傳感器與檢測技術(shù)四PPT學(xué)習(xí)教案

1、會計學(xué)1傳感器與檢測技術(shù)四傳感器與檢測技術(shù)四2.1 應(yīng)變式傳感器 金屬電阻應(yīng)變片的工作原理 1.金屬的應(yīng)變效應(yīng) 金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時其阻值將發(fā)生變化的現(xiàn)象 AlR 金屬絲的電阻值 電阻的相對變化量 AAllRR Errll /,/,/ )21(ERR 縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變: 泊松比泊松比: 壓阻系數(shù)壓阻系數(shù): 應(yīng)應(yīng)力力值值: 第1頁/共42頁靈敏系數(shù)：單位應(yīng)變引起的電阻值相對變化 ERRk 21/210 21 E 0k 0kRR 材料的幾何尺寸變化引起的 材料的電阻率隨應(yīng)變引起的(壓阻效應(yīng)) 金屬材料：k0以前者為主，則 k01+2=1.73.6 半導(dǎo)體：k0值主要是由電阻率相對變化所

2、決定 在電阻絲拉伸極限內(nèi)，電阻的相對變化與應(yīng)變成正比，k0為常數(shù) 第2頁/共42頁2.應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)與種類 種類：絲式、箔式、薄膜應(yīng)變片 1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出線絲式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)： 金屬電阻應(yīng)變片，材料電阻率隨應(yīng)變產(chǎn)生的變化很小，可忽略 0)21(kRR 對同一電阻材料， k0=1+2是常數(shù)。k0多在之間 第3頁/共42頁箔式應(yīng)變片：在絕緣基底上，將厚度為電阻箔材，利用照相制板或光刻腐蝕方法，制成各種需要的形狀 優(yōu)點： (1) 尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，適應(yīng)不同的測量要求； (2) 可制成多種復(fù)雜形狀尺寸準(zhǔn)確的敏感柵 (3) 與被測試件接觸面積大，粘結(jié)性能好。散熱條件好，允許 電流大

3、，靈敏度提高 (4) 橫向效應(yīng)可以忽略 (5) 蠕變、機械滯后小，疲勞壽命長 缺點：電阻值的分散性大 第4頁/共42頁金屬薄膜應(yīng)變片 采用真空蒸渡、沉積或濺射等方法在薄的絕緣基片上形成厚度 在m以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層優(yōu)點：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣， 易實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)缺點：難控制電阻與溫度和時間的變化關(guān)系 電阻應(yīng)變片的特性 性能參數(shù)：電阻值、靈敏度、允許電流、應(yīng)變極限 應(yīng)變片的電阻值： 60、120、200、350、600、1000 電阻值大：可加大應(yīng)變片承受電壓，輸出信號大， 敏感柵尺寸也增大 第5頁/共42頁1. 靈敏系數(shù) RRk/ 標(biāo)稱靈敏系數(shù)：受軸向

4、單向力(拉或壓)，試件材料為泊松系數(shù)的鋼等。一批產(chǎn)品中只能抽樣5的產(chǎn)品來測 定，取平均值及允許公差值。電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k 電阻絲的靈敏系數(shù)k0原因：粘結(jié)層傳遞變形失真、存在有橫向效應(yīng) 2. 橫向效應(yīng) 敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成 直線段：沿軸向拉應(yīng)變 ，電阻 x 圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度 ，電阻y k(箔式應(yīng)變片)第6頁/共42頁橫向效應(yīng)：應(yīng)變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了 一部分，從而降低了整個電阻應(yīng)變片的靈敏度橫向效應(yīng)大小與敏感柵的構(gòu)造及尺寸有關(guān)。敏感柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應(yīng)的影響愈小y 第7頁/共42頁3. 溫度誤差及其補償 原因：電阻溫度系數(shù)的影

5、響 敏感柵電阻絲阻值隨溫度變化引起的誤差 TllsT 01TRRRRTT 00 ：敏感柵材料的電阻溫度系數(shù) 試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響 當(dāng)環(huán)境溫度變化時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù) 不同，應(yīng)變片將產(chǎn)生附加變形，產(chǎn)生附加電阻T s g 、設(shè)應(yīng)變絲長度 l0，應(yīng)變絲和試件的線膨脹系數(shù)為 溫度變化 ，應(yīng)變絲膨脹至lT1，試件為lT2 TllgT 02(1) 溫度誤差 第8頁/共42頁TllsgT )(0 gs 若附加拉伸變形 TllsgTT )(0 附加應(yīng)變 附加電阻變化 TkRkRRsgTT )(0000 由于溫度變化而引起的總電阻變化為 TkTkRRsgTT )(/000 T

6、kRTRRRRsgTTT )(000 相應(yīng)的虛假應(yīng)變量 第9頁/共42頁(2) 溫度補償方法(電橋補償、應(yīng)變片補償) 電橋補償法 U0R1R4R3URBFFR1RB不承受應(yīng)變時 0)(3B410 RRRRAUT 溫度變化 0)()(34110 RRRRRRAUBTBT 若被測試件受到應(yīng)變 kRARU410 第10頁/共42頁R1 +RRB -RU0R1RR4R3URBR優(yōu)點： 簡單、方便，在常溫下補償效果較好 缺點： 在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補償片處于溫度完全一致的情況，影響補償效果第11頁/共42頁 應(yīng)變片的自補償法 溫度自補償應(yīng)變片：溫度變化時，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷?/p>

7、抵消a. 選擇式自補償應(yīng)變片 實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件 0)(0 TkTsgT )(0sgk 被測試件的線膨脹系數(shù)已知，選擇敏感柵材料，使下式成立 可達(dá)到溫度自補償?shù)哪康?優(yōu)點：容易加工，成本低 缺點：只適用特定試件材料，溫度補償范圍也較窄 第12頁/共42頁b. 雙金屬敏感柵(組合式)自補償應(yīng)變片 R1R2敏感柵絲由兩種不同溫度系數(shù)的金屬絲串接組成 選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù) 調(diào)整R1和R2的比例，滿足 T2T1)()(RR )()(/111222112221 ggTTkkRRRRRR通過調(diào)節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應(yīng)變片的溫度自補償 第13頁/共42頁 熱敏電阻補償法 T，k RT， UR

8、T，U = Ui URT UiR1RR4R3U0R2RTR5 分流電阻 第14頁/共42頁 電阻應(yīng)變片的測量電路 1. 電橋電路的工作原理 R1R2R4R3UUoRL電橋平衡條件： R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 )()()(-214343214321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUI IL=0時電橋平衡 第15頁/共42頁當(dāng)電橋后面接放大器時, 電橋輸出端看成開路 URRRRRRRRU)(432132410 )()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU 應(yīng)變片工作時，其電阻變化 R 采用等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=

9、R )2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU RRRRRRRRUU432104若 RRi 432104 UkU則則第16頁/共42頁結(jié)論： 時，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系 。 RRi 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性一致，輸出電壓為兩者之差； 若相鄰兩橋臂的應(yīng)變極性不同，輸出電壓為兩者之和。 若相對兩橋臂應(yīng)變的極性一致，輸出電壓為兩者之和； 反之則為兩者之差。 電橋供電電壓U越高，輸出電壓越大。但U增大時，電阻 應(yīng)變片通過的電流也大，若超過電阻應(yīng)變片所允許通過的 最大工作電流，傳感器就會出現(xiàn)蠕變和零漂。 增大電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)k，可提高電橋的輸出電壓。 4321

10、04 UkU第17頁/共42頁2. 非線性誤差及其補償 單臂電橋，理想的線性關(guān)系 RRUU 4010211424 RRRRURRRUU kRRRRRRUU2121121112111100 電橋?qū)嶋H輸出電壓 電橋的相對非線性誤差為 消除非線性誤差的措施：采用半橋差動或全橋差動電路 第18頁/共42頁(1) 采用半橋差動電路 R1R2FU0R1R1R4R3UR2R24332211110RRRRRRRRRUU R1R2R3R4=R，R1R2=R RRUU 20輸出電壓 嚴(yán)格的線性關(guān)系電橋靈敏度比單臂時提高一倍 溫度補償作用第19頁/共42頁(2) 采用全橋差動電路 RRUU 0U0R1R1UR2R2

11、R4R4R3R3第20頁/共42頁 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 1. 應(yīng)變式力傳感器被測量為荷重或力 (1) 柱式力傳感器 R5R8R7R6R1R2R3R4UoUR5R8R7R6R1R2R3R4SEFEll 第21頁/共42頁(2) 梁式力傳感器 等截面懸臂梁 b0hEbhlF26 結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高，適合于測5000N以下的載荷 第22頁/共42頁 等強度懸臂梁 b0hEhblF206 雙端固定梁 EbhlF243 第23頁/共42頁(3) 薄壁圓環(huán)式力傳感器 )21()2/(32 EbhhRF第24頁/共42頁2. 應(yīng)變式壓力傳感器 應(yīng)用：液體、氣體動態(tài)和靜態(tài)壓力的測量 trR1R2

12、R3R4(1) 膜片式壓力傳感器 膜 片EhxRPr22228)3)(1(3 徑向應(yīng)變 EhxRPt22228)(1(3 切向應(yīng)變 R4R3R1R2 UU0第25頁/共42頁(2) 筒式壓力傳感器測量較大壓力 圓筒外表面上的環(huán)向應(yīng)變(沿圓周線) )1()2(2 nEP 薄壁筒 )5 . 01(2 hEPD2/ )(0DDh 第26頁/共42頁(3) 組合式壓力傳感器測量小壓力 壓力敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等 應(yīng)變片粘貼在懸臂梁上，不直接粘貼在壓力感受元件 缺點：缺點是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程 第27頁/共42頁AK-1型應(yīng)變式脈動壓力傳感器 產(chǎn)品特點： 采用外殼和膜片為一體的

13、圓膜片結(jié)構(gòu) 尺寸小，安裝方便 頻響高，精度高，性能穩(wěn)定可靠 適用于各種動，靜態(tài)、氣、液體介質(zhì)的壓力測量 第28頁/共42頁3. 應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量(或液位)傳感器 hgAAUUU )(21210 DQAAU)(210 電橋輸出 SGhg 第29頁/共42頁4. 應(yīng)變式加速度傳感器 低頻(1060Hz)振動測量中得到廣泛的應(yīng)用， 但不適用于頻率較高的振動和沖擊第30頁/共42頁5. 應(yīng)變式扭矩傳感器 扭矩：M=Fl 6. 應(yīng)變式張力傳感器 第31頁/共42頁2.2 壓阻式傳感器 半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng) 定義：單晶半導(dǎo)體材料沿某一軸向受外力作用時，其電阻率會 發(fā)生變化壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高

14、。頻率響應(yīng)高，體積小。主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)半導(dǎo)體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補償。第32頁/共42頁 )21(RR )21(ERRl 壓阻效應(yīng) 半導(dǎo)體電阻率 llE ll 壓阻系數(shù)，與材料及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān) l E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān))21( 材料幾何形狀變化引起 El 壓阻效應(yīng)的影響，隨電阻率而變化 第33頁/共42頁半導(dǎo)體材料 )21( El llERR ERRkl /半導(dǎo)體單晶的應(yīng)變靈敏系數(shù) 應(yīng)變靈敏系數(shù)還與摻雜濃度有關(guān)，它隨雜質(zhì)的增加而減小 第34頁/共42頁 體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片 1. 結(jié)構(gòu)型式及特點 優(yōu)

15、點：靈敏系數(shù)比金屬電阻應(yīng)變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍 橫向效應(yīng)和機械滯后極小 缺點：溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多 第35頁/共42頁2. 測量電路 恒壓源 )/(0TRRRUU RIU 0恒流源 輸出電壓受環(huán)境溫度的影響 環(huán)境溫度的變化對其沒有影響 擴散型壓阻式壓力傳感器 采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導(dǎo)體電阻應(yīng)變薄膜 第36頁/共42頁工作原理： 膜片兩邊存在壓力差時，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點產(chǎn)生應(yīng)力。 四個電阻在應(yīng)力作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應(yīng)的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。四個電阻的配置位置： 按膜片上徑向應(yīng)力r和切向應(yīng)力t的分布情況確定 第37頁/共42頁 )31()1(83)3()1(8322022202rrhprrhptr 優(yōu)點：體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動態(tài)響應(yīng)也好，靈敏度高，能 測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻 率響應(yīng)高，便于生產(chǎn)，成本低。缺點：測量準(zhǔn)確度受到非線性和溫度的影響。 智能壓阻式壓力傳感器利用微處理器對非線性和溫度進(jìn)行補償 第38頁/共42頁 壓阻式加速度傳感器 懸臂