自动检测与转换技术-第二章.

自动检测与转换技术物理及电子工程学院杨恒Tel:15086622232E-mail:[e-mail]第二章：电阻式传感器•电阻式传感器是一种能把非电量（如力、压力、位移、扭矩等）转换成与之有对应关系的电阻值，再经过测量电桥把电阻值转换成便于传送和记录的电压（电流）信号的装置。电阻式传感器的种类很多，主要有电位器式、电阻应变式和压阻式、气敏、湿敏电阻式热电阻等类型。2.1电位式传感器•应用：可以测量位移、压力、加速度、容量、高度等多种物理量。•优点：结构简单、尺寸小、质量轻、价格便宜、精度高、性能稳定、输出信号大、受环境影响小。•缺点：电位式传感器的动触头与线绕电阻或电阻膜的摩擦存在磨损，因此可靠性差，寿命较短，分辨力较低，动态性能不好，干扰（噪声）大，一般用于静态和缓变量的检测。•分类：线性电位器和非线性电位器。2.1.1线性电位器•线性电位器由绕于骨架上的电阻丝线圈和沿电位器滑动的滑臂，以及安装在滑臂上的电刷组成。图2.1直线位移电位式传感器示意图当滑臂由A向B移动距离为x后至C点，则A点到电刷间的阻值为A、C间的输出电压为xxRRLxxUUL•对于电位器式角度传感器，其电阻与角度的关系为•输出电压与角度的关系为RRUU图2.2电位器式角度传感器2.1.1线性电位器2.1.1线性电位器电位器电压分辨率：2.1.1线性电位器•X=0或X=1时，负载误差均为0；•X=0.5时，负载误差为最大；2.1.1线性电位器实际情况负载若满足不了要求，怎么办？1、可采用限制电位器工作区间的办法减小误差2、电位器设计成空载特性上凸的非线性电位器，以其在带负载时满足线性关系，以消除误差。2.1.2电位器式传感器应用•1．位移传感器•电位器式位移传感器常用于测量几毫米到几十米的位移和几度到360°的角度。•电位器传感器结构简单，价格低廉，性能稳定，能承受恶劣环境条件，输出功率大，一般不需要对输出信号放大就可以直接驱动伺服元件和显示仪表；其缺点是精度不高，动态响应差，不适合于测量快速变化的量。2.1.2电位器式传感器应用•2．电位器式压力传感器•当被测压力p变化时，弹簧管的自由端产生位移，带动指针偏转，带动电刷滑动，输出与被测压力成正比的电压信号。2.2电阻应变式传感器•作用：可测量位移,加速度,力,力矩,压力等各种参数•优点：结构简单,使用方便,性能稳定,可靠,灵敏度高,测量速度快•应用领域：航空、机械、电力、化工、建筑等2.2.1电阻应变片的种类与结构•电阻应变片（简称应变片或应变计）根据敏感元件的不同，将应变计分为金属式和半导体式两大类。•1．丝式应变片•丝式应变片是将电阻丝绕制成敏感栅粘结在各种绝缘基底上而制成的，是一种常用的应变片，其基本结构如图所示。图电阻丝应变片的基本结构2.2.1电阻应变片的种类与结构•丝式应变片构成：•敏感栅•基底和盖片•黏结剂•引线1—基底，2—电阻丝，3—盖片，4—引线2.2.1电阻应变片的种类与结构•2．箔式应变片•箔式应变片利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材在绝缘基底下制成各种图形而成的应变片，如图所示。图箔式应变片2.2.1电阻应变片的种类与结构箔式应变片的主要优点•制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀,可以制成任意形状以适应不同要求•敏感栅薄而宽，黏结情况好，传递应变性能好•散热性能好，工作电流可以较大，从而增大输出信号•敏感栅弯头的横向效应可以忽略•蠕变、机械滞后较小，抗疲劳性能好，寿命较长•3．薄膜应变片•薄膜应变片是薄膜技术发展的产物，其厚度在0.1um以下。•采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式的敏感栅而形成应变片。这种应变片灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应变片。主要问题：尚难控制器电阻与温度和时间的变化关系2.2.1电阻应变片的种类与结构•4．半导体应变片优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏系数极大，无须放大器直接与记录仪器连接；缺点：电阻值和灵敏系数的强度稳定性差，非线性严重。2.2.1电阻应变片的种类与结构2.2.2电阻的应变效应•金属丝的电阻与材料的电阻率及其几何尺寸有关，而金属丝在承受机械变形的过程中，这两者都要发生变化，因而引起金属丝的电阻变化。•电阻应变片的工作原理是基于金属的电阻应变效应：金属丝的电阻随着它所受的机械变形（拉伸或压缩）的大小而发生相应变化。•实验证明：在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化与应变是成正比的，即xRKR•2.1.1电阻应变片的工作原理——应变效应•电阻应变片基于金属材料的应变效应。因形变而使其阻值发生变化的现象称为电阻应变效应。•对于横截面均匀的导体(或半导体)，其电阻为••两边进行微分运算，求得其电阻相对变化SlRdSdSldlRdR2.2.2电阻的应变效应图2-1导体受拉伸后的参数变化•轴向线应变量••纵向线应变•得••已知二者应变关系：•综合得dRdRx)21(ldlxrdrxdRRyx2xy-2.2.2电阻的应变效应•令•K称为灵敏系数，表示金属丝产生变形，其电阻相对变化的大小。K越大，变化率越高，灵敏度越高。•K受影响，为材料几何尺寸发生变化而引起•K受影响，为材料形变时自由电子活动能力和数量发生变化，可正可负，一般选正值，否则会降低灵敏度，电阻的主要变化是由几何形变引起。•实验证明：在金属丝变形的弹性范围内，电阻的相对变化与应变是成正比的，即xRKRxxdRdRK/)21(/21xd/2.2.3应变片测试原理•将应变片粘贴于被测对象上，在外力作用下，被测对象表面产生微小机械变形，粘贴在其表面上的应变片亦随其发生相同的变化，因此应变片的电阻也发生相应的变化。如果应用仪器测出应变片的电阻值变化，即可以得到被测对象的应变值，在材料力学中，根据应力-应变关系，可以得到应力值F。•F为试件的应力；A为试件的面积；为试件的应变。•见书上例题2.1xEAF测量电路•弹性元件产生的机械变形微小，引起的应变量也很微小，为了把微小的电阻变化率反映出来，必须采用测量电桥，把应变电阻的变化转换成电压或电流变化，从而达到精确测量的目的。•1．直流电桥工作原理•如图所示为一直流供电的平衡电阻电桥，当电桥输出端开路时，根据分压原理，电阻R1两端的电压•电阻R3两端的电压•则输出端电压Uo为•电桥的平衡条件1423RRRR电阻电桥•2．电阻应变片测量电桥•应变片测量电桥在工作前应使电桥平衡（称为预调平衡），以使工作时的电桥输出电压只与应变片感受应变所引起的电阻变化有关。初始条件为1234RRRRR（1）应变片单臂工作直流电桥。单臂工作电桥只有一只应变片R1接入，如图所示单臂工作直流电桥o22RRUERRR()o224RRERUERRRo4EUK•（2）应变片双臂直流电桥（半桥）。半桥电路中用两只应变片，把两只应变片接入电桥的相邻两支桥臂。根据被测试件的受力情况，一个受拉，一个受压，如图2.12所示。•若•上式可以写为：114223o112234RRRRRRUERRRRRR()()()()12RRRo2EUK双臂直流电桥•3．应变片直流全桥电路•把4只应变片接入电桥，并且差动工作，即两个应变片受拉，两个受压，如图2.13所示。则：•对比可知，用直流电桥做应变的测量电路时，电桥输出电压与被测应变量成线性关系，而在相同条件下（供电电源和应变片的型号不变），差动工作电路输出信号大，半桥差动输出是单臂输出的2倍，全桥差动输出是单臂输出的4倍。即全桥工作时，输出电压最大，检测的灵敏度最高。11442233o11223344)RRRRRRRRUERRRRRRRR()(()()()()o422RRRUEERRREK＝图2.13直流全桥电路•4．应变片的温度误差及其补偿•（1）温度误差。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素是：一、应变片的电阻丝具有一定的温度系数；二、电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。•由温度变化形成的总电阻变化为•试件不受外力作用而温度变化时，粘贴在试件表面上的应变片会产生温度效应。它表明应变片输出的大小与应变计敏感栅材料的电阻温度系数、线膨胀系数以及被测试材料的线膨胀系数有关。eg0()RtKtR•（2）温度补偿。为了使应变片的输出不受温度变化影响，必须进行温度补偿。•①单丝自补偿应变片。•②双丝组合式自补偿应变片。•③桥式电路补偿法。•④热敏电阻补偿。电阻应变式传感器的应用•1．测力传感器•电阻应变式传感器的最大用武之地是在称重和测力领域。这种测力传感器由应变计、弹性元件、测量电路等组成。柱式力传感器电阻应变式传感器的应用柱式力传感器应用:称重式料位计电阻应变式传感器的应用梁式力传感器:电阻应变式传感器的应用例2.2:电阻应变式传感器的应用•2．压力传感器•压力传感器主要用于测量流体的压力。根据其弹性体的结构形式可分为单一式和组合式两种。单一压力传感器电阻应变式传感器的应用•3•应变式位移传感器是把被测位移量转变成弹性元件的变形和应变，然后通过应变计和应变电桥，输出正比于被测位移的电量。它可用于近测或远测静态或动态的位移量。2.4压阻式传感器•半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。•常见的半导体应变片采用锗和硅等半导体材料作为敏感栅。根据压阻效应，半导体和金属丝同样可以把应变转换成电阻的变化。公式为：•式中，为压阻系数；为应力；E为弹性模量。EdRdRdRdR)21(2.4压阻式传感器•由于半导体材料的各向异性，当硅膜片承受外应力时，同时产生纵向和横向压阻效应。则有•半导体应变片的灵敏系数为rrttRR/xRRKE2.4.1测量原理•在膜片上布置4个等值电阻。只要位置合适，可满足•这样可以形成差动效果，通过测量电路，获得最大的电压输出灵敏度。32142314RRRRRRRR2.4.2温度补偿•压阻式传感器受温度影响后，会引起零位漂移和灵敏度漂移，因而会产生温度误差。•零位温度一般可用串联电阻的方法进行补偿。•串联电阻Rs主要起调节作用，并联电阻Rp则主要起补偿作用。例如，温度上升，Rs的增量较大，则A点电位高于C点电位，VA-VC就是零位漂移。在R2上并联一负温度系数的阻值较大的电阻Rp，可约束Rs变化，从而实现补偿，以消除此温度差。补偿电路压阻式传感器的应用•1．压力测量•压阻式压力传感器由外壳、硅杯和引线组成，如图2.24所示，其核心部分是一块方形的硅膜片。当硅杯两侧存在压力差时，硅膜片产生变形，4个应变电阻在应力作用下，阻值发生变化，电桥失去平衡，按照电桥的工作方式，输出电压与膜片两侧的压差成正比，即图2.24压阻式压力传感器o12UKppKp()•2．液位测量•如图2.25所示，压阻式压力传感器安装在不锈钢壳体内，并由不锈钢支架固定放置于液体底部。被测液位可由下式得到：1010gpHhhh图2.25压阻式压力传感器外形图气敏电阻传感器•气敏电阻传感器可以把气体中的特定成分检测出来，并将它转换成电信号的器件，以便提供有关待测气体的是否存在及其浓度的高低。•1、工作原理•气敏电阻一般用SuO2、InO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂，按一定的比例燃烧而成的半导体器件。它的结构、测量电路如图2.26所示。图2.26气敏传感器的结构及测量电路•2、实用线路：矿灯瓦斯报警器•瓦斯探头由QM-N5型气敏元件、R1及4V矿灯需电池等组成。RP为瓦斯报警设定电位器。当瓦斯超过某一设定点时，RP输出信号通过二极管V1加到V2基极上，V2导通，V3、V4便开始工作。V3、V4为互补式自激多谐振荡器，它们的工作使继电器吸合与释放，信号灯闪光报警。湿敏电