天大 测控 考研 传感技术与测控电路 2（可编辑）

天大 测控 考研 传感技术与测控电路 2（可编辑） 测控电路(含传感器) MEASURING & CONTROLING CIRCUIT AND SENSOR 天津大学精密仪器与光电子工程学院 2009Ch2 电阻式传感器CH2 电阻式传感器 I’ 温度传感器 DC R’ T R I 环境温度T’CH2 电阻式传感器基本原理将被测的非电量转换成电阻值的 变化,再由转换电路变成 电量输出。 主要类型 应变式 压阻式应力与应变 一、应力 外力F FF’ F 内力F’ 2 σ pa 或者N/m A 横截面积A 应力:由外力引起的内力集度应力与应变 二、应变 F F 轴向应变 ε=?l /l 1 径向应变 γ=?r /r 2 γ=-μ ε μ泊松比3应力与应变 二、应力与应变的关系 σ= ε E E:杨氏弹性模量应力与应变 二、应力与应变的关系 A1cm×1cm 1 2 485 uε3 F10kN?1 应变式传感器 一、工作原理 F F 横截面:A 横截面:A+?A 长 度:l 长 度:l+?l 半 径:r 半 径:r+?r 电阻率:ρ 电阻率:ρ+?ρ ?1 应变式传感器 一、工作原理机械变形 轴向应变 ε=?l /l 径向应变 γ=?r /r 满足关系式:γ=-με μ泊松比?1 应变式传感器电阻变化 l R? 1 初始阻值 A 相对变化 dR dl ddA 2 R lA dR dl d2dr 3 R lr dR dl dR ddl dA ddA 4 1+2μ R l RlAA?1 应变式传感器 一、工作原理 dR dl dR ddl dA ddA 阻值变化 1+2μ R l RlAA 几何变形 电阻率变化 dR dl ddA dR dl ddA 金属导体 5? 1+2μ ? ? K R lA R lA dR dl ddA ? 0 R lA?1 应变式传感器 一、工作原理 dR dl ddA dR dl ddA 电阻应变效应: 1+2μ ? K R lA R lA当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻 值将发生变化,这种现象称为金属的电阻应变效应。应变式传感器是利用电 阻应变效应,将被测物体变形转换成电阻变化的传感器。?1 应变式传感器 一、工作原理 dR dl dR ddl dA ddA 阻值变化 1+2μ R l RlAA 几何变形 电阻率变 化?1 应变式传感器 一、工作原理 如何应用应变式传感器进行测量? 敏感栅?1 应变式传感器 一、工作原理 如何应用应变式传感器进行测量? 应变片?1 应变式传感器 一、工作原理 如何应用应变式传感器进行测量? σ= ε E?1 应变式传感器 二、类型与结构 根据敏感栅分:金属丝式金属箔式金属薄膜式?1 应变式传感器 二、类型与结构金属丝式 特点:制作简单、成本低廉、使用方便、性能稳 定、存在横向效应。?1 应 变式传感器 二、类型与结构----- 金属箔式 特点:(1)可制成复杂形状的敏感栅;(2)与试件接触面积大,粘结与散热性 好;(3)横向效应小;(4)电阻值分散性大。?1 应变式传感器 二、类型与结构金属薄膜式 利用薄膜技术制成厚度小于0.1um的薄膜敏感 栅。 特点: (1)机械性能发生极大的改变; (2)无需与基体粘贴,消除滞后; (3)适于批量生产; (4)允许电流密度大,灵敏系数大,温度影响小;?1 应变式传感器 三、特性指标 1、灵敏系数 dR dl ddA dR dl ddA 1+2μ ? K R lA R lA K 称为灵敏系数,k= 1+2μ,一般为2左右 (1)与金属材料有关,常选用K较大的合金材料; (2)实际的金属应变片比金属丝的K值小.?1 应变式传感器 三、特性指标 2、机械滞后 应变片安装在试件上,在一定温度下,其加载特 性与卸载特性不重合,它们的最大差值称为应变片 的机械滞后。 原因:主要是敏感栅、基底和粘合层在承受机械 应变后所留下的残余变形所造成的。?1 应变式传感器 三、特性指标 3、零漂和蠕变 粘贴在试件上的应变片,在温度保持恒定、不 承受机械应变时,其电阻值随时间而变化的特性, 称为应变片的零漂。?1 应变式传感器 三、特性指标 3、零漂和蠕变如果在一定温度下,使应变片承受恒定的机械应 变,其电阻值随时间而变化的特性,称为应变片的蠕变。 蠕变中包含零漂,零漂是蠕变的特例。?1 应变式传感器 三、特性指标 4、横向效应 ?R1 ?R2弯成敏感栅以后,长度不变,但由于弧段的存 在,? R1? R2,所以灵敏系数k减小,这种现象就 是横向效应。?1 应变式传感器 三、特性指标 5、其他特性 (1)最大工作电流; (2)绝缘电阻; (3)电阻值R 如何选择这些参数??1 应变式传感器 三、特性指标 A1cm×1cm 应变片: 标称电阻R=120Ω 灵敏度系数K=2 -6 120× 2×485× 10 = 0.12Ω 0.1% F10kN?2 压阻式传感器 一、工作原理 dR dl dR ddl dA ddA 阻值变化 1+2μ R l RlAA 几何变形 电阻率变 化 dR dl ddA (1)金属导体 ? 0 R lA dR dl d dRdA dl ddA (2)半导体 《 1+2μ R lR A lA?2 压阻式传感器 一、工作原理 dR dR dl dl dddAdA 半导体 R Rl l?A Al ?l? EeK l l b l l 这个式子表达的现象称为压阻效应,即半导体材料受 力作用时,电阻率发生变化。压阻式传感器就是利用压 阻效应工作的。?2 压阻式传感器 一、工作原理 1、粘贴式 2、扩散型?2 压阻式传感器 一、工作原理 dR dl ddR dA dl ddA dR dl ddA =K b 阻值变化: R lRA lA R lA灵敏系数Kb=60~150,灵敏系数特别大,这是压阻 式传感器的突出特点; 不存在横向效应半导体材料的导电特性对温度非常敏感。?3 转换电路 传感器 转换电路 电流 I 被测量X ?R 电压 U 交流电桥 转换电路 直流电桥?3 转换电路 B 一、直流电桥 R 1 R 2 C Uo A R 3 R 4 D?3 转换电路 一、直流电桥 平衡时:U U B D B I1 I1I I AB BC U U AB AD R 1 R 2 C U o U U A BC DC I2I I AD DC R 3 R 4 I1 R1 I2 R3 I2 D I1 R2 I2 R4 条件:R4 /R3 R2 /R1?3 转换电路 一、直流电桥 平衡条件: R4 /R3 R2 /R1n R1 R4 R2 R3 n-桥臂比?3 转换电路 一、直流电桥 B Uo = U -U B D R 1 +?R R 2 ?R 1 C 时 U o? 1 A R 1 R 3 R 4 n ?R 1 U oU 2 D 1n R 1 U?3 转换电路 一、直流电桥 n 电桥灵敏度: K = U u 2 1+n (1)Ku与输入电压有关; (2)Ku与n有关。(何时Ku最大)? ? R U U 0 4R?3 转换电路 二、差动电桥 如何克服直流单臂电桥的非线性问题? 差动技术: 2 nfxa +a x +a x +…+ a x 0 1 2 n 2 n f-xa -a x +a x +…+ a -x 0 1 2 n 3 ?fx2a x +2a x +… 1 3