1、會計學1傳感器與檢測傳感器與檢測(jin c)技術四技術四第一頁，共43頁。2.1 應變(yngbin)式傳感器 金屬(jnsh)電阻應變片的工作原理 1.金屬(jnsh)的應變效應 金屬絲在外力作用下發(fā)生機械變形時其阻值將發(fā)生變化的現(xiàn)象 AlR 金屬絲的電阻值 電阻的相對變化量 AAllRR Errll /,/,/ )21(ERR 縱向應變縱向應變: 泊松比泊松比: 壓阻系數(shù)壓阻系數(shù): 應應力力值值: 第1頁/共42頁第二頁，共43頁。靈敏系數(shù)：單位(dnwi)應變引起的電阻值相對變化 ERRk 21/210 21 E 0k 0kRR 材料的幾何尺寸變化(binhu)引起的 材料(cilio

2、)的電阻率隨應變引起的(壓阻效應) 金屬材料：k0以前者為主，則 k01+2=1.73.6 半導體：k0值主要是由電阻率相對變化所決定 在電阻絲拉伸極限內，電阻的相對變化與應變成正比，k0為常數(shù) 第2頁/共42頁第三頁，共43頁。2.應變片的結構(jigu)與種類 種類(zhngli)：絲式、箔式、薄膜應變片 1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋層；4-引出(yn ch)線絲式應變片結構： 金屬電阻應變片，材料電阻率隨應變產生的變化很小，可忽略 0)21(kRR 對同一電阻材料， k0=1+2是常數(shù)。k0多在之間 第3頁/共42頁第四頁，共43頁。箔式應變片：在絕緣基底上，將厚度為電阻箔材，利用照相

3、制板或光刻腐蝕方法，制成各種需要(xyo)的形狀 優(yōu)點(yudin)： (1) 尺寸準確，線條均勻，適應(shyng)不同的測量要求； (2) 可制成多種復雜形狀尺寸準確的敏感柵 (3) 與被測試件接觸面積大，粘結性能好。散熱條件好，允許 電流大，靈敏度提高 (4) 橫向效應可以忽略 (5) 蠕變、機械滯后小，疲勞壽命長 缺點：電阻值的分散性大 第4頁/共42頁第五頁，共43頁。金屬(jnsh)薄膜應變片 采用真空蒸渡、沉積或濺射等方法在薄的絕緣基片上形成厚度 在m以下(yxi)的金屬電阻材料薄膜敏感柵，再加上保護層優(yōu)點：應變靈敏系數(shù)大，允許(ynx)電流密度大，工作范圍廣， 易實現(xiàn)工業(yè)化生產

4、缺點：難控制電阻與溫度和時間的變化關系 電阻應變片的特性 性能參數(shù)：電阻值、靈敏度、允許電流、應變極限 應變片的電阻值： 60、120、200、350、600、1000 電阻值大：可加大應變片承受電壓，輸出信號大， 敏感柵尺寸也增大 第5頁/共42頁第六頁，共43頁。1. 靈敏(ln mn)系數(shù) RRk/ 標稱靈敏系數(shù)(xsh)：受軸向單向力(拉或壓)，試件材料為泊松系數(shù)(xsh)的鋼等。一批產品中只能抽樣5的產品來測 定，取平均值及允許公差值。電阻應變(yngbin)片的靈敏系數(shù)k 電阻絲的靈敏系數(shù)k0原因：粘結層傳遞變形失真、存在有橫向效應 2. 橫向效應 敏感柵是由多條直線和圓弧部分組成

5、 直線段：沿軸向拉應變 ，電阻 x 圓弧段：沿軸向壓應度 ，電阻y k(箔式應變片)第6頁/共42頁第七頁，共43頁。橫向效應：應變片的橫柵部分將縱向絲柵部分的電阻變化抵消了 一部分，從而(cng r)降低了整個電阻應變片的靈敏度橫向效應大小與敏感(mngn)柵的構造及尺寸有關。敏感(mngn)柵的縱柵愈窄、愈長，而橫柵愈寬、愈短，則橫向效應的影響愈小y 第7頁/共42頁第八頁，共43頁。3. 溫度(wnd)誤差及其補償 原因：電阻溫度系數(shù)(xsh)的影響 敏感柵電阻絲阻值隨溫度變化引起(ynq)的誤差 TllsT 01TRRRRTT 00 ：敏感柵材料的電阻溫度系數(shù) 試件材料和電阻絲材料的線

6、膨脹系數(shù)的影響 當環(huán)境溫度變化時，因試件材料和敏感柵材料的線膨脹系數(shù) 不同，應變片將產生附加變形，產生附加電阻T s g 、設應變絲長度 l0，應變絲和試件的線膨脹系數(shù)為 溫度變化 ，應變絲膨脹至lT1，試件為lT2 TllgT 02(1) 溫度誤差 第8頁/共42頁第九頁，共43頁。TllsgT )(0 gs 若附加(fji)拉伸變形 TllsgTT )(0 附加(fji)應變 附加電阻(dinz)變化 TkRkRRsgTT )(0000 由于溫度變化而引起的總電阻變化為 TkTkRRsgTT )(/000 TkRTRRRRsgTTT )(000 相應的虛假應變量 第9頁/共42頁第十頁，共

7、43頁。(2) 溫度(wnd)補償方法(電橋補償、應變片補償) 電橋(din qio)補償法 U0R1R4R3URBFFR1RB不承受(chngshu)應變時 0)(3B410 RRRRAUT 溫度變化 0)()(34110 RRRRRRAUBTBT 若被測試件受到應變 kRARU410 第10頁/共42頁第十一頁，共43頁。R1 +RRB -RU0R1RR4R3URBR優(yōu)點(yudin)： 簡單、方便(fngbin)，在常溫下補償效果較好 缺點(qudin)： 在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補償片處于溫度完全一致的情況，影響補償效果第11頁/共42頁第十二頁，共43頁。 應變(

8、yngbin)片的自補償法 溫度自補償應變片：溫度變化(binhu)時，產生的附加應變?yōu)榱慊蛳嗷サ窒鸻. 選擇式自補償(bchng)應變片 實現(xiàn)溫度補償?shù)臈l件 0)(0 TkTsgT )(0sgk 被測試件的線膨脹系數(shù)已知，選擇敏感柵材料，使下式成立 可達到溫度自補償?shù)哪康?優(yōu)點：容易加工，成本低 缺點：只適用特定試件材料，溫度補償范圍也較窄 第12頁/共42頁第十三頁，共43頁。b. 雙金屬敏感柵(組合式)自補償(bchng)應變片 R1R2敏感柵絲由兩種不同(b tn)溫度系數(shù)的金屬絲串接組成 選用兩者具有不同符號的電阻溫度系數(shù) 調整(tiozhng)R1和R2的比例，滿足 T2T1)()

9、(RR )()(/111222112221 ggTTkkRRRRRR通過調節(jié)兩種敏感柵的長度來控制應變片的溫度自補償 第13頁/共42頁第十四頁，共43頁。 熱敏電阻(r mn din z)補償法 T，k RT， URT，U = Ui URT UiR1RR4R3U0R2RTR5 分流電阻 第14頁/共42頁第十五頁，共43頁。 電阻(dinz)應變片的測量電路 1. 電橋電路(dinl)的工作原理 R1R2R4R3UUoRL電橋(din qio)平衡條件： R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 )()()(-214343214321L3241LRRRRRRRRRRRRRRRRRUI IL

10、=0時電橋平衡 第15頁/共42頁第十六頁，共43頁。當電橋(din qio)后面接放大器時, 電橋(din qio)輸出端看成開路 URRRRRRRRU)(432132410 )()()(44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRRUU 應變片工作時，其電阻變化 R 采用(ciyng)等臂電橋，即R1= R2= R3=R4=R )2)(2()(4321324143210RRRRRRRRRRRRRRRUU RRRRRRRRUU432104若 RRi 432104 UkU則則第16頁/共42頁第十七頁，共43頁。結論(jiln)： 時，電橋的輸出電壓與應變成線性關系 。 R

11、Ri 若相鄰(xin ln)兩橋臂的應變極性一致，輸出電壓為兩者之差； 若相鄰(xin ln)兩橋臂的應變極性不同，輸出電壓為兩者之和。 若相對兩橋臂應變的極性一致，輸出(shch)電壓為兩者之和； 反之則為兩者之差。 電橋供電電壓U越高，輸出電壓越大。但U增大時，電阻 應變片通過的電流也大，若超過電阻應變片所允許通過的 最大工作電流，傳感器就會出現(xiàn)蠕變和零漂。 增大電阻應變片的靈敏系數(shù)k，可提高電橋的輸出電壓。 432104 UkU第17頁/共42頁第十八頁，共43頁。2. 非線性誤差(wch)及其補償 單臂電橋(din qio)，理想的線性關系 RRUU 4010211424 RRRRUR

12、RRUU kRRRRRRUU2121121112111100 電橋實際輸出(shch)電壓 電橋的相對非線性誤差為 消除非線性誤差的措施：采用半橋差動或全橋差動電路 第18頁/共42頁第十九頁，共43頁。(1) 采用(ciyng)半橋差動電路 R1R2FU0R1R1R4R3UR2R24332211110RRRRRRRRRUU R1R2R3R4=R，R1R2=R RRUU 20輸出(shch)電壓 嚴格(yng)的線性關系電橋靈敏度比單臂時提高一倍 溫度補償作用第19頁/共42頁第二十頁，共43頁。(2) 采用(ciyng)全橋差動電路 RRUU 0U0R1R1UR2R2R4R4R3R3第20頁

13、/共42頁第二十一頁，共43頁。 電阻(dinz)應變式傳感器的應用 1. 應變(yngbin)式力傳感器被測量為荷重或力 (1) 柱式力傳感器 R5R8R7R6R1R2R3R4UoUR5R8R7R6R1R2R3R4SEFEll 第21頁/共42頁第二十二頁，共43頁。(2) 梁式力傳感器 等截面(jimin)懸臂梁 b0hEbhlF26 結構簡單(jindn)，易加工，靈敏度高，適合于測5000N以下的載荷 第22頁/共42頁第二十三頁，共43頁。 等強度(qingd)懸臂梁 b0hEhblF206 雙端固定(gdng)梁 EbhlF243 第23頁/共42頁第二十四頁，共43頁。(3) 薄

14、壁圓環(huán)式力傳感器 )21()2/(32 EbhhRF第24頁/共42頁第二十五頁，共43頁。2. 應變(yngbin)式壓力傳感器 應用：液體(yt)、氣體動態(tài)和靜態(tài)壓力的測量 trR1R2R3R4(1) 膜片式壓力(yl)傳感器 膜 片EhxRPr22228)3)(1(3 徑向應變 EhxRPt22228)(1(3 切向應變 R4R3R1R2 UU0第25頁/共42頁第二十六頁，共43頁。(2) 筒式壓力(yl)傳感器測量較大壓力(yl) 圓筒外表面上(min shn)的環(huán)向應變(沿圓周線) )1()2(2 nEP 薄壁筒 )5 . 01(2 hEPD2/ )(0DDh 第26頁/共42頁第

15、二十七頁，共43頁。(3) 組合式壓力(yl)傳感器測量小壓力(yl) 壓力(yl)敏感元件為膜片或膜盒、波紋管、彈簧管等 應變片粘貼在懸臂梁上，不直接粘貼在壓力(yl)感受元件 缺點：缺點是固有頻率低，不適于測量瞬態(tài)過程 第27頁/共42頁第二十八頁，共43頁。AK-1型應變(yngbin)式脈動壓力傳感器 產品特點： 采用(ciyng)外殼和膜片為一體的圓膜片結構 尺寸小，安裝方便 頻響高，精度高，性能穩(wěn)定可靠 適用于各種動，靜態(tài)、氣、液體介質的壓力測量 第28頁/共42頁第二十九頁，共43頁。3. 應變式容器(rngq)內液體重量(或液位)傳感器 hgAAUUU )(21210 DQAA

16、U)(210 電橋(din qio)輸出 SGhg 第29頁/共42頁第三十頁，共43頁。4. 應變(yngbin)式加速度傳感器 低頻(1060Hz)振動測量中得到廣泛的應用(yngyng)， 但不適用于頻率較高的振動和沖擊第30頁/共42頁第三十一頁，共43頁。5. 應變(yngbin)式扭矩傳感器 扭矩：M=Fl 6. 應變(yngbin)式張力傳感器 第31頁/共42頁第三十二頁，共43頁。2.2 壓阻式傳感器 半導體的壓阻效應(xioyng) 定義：單晶半導體材料(cilio)沿某一軸向受外力作用時，其電阻率會 發(fā)生變化壓阻式傳感器的靈敏系數(shù)大，分辨率高。頻率響應(pn l xin

17、yn)高，體積小。主要用于測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)半導體材料對溫度很敏感，因此壓阻式傳感器的溫度誤差較大，必須要有溫度補償。第32頁/共42頁第三十三頁，共43頁。 )21(RR )21(ERRl 壓阻效應(xioyng) 半導體電阻率 llE ll 壓阻系數(shù)，與材料及應力方向與晶軸方向之間的夾角有關 l E為半導體材料(cilio)的彈性模量，與晶向有關)21( 材料幾何形狀變化引起 El 壓阻效應的影響，隨電阻率而變化 第33頁/共42頁第三十四頁，共43頁。半導體材料 )21( El llERR ERRkl /半導體單晶的應變靈敏(ln mn)系數(shù) 應變靈敏系數(shù)(xsh)還與摻雜濃度

18、有關，它隨雜質的增加而減小 第34頁/共42頁第三十五頁，共43頁。 體型半導體電阻(dinz)應變片 1. 結構型式(xn sh)及特點 優(yōu)點：靈敏系數(shù)比金屬電阻(dinz)應變片的靈敏系數(shù)大數(shù)十倍 橫向效應和機械滯后極小 缺點：溫度穩(wěn)定性和線性度比金屬電阻應變片差得多 第35頁/共42頁第三十六頁，共43頁。2. 測量(cling)電路 恒壓源 )/(0TRRRUU RIU 0恒流源 輸出電壓(diny)受環(huán)境溫度的影響 環(huán)境溫度的變化(binhu)對其沒有影響 擴散型壓阻式壓力傳感器 采用N型單晶硅為傳感器的彈性元件，在它上面直接蒸鍍半導體電阻應變薄膜 第36頁/共42頁第三十七頁，共4

19、3頁。工作(gngzu)原理： 膜片兩邊存在壓力差時，膜片產生變形，膜片上各點產生應力(yngl)。 四個電阻在應力(yngl)作用下，阻值發(fā)生變化，電橋失去平衡，輸出相應的電壓，電壓與膜片兩邊的壓力差成正比。四個電阻(dinz)的配置位置： 按膜片上徑向應力r和切向應力t的分布情況確定 第37頁/共42頁第三十八頁，共43頁。 )31()1(83)3()1(8322022202rrhprrhptr 優(yōu)點：體積小，結構比較簡單，動態(tài)響應(xingyng)也好，靈敏度高，能 測出十幾帕的微壓，長期穩(wěn)定性好，滯后和蠕變小，頻 率響應(xingyng)高，便于生產，成本低。缺點(qudin)：測量準確度受到非線性和溫度的影