天大 测控 考研 传感技术与测控电路 ch2-2009

测控电路（含传感器）MEASURING&CONTROLINGCIRCUITANDSENSOR2009天津大学精密仪器与光电子工程学院Ch2电阻式传感器CH2电阻式传感器DCI’R’环境温度T’TRI温度传感器基本原理将被测的非电量转换成电阻值的变化，再由转换电路变成电量输出。主要类型应变式压阻式CH2电阻式传感器应力与应变横截面积A外力F内力F’一、应力σ=(pa或者N/m2)FAF=F’应力：由外力引起的内力集度应力与应变二、应变FF轴向应变ε＝△l/l(1)径向应变γ＝△r/r(2)γ＝-με(μ泊松比)(3)应力与应变二、应力与应变的关系E:杨氏弹性模量σ＝εE应力与应变二、应力与应变的关系A=1cm×1cmF=10kN(1)(2)=485uε(3)一、工作原理横截面：A长度：l半径：r电阻率：ρ横截面：A+△A长度：l+△l半径：r+△r电阻率：ρ+△ρFF§1应变式传感器机械变形满足关系式：γ＝-με(μ泊松比)轴向应变ε＝△l/l径向应变γ＝△r/r一、工作原理§1应变式传感器电阻变化AlR初始阻值(1)AdAdldlRdRrdrdldlRdR2相对变化(2)(3)AdAdldlRdRAdAdldlRdR(1+2μ)(4)§1应变式传感器AdAdldlRdRAdAdldlRdR(1+2μ)阻值变化金属导体AdAdldlRdR≈0AdAdldlRdR(1+2μ)≈KAdAdldlRdR(5)一、工作原理§1应变式传感器几何变形电阻率变化AdAdldlRdR(1+2μ)≈KAdAdldlRdR电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。应变式传感器是利用电阻应变效应，将被测物体变形转换成电阻变化的传感器。一、工作原理§1应变式传感器AdAdldlRdRAdAdldlRdR(1+2μ)阻值变化几何变形电阻率变化一、工作原理§1应变式传感器如何应用应变式传感器进行测量？敏感栅一、工作原理§1应变式传感器应变片一、工作原理§1应变式传感器如何应用应变式传感器进行测量？σ＝εE一、工作原理§1应变式传感器如何应用应变式传感器进行测量？金属丝式金属箔式金属薄膜式根据敏感栅分：二、类型与结构§1应变式传感器金属丝式特点：制作简单、成本低廉、使用方便、性能稳定、存在横向效应。二、类型与结构§1应变式传感器特点：（1）可制成复杂形状的敏感栅；（2）与试件接触面积大，粘结与散热性好；（3）横向效应小；（4）电阻值分散性大。金属箔式二、类型与结构-----§1应变式传感器（1）机械性能发生极大的改变；（2）无需与基体粘贴，消除滞后；（3）适于批量生产；（4）允许电流密度大，灵敏系数大，温度影响小；利用薄膜技术制成厚度小于0.1um的薄膜敏感栅。特点：金属薄膜式二、类型与结构§1应变式传感器1、灵敏系数（1）与金属材料有关，常选用K较大的合金材料；AdAdldlRdR(1+2μ)≈KAdAdldlRdRK称为灵敏系数，k＝(1+2μ)，一般为2左右（2）实际的金属应变片比金属丝的K值小.三、特性指标§1应变式传感器2、机械滞后原因：主要是敏感栅、基底和粘合层在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的。应变片安装在试件上，在一定温度下，其加载特性与卸载特性不重合，它们的最大差值称为应变片的机械滞后。三、特性指标§1应变式传感器3、零漂和蠕变粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。三、特性指标§1应变式传感器如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。蠕变中包含零漂，零漂是蠕变的特例。3、零漂和蠕变三、特性指标§1应变式传感器4、横向效应△R1△R2弯成敏感栅以后，长度不变，但由于弧段的存在，△R1△R2,所以灵敏系数k减小，这种现象就是横向效应。三、特性指标§1应变式传感器5、其他特性（1）最大工作电流；（2）绝缘电阻；（3）电阻值R.如何选择这些参数？三、特性指标§1应变式传感器三、特性指标§1应变式传感器A=1cm×1cmF=10kN应变片：标称电阻R＝120Ω灵敏度系数K＝2120×2×485×10－6＝0.12Ω0.1%（1）金属导体AdAdldlRdR≈0(1+2μ)AdAdldlRdR（2）半导体AdAdldlRdR《AdAdldlRdRAdAdldlRdR(1+2μ)阻值变化几何变形电阻率变化一、工作原理§2压阻式传感器AdAdldlRdRAdAdldlRdR半导体这个式子表达的现象称为压阻效应，即半导体材料受力作用时，电阻率发生变化。压阻式传感器就是利用压阻效应工作的。一、工作原理§2压阻式传感器llKllEebll1、粘贴式2、扩散型一、工作原理§2压阻式传感器灵敏系数Kb＝60～150，灵敏系数特别大，这是压阻式传感器的突出特点；不存在横向效应半导体材料的导电特性对温度非常敏感。阻值变化：AdAdldlRdR＝KbAdAdldlRdRAdAdldlRdR一、工作原理§2压阻式传感器被测量X△R电流I电压U传感器转换电路直流电桥转换电路交流电桥§3转换电路UoR2R3R4R1CBDA一、直流电桥§3转换电路平衡时：UB=UDUAB=UADUBC=UDCI1=IAB=IBCI2=IAD=IDCI1R1=I2R3I1R2=I2R4条件：R4/R3=R2/R1UoR2R3R4R1CBDAI1I2一、直流电桥§3转换电路R1R4=R2R3R4/R3=R2/R1=nn－桥臂比平衡条件：一、直流电桥§3转换电路Uo＝UB－UDUUoR2R3R4+△RR1CBDAURRnnUo112)1(111RR时一、直流电桥§3转换电路Ku＝Un(1+n)2电桥灵敏度：（1）Ku与输入电压有关；U0=U4△RR（2）Ku与n有关。（何时Ku最大）？一、直流电桥§3转换电路如何克服直流单臂电桥的非线性问题？差动技术：f(x)=a0+a1x+a2x2+…+anxnf(-x)=a0-a1x+a2x2+…+an(-x)n△f(x)=2a1x+2a3x3+…二、差动电桥§3转换电路U0=U2△RRUUoR2R4-△RR3CBDA+△RR1二、差动电桥§3转换电路三、恒流源§3转换电路恒流源如何减小非线性？用应变片测量时，由于环境温度变化而引起电阻变化，由此而产生的测量误差，称为应变片的温度误差。三、温度误差与补偿§3转换电路原因①敏感栅电阻随温度的变化引起的误差三、温度误差与补偿§3转换电路tRRt1)(△t－温度增量t－电阻温度系数原因②试件材料的线膨胀引起的误差三、温度误差与补偿§3转换电路tkRRsg)()(2k－灵敏度系数gs－试件膨胀系数－应变片膨胀系数原因总的误差三、温度误差与补偿§3转换电路tktRRsgtt)()(ttkkRRsgttt)(/)(热输出方法（1）自补偿法三、温度误差与补偿§3转换电路)(sgtk时0t对于给定的试件，通过对敏感栅材料合适的热处理工艺、改变合金成份等措施，使得at满足上式。或两段不同材质的敏感栅串接，使得△R1＝－△R2（2）线路补偿法接入消除温度影响的电阻。如差动补偿、热敏电阻、补偿电阻。三、温度误差与补偿§3转换电路R1RcR1Rc1、结构简单，使用方便、性能稳定、可靠、适应性强,信号处理简单，能适应较大的振动和冲击，抗辐射能力强；2、灵敏度、精度高、动态测量，测量范围大；3、便于多点测量、远距离测量和遥测；4、压阻式灵敏系数大、分辨率高、频率响应高、体积小、适于半导体工艺、机械滞后小、横向效应小、但易受温度影响、机械强度差。一、应用特点与范围§4应用综合误差在1.0%-0.1%，高精度力传感器已能达到0.03%-0.01%。压力：104-109Pa；力：0.1-107N一、应用特点与范围§4应用1、应变、应力；2、力，如拉力、压力、压强、扭矩；3、加速度、位移等。一、应用特点与范围§4应用广泛用于测应力、应变、力、称重、位移、加速度及扭矩等，并且在力学量传感器中，电阻应变式传感器至今仍占有主导地位。一、应用特点与范围§4应用建筑上常用应变片检测建筑物的所承受的应力和应变。如大坝、立交桥的立柱等。可以长时间检测。粘贴在建筑物表面；浇注在混凝土中。二、应用举例§4应用二、应用举例§4应用二、应用举例§4应用二、应用举例§4应用二、应用举例§4应用大型称重二、应用举例§4应用－－弹性元件二、应用举例§4应用二、应用举例§4应用二、应用举例§4应用二、应用举例§4应用应变式位移传感器二、应用举例§4应用扩散电阻基座单晶硅架质量块lbhaaEbhml26