电子与信息工程学院控制科学与工程系.pptx

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1、作业？第1章 1-5，1-6，1-7，1-8第2章 2-3，2-4，2-6，2-7，2-8，2-9，2-11第1页/共56页例题：有一压力传感器校准数据如下。要求根据这些数据求最小二乘法线性度的拟合直线方程。并求其线性度第2页/共56页第一章内容回顾静态特性线性度，描述函数、拟合方法（最小二乘法）灵敏度 定义迟滞零漂 温漂精确度，函数，定义动态特性时域法频域法第3页/共56页电阻式：电阻式：（电位计）（电位计）应变式：应变式：物理量变化物理量变化电阻变化电阻变化传感元件传感元件属于大电阻变化型，属于大电阻变化型，R：0R传传物理量变化物理量变化变形变形（应力、应变）（应力、应变）敏感元件敏感元

2、件属于微电阻变化型，属于微电阻变化型，R：020%R传传传感元件传感元件电阻变化电阻变化第二章第二章 电阻式传感器电阻式传感器补充补充第4页/共56页电位计式传感器的优、缺点：优点： 结构简单、尺寸小、重量轻、精度高(0.1% 0.05%)、性能稳定、受环境因素影响小，可实现输出-输入任意函数关系，输出信号较大，一般不用放大。缺点： 存在滑动触头与线圈等之间的摩擦，输入能量要求较大，且磨损降低寿命和可靠性，也会降低测量精度。第5页/共56页电位计分类按输出按输出-输输入特性入特性线性电位计线性电位计非线性电位计非线性电位计按结构形式按结构形式线绕式线绕式在在传感器中应用较多传感器中应用较多薄膜

3、式薄膜式具具有较高的精度和线性特性有较高的精度和线性特性光电式光电式无无摩擦和磨损，分辨率高摩擦和磨损，分辨率高第6页/共56页线绕电位计的工作原理根据欧姆定律： lRA以线位移型为例： 若变阻器式：若变阻器式： xRxRRSxL SR 电阻灵敏度：表示电刷单位位移能引起的电阻灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电阻的变化量输出电阻的变化量 若分压器式：若分压器式： cVxUUSxL SV 电压灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输电压灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电压的变化量出电压的变化量 SR、SV均是常数均是常数 第7页/共56页线绕电位计的输出特性（一） 阶梯特性和阶梯误差 阶梯特性

4、 电位计输出电压随x的变化是不连续的，而是一条阶梯形的折线。阶梯误差 理论特性曲线 通过每个阶梯中点的曲线。 阶梯误差 阶特梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动产生的偏差。第8页/共56页输出特性二负载特性和负载误差 负载特性 电位计有负载的情况下得到的特性。一般表达式：一般表达式： 21LLrYrrKKcxLLUYURrRRKR相对输出电压电刷的相对变化负载系数的倒数第9页/共56页输出特性三负载误差 由于负载电阻不是无限大，而是可与电位计电阻值相比的有限值，造成负载特性为一下垂曲线，产生误差，也称非线性误差。电刷在起始和最终位置时，负载误差 eL=0 电刷在相对行程X=1/2时，负载误差 eL

5、 max，且m，eL 第10页/共56页变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品第11页/共56页案例：案例：重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻第12页/共56页案例：案例：煤气包储量检测煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝-收线圈数收线圈数 -电位器电位器 -电阻电阻第13页/共56页案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理：电机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电阻电阻第14页/共56页一、金属丝式应变片二、金属箔式应变片三、测量电路四、应

6、变式传感器2.2 金属应变片式传感器应变效应 结构与材料 主要特性 温度误差及系数第15页/共56页工作原理及分类 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，可分为两种金属电阻应变片金属电阻应变片半导体应变片半导体应变片第16页/共56页一、金属丝应变片（一）应变效应（一）应变效应 根据欧姆定律： AlRdRdAARdLLRdRdALdAARdLAdRdLdLLdLAdAdAdALdLRdR)1 (第17页/共56页xydLLdrr金属丝轴向应变金属丝横向应变drrdLL 称为泊松比称

7、为泊松比 2dAdrAr(12 )(12 )xxdRdR 且且 对金属材料，导电率不变对金属材料，导电率不变第18页/共56页（二）应变片结构与材料1.敏感珊2.基底和盖片3.粘合剂4.引线第19页/共56页（三）主要特性（三）主要特性-灵敏度系数灵敏度系数(12 )xdRdR (12 )sxxddRRK令令K Ks s越大，越灵敏越大，越灵敏 K Ks s 金属丝的灵敏系数：表示金属丝产生单位变金属丝的灵敏系数：表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。形时，电阻相对变化的大小。 K Ks s只能靠实验求得，而只能靠实验求得，而 xdRRsxRKRxRRK一般一般 KKsKKs，K K是

8、通过抽样测定的是通过抽样测定的 ，故称标称灵敏系数，故称标称灵敏系数 电阻应变片的灵敏系数第20页/共56页（四）温度误差及其补偿（四）温度误差及其补偿1、敏感栅电阻随温度的变化引起的误差。当环境温度变化t 时，敏感栅材料电阻温度系数为，则引起的电阻相对变化为2、试件材料的线膨胀引起的误差。当温度变化t时，因试件材料和敏感栅材料的线膨胀系数不同，应变片将产生附加拉长（或压缩），引起的电阻相对变化 温度误差 2()egRKtR1tRtR2()tegt第21页/共56页相应的虚假应变输出/()tttegRRttKK可得由于温度变化而引起的总电阻相对变化为12()tegtRRRtKtRRR 第22页

9、/共56页温度补偿 单丝自补偿法 自补偿法 组合式自补偿法 线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻温度补偿 第23页/共56页（1）单丝自补偿应变片优点：容易加工，成本低，缺点：只适用特定试件材料，温度补偿范围也较窄。由式可知，实现温度补偿的条件为由式可知，实现温度补偿的条件为 当被测试件的线膨胀系数当被测试件的线膨胀系数g已知时，通过选择敏感栅材料，已知时，通过选择敏感栅材料， 使下式成立使下式成立 即可达到温度自补偿的目的。即可达到温度自补偿的目的。()tgeK /()0tttegRRttKK 第24页/共56页R1R2组合自补偿法（2） 双金属敏感栅自补偿应变片敏感栅丝由两种不同温度系数的金属丝

10、串接组成 选用两者具有不同符号的电阻温度系数调整R1和R2的比例，使温度变化时产生的电阻变化满足 t2t1)()(RR通过调节两种敏感栅的长度来控制应变片的温度自补偿，可达0.45m/的高精度 )()(/111222112221ggttKKRRRRRR第25页/共56页二、金属箔式应变片 在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。第26页/共56页三、测量电路142301234()()R RR RUERRRRR1R2R4R3EIgRgU0gR 312404RRRREURRRR012344EKU3241RRRR平衡条件平衡条件当

11、当R1=R2=R3=R4=R，电桥，电桥输出：输出： 第27页/共56页 时，电桥的输出电压与应变成线性关系。时，电桥的输出电压与应变成线性关系。 若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。若相邻两桥臂的应变极性不同，则输出电压为两者之和。 若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。若相对两桥臂应变的极性一致，输出电压为两者之和；反之则为两者之差。iRR重要结论： 电桥供电电压电桥供电电压 越高，输出电压越高，输出电压

12、越大。但是，当越大。但是，当 大时，电阻应变片通大时，电阻应变片通过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现过的电流也大，若超过电阻应变片所允许通过的最大工作电流，传感器就会出现蠕变和零漂。蠕变和零漂。 增大电阻应变片的灵敏系数增大电阻应变片的灵敏系数 ，可提高电桥的输出电压。，可提高电桥的输出电压。iUoUiUK第28页/共56页练习！习题2-10第29页/共56页半桥和全桥14BDRUUR12BDRUURBDRUURBDRUSUR桥第30页/共56页复习巩固 312404RRRREURRRR什么是金属丝的应变效应？什么是金属应变片的灵敏度系数？它与金属丝灵敏度函

13、数有何不同？根据下式，用自己的话描述桥臂极性的计算的结论第31页/共56页 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类： 第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路； 第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。四、应变式传感器四、应变式传感器第32页/共56页柱力式传感器柱力式传感器 圆柱式力传感器的弹性元件分为实心和空心两种。柱式力传感

14、器-2+1截面积SFFF面积S-1+2b）a）在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿，在与轴线任意夹角的方向，其应变为 ： 2cos11211沿轴向的应变；弹性元件的泊松比。当=0时SEF1当=90时SEF12E：弹性元件的杨氏模量第33页/共56页各种悬臂梁各种悬臂梁第34页/共56页FF固定点固定点固定点固定点电缆电缆各种悬臂梁各种悬臂梁第35页/共56页 应变片在悬臂梁上的粘贴及变应变片在悬臂梁上的粘贴及变形形第36页/共56页应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位应变式荷

15、重传感器的外形及应变片的粘贴位置置FR1R2 R4第37页/共56页荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。第38页/共56页电子秤电子秤 磅秤磅秤超市打印秤超市打印秤远距离远距离显示显示第39页/共56页人体秤人体秤 第40页/共56页第41页/共56页应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程量程

16、2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制，有公制/英制单位转英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。换、峰值保持、自动断电等功能。第42页/共56页材料应变的测材料应变的测量量斜拉桥上的斜拉绳应变测试斜拉桥上的斜拉绳应变测试 第43页/共56页案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量第44页/共56页讨论，设计一个地音入侵探测器讨论，设计一个地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。洞、爆破等破坏行为均可及时发现。第45页/共56页应变式加速度传感器应变式加速度传感器 在低频（在低频（1060Hz）振动测

17、量中得到广泛的应用，）振动测量中得到广泛的应用，但不适用于频率较高的振动和冲击。但不适用于频率较高的振动和冲击。 应变式加速度传感器结构示意图1等强度梁 2质量块 3壳体 4电阻应变片第46页/共56页2.2 压阻式传感器压阻式传感器 （一）（一） 压阻效应压阻效应 单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。21dRdR21RdREd2121ERdR对半导体材料对金属材料电阻相对变化量第47页/共56页ERdR由于E一般都比（1+2）大几十倍甚至上百倍，因此引起半导体材料电阻相对变化的主要原因是压阻效应，所以上式可近似写成 式中 压阻系数；E弹性模量； 应力；

18、应变。 上式表明压阻传感器的工作原理是基于压阻效应。 扩散硅压阻式传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料，取向不同其特性不一样。而取向是用晶向表示的，所谓晶向就是晶面的法线方向。第48页/共56页优点：灵敏度高，比金属丝式高优点：灵敏度高，比金属丝式高5080倍、尺寸倍、尺寸小，横向效应小，动态响应好、精度高、小，横向效应小，动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。易于微型化和集成化等。缺点：温度系数大，应变时非线性比较严重，稳缺点：温度系数大，应变时非线性比较严重，稳定性和可重复性不如金属应变片。定性和可重复性不如金属应变片。第49页/共56页（二）（二） 固态压阻器件固态压阻器

19、件1 1、固态压阻器件的结构原理、固态压阻器件的结构原理 利用固体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线接点后，即形成扩散型半导体应变片。若在圆形硅膜片上扩散出四个P型电阻，构成惠斯登电桥的四个臂，这样的敏感器件通常称为固态压阻器件，如图所示。1 N-Si膜片 2 P-Si导电层 3 粘贴剂 4 硅底座 5 引压管 6 Si 保护膜 7 引线 第50页/共56页 当硅单晶在任意晶向受到纵向和横向应力作用时，如图 (a)所示，其阻值的相对变化为 式中 l纵向应力； t横向应力； l纵向压阻系数；t横向压阻系数。 ttllRR（a）001100010lltt

20、R（b）trlrttlt图 力敏电阻受力情况示意图RrRt第51页/共56页 在硅膜片上，根据P型电阻的扩散方向不同可分为径向电阻和切向电阻，如图 (b)所示。扩散电阻的长边平行于膜片半径时为径向电阻Rr；垂直于膜片半径时为切向电阻Rt。当圆形硅膜片半径比P型电阻的几何尺寸大得多时，其电阻相对变化可分别表示如下，即 （5.1-60） （5.1-61）以上各式中的l及t为任意纵向和横向的压阻系数，。ttrlrRRrttltRR第52页/共56页 投入式液位传感器投入式液位传感器安装方便，适应于深度安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水有大量污物、杂质的水

21、或其他液体的液位测量。或其他液体的液位测量。投入式液位传感器投入式液位传感器第53页/共56页压阻式加速度传感器压阻式加速度传感器优点：优点： 具有高灵敏度，卓越的低频感应性能，使其加速度具有高灵敏度，卓越的低频感应性能，使其加速度传感器适用于长期中低振动频率的测试。传感器适用于长期中低振动频率的测试。应用范围：应用范围： 汽车、工民建、铁路、桥梁等振动测试与检测。汽车、工民建、铁路、桥梁等振动测试与检测。曾经被用于江阴大桥的健康检测中。曾经被用于江阴大桥的健康检测中。 法国法国FGP公司产品公司产品第54页/共56页稳压源+R1R2R3R4ACBDRFrA1A2IoI1I21mA输出放大及转换应变电桥（319）mARr（420）mA恒流源 第55页/共56页56感谢您的观看！第56页/共56页