传感器原理及应用全套配套课件PPT动画教学大纲第3章 电阻式传感器.ppt 150页

'第3章电阻式传感器传感器原理与应用 传感器原理及应用第3章应变式传感器主要内容3.1金属丝电阻应变片3.2电阻应变片测量电路3.3电阻应变式传感器的应用3.4半导体压阻式传感器的应用 传感器原理及应用第3章应变式传感器电阻应变式传感器是将被测的非电量转换成电阻值的变化，再经转换电路变换成电量(电流、电压)输出。电阻应变式传感器也是应用最广泛的传感器，可用于应变力、压力、转矩、位移、加速度。据统计日本力传感器中应变片占70%，美国占90%。测力范围：小到肌肉纤维（5×10-5N)，大到登月火箭(5×107N)；精确度：在0.01～0.1%，有10年以上的校准稳定性。应变式传感器主要特征有不同材料类型，金属应变片、半导体应变片;优点，结构简单、精度高、范围大体积小；缺点，电阻、半导体会随温度变化。RF概述 传感器原理及应用第3章应变式传感器电阻应变式传感器广泛应用于各种衡器和应变测量1）用于各种电子秤电子天平 传感器原理及应用第3章应变式传感器吊秤遥动遥控吊秤液压叉车秤 传感器原理及应用第3章应变式传感器电子皮带秤行李秤钢包电子秤行车电子秤防爆汽车衡给料秤 传感器原理及应用第3章应变式传感器机械秤包装机动态电子秤自动称重给料机给料斗秤称重包装机定量包装机灌装机 传感器原理及应用第3章应变式传感器2）用于应变仪——全自动应力、应变实时监测仪动态监测各种工件施工中的应变、应力、载荷或合成应力；可检测振动时效果。可静态地测量内应力、接触应力，如焊接件、铸件、锻件、水坝、岩石、混凝土内的内应力；焊接、铸造、机加工、热加工、锻造、冷凝、体变等残余接触应力；用于各种弹性固体材料、构建的应变测量、应力检测及监测，如：钢结构、合金件、机床、大坝体、隧道、桥梁、高楼、建筑、土建、管道、输水管、岩石、地震、船舶、海洋平台、油井、小堤坝、电缆、锅炉……， 传感器原理及应用第3章应变式传感器上海卢浦大桥通车应变试验 传感器原理及应用第3章应变式传感器上海国际会议中心模型试验 传感器原理及应用第3章应变式传感器打桩船吊塔强度试验 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片金属应变片结构：网状敏感栅——高阻金属丝、金属箔基片——绝缘材料盖片——保护层1.应变片结构金属丝式应变片结构金属箔式应变片结构 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片1.应变片结构1—敏感元件2、4—基底3—引线应变片组成应变片结构 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片1.应变片结构单体型半导体应变片半导体应变片结构温度传感器扩散电阻硅膜片硅片基片集成式应变传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器金属电阻应变片的基本原理基于电阻应变效应：即导体在外力作用下产生机械形变时阻值发生变化。2.工作原理当电阻丝受到轴向拉力F作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻值的相对变化,与电阻率变化成正比一根长L，截面积为S，电阻率为ρ的金属丝电阻 传感器原理及应用第3章应变式传感器径向应变为：（截面积相对变化量）轴向应变为：横向变形系数：（泊松系数）在弹性范围内金属丝受拉时，轴向应变和径向应变的关系，负号表示应变受力Ｆ方向相反2.工作原理 传感器原理及应用第3章应变式传感器用轴向、径向应变、泊松系数带入后电阻变化率为：定义金属电阻丝的灵敏系数为k0；即：单位应变能引起的金属丝电阻相对变化金属丝受力后主要引起两个方面的变化：材料几何尺寸变化（1+2μ）；材料电阻率的变化（Δρ/ρ）/ε2.工作原理 传感器原理及应用第3章应变式传感器金属丝灵敏系数k0主要由材料的几何尺寸变化引起的应力σ=Eε（E弹性模量）σ∝ε，ε∝ΔR/Rσ应力→ε应变→ΔR/R电阻变化（反映应力大小）通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量通过应力变化，并转换为电阻的变化进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。已知泊松系数μ=0.25～0.5(钢μ=0.285)因为所以近似：k0≈1+2μ，k0≈1.5～22.工作原理 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片弹性元件在应变片测量技术中占有极其重要的地位，首先把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移，然后传递给粘贴在弹性元件上的应变片，通过应变片将力、力矩或压力转换成相应的电阻值。物体在外力作用下而改变原来尺寸或形状的现象称为变形，而当外力去掉后物体又能完全恢复其原来的尺寸和形状，这种变形称为弹性变形。具有弹性变形特性的物体称为弹性元件。3.弹性敏感元件 传感器原理及应用第3章应变式传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器 常用弹性元件的结构和特性 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片a）刚度刚度是弹性元件受外力作用下变形大小的量度，其定义是弹性元件单位变形下所需要的力，用C表示，其数学表达式为3.弹性敏感元件式中:F——作用在弹性元件上的外力，单位为牛顿（N）；x——弹性元件所产生的变形，单位为毫米（mm）。 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片通常用刚度的倒数来表示弹性元件的特性，称为弹性元件的灵敏度，一般用S表示，其表达式为3.弹性敏感元件从上式可以看出，灵敏度是单位力作用下弹性元件产生变形的大小，灵敏度大，表明弹性元件软，变形大。如果弹性特性是线性的，则灵敏度为一常数，若弹性特性是非线性的，则灵敏度为一变量，即表示此弹性元件在弹性变形范围内，各处由单位力产生的变形大小是不同的.弹性特性曲线b）灵敏度 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.1金属丝电阻应变片各种形式的金属式电阻应变片金属式电阻应变片常见的有丝式、箔式、薄膜型4.应变片种类 传感器原理及应用第3章应变式传感器按材料分为体型—丝式、箔式金属式：薄膜型半导体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型按结构分：单片、双片、特殊形状按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下4.应变片种类 传感器原理及应用第3章应变式传感器金属丝式——敏感栅用0.025mm金属丝（康铜、贵金属）；金属箔式——通过照相制版，光刻腐蚀工艺作成金属薄栅，厚度在0.003～0.01mm，敏感栅截面为矩形，可通过大电流，工艺适于批量生产；金属薄膜型——采用真空技术，在基片上蒸镀金属薄膜，厚度为纳米级。半导体式：体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型4.应变片种类体型半导体电阻应变片 传感器原理及应用第3章应变式传感器k0表征金属丝的灵敏系数，但金属丝做成应变片后，电阻应变特征与单根金属丝不同。实际的灵敏系数包括基片、粘合剂、敏感栅的横向效应等因素。做成应变片以后灵敏系数k0不同，必须重新标定。3.1金属丝电阻应变片（1）应变片灵敏系数k通常采用实验的方法，按统一的标准，如受单向力拉力或压力，试件材料为钢，箔松系数μ=0.285；取成品的5%进行测定，取平均值做产品的灵敏系数，称标称灵敏系数k，即产品出厂时标注的灵敏系数。实验表明，应变片灵敏系数小于电阻丝灵敏系数，即k＜k0如果实际应用与标定条件不同时，k误差较大需要修正。5.主要特性 传感器原理及应用第3章应变式传感器直线电阻丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但圆弧部分应变状态不同，圆弧段电阻的变化小于沿轴向摆放的电阻丝电阻变化。实际应变变化ε=ΔL/L比拉直了看要小，可见直线的电阻丝作成敏感栅后，虽然长度相同，但应变不同。（2）横向效应园弧部分使灵敏系数k0↓下降，这种现象称为横向效应。敏感栅越窄、基长越长，横向效应越小。为减小横向效应产生的测量误差，一般多采用箔式应变片，圆弧部分尺寸较大。 传感器原理及应用第3章应变式传感器应变片安装在自由膨胀的试件上，如果环境温度变化，应变片的电阻也会变化，这种变化叠加在测量结果中称应变片温度误差。已知电阻丝阻值与温度关系为（3）应变片温度误差及补偿环境温度变化Δt时，电阻丝的电阻变化为1）应变片温度误差式中：R0是温度为t0时的金属丝电阻值；αt是应变片电阻温度系数。应变片温度误差来源有两个主要因素： 传感器原理及应用第3章应变式传感器（3）应变片温度误差及补偿因试件随温度变化使应变片电阻产生附加形变造成的电阻变化温度变化Δt时引起总的电阻变化为△Rt式中：k为应变片灵敏系数;αt电阻温度系数;βg试件膨胀系数，βs电阻丝膨胀系数。 传感器原理及应用第3章应变式传感器（3）应变片温度误差及补偿根据电阻丝阻值与温度关系：因环境温度改变引起的附加电阻变化与以下内容有关:环境温度变化Δt；应变片本身的性能参数——应变片灵敏度k；电阻丝温度系数αt、试件参数βg；电阻丝膨胀系数βs。折合成应变量（温度变化引起） 传感器原理及应用第3章应变式传感器（3）应变片温度误差及补偿温度补偿方法有：线路补偿、自补偿、辅助测量补偿、热敏电阻补偿、计算机补偿等。自补偿法，具有温度补偿作用的应变片RB称为补偿片,用特制的温度补偿片进行补偿。当温度变化时产生的附加应变相互抵消，补偿片制作的原理是使εt=0。被测材料βg给定，制作中改变栅丝的合金成分，控制温度系数αt，使βs、βg抵消。2）应变片温度补偿 传感器原理及应用第3章应变式传感器（3）应变片温度误差及补偿如果R1R3=RBR4，电桥平衡时输出为零；若R1、RB温度系数相同，当无应变而温度变化时ΔR1=ΔRB，电桥为平衡状态；当有应变时，R1有增量ΔR1，ΔR1=R1k0ε补偿片无变化，ΔRB=0；电桥输出为U0∝R1R3k0ε可见此时电桥的输出电压与温度无关线路补偿（电桥补偿）：被测试件位置上安装一个补偿片处于相同的温度场；等臂电桥输出U0与桥臂参数的关系为R1—应变片，RB—补偿片 传感器原理及应用第3章应变式传感器（3）应变片温度误差及补偿电桥补偿方法 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2电阻应变片测量电路一般应变片阻值变化很小若k0=2，应变片电阻R=120Ω，ε=1000με时电阻变化仅0.24Ω。要检测如此微小电阻的变化必须经过放大电路放大输出。放大器前通常采用直流电桥或交流电桥。 传感器原理及应用第3章应变式传感器①直流电桥的平衡条件电桥平衡时:I0=0，U0=0（1）直流电桥要满足电桥平衡条件，必须有对比积相等，邻臂比相等E直流供电R1-R4桥臂电阻当负载RL→∞（放大器的输入阻抗比桥路阻抗大的多，可视为开路）电桥输出电压为： 传感器原理及应用第3章应变式传感器设R1为应变片，应变时R1变化量为ΔR1，应变片阻值变化电桥失衡，不平衡输出电压为②电桥电压灵敏度ΔR1（1）直流电桥 传感器原理及应用第3章应变式传感器电桥输出的电压灵敏度为电桥输出电压可近似为，忽略分母中由于设桥臂比考虑平衡条件对于②电桥电压灵敏度 传感器原理及应用第3章应变式传感器电桥电压灵敏度讨论：1.电桥的电压灵敏度Ku越大，电桥输出电压越大，Ku与电桥电源E成正比，但供电受应变片允许功耗限制；2.Ku是桥臂比n的函数，恰当选择桥臂比可提高电压灵敏度；显然n=1、R1=R2、R3=R4时Ku有最大值。4.单臂工作片的电桥输出电压及电压灵敏度分别为 传感器原理及应用第3章应变式传感器（1）直流电桥等臂电桥n=1时③非线性误差补偿实际输出值为非线性误差，忽略了分母中前面计算中设将分母按幂级数展开，略去高阶量近似得到单桥非线性误差 传感器原理及应用第3章应变式传感器对金属电阻丝应变片，因灵敏系数k0主要由几何尺寸引起的，ΔR非常小，电桥非线性误差可以忽略。对于半导体应变片，灵敏度系数k0主要由电阻率变化引起的，应变时电阻率ΔR/R变化很大，非线性误差不能忽略。例：金属应变片半导体应变片由式可见，非线性误差与ΔR1/R1成正比③非线性误差补偿（1）直流电桥 传感器原理及应用第3章应变式传感器实际电路中非线性误差总是存在的，为减小非线性误差，常采用差动电桥。在试件上安装两个工作片，分别接在电桥的相邻两个臂，当有作用力F时一个受拉、一个受压。③非线性误差补偿电桥的输出电压为（1）直流电桥 传感器原理及应用第3章应变式传感器（1）直流电桥半桥电路电压输出和电压灵敏度分别为半桥电路讨论：1.输出电压U0与△R/R呈线性关系，无非线性误差；2.半桥电路（两工作片）电压灵敏度Ku是单臂电桥的两倍；3.同时电路具有温度补偿作用。按等臂电桥： 传感器原理及应用第3章应变式传感器（1）直流电桥全桥电路的电压输出和电压灵敏度分别为全桥输出电压灵敏度是单桥的4倍，没有非线性误差。将电桥四个桥臂按照对臂同性、邻臂异性原则连接四个应变片并且有：ΔR1=ΔR2=ΔR3=ΔR4 传感器原理及应用第3章应变式传感器（1）直流电桥单桥半桥全桥直流电桥输出电压 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.2电阻应变片测量电路直流电桥优点：电源稳定、平衡电路简单，仍是主要测量电路；缺点：直流放大器较复杂，存在零漂和工频干扰。交流电桥优点：放大电路简单无零漂，不受干扰，为特定传感器带来方便；缺点：需专用测量仪器或电路，不易取得高精度。交流电桥由于引线分布参数的影响以及平衡调节、后续放大的影响与直流电桥有明显的差别。（2）交流电桥 传感器原理及应用第3章应变式传感器（2）交流电桥交流电桥由单频交流电源供电，交流电桥各臂的电阻要考虑分布电容的影响，这时桥臂不再是纯电阻了，可将桥臂视为复阻阻抗，分别为电源电压、输出电压分别用复数表示交流电桥输出特征方程为交流电桥 传感器原理及应用第3章应变式传感器（2）交流电桥式中：x—电抗、r—电阻、Z—复数的模、φ—幅角用指数形式代入得到交流电桥平衡条件，需满足两个方程式：对臂复数的模积相等，幅角之和相等。交流电桥平衡条件：设各桥臂阻抗: 传感器原理及应用第3章应变式传感器（2）交流电桥已知忽略分母项交流半桥输出：交流单桥输出：其中,Z1=R1//XC1交流电桥输出： 传感器原理及应用第3章应变式传感器（2）交流电桥若半桥Z3、Z4为固定电阻，Z1、Z2为两个应变片，阻值为R1、R2，分布电容为C1、C2，电桥平衡时实部、虚部分别相等。交流电桥除满足电阻平衡条件外，还必须要满足电容平衡条件：交流电桥输出用以上参数代入（半桥） 传感器原理及应用第3章应变式传感器（2）交流电桥交流电桥讨论：交流电桥（半桥）输出电压U0有两个分量：前一个分量的相位与输入电源电压U同相，叫同相分量；后一个分量的相位与电源U的相位相差900，叫正交分量。两个分量均是ΔR的调幅波，若采用普通二极管检波电路无法检测出调制信号ΔR，必须采用相敏检波电路。相敏检波器只检出同相分量和反相的调制信号，对正交分量不起检波作用，只起到滤除作用。 传感器原理及应用第3章应变式传感器（2）交流电桥实际应用时一般情况分布电容会很小，满足ωRC<<1例：电源频率f=1000Hz，R=120Ω，C=1000pF，ωRC≈7.5×10-4近似，Z≈R，△Z≈△R即信号频率ω不高时，分布电容C很小时，交流应变电桥仍可按纯电阻性电桥计算。所以输出电压在输出输入同频同相时可写为 传感器原理及应用第3章应变式传感器（2）交流电桥电容平衡电路调节交流高次谐波电阻平衡电路调节直流基波成分平衡电路：事实上交流电桥很难处于平衡状态，只能使零输出尽量小，所以会产生零输出，因此须设置平衡电路。R5R6组成电阻平衡调节电路，改变R6使R1R2R5电阻值变化C、R组成电容平衡调节电路，改变R使Z1Z2阻抗变化 传感器原理及应用第3章应变式传感器（2）交流电桥平衡电路： 传感器原理及应用第3章应变式传感器（3）电阻应变仪原理应变仪电路主要分为：直流电桥和交流电桥；应变片采用直流电桥时，由放大、A/D及显示电路组成；应变片采用交流电桥时需解调电路，主要包括:振荡器、放大器、相敏检波器、滤波器、转换和显示等。电阻应变仪交流电桥电路原理框图3.2电阻应变片测量电路 传感器原理及应用第3章应变式传感器（3）电阻应变仪原理音频振荡器、电桥、差动放大器、相敏检波器、移相器、滤波器、显示“交流电桥”应变仪实验电路原理示意图交流电源 传感器原理及应用第3章应变式传感器（3）电阻应变仪原理交流电桥，可以测量20-200Hz频率的应变力，输出调幅调制波；振荡器，产生400-2000Hz等幅正弦波提供桥压和相敏检波器参考电压；差动放大器，将电桥输出信号放大,调幅波的负应变信号反向输出;相敏检波器，区分正负双向信号；低通滤波器去掉高频保留低频应变信号,还原被检测的信号。相移器，相敏检波器的参考信号与被测信号有严格的相位关系,相敏检波电路要求相位可调，由相移电路完成。 传感器原理及应用第3章应变式传感器相移电路相移电路电路中A1，A2无放大作用：A1R1R3C1超前相移；R1=R3时，K1=V10/V1=1φ（ω）=（-π）-2tg-1ωR2C1A2R4R5C2滞后相移；R4=R5时，K2=1φ（ω）=-2tg-1ωRwC2ω=2πf，f—定时，变化Rw=0—10k，可变化相移Δφ=0—900相移器控制相敏检波器参考电压相位 传感器原理及应用第3章应变式传感器相敏检波器相敏检波器可以区分正负极性的双相信号，在传感器转换电路中广泛应用，相敏检波器的电路形式较多。相敏检波器有两个作用：一是只对同方向信号检波；二是识别调制信号的正负。开关型相敏检波电路适用于调制信号频率较高的情况，开关型相敏检电路采用集成运算放大器组成整形电路和输出电路。开关型相敏检波电路原理图 传感器原理及应用第3章应变式传感器V1是放大器输出，相敏检波器输入；V2是相移器输出，相敏检波参考信号输入；V3是相敏检波器输出；A1开环放大器；场效应管3DJ7的通断控制A2运放的输出相位极性。3DJ7V1V3V2DV6V7相敏检波器同相反相相差900 传感器原理及应用第3章应变式传感器相敏检波器将输出信号送低通滤波器滤波，取出包络信号（应变），要显示振动（应变）的频率、幅值，需后续的数据采集分析系统。频域积分(由加速度计算速度、位移)、频域微分(由位移计算速度、加速度)相敏检波器 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻式传感器的应用电阻式应变传感器的应用主要分为两大类1.应变测量——应变片直接粘贴在被测试件上，通过电阻应变仪测量构件的应力、应变、形变；2.应变片与弹性元件组合使用构成测量仪器（如电子秤），测量重物、力、压力、位移、速度、加速度等物理量。 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻式传感器的应用电阻应变仪是直接测量应变的专用仪器，在科研和工业生产中常常要对构件或组件的应变进行测量。如:长征系列运载火箭、三峡工程、大庆石油井架等工程项目测试。测量高压容器的变形时压力—高压气瓶、高压锅炉、高压锅;机械设备的构件形变研究—火炮炮管、汽车底盘、飞机机翼。（1）电阻应变仪 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻式传感器的应用按测量应变力的频率可分为静态应变仪;动态应变仪又可细分为：静态—5Hz，静动态—几百Hz；测量应力、应变，系统要求高速高精度AD；动态—5KHz；超动态—几十KHz；测量振动、频谱分析，系统除要求高性能解调电路，要有强大数据处理功能，数字滤波、频谱分析。不同应变频率范围的应变仪，数据采集与数据处理电路有较大差别。静态应变仪电路原理示意图 传感器原理及应用第3章应变式传感器（1）应变仪应变仪主要特性参数：测量通道：8通道，可多模块组合测量范围：±30000με测量精度：±1.5με扫描率高于1次/秒支持多种桥路接入方式：1/4桥、半桥、全桥（4线、6线）应变片类型：120Ω～1kΩ应变系数：1.80～2.20采样率可设置为每通道10次/秒到几天采集一次实时显示当前数据和所设置的参数2～8MByte非易失性存储器，用于存储测量数据. 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻式传感器的应用振动信号采集分析系统测量原理示意图采集模块因系统而定采集标定模块基本分析模块模态参数识别模块锤击振动模块生成地震波模块小波分析模块桥梁索力测试模块摆度监测模块动态应变采集分析系统地震仪测地应力、作用力大小；用多个测点，根据P波、S波的传播速度，计算震中和震源深度 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻式传感器的应用桥梁固有频率测量悬臂梁固有频率测量频谱分析：自功率谱、互功率谱、正富氏变换、逆富氏变换、相干函数、传递函数(频响函数)、自相关、互相关、计算反应谱。 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻式传感器的应用桥梁固有频率测量电路直流电桥频率计 传感器原理及应用第3章应变式传感器力传感器由弹性元件和应变片组成，有：柱式、梁式、环式、轮辐式等。①柱式力传感器——有空心（筒形）、实心（柱形）两种在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆筒（柱）在外力作用下产生形变。对实心圆柱，外力F作用时产生的应变为：式中：L为弹性元件的长度；E为弹性模量；S为弹性元件的横截面积；应力σ=F/S；应变与力成正比关系，要提高变换灵敏度必须减小横截面积S，但S小抗弯能力差易产生横向干扰；为解决这一矛盾多采用空心圆筒，空心圆筒在同样横截面积情况下横向刚度大。（2）力传感器（测力与秤重）3.3电阻式传感器的应用 传感器原理及应用第3章应变式传感器实心圆柱H≥2D+L空心圆柱H≥Dd+L试验研究结果建议选用以下公式：柱式力传感器结构F=100×103N柱式力传感器称重荷重，量程在0.1～100吨之间，国产有BLR-1型测拉力、BHR型测荷重传感器;火箭发动机实验台架都采用空心圆柱结构。H—柱高,D—外径,d—空心内径,L—应变片基长①柱式力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器圆柱面展开的应变片粘贴图①柱式力传感器应变片连接电路 传感器原理及应用第3章应变式传感器应变片均匀贴在圆柱表面中间部分，R1R3、R2R4串联摆放在两对臂内，当有偏心应力时，一方受拉另一方受压产生相反变化，可减小弯矩的影响。横向粘贴应变片为温度补偿片有提高灵敏度的作用。桥路连接图灵敏度按半桥计算，电桥输出为R=R1=R2=R3=R4，受力方向相同①柱式力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器荷重传感器弹性元件形式（2）力传感器①柱式力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器等截面梁悬臂梁的横截面积处处相等，所以称等截面梁。当外力F作用在梁的自由端时，固定端产生的应变最大，粘贴在应变片处的应变为：式中：是梁上应变片至自由端距离，b、h分别为梁的宽度和梁的厚度。悬臂梁式力传感器有等截面梁、等强度梁两种形式，弹性元件一端固定,力作用在自由端（2）力传感器②悬臂梁式力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器等截面梁因为应变片的应变大小与力作用的距离有关，所以应变片应贴在距固定端较近的表面，顺梁的方向贴上下各贴两只。四个应变片组成全桥，上面两个受压时下面两个受拉。保证对臂同极性、邻臂反极性连接。这种传感器适用于中等荷重，测量500Kg以下荷重。②悬臂梁式力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器等强度梁悬臂梁长度方向的截面积按一定规律变化，是一种特殊形式的悬臂梁。当力作用在自由端时，梁任何位置上距作用点应力相等，应变片的应变大小为：为梁的长度，当力作用在自由端时，梁表面产生的应变相等。对应变片粘贴位置要求不严，使用更为方便。②悬臂梁式力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器各种形式的应变梁应用于不同场合②悬臂梁式力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器各种平行双孔梁各种形式的应变梁，双孔梁多用于盘秤②悬臂梁式力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器各种形式的应变梁，S梁、工字梁多用于吊秤。S型拉力梁弯曲环式②悬臂梁式力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器轮辐式传感器结构主要由五个部分组成：轮轱、轮圈、轮辐条、受拉和受压应变片；通过测量轮辐条对角线方向(450)的线应变测力。8个应变片分别粘贴在四个轮辐条的正反两面组成全桥。③轮辐式测力传感器（剪切力）（2）力传感器侧视俯视 传感器原理及应用第3章应变式传感器③轮辐式测力传感器汽车衡器传感器电子台秤扁平外型有大的抗载能力，可承受大的偏心度和侧向力；埋在地下用于测量行走中的拖车、卡车，可根据输出对超载车辆报警。 传感器原理及应用第3章应变式传感器显示仪表桥式力传感器力传感器应用扭力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器电子吊车秤力传感器应用利用单片机可进行数字处理 传感器原理及应用第3章应变式传感器定量包装机力传感器应用 传感器原理及应用第3章应变式传感器力传感器应用 传感器原理及应用第3章应变式传感器荷重传感器用于汽车衡原理力传感器应用 传感器原理及应用第3章应变式传感器膜片式传感器的弹性敏感元件是一个圆形的金属膜片，应变片粘贴在膜片上。金属元件的膜片周边被固定。当膜片一面受压力P作用时，膜片上有径向应变εr和切向应变εt。式中：r——膜片半径h——膜片厚度E——膜片弹性模量μ——膜片泊松比x——任意点离圆心距离④膜片式压力传感器（气体压力）R1R20.58R3R4P（2）力传感器应变值分别为： 传感器原理及应用第3章应变式传感器膜片中心处，x=0，εr与εt都达到正的最大值，这时切向应变和径向应变为：膜片边缘处x=r,切向应变εt=0,径向应变εr达到负的最大值。径向应变εr=0处的位置？在距圆心的圆环附近。④膜片式压力传感器R1R20.58R3R4 传感器原理及应用第3章应变式传感器根据应力分布粘贴四个应变片，R2、R3粘贴在正的最大区域，R1、R4粘贴在负的最大区域，即粘贴在r=0.58的内外两侧。R1、R4测量径向应变εr（负），R2、R3测量切向应变εt（正），四个应变片组成全桥，即可增大传感器的灵敏度又起到温度补偿作用。传感器一般可测量105～106Pa的压力。R1R20.58R3R4④膜片式压力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器基本结构由悬臂梁、应变片、质量块、机座外壳组成。悬臂梁（等强度梁）自由端固定质量块，壳体内充满硅油，产生必要的阻尼。壳体机座aFR1R2m充满硅油⑤应变式加速度传感器当壳体与被测物体一起作加速度运动时，悬臂梁在质量块的惯性作用下作反方向运动，使梁体发生形变，粘贴在梁上的应变片阻值发生变化。通过测量阻值的变化求出待测物体的加速度。（2）力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器⑤应变式加速度传感器应变片式加速度传感器不适于测较高频率的振动冲击,常用于低频振动测量,范围在10～60Hz。 传感器原理及应用第3章应变式传感器⑤应变式加速度传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器电子秤应用电路集成器件MC14433为A/D转换集成块，4511为LED显示驱动，1413为位选，1403提供主集成电路稳定比较电压，7650为斩波稳零单片集成运算放大器，放大传感器输出的电压信号。传感器为BLR型拉压式传感器；图中RA、RB、RC、RD为传感器；稳压电路7805向整个电路提供5V电压，7805的输人电压在8－15V时正常工作。BLR型拉压式传感器（2）力传感器 数字电子秤电路原理图A/D转换显示驱动放大LED显示器 数字电子秤系统框图 整体原理图 电源交流双6~9V输入 传感器电路+5-5OUT调零电位器 放大电路放大倍数调节电位器差分放大级传感器信号输入IC1IC2IC3注：运放采用LM324IC1、IC2组成同相并联差动放大器，提高输入阻抗。IC3组成基本差动放大器 传感器原理及应用第3章应变式传感器电子皮带秤原理测量皮带运输机上传送固体物料的瞬时值和输出总量；系统需要通过测力和测速两套测试装置实现；若单位皮带长度的物料重p，皮带的运行速度是υ，输送物料的瞬时量Q=p×υ之积（单位时间重量）,将该量对输送时间t积分可得出输出总量。测力传感器测速P固体物料υ皮带速度驱动轮（2）力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器电子皮带秤原理托辊秤架交流电桥放大检波U-I转换瞬时显示总量显示积分（t)Ui(f)测力传感器光电传感P固体物料υ皮带速度驱动轮ΔR/R电桥输出：U=Ku×ΔR/R放大检波输出：U0∝ΔR/R×Ui瞬时显示：Q=p×υ输出总量=∫Qdt 传感器原理及应用第3章应变式传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.3电阻式传感器的应用数字式水平仪气泡式水平仪 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4压阻式传感器半导体电阻应变片是一种利用半导体材料压阻效应的电阻型传感器。半导体材料在某一方向受到作用力时，它的电阻率会发生明显变化，这种现象被称为压阻效应，由压阻系数表示。已知，金属电阻丝应变片的灵敏系数k0主要由材料的几何尺寸引起的1.半导体压阻效应为固体受力引起电阻变化且μ=0.25～0.5，k0≈1.5～2 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4压阻式传感器压阻系数π随应力的方向和电流方向不同而不同半导体的压阻效应具有明显的各项异性，可用矩阵表示，这里我们不讨论半导体的晶向表示方法，只用结论。XYZFF1.半导体压阻效应施力方向和电流方向相同，称纵向压阻系数πl;施力方向和电流方向垂直时，称横向压阻系数πe。严格讲压阻系数共有四阶张量π（ijkl），81个分量。硅膜很薄时三维向量简化为二维，应力作用下膜片电阻变化近似只与纵向和横向应力有关，为： 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4压阻式传感器半导体的电阻取决于有限数量的载流子（空穴、电子）迁移率，加在一定单晶向的外应力引起半导体能带变化，使载流子的迁移率发生大的变化，使电阻率有很大变化。XYZFF1.半导体压阻效应半导体的电阻率变化与压阻系数π有如下关系： 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4压阻式传感器可见半导体应变片灵敏系数k0主要由电阻率的变化引起的。半导体压阻传感器的灵敏度k0比金属应变片可以大50～100倍；半导体器件体积小便于集成，但是半导体元件对温度变化敏感，这在很大程度上限制了半导体应变片的应用。1.半导体压阻效应半导体硅材料压阻系数为半导体硅材料弹性模量为半导体灵敏系数中半导体的电阻率变化大于材料的几何形状变化 传感器原理及应用第3章应变式传感器3.4应变式传感器的应用气体压力测量，与金属膜片式压力传感器原理相同，不同的是硅杯上的硅膜片利用集成电路工艺扩散了四个阻值相等的电阻，构成应变电桥。膜片两边存在压差时就有压力作用在膜片上。气压P高压腔空气硅膜片低压腔硅杯2.压阻式传感器温度传感器扩散电阻硅膜片 传感器原理及应用第3章应变式传感器利用应变测量加速度，传感器弹性元件是硅梁，在硅梁的根部有四个扩散电阻，当硅梁的自由端因加速度受力作用时，惯性使梁弯曲，弯矩产生的应力使四个电阻值发生变化，应变范围在400～500με。2.压阻式传感器应变测量将半导体条制作成敏感元件粘贴在被测试件上。 传感器原理及应用第3章应变式传感器2.压阻式传感器压阻式传感器有许多优点：频率响应高，f0可达1.5M；体积小、耗电少、灵敏度高，可测量到0.1%的精确度；无运动部件。压阻式传感器缺点：温度特性差；工艺复杂；压阻式传感器应用领域：航空工业，发动机进气处的动压；生物医学，体内压力测量，心、颅、眼等；兵器工业，枪炮腔内压力，爆炸力，冲击波测量；防爆检测，压阻传感器所需电流小，在可燃气体许可值之下，是理想的防爆压力传感器微型硅压力传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器2.压阻式传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器普通压阻式压力传感器属于简单传感器；近年单片集成硅压力传感器进入市场，单片集成硅压力传感器，英文缩写ISP（IntegratedSiliconPressure），内部除传感器单元外，增加了信号调理、温度补偿、压力修正等电路。MPX压力传感器引脚与封装温度补偿第一级放大第二级放大模拟输出U0USGND传感器P空电阻式扩散硅压敏集成传感器3.硅压阻式传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器MPX2100/4100A/5100系列集成硅压力传感器，由美国Motorola公司生产，适合测量管道中绝对压力（MAP）测量范围：0～100kPa（不同）；电源电压范围：+4.85～5.36V；温度补偿范围：-40～+125℃。热塑壳内部有密封真空塞，提供参考压力，当垂直方向受到压力时，将检测压力P与真空压力P0相比较，输出电压正比于绝对压力，输出电压与绝对压力的关系曲线在20～100kPa范围成正比关系，超出范围后U0基本不随压力P变化。MPX压力传感器引脚与输出特性电阻式扩散硅压敏集成传感器 传感器原理及应用第3章应变式传感器图为MPX5100的典型应用电路。C1、C2为退耦电容，RP1调节LM3914比较器比较电压，控制测量范围；RP2调节LM3914内部参考电压，改变检测灵敏度。MPX4100A压力传感器检测电路原理电阻式扩散硅压敏集成传感器 传感器原理及应用LM3914集成电路内部电路——LED显示驱动器显示驱动器LM3914；驱动LED（bargraph）条状图形显示器；配刻度尺，根据发光段长度或位数确定被测压力大小。条形LED器件封装 传感器原理及应用第3章应变式传感器应变式传感器的应用实例德国西门子压力变送器产品特点：无需手操器!!强大的自诊断功能!!压力变送器差压变送器硅晶片技术!! SITRANSP-DSIII系列现场应用西门子压力变送器用于石油油罐及管道压力测量压力变送器 SITRANSP测量原理膜片式压力传感器测量原理外加压力作用到隔离膜片上，膜片变形硅油(或其他惰性液体)将压力传导到传感器中硅晶片（应变片）上硅晶片桥式电路中的4个应变片电阻阻值相应改变，即电桥输出电压与外加压力成正比单端过载时，隔离膜片靠在基座上中央隔离膜片提高了抗过载能力压力测量元件差压测量元件隔离膜片中央膜片传感器应变传感器 SITRANSP传感器传感器120602506001.6005.00030.000mbarmbarmbarmbarmbarmbarmbarmbar温度传感器压电电阻硅膜片硅安装板刚性管P硅膜片传感器 SITRANSP各种材质满足多数应用成功应用于石油、化工、冶金、电力、矿山、水泥、制药、食品饮料、造纸、污水处理、市政等行业。不锈钢材质适用于80%以上的介质哈氏合金C276适用于氯乙酸、蚁酸、丙酮等SITRANSP测量元件可选用特殊材质以适用各种严酷工况和介质蒙乃尔合金适用于氟化物、氰化物、海水等钽适用于氯化磷、氯化钠、盐酸等金适用于氢气不锈钢哈氏合金蒙乃尔钽金产品特点 用手指就能设定参数!危险区域!无需额外设备!轻易的设置常用的功能?为什么还需要...磁感应式就地按键产品特点使用方便 SITRANSP带LCD的操作选择参数修改设定参数当前值工作模式产品特点结构 SITRANSP结构图–LCD显示器-HART通信电路结构框图模/数转换器微处理器数/模转换器前置放大器传感器LCDHART终端+–按键 SITRANSP带LCD的操作模块化结构P-Sensor:T-Sensor:VVHARTElectronicsAD16BitµCEEPROMCellT-SensorElectronicsEEPROMElectronicsEMI-ModuleHARTPA/FFElectronicsAD16BitµCEMI-Module(PA)T-SensorElectronicsEEPROMElectronicsLCD-displayKeypad4..20mAHARTDAProfibusPA HART(HighwayAddressableRemoteTransducer)，可寻址远程传感器高速通道的开放通信协议，是美国Rosement公司于1985年推出的一种用于现场智能仪表和控制室设备之间的通信协议。HART技术在国外已经十分成熟，并已成为全球智能仪表的工业标准。HART协议采用基于Bell202标准的FSK频移键控信号，在低频的4-20mA模拟信号上叠加幅度为0.5mA的音频数字信号进行双向数字通讯，数据传输率为1.2Mbps。在HART协议通信中主要的变量和控制信息由4-20mA传送，在需要的情况下，另外的测量、过程参数、设备组态、校准、诊断信息通过HART协议访问。HART协议 SITRANSP-DSIII系列功能列表功能菜单工作模式功能显示测量值显示工作状态设定零点设定满量程设定阻尼盲调零点(当前值）盲调满量程零点迁移回路检测故障输出信号锁定操作键线性或平方根特性曲线设定平方根曲线起点测量值显示设定压力单位 SITRANSP自诊断功能事件故障不动作警告报警通信(HART)电流输出4..20mA例如:状态例如:故障电流>20,5mA<3,84mA SITRANSP-DSIII系列故障诊断传感器破裂从属指示器,可重新设置(记录包括最大和最小下列峰值)压力传感器温度电器模块温度累记工作时间记录仪电路与传感器维护定时器(可参数设定)维护警告(通过HART提示,可被确认)维护报警(通过HART或故障电流提示)可被确认极限值报警,输出相应设定电流(响应时间和磁滞特性可参数设定)极限值传感器带事件记数器和比较仪压力超极限值次数校准计时器用于决定变送器要重新校准的时间自诊断功能 SITRANSP-DSIII系列故障诊断对下列元器件内数据进行连续周期性监测：ROMRAMEEPROMs:传感器数据电子模块数据内置测试看门狗功能通过看门狗监测软件监测周期内的检测点：2x测量值1xLCD1x传感器温度值1x电子模块温度值1x线性计算自诊断功能 压力传感器/变送器基础知识一、压力的基本概念1、压强（Pressure)与压力（Pressure，force)：2、压强与压力（Pressure)的单位：压强：帕斯卡（Pa），压力：牛顿（N）。3、区分客户所说压力与压强。4、单位换算：1bar=1.0105Pa=100kPa=14.7PSI=0.1MPa=760mmHg=10mH2O1PSI=6.89KPa，1公斤压力=0.98105Pa=1千克力/厘米21inchH2O=250Pa第3章应变式传感器传感器原理及应用 二、压力类型1、绝压（Absolute,A),以真空为标准2、表压（Guage,G)，以当地大气压为标准。3、差压（Differential,D)，测试两端压力差值。4、密封表压（VentGuage,VG)，以标准的大气压为标准。压力传感器/变送器基础知识第3章应变式传感器传感器原理及应用 三、压力芯片、压力芯体、压力敏感元件压力芯片通过MENS工艺，在硅片上形成4个可变电阻。压力传感器/变送器基础知识第3章应变式传感器传感器原理及应用 测试气压的压力芯体、压力敏感元件：1、表贴封装2、双列直插式封装3、TO-8封装123压力传感器/变送器基础知识第3章应变式传感器传感器原理及应用 主要应用场合：航天航空军工场合，例如：风洞压力测试、涡轮机、叶轮机压力测试，钻井压力测试、高温、低温压力测试4、不锈钢封装（测试液压和气压）压力传感器/变送器基础知识第3章应变式传感器传感器原理及应用 日本横河YOKOGAWA公司产品数字压力计MT220数字压力计MT210/MT210F小型校验仪CA100压力控制仪MC100过程信号校验仪----电压/电流、温度、频率校验仪 英国德鲁克Druck公司产品便携式压力校验仪DPI610多功能过程校验仪TRXII精密数字校验仪DPI605多功能过程校验仪DPI720智能毫安回路校验仪UPS压力校验手泵PV411 美国RUSKA公司产品一等压力标准（活塞压力计）二等压力标准（数字压力计）大气数据测试仪实验室环境监测仪 对现场压力仪表进行快速校验：★压力传感器★压力变送器★压力表压★压力开关★其他压力现场仪表多功能校验仪MC5---现场应用（1） 传感器原理及应用第3章应变式传感器本章要点：电阻式传感器的基本原理，转换电路。了解不同电阻式传感器的结构、性能、灵敏度差别，分别使用在哪些场合；如何通过电阻式传感器测量力、压力、位移、应变、加速度等非电量参数；金属箔式应变片：直流单臂、半桥、全桥比较；应用测量电路，交流全桥,相移器、相敏检波器、电阻应变仪，电子秤。 传感器原理及应用第3章应变式传感器本章小结：应变片—金属丝拉长，电阻增加，反之减少。电桥电路—平衡条件：R1R4=R2R3；用途：求未知电阻值，记录电阻变化率、温度补偿；欧姆定律、基尔霍夫定律：计算电路电压、电流。应变（力传感器）—贴在试件上（弹性元件）的应变片的电阻变化率与应变成比例。半导体压力传感器可获得比金属大100倍以上的电阻变化。利用应变的传感器有荷重、压力、形变、粘度传感器。 传感器原理及应用第3章应变式传感器思考题和习题：3.1何为电阻应变效应？怎样利用这种效应制成应变片？3.2什么是应变片的灵敏系数？它与电阻丝的灵敏系数有何不同？为什么？3.3为什么增加两端电阻条的横截面积便能减小横向效应？3.4用应变片测量时，为什么必须采取温度补偿措施？3.5金属应变片与半导体应变片在工作原理上有何不同？半导体应变片灵敏系数范围是多少，金属应变片灵敏系数范围是多少？为什么有这种差别？半导体应变片的最大缺点是什么？3.6一应变片的电阻R=120Ω,灵敏系数k=2.05,用作应变为800μm/m的传感元件。求：①△R和△R/R；②若电源电压U=3V，初始平衡时电桥的输出电压U0。 课外作业1、什么是金属应变效应？什么是压阻效应？什么是横向效应？金属应变片产品灵敏系数称“标称灵敏系数”与金属丝灵敏系数有何不同？2、应变仪主要电路由哪几个部分组成，请画出电路原理框图及各单元电路输出波形。说明相敏检波器在传感器检测电路中的作用。3、已知：一等截面悬臂梁如图所示，有四个性能完全相同的金属丝应变片,将其粘贴在梁式测力弹性元件上，（应变灵敏系数）,设力，梁厚度，应变片距梁端的距离为，梁的宽度，弹性模量在距梁端处应变为回答下列问题：（1）在梁式测力弹性元件距梁端处画出四个应变片粘贴位置，并画出相应的测量桥路原理图；（2）当桥路电源电压为6V时负载电阻为无穷大，求桥路输出电压？（3）这种测量方法对环境温度变化是否有补偿作用？为什么？ 课堂练习有一吊车的拉力传感器如图所示：其中电阻应变片R1、R2、R3、R4贴在等截面轴上。已知R1、R2、R3、R4标称阻值均为120Ω，桥路电压为2V，物重M引起R1、R2变化增量为1.2Ω。请完成以下内容：画出应变片组成的电桥电路,标出各应变片；计算电桥输出电压和电桥的输出灵敏度；③说明R3、R4起到什么作用？ 课堂练习 作业下图所示悬臂梁，距梁端部为L位置上下各粘贴完全相同的电阻应变片R1、R2、R3、R4。已知电源电压U=4V，R是固定电阻；并且R1=R2=R3=R4=R=250Ω，当有一个F力作用时，应变片电阻变化量为ΔR=2.5Ω。分别求出(b)、(c)、(d)、(e)四种桥臂接法的桥路输出电压U0。 作业 作业1)R1为应变片其余为外接电阻，求R1增量为△R1=3.5Ω时输出U0=?。2)R1、R2是应变片，其余为电阻，感受应变极性大小相同时电压输出U0=?。3)R1、R2感受应变极性相反，输出U0=?。4)R1、R2、R3、R4都是应变片，对臂同性，邻臂异性，电压输出U0=?。图为一直流应变电桥，电源E=4V，应变片和外接电阻阻值为：R1=R2=R3=R4=350Ω计算： 1.什么是传感器？按照国标定义“传感器”应该如何说明含义？2.现代信息技术的三大支柱是什么？3.两个电子秤的传感器分别标有1mV/g.V、0.5mV/g.V，问哪个传感器灵敏度高？4.两个电子秤可感受的最小感量分别为：0.1g、0.05g，问哪个分辨率高？课堂练习 谢谢！'