检测与转换技术第6章new

第六章电参数传感器第一节电阻应变传感器（1）电阻丝的应变效应Lb电阻应变式传感器•是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器•工作原理：–当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。•结构：–应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成•应用：–广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量应变效应分析•电阻应变片的工作原理是基于应变效应•即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为“应变效应”。一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：图3-1金属电阻丝应变效应FlrrlFAlR当电阻丝受到拉力F作用时，将伸长Δl，横截面积相应减小ΔA，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了Δρ，从而引起电阻值变化量为dAdAldlRdR式中：dl/l——长度相对变化量，用应变ε表示为ldl2lldRddldAAAA＝＋电阻相对变化量：dA/A——圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2πrdr，则rdrAdA2材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，轴向应变和径向应变的关系可表示为ldlrdrμ为电阻丝材料的泊松比，负号表示应变方向相反。推得：定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为dRdRK21dRdR)21(灵敏系数K受两个因素影响•一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，即1+2μ•二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，即（dρ/ρ）/ε。•对金属材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε•对半导体材料：(dρ/ρ)/ε＞＞1+2μ•大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。分析：当半导体应变片受轴向力作用时，其电阻相对变化为dRdR)21(半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关：Ed式中：π——半导体材料的压阻系数;σ——半导体材料的所受应变力;E——半导体材料的弹性模量;ε——因此：)21(ERdR实验证明，πE比1+2μ大上百倍，所以1+2μ可以忽略，ERdRK半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高50～80倍，但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重，使它的应用范围受到一定的限制。测量原理：在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为ΔR时，便可得到被测对象的应变值，根据应力与应变的关系，得到应力值σ为σ=E·εdRRK2.应变片的结构与种类应变片的结构图3-2金属电阻应变片的结构引线覆盖层基片电阻丝式敏感栅lb丝式箔式丝式应变片箔式应变片结构随着工艺制作技术的提高图3-3常用应变片的形式3.3电阻应变片的测量电路3.3.11.直流电桥平衡条件433211RRRRRREUoR1R2R4R3ACBEDIoRLUo＋－图3-9直流电桥当RL→∞时，电桥输出电压为当电桥平衡时，Uo=0，则有R1R4=R2R3或4321RRRR电桥平衡条件：欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。电桥平衡条件2.电压灵敏度应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。当受应变时：若应变片电阻变化为ΔR，其它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo≠0，则电桥不平衡，输出电压为341211113443211414332111111))((RRRRRRRRRRERRRRRRRRRRRRRRREUo设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1R1，分母中ΔR1/R1可忽略，并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3，则上式可写为ERRnnUo112)1(电桥电压灵敏度定义为EnnRRUKoU211)1(分析：①电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压，供电电压越高，电桥电压灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，所以要作适当选择；②电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数，恰当地选择桥臂比n的值，保证电桥具有较高的电压灵敏度。？当E值确定后，n取何值时才能使KU最高？分析：思路：dKU/dn=0求KU的最大值2410(1)UdKndnn求得n=1时，KU为最大值。即在供桥电压确定后，当R1=R2=R3=R4时，电桥电压灵敏度最高，此时有4411EKRREUUo结论：当电源电压E和电阻相对变化量ΔR1/R1一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂电阻阻值大小无关。3.非线性误差及其补偿方法)1(11111'nRRnRRnEUo与ΔR1/R1的关系是非线性的，非线性误差为'oU1111'1RRnRRUUUoooLERRnnUo112)1(理想情况（略去分母中的ΔR1/R1项）：实际情况（保留分母中的ΔR1/R1项）：如果桥臂比n=1，则：11112LRRRR例如：对于一般应变片：所受应变ε通常在5000μ以下，若取KU=2，则ΔR1/R1=KUε=0.01，计算得非线性误差为0.5%；若KU=130，ε=1000μ时，ΔR1/R1=0.130，则得到非线性误差为6%，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。图3-10差动电桥R1＋R1R4R3ACBEDR2－R2Uo(a)R1＋R1ACBEDR2－R2Uo(b)R3－R3R4＋R4＋－＋－减小和消除非线性误差的方法半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂。433221111RRRRRRRRREUo若ΔR1=ΔR2，R1=R2，R3=R4，则得112RREUo可知：Uo与ΔR1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。若ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4，且R1=R2=R3=R4，则EKRREUUo11结论：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。3.3.2交流电桥引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。由于供桥电源为交流电源，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容。U图3-11交流电桥Z1UoU(a)Z2Z3Z4～R1R2R4R3oUC1C2U(b)～44312222111111RZRZCRjRZCRjRZ式中,C1、C2表示应变片引线分布电容。每一桥臂上复阻抗分别为交流电桥输出：))((43213241ZZZZZZZZUUo电桥平衡条件：Uo=0，即Z1Z4=Z2Z3整理可得3222411111RCRjRRCRjR变形为：24241313CRjRRCRjRR交流电桥的平衡条件（实部、虚部分别相等）：3412RRRR2112CCRRR1R2R4R3ACR5DUoU(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU(d)BRD～～～～图3-12交流电桥平衡调节当被测应力变化引起Z1=Z10+ΔZ,Z2=Z20－ΔZ变化时（Z10=Z20=Z0），则电桥输出为00021212ZZUZZZUUo14231234()()oZZZZUUZZZZ3.4应变式传感器的应用应变片能将应变直接转换成电阻的变化其他物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变－弹性元件应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）电阻应变式传感器的应用1应变式力传感器2应变式压力传感器3.应变式液体重量（或液位）传感器4应变式加速度传感器3.4.1应变式力传感器被测物理量：荷重或力主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等图3-13（a）柱式；（b）筒式；（c）圆柱面展开图；（d）桥路连线图(a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU～1.柱（筒）式力传感器作业FR1R2R4R5R8R7R6R1R2R3R4R5R8R7R6R1R2R3R4UoUF2.环式力传感器图3-14环式力传感器(a)环式传感器结构图；(b)应力分布(a)AR1R2Bh(b)MBAFR＝39.5°对R/h5的小曲率圆环：A、B两点的应变。EbhFREbhFRA2291.109.1这样，测出A、B处的应变，即可得到载荷F。A23(/2)2(1)FRhbhE＝B23(/2)2FRhbhE＝内贴取“一”内贴取“＋”式中：h——圆环厚度；b——圆环宽度；E——0()()0URRUfKfFRRRUFR测量3.4.2应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。在压力p作用下，膜片产生径向应变εr和切向应变εt，表达式分别为EhxRpEhxRptr222222228))(1(38)3)(1(3图3-15（a）应变变化图;（b）应变片粘贴trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b)应变变化曲线的特点：当x=0时，εrmax=εtmax；当x=R时，εt=0，εr=－2εrmax。特点的应用：一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片，在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，然后接成全桥测量电路。避开位置。3/Rx0r3/Rx组合式压力传感器应变片不直接粘贴在压力感受元件上压力敏感元件为膜片或膜盒、波纹管、弹簧管等通常用于测量小压力。其缺点是固有频率低，不适于测量瞬态过程。3.4.3感压膜感受上面液体的压力。当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为Uo=U1＋U2=(K1＋K2)hρg式中,K1，K2为传感器传输系数。AQgh120()KKQUA结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。图3-16应变片容器内液体重量传感器微压传感器电阻应变敏感元件传压杆感压膜hRLU1R2R4R0R1R3RtUoLRU22R1R4R0RtR3R3.4.4用于物体加速度的测量。依据：a=F/m。32141—等强度梁；2—质量块；3—壳体；4—电阻应变敏感元体图3-17电阻应变式加速度传感器结构图测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压，即可得出加速度a值的大小。适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合，一般适用频率为10~60Hz范围。热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。热电