4生物医学传感-电阻传感器

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9:29AM1第三章弹性敏感元件19:29AM2变形弹性变形弹性材料弹性敏感元件一、定义、作用弹性敏感元件:利用弹性变形实现将被测量由一种物理状态变换为另一种相应物理状态的元件。9:29AM3按在传感器中的作用分为两类:–弹性敏感元件–弹性支承弹性元件作用:把力、力矩或压力等各种形式非电量变换成相应的应变或位移,再由转换元件变换成电量。常用的弹性敏感元件有:波纹管、弹性梁、柱及筒、膜片、膜盒、弹簧管等。9:29AM4弹性特性可用刚度或灵敏度来表征。二、基本特性弹性特性:1.刚度弹性敏感元件在外力作用下变形大小的量度,一般用k表示,它的数学表达式为:0limxFdFkxdx9:29AM5•从弹性特性曲线求得刚度的方法:–做切线–找夹角–求正切•如果弹性元件的弹性特性是线性的,则其刚度为常数dxdFktanA9:29AM62.灵敏度–灵敏度就是单位力产生形变的大小。–灵敏度是刚度的倒数,一般用K表示。dxKdF111iniKK1iniKK弹性敏感元件并联:弹性敏感元件串联:9:29AM73.弹性滞后弹性元件在弹性形变范围内,弹性特性曲线的加载曲线与去载曲线不重合的现象。弹性变形之差Δx叫做弹性敏感元件的滞后误差曲线1和曲线2所包围的范围称为滞环弹性滞后是某些传感器产生迟滞误差的主要原因。引起弹性滞后的原因:主要是由于弹性敏感元件在工作时其材料分子间存在内摩擦。9:29AM8•弹性敏感元件所加载荷改变后,不是立即完成相应的变形,而是在一定时间间隔中逐渐完成变形的现象—弹性后效现象4.弹性后效和蠕变•弹性后效体现的是时间因素的影响,对传感器的动态特性影响尤其明显9:29AM9弹性蠕变当外力保持恒值时,弹性敏感元件在一个较长时间范围内仍然缓慢变形的现象。弹性后效是引起某些传感器测量过程中产生重复性误差的主要原因;弹性蠕变是影响某些传感器测量过程稳定性的主要原因之一。9:29AM105.固有振动频率振动质量。-弹性敏感元件的等效弹性敏感元件的刚度;—式中:e0mk)(21Hzmkfe弹性敏感元件的动态特性和变换被测参数的滞后现象,很大程度上与它的固有振动频率有关。一般总希望它具有较高的固有振动频率。与灵敏度相矛盾9:29AM116.弹性敏感元件的形式弹性敏感元件将力、压力变换成为位移或应变,因此弹性敏感元件可分为:力——应变的变换;力——位移的变换;压力——应变的变换;压力——位移的变换;力矩——角度的变换等。力的变换压力的变换9:29AM12压力膜盒圆形膜片金属波纹膜片9:29AM13环行金属波纹管波纹管柔性联轴器9:29AM14弹簧管压力表9:29AM15电子秤9:29AM16电子地磅9:29AM17第四章电阻式传感器179:29AM18基本工作原理是将被测物理量的变化转换成传感元件电阻值的变化,再经转换电路变成电量输出。包括电位器式、压阻式、热阻式、应变式等。学习要点:1.应变式传感器:应变效应、电桥测量电路和温度补偿原理2.压阻式传感器:压阻效应、测量桥路及温度补偿工作原理9:29AM19第一节应变式传感器应变式传感器是利用金属的电阻应变效应将被测量转换为电量输出的一种传感器。应变式传感器组成框图非电量应变电阻应变片弹性元件电阻变化传感器9:29AM20一、工作原理(电阻应变效应)FFLLrr电阻应变效应:金属导体(电阻丝)的电阻值随其变形(伸长或缩短)而发生变化的一种物理现象。在未受到外力F的作用时,电阻值为:ALR9:29AM21当受到拉力作用F后,电阻的变化量为:0/(12)KRR0/12K---金属电阻丝的灵敏度系数=dL/L(纵向应变)9:29AM22讨论:1、应变的灵敏系数K0受二个因素的影响:几何形状变化的影响电阻率发生变化的影响2、对于金属材料:21,210K对于半导体材料:0,21K压阻效应应变效应0(12)RRK9:29AM23二、应变片结构与类型1、结构电阻应变片由基底、敏感栅、盖片(有时加上引出线)组成。用粘贴剂将其粘贴在一起,构成完整的应变片。9:29AM242、应变片的类型、材料及粘贴(2)应变片的粘贴粘贴在应变变化均匀且较大的地方。基底、盖片敏感栅引出线金属丝式纸基、胶基金属丝12~50m(回线式、短接式)康铜、镍铬合金、铂等0.1~0.15mm镀锡铜丝金属箔式胶基金属箔片厚3~10m(通过照相制版或光刻技术)康铜、镍铬合金有或无金属薄膜式金属薄膜厚0.1m以下溅射到相应的位置无(1)应变片的类型9:29AM259:29AM26常用金属电阻丝材料的性能最常用动态中高温高温(3)应变片的材料9:29AM27三、金属应变片的主要特性(贴在试件上后讨论)1.灵敏系数kRR原因:1)粘贴层传递变形失真,2)横向效应。且kk0。各种应变片9:29AM282.横向效应yx-y纵向伸长作用使电阻值增加横向缩短作用使电阻值减小RRR和电阻增量减小。9:29AM293.机械滞后应变片粘贴在被测试件上,当温度恒定时,其加载特性与卸载特性不重合,即为机械滞后。原因:残余应变;在制造或粘贴应变片时,敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。ΔεΔε1机械应变ε卸载加载指示应变εi应变片的机械滞后9:29AM304、零漂和蠕变即:constT温度)当(0t指标即:constT温度)当(t指标零漂:0真实,蠕变:const真实,原因:存在内应力、内部结构变化、黏合剂受潮原因:绝缘电阻低、产生热电势等9:29AM315、应变极限6、电阻值或称原始电阻值7、动态特性测量变化频率较高的动态应变时考虑。应变片反映敏感栅的平均应变。应变片传播速度V=声波,sm/5000钢材9:29AM321).阶跃响应阶跃应变应变栅长度应变波传播速度上升时间实际响应曲线0.8rltv9:29AM332).正弦应变波变化设:在应变片任意位置上x,通过的应变波为:x2sin09:29AM34122102sinxxdxxxxp则基长l的平均应变:1202cos2cos2xxl若测出的是平均应变的最大值:242421lXlXllpsin:0则9:29AM35相对误差:%1001sin%10000llp(%)lln误差与n有关,n越大,越小一般取2010nl%4.06.1则9:29AM36四、温度误差及补偿1、温度误差:1)敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化tRRtRRRRtRRtttt1CtC001温度变化量电阻丝电阻温度系数电阻温度系数的影响和材料线膨胀系数的影响9:29AM372)电阻丝材料与受力件材料的线膨胀系数不同,使电阻相对变化为:tKRRttcmtcm式中βm-受力件材料的线膨胀系数;βc-电阻丝材料的线膨胀系数;K-应变片灵敏度总电阻温度相对误差:RRRRRRtttttKcm9:29AM38应变误差:tKcm应力误差:1tmcRRKttKKtmcRREEEtKK9:29AM39【习题1】一试件为钢材,电阻丝为康铜丝,βc=15×10-6/℃,βm=11×10-6/℃,在Δt=1℃时,,K=2,,计算其电阻相对误差、应变误差、应力误差?℃)(-/10206)/N102024mmE(9:29AM40通常有应变片自补偿和线路补偿。2、温度补偿(1)自补偿法)(cmK设法取:RRRRRRtttttKcm0)(cmK则:9:29AM41(2)线路补偿法:电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。Uo=A(R1R4-R2R3)R2243214))((RURRRRUA9:29AM42R1工作片FR2补偿片补偿块1414oUARRKUK9:29AM43半桥进行补偿(另一种方法)既实现了温度补尝,又实现了提高灵敏度的作用。RRRRRR21tt2t1RRRRRRUk412RRU412)RRRR(U41U210R1(拉)R2(压)F9:29AM44五、测量电路电阻值的变化电压/电流的变化1直流电桥2交流电桥9:29AM45R1R2R4R3ACBEDIoRLUo+-直流电桥当RL→∞时,电桥输出电压为:1.直流电桥平衡条件(一)直流电桥311234oRRUERRRR9:29AM46当电桥平衡时,Uo=0,则R1R4=R2R33124RRRR此式为电桥平衡条件,即:电桥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。R1R2R4R3ACBEDIoRLUo+-9:29AM47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:2.电压灵敏度3111411234112344131124113()()11oRRRRRUEERRRRRRRRRRRRRRERRRRRR9:29AM48设桥臂比n=R2/R1,由于ΔR1R1,平衡条件R2/R1=R4/R3,则:121(1)oRnUEnR电桥电压灵敏度定义为:211(1)oUUnKERnR9:29AM493.差动电桥R1+R1R4R3ACBEDR2-R2Uo(a)R1+R1ACBEDR2-R2Uo(b)R3-R3R4+R4+-+-差动半桥差动全桥9:29AM50(二)交流电桥Z1UoU(a)Z2Z3Z4~R1R2R4R3oUC1C2U(b)~交流电桥9:29AM5111112222334411RZjRCRZjRCZRZRC1、C2表示应变片引线分布电容。可求得交流电桥的平衡条件为:2413RRRR2112RCRC9:29AM52R1R2R4R3ACR5DUoU(a)R1R2R4R3ACR5UoU(b)BBR6R1R2R4R3ACUoU(c)BC1C2C3C4R1R2R4R3ACCUoU(d)BRD~~~~交流电桥平衡调节9:29AM53六、应变片传感器的应用1力传感器2压力传感器3液重传感器4加速度传感器9:29AM54(a)(b)(c)R1R5R2R6R3R7R4R8R1R3R5R7R6R8R2R4(d)UoU~1)圆柱(筒)式力传感器柱式筒式圆柱面展开图桥路连线图1、应变式力传感器9:29AM55(a)AR1R2Bh(b)MBAFR=39.5°与柱式相比,应力分布变化较大,且有正有负。结构图2)环式力传感器应力分布9:29AM569:29AM579:29AM58冲床生产记数和生产过程监测。9:29AM599:29AM60将物品重量通过悬臂梁转化结构变形,再通过应变片转化为电量输出。9:29AM61trxhRpR2R1R4R3rt(a)(b)膜片式压力传感器应变变化图应变片粘贴2、应变式压力传感器9:29AM62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、容器内液重传感器120()KKQ

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