感测技术--ch5-1剖析.ppt

第五章 R、L、C 传感技术 电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。 电阻应变式传感器 目前自动测力或称重中应用最普遍的是应变式传 感器，应变式传感器有下列优点： 1.精确度，线性度好，灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小，寿命高 3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测 4.结构较简单，体积较小应用灵活 5.工作稳定和保养方便 应变式传感器除可用于测量力参数外，还可用于测量加速 度，振幅等其他物理量。 (二)应变片的基本结构及测量原理 用应变片测量时，将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。 通过弹性敏感元件 将位移、力、力矩、加速 度、压力等物理量转换为 应变，则可用应变片测量 上述各量，而做成各种应 变式传感器。 二、应变片的类型和材料 （一）应变片的类型和材料 1.金属丝式应变片 回线式：横向效应较大 短接式：克服横向效应 金属丝式应变片材料要求 3.金属薄膜应变片 采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大。 存在问题：温度稳定性差 (二)应变片的粘贴 应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线性以及它们受温度变化影响的程度。 对粘合剂和粘贴工艺有严格要求 压阻式传感器 压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种现象叫压阻效应。半导体材料的压阻效应特别强。 半导体压阻式传感器的分类： ①粘贴式应变片 ②扩散硅型压阻传感器 特点：灵敏系数大，分辨率高，频率影响高，体积小。主要用于测量压力、加速度和载荷等 图 电桥补偿法 当温度升高或降低Δt=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态， 即 若此时被测试件有应变ε的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量， 此时电桥输出电压为 由上式可知，电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关， 而与环境温度无关。 应当指出，若要实现完全补偿，上述分析过程必须满足以下4个条件：  ① 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 ② R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 ③ 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 ④ 两应变片应处于同一温度场。 2) 应变片的自补偿法 这种温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片(称之为温度自补偿应变片)来补偿的。根据温度自补偿应变片的工作原理， 可由式（3-27）得出，要实现温度自补偿，必须有 上式表明，当被测试件的线膨胀系数βg已知时，如果合理选择敏感栅材料， 即其电阻温度系数α0、灵敏系数K0以及线膨胀系数βs，满足式，则不论温度如何变化，均有ΔRt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。 二、 电阻应变片的测量电路 直流电桥 1. 直流电桥平衡条件 电桥电路如图所示，图中E为电源电压，R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。 当RL→∞时，电桥输出电压为 当电桥平衡时，Uo=0，则有 R1R4=R2R3 或 式为电桥平衡条件。 这说明欲使电桥平衡， 其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。 图 直流电桥 2. 电压灵敏度 应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥相应输出电压也很小，一般需要加入放大器进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍视电桥为开路情况。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 设桥臂比n=R2/R1，由于ΔR1R1，分母中ΔR1/R1可忽略， 并考虑到平衡条件R2/R1=R4/R3， 则式 可写为 电桥电压灵敏度定义为 从式分析发现：  ① 电