传感器检测技术05第五章

1.掌握传感器工作原理及性能2.了解传感器结构、种类3.掌握测量电路及其补偿方法4.掌握应变片的布置及接桥方式5.了解传感器的应用第5章电阻应变式传感器

电阻式传感器的基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。其种类繁多，应用广泛。按照其工作原理可分为：变阻器(电位器)式、电阻应变式、固态压阻式、热敏电阻式、气敏电阻式、磁敏电阻式等。电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。

应用范围：用于位移、加速度、力、压力、力矩等各种参数测量。电阻应变式传感器特点：①精度高，测量范围广；②使用寿命长，性能稳定可靠；③结构简单，体积小，重量轻；④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。3.1电阻应变片的工作原理及特性

1、工作原理

电阻应变片的基本结构：金属材料半导体材料3421电阻应变片的工作原理电阻应变效应是指金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。应变片压阻效应：半导体材料在受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。电阻丝的电阻R为代入任一参数变化均会引起电阻变化,求导数x——电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。电阻变化：对金属材料，电阻率几乎不变：对半导体材料，压阻效应为主：定义：电阻丝的灵敏度系数S0——表示单位应变所引起的电阻相对变化。

金属材料半导体材料2、电阻应变片的种类及材料

电阻应变片的种类常用有丝式、箔式、半导体式和薄膜式应变片等。丝式应变片：金属电阻应变片的典型结构。将一根高电阻率金属丝（0.025mm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间并引出导线构成。？栅状结构为了获得大的电阻变化量丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。分为丝绕式和短接式两种。

丝绕式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大；短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大5～10倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。箔式应变片：利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。半导体应变片：分为体型和扩散型两种。体型：利用半导体材料的体电阻制成。扩散型：在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成扩散型电阻。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。

薄膜应变片：采用真空沉积或高频溅射等方法，在绝缘基片上形成厚度在0.1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅——厚度大约为箔式应变片的十分之一以下。优点：应变灵敏系数大，可靠性好，精度高，容易做成高阻抗的小型应变片，无迟滞和蠕变现象，具有良好的耐热性和冲击性能等。用化学气相淀积法制备薄膜，以其成膜温度低、可靠性好、系统简单等。薄膜应变片是今后的发展趋势

3、电阻应变片的性能参数

5）其它性能参数（允许电流、工作温度、应变极限、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。

2）几何参数：敏感栅基长l和宽度b，制造厂常用

b×l表示。1）电阻值：应变片原始阻值——标准化，120Ω常用3）灵敏系数S：表示应变片变换性能的重要参数。4）绝缘电阻：应变片与试件间的阻值，越大越好。一般大于1010Ω

。电阻应变片3.2测量电路及温度补偿

电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终实现被测量的测量。

1、测量电桥应变片电桥按其电源性质的不同可以分为直流电桥和交流电桥。直流电桥只能测量电阻，而交流电桥可用于测量电阻、电感和电容的变化。

直流电桥的工作原理

平衡条件：输出定义电桥的灵敏度为：

工作时，各桥臂阻值变化，则输出电压U0

0实际使用中，为了简化桥路设计，同时也为了得到电桥的最大灵敏度，通常R1=R2=R3=R4=R0,即为等臂电桥.

直流电桥的联接方式:

a)半桥单臂b)半桥双臂c)全桥

半桥单臂：通常

输出电压为半桥双臂:全桥接法:

电桥的工作特性:

1）不同的接桥方式具有不同的电桥灵敏度，尽量采用半桥双臂或全桥方式。在R0<<R0条件下，电桥的输出与

R0/R0成正比；全桥接法可以获得最大的输出，其灵敏度为半桥单臂接法的4倍。2）电桥的和差特性全桥接法：4桥臂均为工作应变片相邻桥臂：应变极性相同时，电桥输出电压与两应变差有关；应变极性相反时，电桥输出电压与两应变和有关。相对桥臂：输出电压与应变的关系和相邻桥臂正好相反。电桥的和差特性的实际应用：①提高灵敏度——半桥双臂或全桥联接

相对桥臂：同极性相邻桥臂：反极性②实现温度补偿——全桥自动补偿半桥双臂：邻臂(同一温度场)③消除非测量载荷的干扰影响

测量用应变片补偿用应变片测量P消除M的影响

2、温度误差及补偿温度误差——附加应变

3)其他：基底材料、粘合剂等受温度影响1)电阻温度效应2)敏感栅与被测试件材料线膨胀系数不同而产生的电阻变化温度补偿方法：

1）自补偿法－选择自补偿法——敏感栅材料与试件材料－组合式自补偿2)桥路补偿法——电桥的和差特性

全桥自动补偿；半桥邻臂3)热敏电阻补偿法——热敏电阻适当分压3、应变片的布置和接桥方式

利用适当的布片和组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响，获得最大的输出灵敏度。1）应变片应布置在弹性元件产生应变最大的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的应变尽量与外载荷呈线性关系（避开非线性区），同时应注意使该处不受非待测载荷的干扰影响。2）根据电桥的和差特性，选择适当的接桥方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。重点理解：在拉、压、弯、扭等各种载荷复合作用下如何布片和组桥，如何测量由其中单一载荷所产生的应变？柱式元件——尽可能消除偏心和弯矩的影响。举例说明如下：桥臂串联或并联电阻应变片能否提高灵敏度？问题？梁式元件——固定端根部圆环——应变节点扭矩测量平面膜片——应变节点3.3电阻应变式传感器的应用

将应变片粘贴于被测试件上，直接用来测定试件的应力或应变。a)齿轮轮齿弯矩b)飞机机身应力c)立柱应力d)桥梁应力将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器，常用来测量力、位移、压力、加速度等参数应用实例应用实例——电子称应用实例——冲床监测与计数应用实例：机器人握力测量如图所示，在一受拉弯综合作用的构件上贴有四个电阻应变片。试分析各应变片感受的应变，并分析如何组桥才能进行下述测试：(1)只测弯矩，消除拉应力的影响；(2)只测拉力，消除弯矩的影响。电桥输出各为多少？解：(1)只测弯矩，消除拉应力的影响组桥如图所示。

设构件上表面因弯矩产生的应变为ε，材料的泊松比为μ，供桥电压为u0，应变片的灵敏度系数为K。各应变片感受的应变如下表。R1R2R3R4-μεε-εμε可得输出电压

(2)只测拉力，消除弯矩的影响组桥如图所示。设构件上表面因拉力产生的应变为ε，其余变量同(1)的设定.各应变片感受的应变如下表。R1R2R3R4-μεεε-με可得输出电压3.4压电效应及压电材料

压电式传感器是一种可逆型换能器，既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的压电效应。

某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。与压电效应相反，如果将具有压电效应的物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物体机械变形现象称为逆压电效应。

常见的压电材料分为三类：1)单晶压电晶体(如石英、酒石酸钾钠等)2)多晶压电陶瓷(如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等

)3)高分子材料(聚偏二氟乙烯(PVDF)

)。石英晶体的压电效应理想形状：六棱柱，两端为对称的棱锥，共30个晶面。

纵轴z-z称作光轴，通过六棱柱棱线而垂直于光轴的轴线x-x称作电轴，垂直于棱面的轴线y-y称作机械轴—右螺旋法则。通常从晶体上沿三轴线切下一个平行六面体切片，即其晶面分别平行z-z、y-y、x-x轴线。切片在受到沿不同方向的作用力时，会产生不同的极化作用，主要的压电效应有纵向效应、横向效应和切向效应三种。纵向压电效应：沿电轴(x轴)施加作用力，电荷出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为：

qx=d11Fx其中，d11：纵向压电常数；Fx：作用力。

横向压电效应：沿机械轴(

y轴)施加作用力，电荷仍出现在与x轴相垂直的表面上。产生的电荷量为：

其中，d12：横向压电常数；

Fy：作用力；

sx、sy

：分别为与x轴、y轴相垂直的表面面积；

a：x轴方向厚度；

b：y轴方向长度。由于力所施加的表面与感生电荷的表面不同，电荷量与晶体尺寸有关。根据石英晶体轴对称的条件，d12=d11，从而：即横向压电效应产生的电荷与纵向压电效应产生的电荷极性相反。3.5测量电路压电式传感器及其等效电路

压电器件相当于具有一定电容的电荷源，其电容：电容两极板间开路电压为：压电式传感器的等效电路若考虑负载（测量电路），等效电路如下：假设一恒定力F作用于压电器件，产生电量q，则输出电压：压电传感器本身产生的电荷量很小，且传感器本身的内阻很大（压电元件漏电阻Ra一般在1013～1014以上），因此输出信号很微弱，给后续测量电路提出很高的要求。由于传感器的内阻及后续测量电路输入电阻Ri

非无限大，电路将按指数规律放电，造成测量误差。电路放电时间常数

=(Ra//Ri)C

RiC（一般Ra>>Ri），为了减小误差，Ri越大越好。

显然，电荷泄漏使得利用压电传感器测量静态或准静态量非常困难。通常压电传感器适宜作动态测量。

实际应用中为了增大输出值，压电传感器往往用两个或两个以上的晶体串联或并联：

串联时，输出电压大、电容小、时间常数小。适宜测量高频信号和以电压输出的场合。

并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大；适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。测量电路

由于压电式传感器的输出电信号很微弱，通常先把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器：电压放大器或电荷放大器，对传感器输出的电压或电荷信号进行放大处理，并实现阻抗变换，将传感器的高输出阻抗变为放大器的低输出阻抗，再用一般的放大检波电路输入到指示仪表或记录器。

前置放大器的作用：放大信号、阻抗变换1)电压放大器设作用于压电晶片上的交变力F=F0sint。则：

而：q=dcF=dcF0sint，其中，R=Ra//Ri，C

=Ca+Cc

+Ci。

即：从而：输入端电压幅值：定义压电传感器输出电压灵敏度：

输出端电压幅值：，则：当作用力频率与电路时间常数RC足够大时，

Uom和Su0与Cc有关，当改变电缆长度或布线方法时，Uom和Suo都会改变，从而导致测量误差。

显然：

若压电器件上作用静态力（=0），Uom和Suo均等于0。即压电传感器不能测量静态力。

若被测量是准静态量，必须增大测量回路时间常数，以维持(RC)2>>1，减少对Uom和Suoi

的影响。显然增加电容C会降低灵敏度，而一般Ra很大，故只有增加Ri。Ri越大，低频响应越好。下限频率：（一般Ra>>Ri）

对动态测量，较大，易满足(RC)2>>1，此时Uom和Suo

近似与

无关，即压电传感器具有良好的高频响应特性。

2)电荷放大器

电荷放大器是一个高增益带电容负反馈的运算放大器，其输入阻抗极高（1012以上）。

电荷放大电路同样可求得输入端电压幅值：其中，R=Ra//Ri，C

=Ca+Cc

+Ci

+(1+A)Cf。

若，则：从而：若A足够大（一般100dB以上），则：(1+A)Cf

>>Ca+Cc

+Ci表明:在一定条件下，电荷放大器的输出电压与外力成正比，与反馈电容成反比，而与Ca、Cc和Ci无关。

电缆分布电容变化不会影响传感器灵敏度及测量结果是电荷放大器的突出优点。在电荷放大器的实际电路中，考虑到被测量的大小，以及后续放大电路不致因输入信号太大而导致饱和，反馈电容Cf的容量做成可选择的，选择范围在100～10000pF之间。选择不同的反馈电容，可改变前置放大器的输出大小。由于采用电容负反馈，电荷放大器对直流工作点相当于开环，因此零点漂移较大。为了减小零漂，使电荷放大器工作稳定，一般在反馈电容两端并联一个大的反馈电阻RF（约1010~1014），作用是提供直流反馈。电荷放大器的时间常数RfCf很大（105s以上），因此其下限截止频率低达310－6Hz。

电荷放大器电路复杂，价格昂贵，电压放大器反之；但电压放大器下限频率较高，灵敏度与电缆分布电容有关，选用时宜综合考虑。电压放大器和电荷放大器比较：3.6压电式传感器的应用

压电式传感器的特点

能量转换型（发电型）传感器体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围。灵敏度高，稳定性好，可靠。对应用纵向压电效应的传感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与传感器刚度无关。有比较理想的线性，且通常没有滞后现象

低频特性较差，主要用于动态测量

存在横向效应，影响测量结果应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、低噪声电缆。工作原理可逆

应用

广泛应用于冲击、振动及动态力的测量。

压电元件—质量块—弹簧系统装在圆形中心支柱上，支柱与基座连接，基座与测试对象连接。压电式加速度计利用压电效应，在加速度计受振时，质量块加在压电元件上的力(F=ma)也随之变化。当被测振动频率远低于加速度计的固有频率时，则产生的电压(或电荷)与被测加速度成正比。1)灵敏度及其产生误差的原因灵敏度有电压灵敏度和电荷灵敏度两种表示方法选用压电系数大的压电元件对给定的压电材料而言，灵敏度随质量块的增大或压电元件的增多（串联或并联）而增大。一般来说，加速度计尺寸越大，其固有频率越低。因此选用加速度计时应当权衡灵敏度和结构尺寸、附加质量的影响和频率响应特性之间的利弊。

理想情况是只有主轴加速度的作用产生输出，垂直于主轴加速度的作用不应有输出。压电加速度计的横向灵敏度表示它对横向（垂直于加速度计主轴线）振动的敏感程度。——测量误差横向灵敏度：横向灵敏度常以主轴灵敏度（即加速度计的电压灵敏度或电荷灵敏度）的百分比表示。一个优良的加速度计的横向灵敏度应小于主轴灵敏度的3％。产生横向灵敏度的原因：晶片的切割误差、压电元件表面粗糙或两表面不平行、基座平面或安装表面与压电元件的最大灵敏度轴线不垂直等，造成传感器的最大灵敏度方向与主轴线不重合，造成测量误差。横向灵敏度与横向加速度方向有关。一般在壳体上用小红点标出最小横向灵敏度方向，测量时该方向应对准存在最大横向干扰（最大横向加速度）方向，使横向加速度引起的误差最小。2)频率特性加速度计的使用上限频率取决于幅频曲线中的谐振频率。一