传感器检测技术及应用课件－力学传感器及其应用

传感器检测技术及应用课件－力学传感器及其应用内容摘要：

传感器检测技术及应用课件－力学传感器及其应用 1应变式传感器电感式传感器电容式传感器压电式传感器压磁式传感器项目 3 测力传感器力是物理基本量之一，因此测量各种动态、静态力的大小是十分重要的。 力的测量需要通过力传感器间接完成，力传感器是将各种力学量转换为电信号的器件。 3力传感器示例4电气式 测力 传感器的分类有：参量型测力传感器：将被测物理量转化为电参数。 如电阻、电容或电感等。 发电型测力传感器：将被测物理量转换为电源性参量。 如电动势、电荷等。 1、测力传感器的分类方式 5电气式 测力 传感器参量型 测力 传感器 发电型 测力 传感器电阻应变式 压电式电容式 测力 传感器 测力 传感器电感式 压磁式2、测力传感器的种类 6由弹性元件、电阻应变片及外壳等组装成的用来进行测量的装置，称为 应变式传感器。 电阻应变式测力传感器71、应变式测力传感器的工作原理 电阻应变式测力传感器的工作原理是在一定形状的弹性元件上粘贴或用其它方法安装电阻应变敏感元件。 当接触力作用在弹性元件上时，弹性元件产生变形，电阻应变敏感元件的阻值随之发生变化。 我们可用变换电路将阻值的变化 变成 电压（或电流）的变化，并将其信号输出到测量电路，根据电压变化量即可得知接触力的大小与作用位置。 8柱型应变式测力传感器结构9柱型弹性元件力与应变的关系 柱型传感器特点： 结构简单，紧凑，可设计成压式或拉压式，可承受大载荷，强度计算简单。 纵向应力： F/S = L/L = /E=F/ 弹性元件的纵向应力（ 纵向应变；F 受力（ N）；S 弹性元件的横断面积（ 元件材料的弹性模量（ 0薄壁环型应变式测力传感器结构11薄壁环式应变弹性元件，其应变片在薄壁式弹性元件上的位置如图所示。 其应变公式为：式中： 处的应变值 处的应变值 m)；m)； b 薄壁环的宽度 (m)； F 受力（ N）；E 元件材料的弹性模量（ 壁环 型弹性元件力与应变的关系 09 0 00 9 12梁型应变式测力传感器结构（ 1）13梁型应变式测力传感器结构（ 2）14悬臂梁式应变弹性元件，其应变片的位置如前图所示。 其上下表面的应变值为：式中： l 悬臂外端距应变片中心的长度 (m)；b 悬臂宽度 (m)；h 悬臂厚度 (m)；F 受力（ N）；E 元件材料的弹性模量（ 臂梁式弹性元件力与应变的关系 15等强度悬臂梁式应变弹性元件，其应变片的位置如图所示。 其上下表面的应变值为：式中： l 梁的长度 (m)；b 梁的宽度 (m)；h 梁的厚度 (m)；F 受力（ N）；E 元件材料的弹性模量（ 强度悬臂梁式弹性元件力与应变的关系 16两端固定梁式应变弹性元件，应变片的位置如图所示。 其上下表面的应变值为：式中： l 梁的长度 (m)；b 梁的宽度 (m)；h 梁的厚度 (m)；F 受力（ N）；E 元件材料的弹性模量（ 端固定梁式弹性元件力与应变的关系 172、弹性元件力与应变关系的结论 在电阻应变式测力传感器中，当弹性元件的尺寸和材料确定后，弹性元件在外力作用下所产生的应变与外力成正比。 183应变片电阻应变片 (简称应变片 )的作用是把导体的机械应变转换成电阻应变，以便进一步电测。 实际的应变片根据敏感元件材料的不同，主要分为金属电阻应变片和半导体应变片两类。 金属电阻应变片 分为体型和薄膜型。 半导体应变片 常见的有体型、薄膜型、扩散型、外延型、 9设金属电阻丝长度为 L，截面积为 S，电阻率为 ，则电阻值 图所示，当电阻丝受到拉力 阻值发生变化。 材料电阻值的变化，一是受力后材料几何尺寸变化；二是受力后材料的电阻率也发生了变化。 大量实验表明，在电阻丝拉伸极限内，电阻的相对变化与应变成正比，而应变与应力也成正比。 金属电阻应变片的工作原理20当电阻丝受到拉力 将伸长 L, 横截面积相应减小 S, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变 , 故引起电阻值相对变化量为式中 L/ 用应变 表示：S/ 即电阻应变式传感器工作原理 2 221由材料力学可知 , 在弹性范围内 , 金属丝受拉力时 , 沿轴向伸长 , 沿径向缩短 , 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为式中 : 电阻丝材料的泊松比 , 负号表示应变方向相反。 将上 2式带入前式，得：电阻应变式传感器工作原理 3 )21(通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的灵敏系数。 其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量 , 其表达式为：因此：受两个因素影响 : 受力后材料几何尺寸的变化 , 即 (1+2) ; 受力后材料压阻效应产生的变化 , 即 2121 其贴在被测对象表面上。 当被测对象受力变形时，应变片的敏感栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，这是用来直接测量应变。 通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，而做成各种应变式传感器。 应变片的基本结构25应变片的基本结构 2（ 1）敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化。 敏感栅有丝式、箔式和薄膜式三种。 （ 2）底基绝缘及传递应变。 要求底基准确地把试件应变传递给敏感栅 ,同时基片绝缘性能要好，否则应变片微小电信号就要漏掉。 由纸薄、胶质膜等制成。 （ 3）粘结剂敏感栅与底基、底基与试件、底基与覆盖层之间的粘结。 （ 4）覆盖层保护作用。 防湿、蚀、尘。 （ 5）引线连接电阻丝与测量电路，输出电参量。 26对敏感栅材料的要求 应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常数；电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片；电阻温度系数要小；抗氧化能力高，耐腐蚀性能强；在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度；加工性能良好 ,易于拉制成丝或轧压成箔材；易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。 27金属丝式应变片回线式：横向效应较大 短接式：克服横向效应28金属箔式应变片箔式应变片 是在绝缘基底上，将厚度为 材， 利用照相制版或光刻技术，制成各种需要的形状。 优点：可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅；与被测件粘结面积大； 散热条件好，允许电流大，提高了输出灵敏度；横向效应小； 蠕变和机械滞后小，寿命长。 缺点：工序复杂、不适于在高温环境中测量，价格高。 29金属薄膜应变片 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 后再加上保护层。 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大。 存在问题：温度稳定性差应变片的粘贴：应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。 粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。 粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性，如零漂、蠕变、滞后、灵敏系数，线性以及它们受温度变化影响的程度。 对粘合剂和粘贴工艺有严格要求。 30半导体应变片压阻效应：固体受到作用力后，电阻率就要发生变化，这种现象叫压阻效应。 半导体材料的压阻效应特别强。 半导体应变片 的分类： 粘贴式应变片 扩散硅型压阻传感器31半导体应变片的制作材料用单晶硅、锗。 直角坐标系中它有许多晶轴方向，实验发现沿不同晶轴方向压阻系数相差很大（电阻率变化相差很大）。 半导体应变片结构32半导体应变式传感器常用硅、锗等材料作成单根状的敏感栅，其使用方法与金属丝应变片相同。 因为：半导体应变片的灵敏系数为：半导体应变片的灵敏系数33半导体应变片的特点半导体应变片的突出优点是灵敏系数很大， 分辨率高， 可测微小应变。 此外， 频率影响高，体积小 、横向效应和机械滞后也小。 主要用于测量压力、加速度和载荷等。 主要缺点是 应变灵敏系数的离散性大， 温度稳定性差和测量较大应变时非线性严重， 机械强度低，非线性误差大，温度系数大， 必须采取补偿措施。 此外，灵敏系数随拉伸或压缩而变。 34应变式传感器与应变仪配套使用进行力的测量。 应变仪测量电路的作用： 将电阻的变化量转换为电压输出。 应变仪的测量电路多采用电桥，这种电桥称之为 电阻应变片桥路。 根据所用电源的不同，电桥可分为直流电桥和交流电桥，四个桥臂均为纯电阻时，用直流电桥精确度高；若有桥臂为阻抗时，必须用交流电桥。 4 应变片的布置和接桥方式35应变仪各部分的作用a、电桥：将片电阻变化转换为电压信号。 b、振荡器：供给正弦波交流电压作为电桥的载波电压，由信号电压对它进行调幅，输出一个窄频带的调幅电压信号，送入放大器。 同时为相敏检波器提供参考电压。 c、放大器：电桥输出的信号非常微弱，一般在几十微伏到几毫伏之间，必须经过放大器将桥送来的调幅电压信号进行失真放大，输出足够的功率推动指示仪表或记录器。 d、相敏检波器：既具有检波的作用，又能完成辨别信号相位（如：应变信号的拉伸或压缩性质）的任务。 36直流电桥电路如图所示，它的四个桥臂由电阻 ， 0。 一般情况桥路应接成等臂电桥 ,输出为零。 这样无论哪个桥臂上受到外来信号作用后，桥路都将失去平衡，就会有信号输出。 （ 1） 直流电桥工作原理 37电桥输出端接入输入阻抗很高的指示仪表或放大器时，可认为电桥负载为无穷大，电桥输出端相当于开路，只能输出电压信号，称为电压输出。 此时，桥路的电流为：流电桥工作原理 2112 2 3411 R23 R38直流电桥工作原理 3空载输出：当电桥平衡时 , , 则有 或0 1 1 2 3A B A U I R I R 3 1 4 2 3101 2 3 4 1 2 3 4()( ) ( )R R R R R R R R R R 311 2 3 4 R R43219电桥平衡条件电桥接入的是电阻应变片时 ， 即为应变桥。 当一个桥臂 、 两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时 ，相应的电桥为单臂桥 、 半桥 （ 双臂 ） 和全臂桥。 电桥平衡条件：相邻两臂电阻的比值应相等 , 或相对两臂电阻的乘积相等。 1= 340当电桥后面接放大器时，放大器的输入阻抗很高，比电桥输出电阻大很多，可把电桥输出端看成开路。 设桥臂比 n = 1, 分母中 1可忽略。 由电桥平衡条件 1= 3。 电桥电压灵敏度定义为：（ 2）不平衡直流电桥及电压灵敏度31 1 4。