第4章-传感器原理1模板

第三章传感器测量原理与测量电路本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路3－1概述3－2电阻式传感器3－3电容式传感器3－4电感式传感器3－5压电式传感器3－6压阻式传感器3－7温度传感器本章学习内容：第三章传感器测量原理与测量电路4.1概述1.传感器定义传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。物理量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。第四章传感器测量原理与测量电路2.传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。4.1概述dV3.传感器的分类4.1概述1)按被测物理量分类常见的被测物理量机械量：力，力矩，应力，位移，速度，加速度，几何尺寸热工量：温度（热量，比热，热流），压力（压差，真空度），流量，流速，物位（液位）物理化学量：密度，湿度，粘度，浓度，化学成分生物医学量：血压，眼压，体温，血流，心电，心音，心搏数，触觉，听觉，视觉4.1概述机械式,电气式,光学式,流体式等.2)按工作的物理基础分类:4.1概述能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.(无源传感器)例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部(有源传感器)供给能量的变化.例如:电阻应变片.4.1概述4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.5)按输出量的性质分模拟式：输出量为连续变化的模拟量数字式：输出量为数字量。由于计算机在工程测试中的应用，数字式传感器是很有发展前途的。当然，模拟量也可以通过模-数转换变为数字量。4.1概述6)按传感器工作原理分类变换为电阻的有：电位器式、电阻应变式、压阻式传感器。变换为磁阻的有：电感式、变压器式、电涡流式传感器。变换为电容的有：电容式传感器。变换为电荷的有：压电式传感器。变换为电势的有：感应式、霍尔式、热电式传感器。4.2电阻式传感器•电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器•按工作的原理可分为:电位器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.第四章传感器测量原理与测量电路4.2电阻式传感器•4.2.1电位器式传感器•把被测得的机械位移转换为电阻或电压的变化。•当电刷在电位器上滑动时，改变B点的位置，使CB间的电阻和输出电压都发生变化。•1等效电路分析:xL4.2电阻式传感器•L-变阻器总长;•x-电刷移动量.•R-总电阻;•Rx电刷电阻;UU1xLURRUUx1xLRRx4.2电阻式传感器0LUU1xKxxLUU12.阶梯特性与阶梯误差线绕电位器的实际特性是一条阶梯形的折线。电刷在电阻丝上滑动时，与电阻丝的接触是一匝一匝地移过的，每当电刷移过一个节距，输出电阻产生一匝电阻值跳跃，输出电压亦产生一次阶跃。电位器的阶跃误差ej通常以理想阶梯特性线对理论直线的最大偏差值与最大输出电压的比值的百分数表示。即%100121nejO4.2电阻式传感器3.负载特性与负载误差上述有关电位器的特性是在输出端不接负载时的特性，称为空载特性。实际上，作为传感器用的电位器，它的负载电阻阻值与电位器本身阻值之比是有限的，此时所得特性称为电位器的负载特性。4.2电阻式传感器4.2电阻式传感器UU1VRmRxR-Rx2000RRRRRRRuuffscXLLRRr00fRRm0)1(10XmXXuusc4.2电阻式传感器0LUsc电位器的非线性误差，即负载误差为若使非线性误差在整个行程内不超过1～2%，必须有Rf(10~20)R0电位器负载误差%1000uuuscf%100])1(111[XmX4.特点与应用结构简单，性能稳定，输出信号大，受外界条件影响小。动态响应较差，分辨率低，精度不高。常用来测量位移、压力、加速度等。4.2.2电阻应变式传感器--应变片工作原理：利用电阻应变片受力产生应变而使电阻值发生变化的原理来测量被测参数的大小。4.2电阻式传感器1工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数4.2电阻式传感器金属应变片的电阻R为AlR/dAldAAldlAdR2代入AlR/dRAdARldlRdR4.2电阻式传感器dAdAldlRdR有：金属丝：2rAdrdrldlRdR2金属丝体积不变：ldlrdrddldlRdRk21)21(令K称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是:单位应变所引起的电阻相对变化。金属材料的灵敏系数受两个因素影响:一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的。另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的4.2电阻式传感器对于金属材料后一项比前一项小得多。K=1+2μ=常数通常金属电阻丝的K=1.7～3.6之间。金属丝电阻应变片的典型结构见图。它主要由粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6构成。4.2电阻式传感器应变计金属应变计4.2电阻式传感器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。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。对于半导体材料，因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由应变引起的半导体应变计4.2电阻式传感器EkEkLLLddd21E—材料的弹性模量πL—纵向压阻系数优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。4.2电阻式传感器一般应变式传感器采用金属应变片2电阻应变片的应用应用方向1：将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。4.2电阻式传感器应用方向2：将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、压力、力矩、扭矩、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换为电阻变化的输出。例：对测力问题EAF3.2电阻式传感器3.2电阻式传感器3测量电路应变片工作时电阻值相对变化是很小的，用一般的电路很难精确测量。例如：某传感器的弹性元件在额定载荷作用下产生的应变为1000（一般在103000之间），其上粘贴的应变计的电阻值为120，灵敏系数K=2，则电阻变化量只有0.2%，电阻值变化0.24。最常用的测量电路为电桥电路。211RRUI432RRUIURRRUab211URRRUad433URRRRRRRRURRRURRRUUUadabsc43213241433211一）直流电桥测量电路（2）所谓电桥平衡是指输出，因此当电桥平衡时必然有：一般，取四个电阻的公称值相等。设在工作时，电桥各桥臂电阻R1，R2，R3和R4都发生变化，其阻值的变化量分别为，这时，电桥的输出为：0scU3241RRRR4321,,,RRRRURRRRRRRRRRRRRRRRUsc4433221133224411测量电路（3）1、单臂电桥：指电桥的四个桥臂中只有一个桥臂（即只有一个应变片）在工作，而其余三个桥臂都采用固定电阻。略去分母中的，则：单臂电桥的电压灵敏度为：。RRRRR43210432RRRRR1URRRURRRRRURRRRRRRRRRUsc242243211324114USuRRUUsc4R2测量电路（4）2、双臂电桥（半桥）双臂电桥分两种情况：1）相邻臂工作：一臂的电阻变化为，而另一臂应为，两者称为差动电桥。电压灵敏度RR1USu21URRURRRRRRRURRRRRRRRRRRUsc2142222RR2测量电路（5）相邻臂一臂的电阻变化为，而另一臂应为，则RR1RR2URRUsc1141电压灵敏度USu41测量电路（6）USu21URRURRRRRRRRRURRRRRUsc214422222222222）相对臂工作：相对臂工作时，两臂的电阻变化方向相同。RR1RR43、全桥相邻的两个臂的电阻变化相反，相对的两个臂的变化相同。输出为：电压灵敏度：RRURRRRRRRRRRRRRRRRUUsc))(())(())((43213241RR4USuRR2RR3RR1思考：从以上分析可以得到什么启示？测量电路（7）全桥R1和R4沿轴向粘贴，R2和R3沿周向粘贴，且R1=R2=R3=R4，R1=R4，R2=-R1=R3则URRUsc114)1(2思考：从以上分析可以得到什么启示？电压灵敏度：USu21a)1/4;b)(1+u)/4;c)1/2;d)1/2e)(1+u)/2;f)1测量电路（8）二）交流电桥交流电桥采用交流电压来激励。桥臂不再是单纯的电阻，而是由电阻、分布电容或电感所组成的复阻抗Z。UZZZZZZZZUsc4321324103241ZZZZ32413241zzzz交流电桥的平衡条件为：相对臂阻抗模的乘积相等，相对臂阻抗角的和相等。测量电路（9）例：采用半桥测量时交流电桥的等效示意图44331211221111RZRZZZCjCjRR42313241RCRCRRRR平衡条件测量电路（10）4应变式传感器的特点性能稳定，精度高。一般为0.1~1.0%,个别为0.03~0.1%对环境适应能力强。抗振动，耐高温，对核辐射不敏感价格低廉，技术成熟，应用广泛。动态范围不够大（一般在10kHz以下），灵敏度比较小，尺寸较大。在称重、测力、测压和加速度测量等方面应用较多。4.2电阻式传感器5电阻应变片的选择、粘贴技术1).目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2).用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.3).试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4).应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。4.2电阻式传感器5).焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6).用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。7).应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。