传感检测技术与其应用第4章课件

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,精选ppt课件,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,精选ppt课件,*,传感检测技术及其应用,第二篇 典型传感器的原理及其应用技术,1,精选ppt课件,因为在相关课程中，如,工程测试技术,，学习过各种传感器的基本原理，所以，在本课程中对各种典型传感器只作简要介绍，重点在于学习他们的信号处理电路和应用。,各种典型传感器的学习内容,2,精选ppt课件,第,4,章 电阻式传感器及应用,一、电阻式传感器及分类,1.,电阻式传感器,电阻式,传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。,2.,电阻式传感器分类,电阻式传感器主要有,变阻器式,、,电阻应变式,和,固态压阻式,传感器。,二、变阻器式电阻式传感器,3,精选ppt课件,优点：,结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；,受环境因素,(,如温度、湿度、电磁场干扰等,),影响小；,可以实现输出,输入间任意函数关系；,输出信号大，一般不需放大。,4,精选ppt课件,缺点,：,因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；,由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；,动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。,三、电阻应变式电阻传感器,金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的,电阻,-,应变效应，,即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形,(,伸长或缩短,),的变化而发生变化的现象。,5,精选ppt课件,1.,分类及结构,金属,电阻应变片分为金属丝式、箔式和膜式等。,（,1,）,电阻丝应变片,金属丝式应变片的典型结构：将一根高电阻率金属丝（康铜、镍铬、卡玛合金等，直径,0.025,mm,左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路中。,6,精选ppt课件,（,2,）,箔式应变片,箔式应变片由厚度为,110,m,的康铜箔或镍铬箔经光刻，腐蚀工艺制成的栅状箔片。,箔式应变片适于大批量生产，可制成多种复杂形状，线条均匀，敏感栅尺寸准确，栅长最小可到,0.2mm,；散热好，允许电流大；横向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试件应变性能好。,目前,使用的应变片大多是金属箔式应变片。,7,精选ppt课件,8,精选ppt课件,（,3,）,膜式应变片,膜式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,0.1mm,以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达,197,317,。,2.,工作原理（电阻应变效应）,电阻应变效应是指金属电阻丝的电阻随着它所承受机械变形（伸长或缩短）的大小而发生改变的一种物理现象。,9,精选ppt课件,设有一根圆截面金属电阻丝，其电阻为,金属电阻丝受拉变形,当受到轴向力,F,被拉伸时，其电阻变化为,10,精选ppt课件,则,上式即为电阻应变效应表达式。,11,精选ppt课件,对于电阻应变片，其电阻变化率与应变的关系为,3.,电阻应变片的主要特性,（,1,）,应变计的电阻值,R,应变计在没有粘贴及未参与变形有前，在室温,下测定的电阻值。,（,2,）,灵敏度系数,k,应变计的灵敏度系数由其材料及结构决定，由,实验获得。,12,精选ppt课件,（,3,）,机械滞后,试件上加载、卸载过程中，对同一机械应变，,应变片指示应变值发生变化，其差值称之机械滞后。,其滞后大小与应变片承受的应变量大小有关，造成,原因主要是敏感栅、基底粘合剂在承受机械应变后,所留下的机械变形。,13,精选ppt课件,（,4,）,横向效应与横向效应系数,应变片在感受被测试件的应变时，横向应变将,使电阻变化率减小，从而降低灵敏度系数的现象，,称为应变片的,横向效应,。,在同一单向应力作用下，垂直于单向应变方向,安装的应变计的指示应变与平行于单向应变方向安,装的同批应变计的指示应变之比，称为,横向应变系,数,。,所以，为了减小横向效应的影响，应变片都做,成窄长的形状。,（,5,）,零点漂移,指试件空载（不受应力作用）、温度恒定的条,件下，指示应变随时间的变化值。,14,精选ppt课件,（,6,）,蠕变,粘贴,在试件上的应变片，在恒温恒载条件下，,指示应变随时间的变化数值称为,蠕变,。,（,7,）,应变极限,对于已安装的应变计，,在温度恒定时，指示应变,和真实应变的相对误差不,超过规定数值的真实应变,值，称为,应变极限,。如图,所示。,15,精选ppt课件,（,8,）,疲劳寿命,在恒定幅值交变应力作用下，连续工作到产生,疲劳损坏的循环次数，称为应变片的,疲劳寿命,。,（,9,）,温度效应及热输出,由于环境温度变化的影响，将使应变片的电阻,发生变化，这种现象称为应变计的,温度效应,。而由于,温度变化引起的应变输出称为,热输出,。热输出定义为,：当应变片安装在某一线性膨胀系数的试件上，试件,可以自由膨胀，在缓慢升（或降）温的均匀温度场内,，由温度变化引起的指示应变。,16,精选ppt课件,从上面可知，影响热输出因素主要有三个：温度变,化；应变片敏感栅材料电阻温度系数；试件材料和,敏感栅材料线性膨胀系数不等。,17,精选ppt课件,（,10,）,应变计的最大工作电流,应变片正常工作允许通过的最大电流。通常静,态测量时为,25mA,，动态测量时为,75,100mA,。工作,电流过大会导致应变片过热、灵敏度变化、零漂和,蠕变增加，甚至烧毁。,（,11,）,绝缘电阻,已安装的应变计的敏感栅及引线与被测试件之,间的电阻值。是检查应变计的粘贴质量与粘合剂是,否干燥或固化的重要指标。绝缘电阻越高越好，在,室温下，一般为,500,5000M,之间。,（,12,）,应变片的动态特性,应变片在测量变化频率较高的动态应变时，应,该考虑其频率响应，即动态特性问题。,18,精选ppt课件,应变片的动态特性最终可归结到应变片的基长,与输入应变波的频率的关系。,若输入正弦应变波的极限工作频率,f,与应变片基,长,L,的关系为,若输入应变波为阶跃波时,19,精选ppt课件,四、应变计测量电桥,测量电桥在应变计电阻传感器中得到广泛的应用,，结构简单，灵敏度高，测量范围宽，线性度好，精,度高，易于实现和补偿。,测量电桥有直流电桥和交流电桥，本课重点讲直,流电桥。,1.,直流电桥,20,精选ppt课件,当,R,1,R,4,=R,2,R,3,时，电桥平衡，,输出为零。,按接入电桥应变片的数量可分为,单臂工作电桥,、,半桥工作电桥,、,全桥工作电桥,。,2.,单臂工作电桥,只有一个桥臂接入应变片，其它三个桥臂是平,衡电阻。,21,精选ppt课件,（,1,）,立式桥,立式桥,（,2,）,卧式桥,22,精选ppt课件,（,3,）,等臂电桥,3.,半臂工作电桥,有两只应变片接入电桥，,设,R,1,，,R,2,作为应变片，,半,臂,工,作,电,桥,（,1,）,半臂卧式电桥,23,精选ppt课件,(2),半臂等臂电桥,4.,全臂工作等臂电桥,四个臂均接入应变片，并为差动工作，,且,24,精选ppt课件,5.,恒流供电电桥,上面所讲都是恒压供电的电桥。在全桥差动工作,时，再不考虑温度变化时，电桥的输出与电阻的相对,变化量,R,R,成比例。而实际上温度变化时，每个电,阻随温度量为,R,t,，电桥的输出为,U,O,=E R/(R+R,t,),电桥的输出是非线性的。,恒流源供电电桥如右图所示，设,4,个桥臂初始电阻均为,R,，则,I,ABC,=I,ADC,=I/2,，。有压力作用,时，仍有,I,ABC,=I,ADC,=I/2,，则电桥,输出为,25,精选ppt课件,因此，电桥的输出与温度无关。,总结,：从上面可以知道，半臂工作卧式电桥、等臂,电桥的输出是单臂工作卧式电桥、等臂电桥的输出,的,2,倍；而全臂工作等臂电桥的输出是半臂工作电桥,输出的,2,倍。,6.,电桥输出非线性误差,上述电桥输出公式都是在,RR,的假设条件下,得到,。当该条件不成立时，必存,非线性误差。,26,精选ppt课件,对于单臂工作的卧式电桥和等臂电桥，有,相对误差为,27,精选ppt课件,如果 ,2,，当相对误差,1,时，则 ，,则 ，也就是应变值,时，电桥输出相对误差 。,28,精选ppt课件,7.,电阻应变片的温度补偿,由前面内容知道电阻应变片的热输出为,由于应变片电阻丝温度系数 而产生的误差；,由于,电阻丝膨胀系数,与测试试件材料的膨胀系数,之间不同而产生误差。可以采用补偿法消除电阻,应变片的热输出误差，称为,热输出补偿,。,补偿常用的方法有两种：,温度自补偿应变片法,，,用于高温下测量；,桥路补偿法,，用于常温下测量。,（,1,）,温度自补偿应变片法,单丝自补偿应变片,29,精选ppt课件,由式,可知，若,t,=0,，,需,t,=-k(,s,-,f,),，在研制和选用应变计时，若所选,择敏感栅材料，其,t,、,f,能与试件,s,的相匹配，即,满足上式就能达到温度自补偿的目的。,双丝自补偿应变计,该应变计由电阻温度系数一正一负的两种金属电阻丝,串接而成，如图所示。若,t+,=,t-,则正负热输出抵消,就可达到自补偿的目的。,30,精选ppt课件,（,2,）桥路补偿法,补偿计法,补偿计法是选用型号和特性完全相同（灵敏度系数、电阻温度系数、线膨胀系数均相同）的两只应变计，一只粘贴在被测试件上作为工作应变片，另一只粘贴在与被测试件的结构和材料相同而不受力的补偿块上，作为补偿片；并使补偿块与被测试件处于相同温度环境下。若工作片为,R1,，补偿片为,R2,，把它们分别接入电桥的相邻桥臂，构成如图,4-14,所示电桥。当被测试件受力为,F,，并有温度变化,t,时，则工作应变片电阻由原来的,R,1,变为,R,1,即,31,精选ppt课件,而补偿片电阻值由原来的,R,2,变为,R,2,即,以上两个电阻代入电桥电压输出公式，即可得电桥输出端电压为,式中,R,3,和,R,4,为平衡电阻，为固定值，若令,R,3,=R,4,=R,0,，则有,代入,R,1,和,R,2,，得,32,精选ppt课件,由于,R,1,与,R,2,型号和特性均相同，而且感受相同的温度变化，则,则有,应为,则可得到,从以上分析可知，此时指示应变值只是由于工作应变片受力引起的应变值，而由于温度变化所产生的热输出已经消除。,33,精选ppt课件,如果补偿片,R,2,也作为工作应变片，且粘贴于被测试件的相反应变处，则,R,1,、,R,2,在应力和温度变化影响下，则有,代入电压输出表达式，得,由于,R,1,和,R,2,型号特性相同，感受应力相同，温度影响也相同，则有,34,精选ppt课件,故,上式同样表明，指示应变值已消除了温度影响的热输出，且输出提高了一倍。,35,精选ppt课件,8.,应变计测量电路,直流电桥的测量电路如图所示,9.,电阻应变式传感器的应用,（,1,）电阻应变计式传感器应用特点,电阻应变计有两方面的应用：一种是作为敏感,元件，直接用于被测试件的应变测量；另一种是作,为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任,何能转换为弹性元件应变的其他物理量间接测量。,36,精选ppt课件,(2),电阻应变式传感器的应用,电阻应变式传感器可用于,测量侧力,、,测量位移,、,测量加速度,、,测量扭矩,等。如书上图,4,22,4,25,。,基本应用,平面膜片式压力传感器，应变桥连接成全桥，且,应变计式传感器主要特点如下：,*应用和测量范围广；*分辨力和灵敏度高；,*结构轻小；*商品化，选用和使用方便。,37,精选ppt课件,如图所示，应变计,k=2.0,，膜片允许测试的最大应变,为,800,，对应的压力,100kPa,，电桥电压为,5V,，,试求最大应变时，测量电路输出端电压为多少？当输,出电压为,3.3V,时，所测压力为多少？,A,4,的作用是什么,？,38,精选ppt课件,该例为恒压源供电全桥等臂电桥，则电桥输出电