第7章-力敏传感器ysliu课件

第七章第七章 力敏传感器力敏传感器 l应变式传感器应变式传感器l电感式传感器电感式传感器l电容式传感器电容式传感器l压电式传感器压电式传感器l压阻式传感器压阻式传感器l谐振式传感器谐振式传感器力敏传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。力敏传感器指对力学量敏感的一类器件或装置。力敏传感器的特性参数测量范围精确度测量结果和真实值之间的一致程度蠕变测量环境保持不变时规定时间内输出量的变化零点输出输入输出电阻激励为使传感器正常工作而施加的外部能量力敏传感器的特性参数漂移零点漂移和灵敏度的漂移迟滞温度绝缘电阻稳定性和可靠性l金属应变片式传感器金属应变片式传感器n金属丝式应变片金属丝式应变片n金属箔式应变片金属箔式应变片n测量电路测量电路n应变式传感器应用应变式传感器应用l压阻式传感器压阻式传感器n压阻效应压阻效应n晶向、晶面的表示方法晶向、晶面的表示方法n压阻系数压阻系数n固态压阻器件固态压阻器件第一节第一节 应变式传感器应变式传感器1 1、应变效应、应变效应 当当导导体体或或半半导导体体在在外外力力作作用用下下发发生生机机械械变变形形时时，其其电阻值将发生变化，这种现象称为应变效应。电阻值将发生变化，这种现象称为应变效应。设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，其电阻R为 两边取对数，得等式两边取微分，得 电阻的相对变化；电阻率的相对变化；金属丝长度相对变化，用表示，=称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变；截面积的相对变化。dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。S=r 2dS/S=2dr/rr=由材料力学知将微分dR、d改写成增量R、，则金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数称为金属丝的应变灵敏系数。物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。KS由两部分组成：前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6；后一部分为 ，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。对金属材料，以前者为主，则KS 1+2；对半导体，KS值主要由电阻率相对变化所决定。实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。优点：优点：精度高，测量范围广精度高，测量范围广频率响应特性较好频率响应特性较好结构简单，尺寸小，重量轻结构简单，尺寸小，重量轻可在高可在高(低低)温、高速、高压、强烈振动、强磁温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作易于实现小型化、固态化易于实现小型化、固态化价格低廉，品种多样，便于选择价格低廉，品种多样，便于选择一、一、金属应变片式传感器金属应变片式传感器金金属属应应变变片片式式传传感感器器的的核核心心元元件件是是金金属属应应变变片片，它它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。可将试件上的应变变化转换成电阻变化。缺缺点点：具具有有非非线线性性，输输出出信信号号微微弱弱，抗抗干干扰扰能能力力较较差差，因因此此信信号号线线需需要要采采取取屏屏蔽蔽措措施施；只只能能测测量量一一点点或或应应变变栅栅范范围围内内的的平平均均应应变变，不不能能显显示示应应力力场场中中应应力力梯梯度度的的变变化化等；不能用于过高温度场合下的测量。等；不能用于过高温度场合下的测量。2341电阻应变片结构示意图电阻应变片结构示意图bl2 2、应变片的结构与材料、应变片的结构与材料 由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。（1）敏感栅敏感栅由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格，以120最为常用。应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。栅长栅长栅栅宽宽（2）基底和盖片基底和盖片基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，宽度称为基底宽。感栅。基底的全长称为基底长，宽度称为基底宽。（3）引线引线是是从从应应变变片片的的敏敏感感栅栅中中引引出出的的细细金金属属线线。对对引引线线材材料料的的性性能能要要求求：电电阻阻率率低低、电电阻阻温温度度系系数数小小、抗抗氧氧化化性性能能好好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。（4）粘结剂粘结剂用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。面应变传递给应变计的基底和敏感栅。3 3、主要特性、主要特性（1）灵敏度系数灵敏度系数实验表明，金金属属应应变变片片的的电电阻阻相相对对变变化化与与应应变变在在很很宽宽的范围内均为线性关系。的范围内均为线性关系。即K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。测量结果表明，应变片的灵敏系数应变片的灵敏系数K恒小于线材恒小于线材的灵敏系数的灵敏系数KS。（2）零点漂移和蠕变 对对于于粘粘贴贴好好的的应应变变片片，当当温温度度恒恒定定时时，不不承承受受应应变变时时，其其电电阻阻值值随随时时间间增增加加而而变变化化的的特特性性，称称为为应应变变片片的零点漂移的零点漂移。产产生生原原因因：敏感栅通电后的温度效应；应变片的内应力逐渐变化；粘结剂固化不充分等。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。产生原因产生原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。这是两项衡量应变片特性对时间稳定性的指标，在长时间测量中其意义更为突出。实际上，蠕变中包含零漂，它是一个特例。（3）应变极限在一定温度下，应应变变片片的的指指示示应应变变对对测测试试值值的的真真实实应应变变的的相相对对误误差差不不超超过过规规定定范范围围（一一般般为为10%）时时的的最最大大真真实实应应变变值值。在图中，真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力(包括机械应力和热应力)时所引起的表面应变。lim真实应变z指示应变i应变片的应变极限10%1主要因素：粘结剂和基底材料传递变形的性能及应变片的安装质量。制造与安装应变片时，应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料。基底和粘结剂的厚度不宜过大，并应经过适当的固化处理，才能获得较高的应变极限。（四）（四）应变式传感器应用应变式传感器应用 金属应变片，除了测定试件应力、应变外，还制造成多种应变式传感器用来测定力、扭矩、加速度、压力等其它物理量。应变式传感器包括两个部分：一是弹性敏感元件弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。u柱力式传感器柱力式传感器u梁力式传感器梁力式传感器u应变式压力传感器应变式压力传感器u应变式加速度传感器应变式加速度传感器二、二、压阻式传感器压阻式传感器是利用硅的压阻效应和微电子技术制成的，是一种新的物性型传感器。优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。（一）（一）压阻效应压阻效应单单晶晶硅硅材材料料在在受受到到应应力力作作用用后后，其其电电阻阻率率发发生生明明显显变化，这种现象被称为压阻效应。变化，这种现象被称为压阻效应。对半导体材料对金属材料电阻相对变化量由于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；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。（三）压阻系数1、压阻系数的定义半导体电阻的相对变化近似等于电阻率的相对变化，而电阻率的相对变化与应力成正比，二者的比例系数就是压阻系数。即USCRR+RTACDBRR+RTR+R+RTR+R+RTE2、测量桥路及温度补偿测量桥路及温度补偿为为了了减减少少温温度度影影响响，压压阻阻器器件件一一般般采采用用恒恒流流源源供供电电，如如图图所所示。示。假设电桥中两个支路的电阻相等，假设电桥中两个支路的电阻相等，即即RABC=RADC=2（R+RT），故有），故有因此，电桥的输出为因此，电桥的输出为整理后得整理后得USC=IR可可见见，电电桥桥输输出出与与电电阻阻变变化化成成正正比比，即即与与被被测测量量成成正正比比，与与恒恒流流源源电电流流成成正正比比，即即与与恒恒流流源源电电流流大大小小和和精精度度有有关关。但但与与温温度度无无关关，因因此此不不受受温温度度的的影影响响。但但是是，压压阻阻器器件件本本身身受受到到温温度度影影响响后后，要要产产生生零零点点温温度度漂漂移移和和灵灵敏敏度度温温度度漂漂移移，因因此必须采取温度补偿措施。此必须采取温度补偿措施。I实验电路的应用及仿真目的：通过对实验电路的分析和仿真，掌握应变式传感器的工作原理和使用方法。应变计(Straingage，SG)。若应变作用在图1-2 的垂直方向，导线长度并不发生变化，故也无电阻变化，而只有在水平加作用力的情况才能改变导线长度。Load Cell 是利用应变计（SG），受压力（拉力）变形产生电阻的变化，而后由惠斯登电桥检出，变形愈大，其输出愈大，即荷重愈大，其安装的方式和结构如图1-4 所示。电路设计要求Load Cell 利用应变计和桥式电路组合成，当其受到了拉力或压力时，将产生与作用力成正比的电压输出。本实验所采用的Load Cell 规格为500g，输出率为2mV10%，即在5V 的激励电压下，在荷重500g 下有20mV10%的电压输出，所以Load Cell本身的输出转换率为(4mV10%)/Kg。问题：1）输出转换率需要改变原始输出：(4mV10%)/Kg电路转换后输出：的转换率为10mV/g 2）Load Cell 在无荷重下输出电压并不为零 解决的方法：1）外加差分放大电路（2500倍左右）2）外加减法电路-使无载荷下输出电压为零电路结构框图仪器放大器及仿真实验步骤分析3.使用KH71003中工控表 1连接模组输出（工控表1中COM-接模组输出GND；V/A+接入被测信号），测量J1测试点（零点补偿电压）并并调整VR1，使传感器输出在无负重下，Vout 的电压为0.24V（补偿托盘自重导致的测量数值偏移）4.测量Vout 的输出电压，并调整VR2，使传感器输出在无负重下，Vout 的电压为0 V。5.以100g的砝码放在盛物盘上，并调整VR1 使Vout 的电压为1V，此时，转换电路的输出转换率为1V/100g。6.依照表1-2 所列的重量，将砝码组合后，放在Load Cell 上，利用工控表 测量Vout 的电压,并记录到表中。p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后谢谢你的到来学习并没有结束，希望大家继续努力Learning Is Not Over.I Hope You Will Continue To Work Hard演讲人：XXXXXX 时 间：XX年XX月XX日