傳感器與檢測技術(shù)第四版-第二章-課件

第2章電阻式傳感器原理與應(yīng)用2.1應(yīng)變式傳感器2.2壓阻式傳感器

2020/12/2712.1應(yīng)變式傳感器2.1.1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(jī)械變形時(shí)其阻值將發(fā)生變化的現(xiàn)象金屬絲的電阻值電阻的相對變化量2020/12/272精品資料3你怎么稱呼老師？如果老師最后沒有總結(jié)一節(jié)課的重點(diǎn)的難點(diǎn)，你是否會認(rèn)為老師的教學(xué)方法需要改進(jìn)？你所經(jīng)歷的課堂，是講座式還是討論式？教師的教鞭“不怕太陽曬，也不怕那風(fēng)雨狂，只怕先生罵我笨，沒有學(xué)問無顏見爹娘……”“太陽當(dāng)空照，花兒對我笑，小鳥說早早早……”4靈敏系數(shù)：單位應(yīng)變引起的電阻值相對變化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k0≈1+2μ=1.7~3.6半導(dǎo)體：k0值主要是由電阻率相對變化所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)2020/12/2752.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，可忽略對同一電阻材料，k0=1+2μ是常數(shù)。k0多在1.7～3.6之間2020/12/276箔式應(yīng)變片：在絕緣基底上，將厚度為0.001~0.01mm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(diǎn)：(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，靈敏度提高(4)橫向效應(yīng)可以忽略(5)蠕變、機(jī)械滯后小，疲勞壽命長缺點(diǎn)：電阻值的分散性大2020/12/277金屬薄膜應(yīng)變片采用真空蒸渡、沉積或?yàn)R射等方法在薄的絕緣基片上形成厚度在0.1μm以下的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護(hù)層優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，允許電流密度大，工作范圍廣，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)缺點(diǎn)：難控制電阻與溫度和時(shí)間的變化關(guān)系

2.1.2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、1000Ω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

2020/12/2781.靈敏系數(shù)標(biāo)稱靈敏系數(shù)：受軸向單向力(拉或壓)，試件材料為泊松系數(shù)μ=0.285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↑

圓弧段：沿軸向壓應(yīng)度，電阻↓k↓(箔式應(yīng)變片)2020/12/279l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(gè)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2020/12/27103.溫度誤差及其補(bǔ)償原因：①電阻溫度系數(shù)的影響敏感柵電阻絲阻值隨溫度變化引起的誤差：敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)②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(shí)，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

(1)溫度誤差2020/12/2711若附加拉伸變形附加應(yīng)變附加電阻變化由于溫度變化而引起的總電阻變化為相應(yīng)的虛假應(yīng)變量2020/12/2712(2)溫度補(bǔ)償方法(電橋補(bǔ)償、應(yīng)變片補(bǔ)償)①電橋補(bǔ)償法U0R1R4R3URBFFR1RB不承受應(yīng)變時(shí)溫度變化若被測試件受到應(yīng)變2020/12/2713R1+⊿RRB-⊿RU0R1＋⊿RR4R3URB－⊿R優(yōu)點(diǎn)：簡單、方便，在常溫下補(bǔ)償效果較好缺點(diǎn)：在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，影響補(bǔ)償效果2020/12/2714②應(yīng)變片的自補(bǔ)償法溫度自補(bǔ)償應(yīng)變片：溫度變化時(shí)，產(chǎn)生的附加應(yīng)變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒鸻.選擇式自補(bǔ)償應(yīng)變片實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)臈l件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(bǔ)償?shù)哪康膬?yōu)點(diǎn)：容易加工，成本低缺點(diǎn)：只適用特定試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄2020/12/2715b.雙金屬敏感柵(組合式)自補(bǔ)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(bǔ)償2020/12/2716③熱敏電阻補(bǔ)償法T↑，k↓RT↓，URT↓，U=Ui–URT↑

UiR1＋⊿RR4R3U0R2RTR5分流電阻2020/12/27172.1.3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

IL=0時(shí)電橋平衡2020/12/2718當(dāng)電橋后面接放大器時(shí),電橋輸出端看成開路應(yīng)變片工作時(shí)，其電阻變化采用等臂電橋，即R1=R2=R3=R4=R若2020/12/2719結(jié)論：①時(shí)，電橋的輸出電壓與應(yīng)變成線性關(guān)系。②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。③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。④電橋供電電壓U越高，輸出電壓越大。但U增大時(shí)，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。⑤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。2020/12/27202.非線性誤差及其補(bǔ)償單臂電橋，理想的線性關(guān)系電橋?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(dòng)或全橋差動(dòng)電路2020/12/2721(1)采用半橋差動(dòng)電路R1R2FU0R1＋⊿R1R4R3UR2－⊿R2R1＝R2＝R3＝R4=R，ΔR1＝ΔR2=ΔR輸出電壓嚴(yán)格的線性關(guān)系電橋靈敏度比單臂時(shí)提高一倍溫度補(bǔ)償作用2020/12/2722(2)采用全橋差動(dòng)電路U0R1＋⊿R1UR2－⊿R2R4＋⊿R4R3－⊿R32020/12/27232.1.4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R5R8R7R6R1R2R3R4UoUR5R8R7R6R1R2R3R42020/12/2724(2)梁式力傳感器①等截面懸臂梁b0R1R4l0lFbh結(jié)構(gòu)簡單，易加工，靈敏度高，適合于測5000N以下的載荷2020/12/2725②等強(qiáng)度懸臂梁b0R1R4XlFbh③雙端固定梁2020/12/2726(3)薄壁圓環(huán)式力傳感器

2020/12/27272.應(yīng)變式壓力傳感器應(yīng)用：液體、氣體動(dòng)態(tài)和靜態(tài)壓力的測量εtεrR1R2R3R4εrεtεrεt(1)膜片式壓力傳感器膜片P徑向應(yīng)變切向應(yīng)變R4R3R1R2

UU02020/12/2728(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)薄壁筒2020/12/2729(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(diǎn)：缺點(diǎn)是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程2020/12/2730AK-1型應(yīng)變式脈動(dòng)壓力傳感器產(chǎn)品特點(diǎn)：

采用外殼和膜片為一體的圓膜片結(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(dòng)，靜態(tài)、氣、液體介質(zhì)的壓力測量2020/12/27313.應(yīng)變式容器內(nèi)液體重量(或液位)傳感器電橋輸出2020/12/27324.應(yīng)變式加速度傳感器低頻(10~60Hz)振動(dòng)測量中得到廣泛的應(yīng)用，但不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊2020/12/27335.應(yīng)變式扭矩傳感器扭矩：M=Fl6.應(yīng)變式張力傳感器2020/12/27342.2壓阻式傳感器

2.2.1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(shí)，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。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(bǔ)償。2020/12/2735壓阻效應(yīng)半導(dǎo)體電阻率壓阻系數(shù)，與材料及應(yīng)力方向與晶軸方向之間的夾角有關(guān)E為半導(dǎo)體材料的彈性模量，與晶向有關(guān)材料幾何形狀變化引起壓阻效應(yīng)的影響，隨電阻率而變化2020/12/2736半導(dǎo)體材料半導(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2020/12/27372.2.2體型半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片1.結(jié)構(gòu)型式及特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：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(jī)械滯后極小

缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應(yīng)變片差得多

2020/12/27382.測量電路恒壓源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2.2.3擴(kuò)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2020/12/2739工作原理：膜片兩邊存在壓力差時(shí)，膜片產(chǎn)生變形，膜片上各點(diǎn)產(chǎn)生應(yīng)力。四個(gè)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(gè)電阻的配置位置：按膜片上徑向應(yīng)力σr和切向應(yīng)力σt的分布情況確定2020/12/2740優(yōu)點(diǎn)：體積小，結(jié)構(gòu)比較簡單，動(dòng)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(diǎn)：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(bǔ)償2020/12/27412.2.4壓阻式加速度傳感器懸臂梁直接用單晶硅制成，四個(gè)擴(kuò)散電阻