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文檔簡介
1、第四章 敏感元件及與傳感器技術(shù),2,1)傳感器的定義 傳感器(Transducer/sensor)的定義為:“能感受(或響應)規(guī)定的被測量,并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置,通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。 目前,傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講,傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。,4.1 傳感器概論,2)傳感器的組成,3,敏感元件(Sensing element) 是指傳感器中能直接感受被測量的部分,轉(zhuǎn)換元件(Transition element) 是指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。,信號調(diào)理電路:能把轉(zhuǎn)換輸出的電信號轉(zhuǎn)換
2、為便于顯示、記錄和控制的有用信號的電路。常用電橋、放大器、阻抗變換器等,4,3) 傳感器分類 (1)按被測量分類 機械量:位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振動、噪聲 熱工量:溫度、熱量、流量(速)、風速、壓力(差)、液位 物性參量:濃度、粘度、比重、酸堿度 狀態(tài)參量:裂紋、缺陷、泄漏、磨損、表面質(zhì)量 (2)按測量原理分類 按傳感器的工作原理可分為電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、光纖、磁敏式、激光、超聲波等傳感器。,5,(3)按信號變換特征分類 結(jié)構(gòu)型:主要是通過傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實現(xiàn)信號變換的。例如:電容式和電感式傳感器. 物性型:利用敏感元件材料本身物理屬性的變化來實現(xiàn)信號變換
3、。例如:水銀溫度計,壓電測力計. (4)按能量關系分類 能量轉(zhuǎn)換型:傳感器直接由被測對象輸入能量使其工作。例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.也稱有源傳感器。 能量控制型:傳感器從外部獲得能量使其工作,由被測量的變化控制外部供給能量的變化。例如:電阻式、電容式、電感式.也稱無源傳感器。,6,4.2 電阻式傳感器,電位器式,電阻應變式,熱敏效應式,其結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、價格便宜、性能穩(wěn)定、輸出功率大,是目前在非電量檢測技術(shù)中應用最廣、最成熟和最重要的傳感器之一.,把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器,是一種能量控制型傳感器,可用于測量應變、位移、力、壓力和加速度等參數(shù)。,7,電阻應變式,金屬電阻應
4、變片,半導體應變片,按應變片所用的材料可分為:,導體或半導體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時,其電阻值相應發(fā)生變化。,主要作用是敏感元件實現(xiàn)應變電阻的變換。,8,(1)電阻應變片工作原理:,工作原理:,電阻絲電阻值:,縱向應變,橫向應變:當電阻絲沿軸向伸長時,必沿徑向縮小,對上式進行全微分,并用相對變化量來表示:,泊松比,電阻絲電阻率相對變化,與電阻絲軸向所受正應力 有關。,彈性模量,縱向壓阻系數(shù),9,因此:,分析:,是由電阻絲幾何尺寸改變引起的。,是由電阻絲的電阻率隨應變的改變引起的。,注意:對金屬電阻絲來說, 是很小的,可忽略;對半導體應變片來說, 是很小的,可忽略。 這正是兩類電阻應變
5、式傳感器原理的主要區(qū)別。,10,電阻絲應變片,金屬電阻應變片:,常用的電阻材料:康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金,靈敏度:,敏感元件是金屬絲柵。,常用的結(jié)構(gòu)形式:絲式、箔式、薄膜式,工作原理是基于金屬導體的應變效應,即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時,其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。,11,箔式應變片,1. 金屬箔柵很薄,感受的應力狀態(tài)與試件表面應力狀態(tài)更接近 2. 箔材表面積大,散熱條件好,所以允許通過較大電流,因而可以輸出較大信號,提高了測量靈敏度 3. 箔柵的尺寸準確、均勻,能制成任意形狀,擴大了應變片的使用范圍,優(yōu)點:,敏感元件是通過照相制版或光刻腐蝕等工藝
6、制成的薄金屬箔柵。,缺點:,1. 生產(chǎn)工序較復雜; 2. 引出線的焊點采用錫焊,因此不適于高溫環(huán)境下測量。 3. 價格較貴,12,一般市售電阻應變片的標準阻值有60、120、350、600、1000歐等,其中120歐應用最多。,通常靜態(tài)測量時,允許的電流一般規(guī)定為25mA,動態(tài)測量時可達75100mA,箔式應變片則可更大些。,選用應變片時,要考慮應變片的性能參數(shù),主要是應變片的電阻值、靈敏度、允許電流、應變極限等。,13,優(yōu)點:靈敏度高,機械滯后小,橫向效應小,體積小. 缺點:溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應變片。,半導體應變片:,壓阻效應是指當半導體受到應力作用時,由于載流子遷移率的變化,使其
7、電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象 。,工作原理是基于半導體材料的壓阻效應。因此,有時也稱為壓阻傳感器。,靈敏度:,從半導體物理可知,半導體在壓力、溫度及光輻射作用下,能使電阻率發(fā)生很大變化。,目前,國產(chǎn)半導體應變片大都采用P型硅單晶制成。,14,金屬電阻應變片,半導體應變片,利用金屬導體形變引起電阻的變化 。一般制作應變片的金屬絲的靈敏度K0在1.73.6之間,有些工程書上,直接將金屬絲應變片的靈敏度K0定義為2。,利用半導體電阻率變化引起電阻的變化。用半導體應變片制成的傳感器亦稱為壓阻傳感器。半導體應變片具有很高的靈敏度(是金屬絲應變片靈敏度大5070倍 ),但其最大的特點是溫度靈敏度高,非線性嚴重及安
8、裝困難。,當測量較小應變時,一般選用壓阻 效應工作的應變片,而測量大應變時,一般選用應變效應工作的應變片,15,(2) 電阻式傳感器的測量電路 由于機械應變一般都很小,要把微小應變引起的微小電阻值的變化測量出來,同時,要把電阻相對變化 轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化,因此,需要設計專用的測量電路,常用橋式測量電路。 該電路目標:提高輸出靈敏度、進行溫度補償,16,當 時,電橋的輸出電壓 應為: 當電橋平衡時, ,由上式可得到 或 稱為電橋平衡條件,1)直流電橋平衡條件 直流電橋的基本形式如圖,R1,R2,R3,R4稱為電橋的橋臂,RL為其負載(可以是測量儀表內(nèi)阻或其他負載)。,電橋線路原理圖,17,不
9、受力時,使電橋平衡,受應力或溫度使電阻值變化時:,為使分析簡化,選擇,2)常用電橋電路,18,一般情況下, ,化簡得到:,利用上式的和差特點,可進行溫度補償和提高測量的靈敏度。,19,為達到完全補償,需滿足下列三個條件: 互相補償?shù)膽兤殞儆谕慌柕?,即它們的電阻溫度系?shù)、線膨脹系數(shù)、應變靈敏系數(shù)都相同,互補應變片的初始電阻值也要求相同; 用于粘貼補償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件材料必須相同,即要求其線膨脹系數(shù)相等; 互相補償?shù)膽兤幱谕粶囟拳h(huán)境中。,20,根據(jù)工作中電阻值參與變化的橋臂的個數(shù), 將電橋分為: 半橋式、全橋式,半橋單臂,只有一個橋臂 阻值隨被測量而變化,若四個橋臂的初始電
10、阻值相等, 且 時,21,半橋雙臂,工作時,有相鄰兩個橋臂 阻值隨被測量而變化。,若四個橋臂的初始電阻值相等,,設相鄰兩個橋臂阻值變化量相等時,為使輸出不為零且提高靈敏度,使電阻變化方向相反(即一個阻值增大,另一個則減小).,22,全橋接法,工作時四個橋臂都隨被測量變化。,設四個橋臂的阻值變化量相等:,若四個橋臂的初始電阻值相等,,為使輸出不為零且提高輸出靈敏度,任意兩相鄰橋臂電阻值變化方向均相反,此時:,23,將 作為輸入(有的僅把 當作輸入),由此可以求得上述各種電橋的靈敏度分別為 半橋單臂: 半橋雙臂: 全橋:,比較:,根據(jù)理想線性關系分析所得,24,當僅橋臂AB單臂承受應變 ,產(chǎn)生 時
11、,,上式是在假定 時得到的。,此時電橋的實際輸出是:,電橋的相對非線性誤差為:,如果已知 ,并對非線性誤差 提出要求,則通過上式可計算出允許測量的最大應變量。,當RiR時,輸出電壓與應變呈線性關系。,25,結(jié)論:如果被測應變大于10000,采用等臂電橋時的非線性誤差大于1%。,例:設K=2,要求非線性誤差1%,試求允許測量的最大應變值max。,26,(3)電阻應變式傳感器的應用,直接用來測定結(jié)構(gòu)的應變或應力,如為了研究某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的受力、變形情況,可利用不同形狀的應變片,粘貼在構(gòu)件的選定部位,測得構(gòu)件的拉、壓應力或彎矩等,為結(jié)構(gòu)設計、應力校核或構(gòu)件破壞的預測等提供可靠的試驗數(shù)據(jù)。 將應
12、變片貼于彈性元件上,作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。在這種情況下,彈性元件得到與被測量成比例的應變,再由應變片轉(zhuǎn)換為電阻的變化。,注意:電阻應變片必須被粘貼在試件或彈性單元上才能工作,應將其粘貼在應變最大的部位。粘合劑和粘合技術(shù)對測量結(jié)果有直接影響。,27,因此,軸向應變片感受到的應變?yōu)椋?):,圓周方向應變片感受到的應變?yōu)椋?):,彈性元件分為實心和空心兩種。實心圓柱可承受較大負荷;空心圓桶橫向鋼度大,穩(wěn)定性好。,在軸向布置一個或幾個應變片,在圓周方向布置同樣數(shù)目的應變片,后者取符號相反的橫向應變,從而構(gòu)成了差動對。在與軸線任意夾角的方向,其應變?yōu)?:,載荷,楊氏模量,1、
13、柱式力傳感器,28,29,30,2、梁式力傳感器,等強度梁彈性元件是一種特殊形式的懸臂梁。,這種彈性元件的特點是:其截面按一定的規(guī)律變化,當集中力作用在自由端時,距作用力任何距離的截面上應力相等。,31,32,3、 應變式壓力傳感器,測量氣體或液體壓力的薄板式傳感器,如圖所示。當氣體或液體壓力作用在薄板承壓面上時,薄板變形,粘貼在另一面的電阻應變片隨之變形,并改變阻值。這時測量電路中電橋平衡被破壞,產(chǎn)生輸出電壓。,(b),(a),應變式壓力傳感器,圓形薄板固定形式:采用嵌固形式,如圖(a)或與傳感器外殼作成一體,如圖 (b)。,應變片,33,根據(jù)力學公式,當均勻壓力作用在薄板上時:,圓板內(nèi)任一
14、點的應變值為:,徑向和切向應力,徑向和切向應變,圓板的半徑和厚度,與圓心的徑向距離,34,4、應變式加速度傳感器,由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應變片、基座及外殼等組成。是一種慣性式傳感器。,測量時,根據(jù)所測振動體加速度的方向,把傳感器固定在被測部位。當被測點的加速度沿圖中箭頭所示方向,時,懸臂梁自由端受慣性力F=ma的作用,質(zhì)量塊向箭頭a相反的方向相對于基座運動,使梁發(fā)生彎曲變形,應變片電阻也發(fā)生變化,產(chǎn)生輸出信號,輸出信號大小與加速度成正比。,35,圖4-5沖床生產(chǎn)量和生產(chǎn)過程監(jiān)測,圖4-6電阻應變式電子秤,圖4-7機械手,36,作 業(yè),1. 電阻應變片的種類有哪些?各有何特點? 2. 電阻應變片阻值為120,靈敏度系數(shù)為K=2,沿縱向粘貼于直徑為0.05的圓柱形鋼柱表面,鋼材的彈性模量為 ,
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