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传感检测技术及其应用

其次篇典型传感器的原理

及其应用技术11/21/2023由于在相关课程中,如工程测试技术,学习过各种传感器的根本原理,所以,在本课程中对各种典型传感器只作简要介绍,重点在于学习他们的信号处理电路和应用。各种典型传感器的学习内容11/21/20232第4章电阻式传感器及应用一、电阻式传感器及分类1.电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。2.电阻式传感器分类电阻式传感器主要有变阻器式、电阻应变式和固态压阻式传感器。二、变阻器式电阻式传感器

11/21/20233优点:*构造简洁、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定;*受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小;*可以实现输出—输入间任意函数关系;*输出信号大,一般不需放大。11/21/20234缺点:*由于存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦,因此需要较大的输入能量;*由于磨损不仅影响使用寿命和降低牢靠性,而且会降低测量精度,所以区分力较低;*动态响应较差,适合于测量变化较缓慢的量。三、应变,应力,泊松比及应变片各种构造〔如机械构造、土木构造、混凝土构造等〕在外力作用下会产生变形,从而在其内部产生应力。应力是确保构造强度和安全的重要因素。11/21/20235目前,还没有直接测量构造应力、强度和安全性的传感器。但是可以依据应变计算出其应力,进而可以推断其强度和安全性。金属材料在外力作用下,其伸长〔压缩〕量与其原长之比率称为拉〔压〕应变。应力和应变之间的关系是:σ=Eε。其中ε是应变,E是杨氏模量,σ是应力。横行应变和纵向应变比率确实定值称为泊松比。,其中ε2是横向应变,ε1是纵向应变。剪切模量与杨氏模量和泊松比关系是:11/21/20236电阻应变片可用于各种应变的测量,静态测量、动态测量〔频率高于100kHz〕、冲击应变。11/21/20237四、金属电阻应变式电阻传感器金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的电阻-应变效应,即金属导体在外力作用下发生气械变形时,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。电阻应变片可用于试验、争论、工业测量和掌握等。可应用在很多领域:如机械工程、电气工程、土木工程、建筑工程、化学工程、制约工程等。此外,应变片作为敏感元件用于测量载荷、压力、加速度、位移、力矩等。11/21/202381.分类及构造金属电阻应变片分为金属丝式、箔式和膜式等。〔1〕电阻丝应变片金属丝式应变片的典型构造:将一根高电阻率金属丝〔康铜、镍铬、卡玛合金等,直径0.025mm左右〕绕成栅形,粘贴在绝缘的基片和掩盖层之间,由引出导线接于电路中。11/21/20239〔2〕箔式应变片箔式应变片由厚度为1~10m的康铜箔或镍铬箔经光刻,腐蚀工艺制成的栅状箔片。箔式应变片适于大批量生产,可制成多种简单外形;线条均匀,敏感栅尺寸准确,栅长最小可到0.2mm;散热好,允许电流大;横向效应、蠕变和机械滞后小,疲惫寿命长;柔性好〔可贴于外形简单的外表〕,传递试件应变性能好。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。11/21/20231011/21/202311〔1〕单轴式〔2〕0/90°双轴式〔3〕0/90/45°三轴式〔4〕0/90°双轴式〔5〕0/90°双轴测扭矩〔6〕0/120/240°三轴式〔7〕0/30/90/150°四轴式〔8〕单轴多单元〔9〕单轴多单元11/21/202312〔3〕膜式应变片膜式应变片承受真空蒸发或真空沉积等方法,在薄的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。它的优点是应变灵敏系数大,允许电流密度大,工作范围广,可达-197~317℃。2.工作原理〔电阻-应变效应〕电阻-应变效应是指金属电阻丝的电阻随着它所承受机械变形〔伸长或缩短〕的大小而发生转变的一种物理现象。11/21/202313设有一根圆截面金属电阻丝,其电阻为

金属电阻丝受拉变形当受到轴向力F被拉伸时,其电阻变化为11/21/202314则上式即为电阻-应变效应表达式。11/21/202315对于电阻应变片,其电阻变化率与应变的关系为3.电阻应变片的主要特性〔1〕应变计的电阻值R应变计在没有粘贴及未参与变形有前,在室温下测定的电阻值。〔2〕灵敏度系数k应变计的灵敏度系数由其材料及构造打算,由试验获得。11/21/202316〔3〕机械滞后试件上加载、卸载过程中,对同一机械应变,应变片指示应变值发生变化,其差值称之机械滞后。其滞后大小与应变片承受的应变量大小有关,造成缘由主要是敏感栅、基底粘合剂在承受机械应变后所留下的机械变形。11/21/202317〔4〕横向效应与横向效应系数应变片在感受被测试件的应变时,横向应变将使电阻变化率减小,从而降低灵敏度系数的现象,称为应变片的横向效应。在同一单向应力作用下,垂直于单向应变方向安装的应变计的指示应变与平行于单向应变方向安装的同批应变计的指示应变之比,称为横向应变系数。所以,为了减小横向效应的影响,应变片都做成窄长的外形。〔5〕零点漂移指试件空载〔不受应力作用〕、温度恒定的条件下,指示应变随时间的变化值。11/21/202318〔6〕蠕变粘贴在试件上的应变片,在恒温恒载条件下,指示应变随时间的变化数值称为蠕变。〔7〕应变极限对于已安装的应变计,在温度恒定时,指示应变和真实应变的相对误差不超过规定数值的真实应变值,称为应变极限。如图所示。11/21/202319〔8〕疲惫寿命在恒定幅值交变应力作用下,连续工作到产生疲惫损坏的循环次数,称为应变片的疲惫寿命。〔9〕温度效应及热输出由于环境温度变化的影响,将使应变片的电阻发生变化,这种现象称为应变计的温度效应。而由于温度变化引起的应变输出称为热输出。热输出定义为:当应变片安装在某一线性膨胀系数的试件上,试件可以自由膨胀,在缓慢升〔或降〕温的均匀温度场内,由温度变化引起的指示应变。11/21/202320从上面可知,影响热输出因素主要有三个:温度变化;应变片敏感栅材料电阻温度系数;试件材料和敏感栅材料线性膨胀系数不等。11/21/202321〔10〕应变计的最大工作电流应变片正常工作允许通过的最大电流。通常静态测量时为25mA,动态测量时为75-100mA。工作电流过大会导致应变片过热、灵敏度变化、零漂和蠕变增加,甚至烧毁。〔11〕绝缘电阻已安装的应变计的敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。是检查应变计的粘贴质量与粘合剂是否枯燥或固化的重要指标。绝缘电阻越高越好,在室温下,一般为500-5000MΩ之间。〔12〕应变片的动态特性应变片在测量变化频率较高的动态应变时,应该考虑其频率响应,即动态特性问题。11/21/202322应变片的动态特性最终可归结到应变片的基长与输入应变波的频率的关系。假设输入正弦应变波的极限工作频率f与应变片基长L的关系为假设输入应变波为阶跃波时11/21/202323五、应变计测量电桥测量电桥在应变计电阻传感器中得到广泛的应用,构造简洁,灵敏度高,测量范围宽,线性度好,精度高,易于实现和补偿。测量电桥有直流电桥和沟通电桥,本课重点讲直流电桥。1.直流电桥

11/21/202324当R1R4=R2R3时,电桥平衡,输出为零。按接入电桥应变片的数量可分为单臂工作电桥、半桥工作电桥、全桥工作电桥。2.单臂工作电桥只有一个桥臂接入应变片,其它三个桥臂是平衡电阻。11/21/202325〔1〕立式桥立式桥〔2〕卧式桥11/21/202326〔3〕等臂电桥3.半臂工作电桥有两只应变片接入电桥,设R1,R2作为应变片,半臂工作电桥〔1〕半臂卧式电桥11/21/202327(2)半臂等臂电桥4.全臂工作等臂电桥四个臂均接入应变片,并为差开工作,且11/21/2023285.恒流供电电桥上面所讲都是恒压供电的电桥。在全桥差开工作时,再不考虑温度变化时,电桥的输出与电阻的相对变化量△R/R成比例。而实际上温度变化时,每个电阻随温度量为△Rt,电桥的输出为UO=E·△R/(R+△Rt)电桥的输出是非线性的。恒流源供电电桥如右图所示,设4个桥臂初始电阻均为R,则IABC=IADC=I/2,。有压力作用时,仍有IABC=IADC=I/2,则电桥输出为11/21/202329因此,电桥的输出与温度无关。总结:从上面可以知道,半臂工作卧式电桥、等臂电桥的输出是单臂工作卧式电桥、等臂电桥的输出的2倍;而全臂工作等臂电桥的输出是半臂工作电桥输出的2倍。6.电桥输出非线性误差上述电桥输出公式都是在△R《R的假设条件下得到。当该条件不成立时,必存非线性误差。11/21/202330对于单臂工作的卧式电桥和等臂电桥,有相对误差为11/21/202331假设=2,当相对误差<1%时,则,则,也就是应变值时,电桥输出相对误差。11/21/2023327.电阻应变片的温度补偿由前面内容知道电阻应变片的热输出为由于应变片电阻丝温度系数

而产生的误差;由于电阻丝膨胀系数

与测试试件材料的膨胀系数之间不同而产生误差。可以承受补偿法消退电阻应变片的热输出误差,称为热输出补偿。补偿常用的方法有两种:温度自补偿应变片法,用于高温下测量;桥路补偿法,用于常温下测量。〔1〕温度自补偿应变片法①单丝自补偿应变片11/21/202333由式可知,假设εt=0,需αt=-k(βs-βf),在研制和选用应变计时,假设所选择敏感栅材料,其αt、βf能与试件βs的相匹配,即满足上式就能到达温度自补偿的目的。②双丝自补偿应变计该应变计由电阻温度系数一正一负的两种金属电阻丝串接而成,如下图。假设εt+=εt-,则正负热输出抵消就可到达自补偿的目的。11/21/202334〔2〕桥路补偿法①补偿计法补偿计法是选用型号和特性完全一样〔灵敏度系数、电阻温度系数、线膨胀系数均一样〕的两只应变计,一只粘贴在被测试件上作为工作应变片,另一只粘贴在与被测试件的构造和材料一样而不受力的补偿块上,作为补偿片;并使补偿块与被测试件处于一样温度环境下。假设工作片为R1,补偿片为R2,把它们分别接入电桥的相邻桥臂,构成如图4-14所示电桥。当被测试件受力为F,并有温度变化Δt时,则工作应变片电阻由原来的R1变为R1’,即

11/21/202335而补偿片电阻值由原来的R2变为R2’,即

以上两个电阻代入电桥电压输出公式,即可得电桥输出端电压为式中R3和R4为平衡电阻,为固定值,假设令R3=R4=R0,则有代入R1’和R2’,得11/21/202336由于R1与R2型号和特性均一样,而且感受一样的温度变化,则则有

由于则可得到从以上分析可知,此时指示应变值只是由于工作应变片受力引起的应变值,而由于温度变化所产生的热输出已经消退。11/21/202337假设补偿片R2也作为工作应变片,且粘贴于被测试件的相反响变处,则R1、R2在应力和温度变化影响下,则有

代入电压输出表达式,得由于R1和R2型号特性一样,感受应力一样,温度影响也一样,则有11/21/202338故

上式同样说明,指示应变值已消退了温度影响的热输出,且输出提高了一倍。11/21/2023398.应变计测量电路直流电桥的测量电路如下图9.电阻应变式传感器的应用〔1〕电阻应变计式传感器应用特点电阻应变计有两方面的应用:一种是作为敏感元件,直接用于被测试件的应变测量;另一种是作为转换元件,通过弹性元件构成传感器,用以对任何能转换为弹性元件应变的其他物理量间接测量。11/21/202340(2)电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器可用于测量载荷和力、测量位移、测量加速度、测量扭矩、等。应变计式传感器主要特点如下:*应用和测量范围广;*区分力和灵敏度高;*构造轻小;*商品化,选用和使用便利。1〕载荷和力传感器剪切梁称重传感器11/21/202341悬臂梁称重传感器柱式称重〔测力〕传感器S梁称重传感器扭矩〔力〕传感器11/21/202342平面膜片式压力传感器,应变桥连接成全桥,且如下图,应变计k=2.0,膜片允许测试的最大应变为800,对应的压力100kPa,电桥电压为5V,试求最大应变时,测量电路输出端电压为多少?当输出电压为3.3V时,所测压力为多少?A4的作用是什么?根本应用例如11/21/202343该例为恒压源供电全桥等臂电桥,则电桥输出电压为电路中A1,A2,A3运放组成同相输入并串联差动放大电路,放大倍数为则,最大应变时电路输出端电压为UO=0.008*625=5V输出端电压为3.2V时对应的压力为11/21/202344六、压阻式传感器及其应用1.压阻效应依据电阻-应变效应,有对于金属电阻丝而言,,而对于半导体来说,,所以半导体的电阻-应变效应为π-半导体材料的压阻系数;E-半导体材料的弹性模量,约为1.67X1011Pa。11/21/2023452.半导体应变片依据制造工艺及安装方式不同,半导体应变片可分为体型半导体应变片〔粘贴式〕、薄膜型半导体应变片〔利用真空沉积技术将半导体材料沉积在绝缘基

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