第7章-结构型传感器PPT

第7章结构型传感器传感器按构成原理分为结构型和物性型传感器。结构型传感器是以其转换元件结构参数变化实现信号转换，主要有：应变电阻式、电感式、电容式及磁电式等；而物性型传感器是以其转换元件物理特性变化实现信号转换，主要包括：光电式、压电式、热电式等。7.1应变电阻传感器应变电阻式传感器属于电阻式传感器中的一种，是目前广泛应用的传感器之一。它是以电阻应变片为传感元件，将应变或能转化为应变的其它量，转化为应变片电阻的变化。应变具有如下优点：（1）结构简单，使用方便。（2）性能稳定，使用寿命长。（3）灵敏度高，动态响应快。（4）便于远距离和自动化测量。7.1.1应变式传感器的工作原理及结构1．金属电阻的应变效应设一金属导线长为，截面积为，电阻率为，则它在未受力时的原始电阻值为lAAlR（7-1）F当沿导线轴向方向受到力作用时，导线发生形变，则其电阻值也随之发生变化，这一效应称为金属的电阻应变效应。对（7-1）式两边微分：dAldAAldlAdR2（7-2）电阻的相对变化为：dAdAldlRdR（7-3）dAdAldlRdR式中称为金属丝的轴向应变，简称应变，用表示，ldlrdrrrdrAdA222,而ldlrdr,所以2AdA，（7-3）式可写为dRdR)21(（7-4）通常把单位应变所引起的电阻相对变化称为应变灵敏系数，即dRdR1)21(（7-5）7.1.1应变式传感器的工作原理及结构1．金属电阻的应变效应(续）dRdR1)21(从（7-5）式可以看出，电阻的应变灵敏系数可分为两部分。第一部分对应受力后材料的几何尺寸变化引起的，金属材料的电阻应变效应以此项为主，其值一般在1.8～4.8之间。第二部分对应受力后电阻率的变化引起的，半导体材料的压阻效应以此项为主，其值可达100以上。7.1.1应变式传感器的工作原理及结构1．金属电阻的应变效应(续）2．金属应变片的结构电阻应变片主要有金属应变片和半导体应变片两大类。而金属电阻应变片又有金属丝式、泊式和薄模式应变片。金属丝式应变片其结构如图7.1所示，它是由敏感栅，基底，盖层，引线和粘结剂组成。基底盖层引线敏感栅图7.1电阻应变片结构7．1．2电阻应变式传感器的主要特性及参数1．静态特性金属应变片感受试件不随时间变化或变化缓慢的应变时的输出特性称为静态特性。主要有灵敏系数，横向效应，机械滞后，蠕变和应变极限等。2．动态特性应变片的动态特性是指其感受随时间变化的应变时的响应特性。7．1．3应变片的温度效应及其补偿1．温度效应粘贴在试件上的应变片，当环境温度变化时，也会引起应变电阻的相对变化，这种单纯由温度变化引起的应变计电阻变化的现象，称为应变计的温度效应。2．温度效应的补偿温度效应的补偿就是消除热输出对测量应变的干扰。（1）单丝自补偿法由式（7-12）知，要实现温度补偿，只要满足条件：0)(1)(ttkkRRtsttt（7-13）因此，对给定的试件（确定），可以适当选取应变片栅丝的温度系数及膨胀系数，使式（7-13）成立，即可在一定温度范围内实现温度补偿。stt7．1．3应变片的温度效应及其补偿2．温度效应的补偿（续）（2）双丝自补偿法双丝自补偿应变片的敏感栅由电阻温度系数一正一负两种合金丝串接而成，如图7.4所示，应变计总电阻为：，当温度变化时，若和的电阻变化大小相等或相近，而符号相反，则就可以起到温度补偿作用。21RRR1R2R焊点图7.4双丝自补偿应变计1R2R（3）双丝半桥双丝半桥式是利用电桥电路实现温度补偿，这种应变计的丝栅是用相同符号温度系数的合金丝串接在一起，其结构及电桥连接方式如图7.5所示：和分别接入电桥的相邻臂上，称为工作栅，称为补偿栅，它具有较高的温度系数，并串接附加电阻（不敏感温度），和称为平衡电阻。当温度变化时，只要电桥两臂的热输出相等或相近，就能达到热补偿的目的。1R2R1R2RBR3R4R图7.5双丝半桥式应变计UU0R1R2RBR3R41R2R这种补偿的优点是：通过调整，不仅可使热补偿达到最佳状态，而且能适用于不同的试件。缺点是：对的精度要求较高，而且由于和处于电桥的两相邻臂上，因此当有应变时，补偿栅同样起着抵消工作栅有效应变的作用，从而使应变计的灵敏度降低。BRBR1R2R（4）补偿块法补偿块法就是利用两片性能参数完全相同的应变片，其中一片粘贴在试件上作为工作片，另一片粘贴在与试件相同材料，相同环境温度，但不参与机械应变的补偿块上作为补偿片，然后接入电桥的两相邻桥臂上，如图7.6所示：和仍为平衡电阻。当温度变化时，由于和为参数相同的应变片，且处于相同的温度环境中，因此和的热输出相同，通过电桥电路，使其输出仅与感受的应变有关，温度效应得到补偿。3R4R1R2R1R2R图7.6补偿块法UU0R1R2R3R4试件补偿块7.2电感式传感器电感式传感器是利用电磁感应原理将被测非电量（位移、压力、流量等）的变化转化为线圈自感或互感变化的装置。优点：如结构简单，工作可靠，寿命长；灵敏度和分辨力高；输出功率大；抗干扰能力强，适合在恶劣环境中工作。缺点：频率响应低，不宜于作快速动态测量等。电感式传感器的种类很多，本节主要介绍自感式、互感式和涡流式三种传感器。7．2．1自感式传感器自感式传感器实质上是一个带气隙的铁芯和线圈。目前常用的有变气隙型、变面积型和螺管型三种，下面分别介绍。1．变气隙型自感式传感器如图7.7所示为变气隙型自感式传感器的结构图，它由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。其中：线圈铁芯衔铁图7.7变气隙式自感传感器)2(02221112ssLsLNL（7-18）式中：，，分别为铁芯、衔铁和空气的导磁率；，，为铁芯、衔铁和气隙的长度；，，为铁芯、衔铁和空气隙的截面积。由于，远大于，因此式（7-18）可写为：1201L2L21s2ss120202sNL（7-19）铁芯上绕有线圈，当衔铁随被测量变化而移动时，气隙厚度及磁路磁阻发生变化，从而线圈的电感量发生变化。然后通过测量电路转换成与位移成正比的电量，实现由非电量到电量的转换。202sNL（7-19）设气隙初始长度为，其电感为：002002sNL（7-20）当衔铁向上移动时，气隙变为，则000020201011)(22LsNsNLLL（7-21）由于远小于1，可将（7-21）式展成泰勒级数：0])()()(1[020001nLL（7-22）略去高次项得：001LL（7-23）灵敏度和非线性误差为：（7-24）0010LLS%1000（7-25）由以上讨论知，变气隙式自感传感器的输出是非线性的，且随着的减小非线性得到改善，因此，其测量范围受到限制。采用差动结构改善非线性如图7.8所示，不难求出当铁芯向上移动时，两个线圈的电感一个增加，另一个减少，形成差动形式，其中的变化由（7-22）式给出，的变化为：1L2L])()()(1[3020002LL利用电桥电路，将，接在电桥的相邻臂，电桥的输出电压与有关，而1L2LL])()(1[240200021LLLL（7-27）L1L2UsU0R0R0图7.8差动变气隙式自感传感器可见，采用差动结构，不仅能使灵敏度提高一倍，而且其非线性误差也得到明显改善。