Uo与R1/R1成线性关系，差动电桥无非线性误差，而且(r qi)电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍，同时还具有温度补偿作用。 第51页/共70页第五十一页，共71页。 若将电桥四臂接入四片应变片，如图 （b）所示，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(xingdu)桥臂上，构成全桥差动电路。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则 EKRREUUo11 此时全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍，同时仍具有温度(wnd)补偿作用。 第52页/

29、共70页第五十二页，共71页。图 差动电桥(din qio) R1 R1R4R3ACBEDR2 R2Uo(a)R1 R1ACBEDR2 R2Uo(b)R3 R3R4 R4第53页/共70页第五十三页，共71页。 交流电桥 根据直流电桥分析可知，由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。 图 为半桥差动交流电桥的一般形式， 为交流电压源， 由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容，则每一桥臂上复阻抗分别为 U第54页/共70页第五十四页，共71页。44312222111111RZ

30、RZCRjRZCRjRZ式中, C1、C2表示应变(yngbin)片引线分布电容。 第55页/共70页第五十五页，共71页。图 交流电桥 Z1UoU(a)Z2Z3Z4R1R2R4R3oUC1C2U(b)第56页/共70页第五十六页，共71页。由交流电路分析(fnx)可得 )(43213241ZZZZZZZZUUo要满足(mnz)电桥平衡条件，即Uo=0，则有 Z1Z4=Z2Z3 取Z1=Z2=Z3=Z4，可得 3222411111RCRjRRCRjR第57页/共70页第五十七页，共71页。整理(zhngl)得 24241313CRjRRCRjRR其实部、虚部分别相等(xingdng)，并整理可

31、得交流电桥的平衡条件为 3412RRRR及 2112CCRR第58页/共70页第五十八页，共71页。R1R2R4R3ACR5DUoU(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU( d )BRD图 交流电桥平衡(pnghng)调节第59页/共70页第五十九页，共71页。 当被测应力变化引起(ynq)Z1=Z10+Z, Z2=Z20-Z变化时（且Z10=Z20=Z0），则电桥输出为 00021212ZZUZZZUUo第60页/共70页第六十页，共71页。压阻式传感器压阻式传感器压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要

32、发生变化，这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。半导体压阻式传感器的分类：粘贴式应变(yngbin)片扩散硅型压阻传感器特点：灵敏系数大，分辨率高，频率影响高，体积小。主要用于测量压力、加速度和载荷等第61页/共70页第六十一页，共71页。一、半导体应变片结构及工作(gngzu)原理 1、半导体应变片的制作与结构制作材料用单晶硅、锗。P型单晶硅结构如图。在直角坐标系中它有许多晶轴方向，实验发现沿不同晶轴方向压阻系数相差很大（电阻率变化相差很大）。第62页/共70页第六十二页，共71页。2、工作原理压阻效应：半导体沿某一轴向受到应力而产生(chnshng)应变时，其电阻率发生变化，此现象为压阻效应。 一、基本工作原理(12 )RlRl半导体电阻率的变化(binhu)为：llelEl 第63页/共70页第六十三页，共71页。半导体电阻材料有结晶的硅和锗，掺入杂质形成P型和N型半导体。当硅膜比较薄时，在应力(yngl)作用下的电阻相对变化为：lleeleleRR 纵向压阻系数横向压阻系数纵向应力横向应力第64页/共70页第六十四页，共71页。二、温度(wnd)误差及其补偿 压阻式传感器受到温度影响后，要产生零位漂移(pio y)和灵敏度漂移(pio y)，因而会产生温度误差。 传感器灵敏度的温漂是由