阻抗型传感器

第四章阻抗型传感器•了解阻抗型传感器的常见类型•理解常见阻抗型传感器的基本工作原理•掌握常见阻抗型传感器的测量电路基本要求：4.1电阻式传感器将被测量如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等物理量转换式成电阻值这样的一种器件。电阻元件非电量电阻变化类别材料原理输出特性电位器式传感器变阻阻值随输出端的位置变换而变化应变式传感器金属或半导体应变-电阻效应阻值随材料的变形而改变热电阻式传感器金属或半导体电阻-温度特性阻值随材料温度的变化而改变气敏电阻半导体电阻-气体特性阻值随气体浓度变化而变化湿敏电阻金属或半导体电阻-湿度特性阻值随材料表面的湿度变化而变化4.1.1电位器式传感器利用电位器为传感元件可制成电位器式传感器，可以测量线位移或角位移;还可测量一切可以转换为位移的物理量参数，如压力、加速度等。电位器式传感器是由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。电位器式传感器精密电位器机械位移信号电信号转换元件位移一、组成原理)()(xfRUxfRUUUABACx把电位器作为变阻器用，(c)图有：()xACRRfx把电位器作为变压器用，(d)图有：二、电位计分类及特点电位计分类按输出-输入特性按结构形式线性电位计非线性电位计线绕式—在传感器中应用较多薄膜式—具有较高的精度和线性特性光电式—无摩擦和磨损，分辨率高光电电位器无接触式电位器光电导层暗电阻:绝缘体明电阻:良导体8510~10优点：精度、寿命、分辨率、可靠性高、阻值范围宽缺点：温度范围窄、输出电流小、输出阻抗较高结构复杂、体积和重量大三、输入—输出特性1.线性特性——线性电位器假定全长为的电位器的阻值为，电阻沿长均匀分布，则当电刷由A向B移动后，则：若变阻器式：若分压式：xxRRxlxxUURUURxxRRll2．非线性特性——非线性电位器()xRfx()xUUfxR例：一电位计式位移传感器及接线图如图所示，变阻器有效长度为L，总电阻R，读数仪表电阻RL，活动触点位置x=L/5。求：读数仪表的指示值？abU四、电位器式传感器的应用•电位器式传感器常用来测量位移、压力、加速度等。电位计式压力传感器案例：玩具机器人原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化原始输入量变换原理物理现象输出量位移等欧姆定律结构型电阻或电压总结4.1.2电阻应变式传感器--应变片•利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。电阻应变片是电阻应变式传感器中的传感元件，简称应变片。•应变片一种是金属导体材料，另一种是半导体材料。•工作原理是基于金属导体的应变效应，或者是基于半导体材料的压阻效应。•应变效应：金属导体在外力的作用下产生机械形变时，它的电阻值随着所受机械形变（伸长或缩短）的变化而变化的物理现象。•压阻效应：半导体受到应力时，其电阻率发生变化的物理现象。一、导电材料的应变电阻效应)(rAlR2)(rrAAdAldldRdRurdrAdA2)(2)(AdAldldRdR)(ldl轴向线应变其中，径向线应变轴向线应变泊淞比)21(//udRdRldlrdr（1）金属材料的应变电阻效应ddVCV)21(udRdR)21(uAdAldlVdV而——金属材料的电阻相对变化与线应变成正比金属丝材的应变灵敏系数mKuCuRdR)]21()21[(（2）半导体材料的应变压阻效应EdEAF其中：压阻系数；：作用于材料的轴向应力；E：半导体材料的弹性模量SKEuRdR])21[(半导体材料的应变灵敏系数——半导体材料的电阻相对变化与线应成正比（3）导电丝材的应变电阻效应0KRdR金属EuKKs)21(0半导体几何尺寸变化电阻率变化金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，Km=1.8~4.8几何尺寸变化压阻效应半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应mSKK)80~50(二、电阻应变片1.组成结构盖片敏感栅金属丝基底引线敏感栅（金属丝）：是应变片内实现应变-电阻转换的敏感元件。基底：为了保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通过粘合剂将其固定在基底上。引线：起着敏感栅与测量电路之间的连接作用。盖片：覆盖在敏感栅上的保护层。粘合剂：用粘合剂将盖片、敏感栅和基底牢固地粘合在一起。(1)金属丝式应变片：敏感栅由直径0.015mm～0.05mm的金属丝绕成栅状。(2)金属箔式应变片：敏感栅由金属箔经光刻腐蚀成栅状，具有横向效应小，精度高，散热好等优点。(3)薄膜应变片•其厚度在0.1m以下。•采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片。•灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应变片。•实际使用中的主要问题，是尚难控制其电阻对温度和时间的变化关系。3.安装•应变片粘贴在被测试件表面（应使应变片轴向与所测应变方向一致）•将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。4、应变片灵敏系数•应变片电阻相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比/xRRk应变片灵敏系数k小于制作应变片的应变电阻材料灵敏系数K0,主要原因就是存在横向效应。横向效应敏感栅通常是呈栅状，由轴向纵栅和圆弧横栅两部分。纵栅l0横栅r横栅rεy横向应变εyεxεx轴向应变σσεyεyεxεx试件承受单向应力σ时，表面处于平面应变状态，即轴向（拉伸）应变εx和横向（收缩）应变εy。纵栅主要感受轴向应变εx（纵栅受拉伸）、横栅主要感受横向应变εy（横栅受压缩），从而引起应变片总电阻的变化为：(1)xxyyxxRkkkHR(1)xxyyxxRkkkHR式中：kx：轴向灵敏系数ky横向灵敏系数H=ky/kx双向应变灵敏系数比，称为横向效应系数α=εy/εx双向应变比（横向应变与轴向应变比）实验证明：εy/εx=-μ0μ0双向应变比系数0(1)(1)xxxxxyyxxRkkkHkHRk式中：k=kx(1-μ0H)三、测量电路•测量过程力、压力应变变化敏感元件电阻变化应变片电阻应变仪电压或电流的变化并显示和记录按激励电压性质直流电桥交流电桥R3VER1R2R41.直流电桥(1)平衡电桥R1R2R4R3ACBEDIoRLUo＋－R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。•当RL→∞时，电桥输出电压为311234oRRUERRRR当电桥平衡时，Uo=0，则有R1R4=R2R3或3124RRRR结论：欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。（2）非平衡电桥iiiZRR))(())(())((44332211332244110RRRRRRRRRRRRRRRREU初始状态时电桥平衡，没有输出电压；电桥工作时，电桥失去平衡，有输出电压，为非平衡电桥。Z1Z2Z4Z3ACBEDIoUo＋－0iRR令输出电压为：iiRR通常略去二阶微量，近似为3124001243()4RRRREUURRRR非线性误差：)(2133442211000RRRRRRRRUUUea)单臂工作电桥R1R2R4R3ACBEDIoUo＋－设R2=R3=R4＝R0，R1=R0＋ΔR若R0ΔR,则：电桥的灵敏度为：01/4oUSERR非线性误差：31240012430()44RRRREUURRRRRER3124124301()22RRRRReRRRRRb)双臂工作电桥R1＋R1R4R3ACBEDR2－R2Uo＋－1020,RRRRRR若且R3=R4＝R0，则：31240012430()42RRRREUURRRRRER非线性误差：312412431()02RRRReRRRR电桥的灵敏度为：01/2oUSERRC)四臂工作电桥（全差动等臂电桥）R1＋R1ACBEDR2－R2UoR3－R3R4＋R4＋－31240012430()4RRRREUURRRRRER电桥的灵敏度为：0/oUSERR140RRRR230RRRR非线性误差：0e结论：1)电桥接法与电桥灵敏度的关系：S半桥单臂：S半桥双臂：S全桥=1：2：42)电桥连接的规律电阻变化符号相反的连入相邻臂中电阻变化符号相同的连入相对臂中2、交流电桥交流电桥的结构与直流电桥相同，但电源电压为交流电压，桥臂用阻抗表示，即jiiiiiZRjxzeZ1Z2Z4Z3ACBD＋－U0U设电桥输出接高阻抗放大器，电桥输出视为开路。014231234()()DCBCUUUZZZZUZZZZ3.应变电桥（1）单应变片工作：一个工作应变片接入电桥的一臂,另外三个臂接固定电阻。R2=R3=R4＝R0R1为工作应变片且111RkR则输出为：014kEU（2）双应变片工作：为减小和克服非线性误差，采用差动电桥，在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂.R3=R4＝R0R1，R2为工作应变片且11xRkR22xRkR则输出为：02xkEU（4）四应变片工作：若将电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。R1，R4受拉，R2，R3受压，即1414xRRkRR3223xRRkRR则输出为：0xUkE四、温度误差及其补偿1.温度误差产生原因①应变片电阻随温度变化000ttRRRRtRt——温度t时电阻值;R0——温度0度电阻值；——应变片电阻的温度系数；——温度变化值，当温度变化时，应变片电阻的变化值为②试件材料与应变片的线膨胀系数不一致试件和敏感栅线膨胀系数不同，环境温度的变化，敏感栅产生附加变形，产生附加电阻。温度为0度时长度均为,线膨胀系数分别为和，若两者不粘贴，在温度改变时，则它们的长度分别为0(1)stsllt0(1)gtgllt00()tttgsRRRtktRR当应变片粘贴到试件材料的表面后，应变片被迫从拉长到产生附加变形为：0()gtstgsllllt即附加应变为：0()gsltl0()tgsRkktR产生的电阻的变化为：温度引起的总电阻变化为：相应的虚假应变输出:tKtKRRsgtt)(/0温度变化引起的总电阻变化tKRtRRRRsgttt)(002.电阻应变片的温度补偿方法单丝自补偿法自补偿法组合式自补偿法线路补偿法〔电桥补偿法、热敏电阻〕温度补偿2.电阻应变片的温度补偿方法①电桥补偿方法11111()ttRRRkRR2222ttRRkRR04kUU②差动电桥法两应变片型号参数、环境温度及所粘贴材料均相同，将两应变片接入电桥的相邻两臂，就可消除温度变化引起的测量误差。R1＋R1R4R3ACBEDR2－R2Uo＋－电桥补偿法特点•优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好；•缺点：温度变化梯度较大条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致，影响补偿效果。②应变片的自补偿法•温度自补偿应变片——粘贴在被测部位上的一种特殊应变片，温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消。•a.选择式自补偿应变片•b.双金属敏感栅自补偿应变片五、电阻应变式传感器的应用1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件工作状态下的受力、变形情况，利用应变片，粘贴在构件的预测部位，测得构件的拉、