《传感器与检测技术(第2版)》胡向东第3章剖析.ppt

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1、知识单元与知识单元与知识点知识点应变、应变效应的基本概念；应变、应变效应的基本概念；应变电阻式传感器的工作原理、测量电路与典型应用；应变电阻式传感器的工作原理、测量电路与典型应用；电阻应变片的温度误差及其补偿。电阻应变片的温度误差及其补偿。能力点能力点深入理解应变、应变效应的基本概念；深入理解应变、应变效应的基本概念；理解应变片的分类；理解应变片的分类；把握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特把握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性；性；会分析电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法；会分析电阻应变

2、片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法；了解应变电阻式传感器的典型应用。了解应变电阻式传感器的典型应用。重难点重难点重点：应变与应变效应的涵义；电阻应变片的温度误差及其补偿方法；应变电阻式传重点：应变与应变效应的涵义；电阻应变片的温度误差及其补偿方法；应变电阻式传感器的工作原理；电阻应变片的测量电路。感器的工作原理；电阻应变片的测量电路。难点：电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法。难点：电阻应变片的温度误差及其补偿方法、直流电桥的非线性误差及其补偿方法。学习要求学习要求掌握应变、应变效应的基本概念；掌握应变、应变效应的基本概念；牚握应变电阻式传

3、感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特牚握应变电阻式传感器的工作原理、直流电桥与交流电桥的平衡条件与电压灵敏度特性；性；掌握产生电阻应变片温度误差的主要原因及其补偿方法；掌握产生电阻应变片温度误差的主要原因及其补偿方法；了解应变片的分类、应变电阻式传感器的典型应用；了解应变片的分类、应变电阻式传感器的典型应用；会分析半桥差动、全桥差动对非线性误差和电压灵敏度的改善。会分析半桥差动、全桥差动对非线性误差和电压灵敏度的改善。 3.1 3.1工作原理工作原理应变应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变弹性应变 当外力去除后，物

4、体能够完全恢复其尺寸和形状的当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变应变弹性元件弹性元件具有弹性应变特性的物体具有弹性应变特性的物体应变式传感器应变式传感器是利用弹性元件和电阻应变片将应变转换为电阻值变化的是利用弹性元件和电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器传感器工作原理：工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。结构：结构：应变式传感器由应变式传感器由弹性元件（敏感元件）弹性元件（敏感元件）上粘贴上粘贴电阻

5、应变片电阻应变片（转换元件）（转换元件）构成构成应用：应用：广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量3.1.1 3.1.1 应变效应应变效应电阻应变片的工作原理是基于电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应 即即导体导体或或半导体半导体材料在外界力的作材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化，应发生变化， 这种现象称为这种现象称为“应变应变效应效应”。 一根金属电阻丝，在一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电其未受力时，原始电阻值为：阻值为： LRA应变效应应变效应 当电阻丝受到拉力当电阻丝受

6、到拉力F作用时，作用时， 将伸长将伸长L，横截面，横截面积相应减小积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了影响而改变了，从而引起电阻值变化量为，从而引起电阻值变化量为 ：AdALdLdRdR式中：式中：dL/L长度相对变化量，用应变长度相对变化量，用应变表示为表示为 LdL2LLdRddLdAAAA电阻相对变化量：电阻相对变化量： dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电为电阻丝的半径，微分后可得阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则，则 ：rdrAdA2材料力学：材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，

7、沿轴向伸在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长，长， 沿径向缩短，沿径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为轴向应变和径向应变的关系可表示为 ：LdLrdr为电阻丝材料的泊松比，为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。负号表示应变方向相反。 推得：推得： 定义：定义：电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为变所引起的电阻相对变化量。其表达式为 dRdRK21dRdR)21 (12RKR灵敏度系数灵敏度系数K K受两个因素影响受两个因素影响一是应变片受力后材料几何尺寸的变化，一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即即

8、1+21+2二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化，二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即即（/ /）/ /。对对金属材料金属材料：1+21+2( ( / /)/)/对对半导体材料半导体材料：( ( / /)/)/1+21+2大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内，大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对电阻的相对变化与应变成正比，即变化与应变成正比，即K K为常数。为常数。 3.1.2 3.1.2 电阻应变片种类电阻应变片种类常用的电阻应变片有两种：常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片金属电阻应变片半导体应变片半导体应变片 金属电阻应变片灵敏度取决于尺寸变化（应变效应为主）1212K

9、 半导体应变片半导体应变片21K灵敏度取决于电阻率的变化（压阻效应为主）分析：当半导体应变片受轴向力作用时分析：当半导体应变片受轴向力作用时半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关关：E式中：式中： 半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系数; 半导体材料的所受应变力半导体材料的所受应变力; E半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量; 半导体材料的应变。半导体材料的应变。压阻效应压阻效应：单晶半导体材料沿某一轴向受到：单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象外力作用时，其电阻率发生变化的现象因此：因此：)21 (ERR

10、实验证明，实验证明，E比比1+2大上百倍，所以大上百倍，所以1+2可以忽略，可以忽略，因而半导体应变片的灵敏系数为：因而半导体应变片的灵敏系数为： ERRK 测量原理：测量原理：在外力作用下，被测对象产生微在外力作用下，被测对象产生微小机械变形，应变片随着发生相同的变化，小机械变形，应变片随着发生相同的变化， 同时应变同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为为R时，便可得到被测对象的应变值，时，便可得到被测对象的应变值， 根据应力与应根据应力与应变的关系，得到应力值变的关系，得到应力值为为 ：=E RRK应变力正比于电阻值的变化

11、！应变力正比于电阻值的变化！FA 3.1.3 应变片的温度误差及补偿1 应变片的温度误差应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。 1) 电阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示：敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示： Rt=R0(1+0t) 式中式中: Rt温度为温度为t时的电阻值；时的电阻值； R0温度为温度为t0时的电阻值；时

12、的电阻值； 0温度为温度为t0时金属丝的电阻温度系数；时金属丝的电阻温度系数； t温度变化值，温度变化值，t=t-t0。 当温度变化当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为：时，电阻丝电阻的变化值为： R=Rt-R0=R00t Rt=R0(1+0t) 2) 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化不会产生附加变形。化不会产生附加变形。 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生

13、附加电阻变化。化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为设电阻丝和试件在温度为0时的长度均为时的长度均为l0, 它们的线它们的线膨胀系数分别为膨胀系数分别为s和和g，若两者不粘贴，则它们的长度分别，若两者不粘贴，则它们的长度分别为：为： ls=l0(1+st)lg=l0(1+gt) 当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形加变形l、附加应变、附加应变和附加电阻变化和附加电阻变化R分分别为：别为： tRKRKRtlltllllsgsgsgsg)()()(000000由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为由于温度变化而引起的应变

14、片总电阻相对变化量为 tKtKtRRRRRsgsgt)()(000000 结论结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0, 0, s）以及被测试件线膨胀系数）以及被测试件线膨胀系数g有关。有关。 2 2 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿线路补偿和和应变片自补偿应变片自补偿两大类。两大类。 电桥补偿是最常用且效果较好的电阻片温度误差补偿电桥补偿是最常用且效果较好的

15、电阻片温度误差补偿方法。方法。 电桥补偿法电桥补偿法电路分析电路分析g g为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，由上式可知， 当当R R3 3和和R R4 4为常数时，为常数时，R R1 1和和R R2 2对电桥对电桥输出电压输出电压U Uo o的作用方向相反。的作用方向相反。 利用这一基本关系利用这一基本关系可实现对温度的补偿。可实现对温度的补偿。314231012341234()()abRRRR RRUUUUUURRRRRRRR01423()UgR RR R1234()()UgRRRR 测量方法：测量方法： 当被测试件不承受应变时：当被测试件不承受

16、应变时：R1和和R2又处于同一环境温度为又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有参数使之达到平衡，此时有 ： 工程上，一般按工程上，一般按R1 = R2 = R3 = R4 选取桥臂电阻。选取桥臂电阻。 01423()0UgR RR R温度补偿的实现：温度补偿的实现：当温度升高或降低当温度升高或降低t=t-t0时，两时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处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，于平衡状态， 即：即： 应变的测量：应变的测量：被测试件有应变被测试件有应变的作用，则工作应变片电阻的作用，则工作应变片电阻R

17、1又有新的增量又有新的增量R1=R1K，而补偿片因不承受应变，故不产生，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，新的增量， 此时电桥输出电压为此时电桥输出电压为 ：可见：可见：电桥的输出电压电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变仅与被测试件的应变有关，而与环有关，而与环境温度无关。境温度无关。 0114223()()0UgRR RRRR0114231414()()UgRR RR RgR RgR KR 注意补偿条件：注意补偿条件： 在应变片工作过程中，保证在应变片工作过程中，保证R3=R4。 R1和和R2两个应变片应具有相同的电阻温度系数两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数线膨胀系数、应

18、变灵敏度系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件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。材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。两应变片应处于同一温度场。 尽量尽量保持保持恒温恒温测量测量3.1.4 工程测试中的注意事项工程测试中的注意事项输出信号量通常非常微小，如V甚至nV级：为了满足小信号、低漂移和抗干扰性的要求，连接电阻应变片的导线应选用2芯或4芯双绞带金属屏蔽和护套的PVC电缆，线径不能太小；为提高抗干扰性能，需要对屏蔽线作适当的连接；测量过程中不要移动导线。电源的质量

19、将影响整个测量电路的有效性，如果电源纹波大、稳定性差，将不能实现微小信号检测，因此，应根据测量信号的最小值和最小变化量，选取和设计电源方案。在采用直流电源时，应尽可能采用线性电源，降低电源纹波。在信号获取过程中，一般需要对信号进行逐次放大、滤波。对信号进行滤波和放大时，对元件的要求较高。选用时应尽量达到的性能参数要求主要有：尽可能小的输入电压噪声；尽可能小的输入失调电压（V级）；尽可能小的输入失调漂移，即受温度影响情况，对于测量精度要求高的场合，该值应该为nV/级；较高的共模抑制比；符合测量信号的频带范围，即带宽。3.2 3.2 测量电路测量电路 3.2.1 3.2.1 直流电桥直流电桥 1.

20、 1. 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件433211RRRRRREUoR1R2R4R3ACBEDIoRLUo图图3.5 直流电桥直流电桥 当当RL时，电桥输出电压为：时，电桥输出电压为： 当电桥平衡时，当电桥平衡时，Uo=0，则有：，则有： R1R4=R2R3或：或： 4321RRRR电桥平衡条件：电桥平衡条件：欲使电桥平衡，欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等，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。或相对两臂电阻的乘积应相等。 电桥平衡条件电桥平衡条件 2. 电压灵敏度电压灵敏度 应变片工作时：应变片工作时：电阻值变化很小，电桥相应输电阻值变化很小，电桥相应输出电压

21、也很小，一般需要加入出电压也很小，一般需要加入放大器放大器进行放大。进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，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所以此时仍视电桥为开路开路情况。情况。当受应变时：当受应变时：若应变片电阻变化为若应变片电阻变化为R，其，其它桥臂固定不变，电桥输出电压它桥臂固定不变，电桥输出电压Uo0，则电桥不，则电桥不平衡，输出电压为平衡，输出电压为 3111123414112344131124113()()11oRRRUERRRRRR RERRRRRRRRRERRRRRR 设桥臂比设桥臂比n=R2/R1，由于，由于R15的小曲率圆环：的小曲率

22、圆环：A、B两点的应变。两点的应变。 EbhFREbhFRBA2291. 109. 1A23( /2)2(1)F Rhbh EB23( /2) 2F Rhbh E内贴取内贴取“一一” 内贴取内贴取“” 式中：式中： h圆环厚度；圆环厚度； b圆环宽度；圆环宽度； E材料弹性模量。材料弹性模量。0()()0URRUfKf FRRRUFR 测量3悬臂梁式力传感器悬臂梁式力传感器悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件，其特点是结构简单、加工方便，在较小力的测量中应用普遍。根据梁的截面形状不同可分为变截面梁（等强度梁）和等截面梁。26Flbh E6xF lxAhEAE梁的截面积材料的弹性模量3.3.

23、2 3.3.2 应变式压力传感器应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力。主要用来测量流动介质的动态或静态压力。 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 在压力在压力p作用下，膜片产生径向应变作用下，膜片产生径向应变r和切向应变和切向应变t，表，表达式分别为达式分别为 ：EhxRpEhxRptr222222228)(1 (38)3)(1 (3膜片式压力传感器膜片式压力传感器应变变化曲线的特点：应变变化曲线的特点：当当x=0时，时，rmax=tmax；当当x=R时，时，t=0， r=2rmax。 特点的应用：特点的应用：一般在平

24、膜片圆心处切向粘贴一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片，两个应变片， 在边缘处沿径向粘贴在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片，两个应变片，然后接成全桥测量电路。然后接成全桥测量电路。 避开避开 位置。位置。3/Rx 0r3/Rx EhRPtr2228)1 (3EhRPr2224)1 (33.3.3 电阻式差压传感器电阻式差压传感器电阻式差压传感器可用于气动测量，气动测量技术是通过空气流量和压力变化来测量工件尺寸的一种技术，由于其具备多个优点，在机械制造行业得到了广泛应用。测量方法是将长度信号先变换为气流信号，再通过气电转换器将气流信号转换为电信号，对应的传感器称为气动量仪。气动量仪

25、与不同的气动测头搭配，可实现多种参数的测量，如孔的内径、外径、槽宽、双孔距、深度、厚度、圆度、锥度、同轴度、直线度、平面度、平行度、垂直度、通气度和密封性等。气动测头的式样气动量仪的测量原理被调压后的气流通过调节器到达喷嘴处，如果喷嘴孔是对着大气的，最大流量通过喷嘴孔，此时在调节器和喷嘴之间存在一个最小压力，称为“背压”。当有障碍物由远至近靠近喷嘴孔时，喷出的空气流量会逐渐减少，同时背压值升高，当喷嘴孔被完全挡住后，背压值将同调节器的出口压力值相等。压力-间隙曲线 (图3.16b)，除压力的初始和饱和阶段外，这条曲线的其它部分呈直线，该线性关系奠定了气动测量的理论基础，即在直线测量范围内，当背

26、压增大或减小时，可以准确测量喷嘴孔与障碍物间间隙大小的变化，或测头到被测零件表面的间隙大小变化。气动量仪的测量原理利用了两个关系：流量和压力都与间隙大小成线性关系，流量和压力间成反比关系。3.3.4 应变式容器内液体重量传感器应变式容器内液体重量传感器感压膜感受上面液体的压力。感压膜感受上面液体的压力。 当容器中溶液增多时，当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为 ：式中式中, S为传感器传输系数。为传感器传输系数。AQgh 结论：结论：电

27、桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。 0US h g0S QUA3.3.5 电阻式加速度传感器应变电阻式加速度传感器用于测量物体的加速度。加速度是运动参数而不是力，因此，它首先需要经过质量惯性系统将加速度转换成力，再作用于弹性元件上来实现测量：应变电阻式加速度传感器的结构如图3.18所示。等强度梁的自由端安装质量块，另一端固定在壳体上；等强度梁上粘贴四个电阻应变敏感元件；通常壳体内充满硅油以调节系统阻尼系数。测量时，将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用，使悬臂梁变形，导致其上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻值发生变化，引起测量电桥不平衡而输出电压，即可得出加速度的大小。这种测量方法主要用于低频（1060Hz）的振动和冲击测量。aF m