第3章电阻应变式传感器详解.ppt

第三章 电阻应变式传感器 传感器的定义 国家标准(GB7665-87)对传感器(Transducer/Sensor)的定义： 能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 教科书对其定义： 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。 定义包含以下几方面意思： 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 传感器的组成 以测量汽车油箱中汽油液位的装置为例 组成 传感器的分类 传感器的分类方法有许多种，从传感器的工作机理来说，可分为物理型、化学型、生物型等。 本课程主要讲的是物理型传感器，因此下面我们列表将物理型传感器的各种分类情况进行介绍。 传感器的命名 如： 电阻式液位传感器 电容式声传感器 应变式力传感器 压电式加速度传感器 传感器的发展趋势 高精度 小型化 集成化 数字化 智能化 新型化 工作原理及分类 电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。 根据应变片的材料不同，可分为两种 金属丝电阻应变片的结构 优点： 结构简单，体积小，使用方便，性能稳定、可靠； 灵敏度高，精确度高，测量速度快，适合静态、动态测量； 易于实现测试过程自动化和多点同步测量，以及远距测量和遥测； 可测多种物理量，如：位移、加速度、力、力矩、压力等。 §3-1 金属电阻应变片 一、金属电阻应变片的结构原理 （一）电阻应变效应 （一）电阻应变效应 (二)金属电阻应变片的结构及参数 结构形式 敏感栅 敏感栅用来感受应变并转换为电阻的变化。 金属丝电阻应变片的敏感栅由具有高电阻率的金属丝(康铜或镍铬合金等，直径0.015~0.05mm左右)绕成。 结构形式 金属箔式电阻应变片的敏感栅是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属栅采用光刻技术制造，适于大批量生产。其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚约1um~10um，散热好，黏结情况好，传递试件应变性能好。因此目前使用的多系金属箔式应变片。 结构形式 基底和覆盖层 基底和覆盖层的作用是保持敏感栅的几何形状及敏感栅与被测试件之间的电绝缘，并起着防潮、防蚀、防损等作用。 引线 引线起着敏感栅与测量电路之间过渡连接和引导的作用。 粘结剂 粘结剂的作用是把覆盖层和敏感栅固结在基底上。使用时，把应变片基底再粘贴在试件表面的被测部位。 金属应变片的主要参数 金属应变片的主要参数 基长l 基宽b 电阻值R 灵敏度S 允许电流 二、应变片的测量电路 力、压力 直流电桥 直流电桥 输出电压 直流电桥 电桥平衡条件为： R1R3=R2R4 直流电桥输出电压 Uo=0 一般取 R1= R2= R3= R4=R 当R1 ? R1 ??R 时，Uo相应变化 电阻应变片感受各种弹性敏感元件的变形，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。 讨论 电桥接法与电桥灵敏度的关系： S半桥单臂：S半桥双臂：S全桥=1：2：4 电桥的和差特性 相邻桥臂的应变极性相同时，电桥的输出电压与两应变之差有关；极性相反时，与应变之和有关。 相对桥臂的应变极性相同时，电桥的输出电压与两应变之和有关；极性相反时，与应变之差有关。 讨论 电桥联接的规律 电阻变化符号相反的联入相邻臂中 电阻变化符号相同的联入相对臂中 桥臂电阻数与输出之关系 交流电桥 输出电压 三、温度误差及其补偿 （一）温度误差 敏感栅电阻随温度的变化引起的误差 （一）温度误差 （二）温度补偿 桥路补偿法 补偿片法 根据电桥的和差特性，电桥中若R1是粘贴在试件上的工作应变片， RB作为补偿片，粘贴在与试件材料相同、温度相同但不受力的补偿块上。补偿片和工作应变片具有相同的灵敏度和阻值，在电桥中接成邻臂。 桥路补偿法 当试件不承受应变只有温度变化时，由于两个应变片处于同一温度场，产生的电阻增量大小相等，符号相同，电桥的输出电压Uo=0。 当试件承受应变时，因为只有工作应变片感受应变，所以电桥输出电压只与被测试件的应变有关，而与温度无关，从而达到温度补偿的目的。 桥路补偿法 热敏电阻法 自补偿法 为了消除温度的影响，就必须使上式等于零，满足这个条件的应变片称为自补偿应变片。 自补偿法 组合式自补偿应变片 选用两种具有不同符号的电阻温度系数的敏感栅，把它们串联起来。适当调整