传感器与检测技术-项目5

目录力的检测在工程应用中极为重要，往往是确定设备安全使用的主要性能指标，在工况监测中广泛应用，如压力加工、水坝强度监测、机械制造等。力学量的检测在行业上主要使用电阻应变片将受力转换为应变，进而改变电阻引起电路参量变化。除了电阻应变以外，随着现代半导体技术的发展，压阻式、压磁式和压电式传感器也得到了长足发展，丰富了力检测方法。力和压力检测系统目录通过熟悉电阻应变片传感器的使用，了解力检测的一般原理和使用条件，掌握力传感器的一般分类、原理和使用方法。任务一认识力传感器知识目标目录通过实践操作和训练理解，初步认识电阻应变片传感器及其检测适应性，了解工业中常用的各种电阻应变片式传感器的基本选用原则。技能目标任务一认识力传感器目录电阻应变片式测力传感器多应用于工程检测上，如水坝、桥梁、涵洞等结构件的应力监测，也应用于变形测试和振动检测等行业中，在称重检测中也得到广泛的应用。一、电阻应变片式测力传感器任务一认识力传感器目录由电阻的变化量可以推断出弹性体的受力大小为式中，R为电阻应变片的电阻（Ω）；μ为电阻丝的泊松系数；ε为电阻丝的应变率；ρ为电阻丝电阻率（Ω?m）。任务一认识力传感器目录一般，弹性元件的形式有柱形弹性元件、薄壁环形弹性元件和梁型弹性元件，如图5-2所示。任务一认识力传感器目录电阻丝应变片结构如图5-3所示，将直径为0.01~0.05mm的高电阻系数的金属丝弯曲成栅形，用粘结剂粘贴在绝缘基体上，金属丝的两端焊接有引线，表面粘接绝缘保护片。金属丝的作用是感受试样表面的应变变化，被称为敏感栅。任务一认识力传感器目录（1）较高的电阻系数，即单位长度的电阻较大。（2）较大的应变灵敏度系数，且电阻应变灵敏度系数在尽可能大的应变范围内保持常数，即线性度较好。（3）较小的温度系数。（4）较高的弹性极限，有较宽的应变检测范围。（5）良好的加工性能和焊接性。任务一认识力传感器目录基体应该具有较低的弹性模量、较高的绝缘电阻、良好的抗热及抗腐蚀性能。常用的基体有任务一认识力传感器基体纸基胶基玻璃纤维布基目录应变片任务一认识力传感器应变片金属丝应变片箔式应变片半导体应变片目录任务一认识力传感器目录如图5-5所示，弹性元件圆筒两端有螺纹孔，可以传递外力，筒的中间贴有应变片（一般多个应变片对称布置），通过引线接入引线端将信号引出。任务一认识力传感器目录影响应变式传感器精度的主要因素有理论设计误差任务一认识力传感器(1)传感器电路、弹性元件、应变片、壳体、保护层等因素的影响(2)工艺制造和使用误差，如应变片制造误差、补偿回路（包括蠕变补偿）、弹性体材料热处理、机械加工、残余应力与应变的影响等目录某些铁磁材料（磁致伸缩材料）受到压缩时，导磁率沿应力方向下降，而沿与应力垂直方向增加，称为压磁效应。二、压磁式力传感器任务一认识力传感器目录压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构和电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优点。任务一认识力传感器目录振弦式力传感器以拉紧的金属弦作为敏感元件的谐振式传感器。当弦的长度确定之后，其固有振动频率的变化量即可表征弦所受拉力的大小，通过相应的检测电路，就可得到与拉力成一定关系的电信号。振弦的固有振动频率f与拉力T的关系为式中，l为振弦的长度（m）；ρ为单位弦长的质量（kg/m）；T为受到的拉力（N）。三、振弦式力传感器任务一认识力传感器目录振弦的材料与质量直接影响传感器的精度、灵敏度和稳定性。振弦式传感器由振弦、磁铁、夹紧装置和受力机构组成。任务一认识力传感器目录常用的电路有分压电路、电位器电路、电桥电路（桥路），以及各种形式的振荡和谐振电路。由于桥路线路简单，灵敏度和准确度较高，容易采取各种补偿措施，输出电平易于调整，桥电源所需功率小，甚至可对载波信号进行调制等优点，因此它的应用最为广泛，特别是电阻应变检测中，精密电桥是必不可少的设备。四、检测电桥任务一认识力传感器目录1.按功能分类电桥按功能分为平衡电桥和不平衡电桥两种。任务一认识力传感器•平衡电桥主要应用于静态检测或在反馈系统中起到比较器的作用平衡电桥•不平衡电桥是直接利用电桥被破坏平衡后产生的输出（电压或者电流）反映被测量不平衡电桥目录2.按电桥电源分类电桥按电桥电源分为直流电桥和交流电桥两种。1）直流电桥从电桥输出的线性度以及电桥臂阻抗受温度等干扰而变化时造成对桥输出的影响看，恒流源电桥明显优于恒压源电桥，因此适用于以半导体电阻为敏感元件的传感器。任务一认识力传感器目录任务一认识力传感器目录2）交流电桥交流电桥电源为正弦交流或对称矩形波，它虽调节平衡比直流电桥麻烦，但输出交流信号易于放大，抗干扰能力强，且电桥的灵敏度通常比直流电桥高。因此它不仅用于电感和电容参数的变换，也经常用于电阻参数的变换。这类电桥通常可获得更为优良的性能。任务一认识力传感器目录实训目标使用等强度悬臂梁的中部粘接一个电阻应变片，初步掌握常用电阻应变片的粘贴技术及其质量检查方法，掌握半桥接线方法，根据电桥和差特性掌握正确的组桥方法。实训一认识电阻应变片及其使用方法目录实训一认识电阻应变片及其使用方法目录实训一认识电阻应变片及其使用方法目录实训一认识电阻应变片及其使用方法目录实训一认识电阻应变片及其使用方法目录操作步骤实训一认识电阻应变片及其使用方法1.2.3.检查电阻应变片并处理连接接头组桥和标定检测应变目录通过熟悉压阻式传感器使用，了解压力检测的一般原理和使用条件，掌握压力传感器的一般分类、原理和使用方法。任务二压阻式压力传感器的应用知识目标目录通过实践操作和训练理解，初步认识压阻式传感器及其检测适应性，了解工业中常用的各种压阻式传感器的使用方法和一般规程。技能目标任务二压阻式压力传感器的应用目录压力（压强）传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，主要检测流体（如气体和液体）的压力值，单位为Pa，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。压力传感器是用于检测液体与气体的压强的传感器。知识链接任务二压阻式压力传感器的应用目录压阻式传感器是指利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过检测电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器用于压力、拉力、压力差和可以转变为力的变化的其他物理量（如液位、加速度、重量、应变、流量、真空度）的检测和控制。任务二压阻式压力传感器的应用目录压阻效应：当力作用于某些硅晶体时，晶体的晶格产生变形,使载流子从一个能谷向另一个能谷散射,引起载流子的迁移率发生变化，电阻率发生变化。一、压阻式压力传感器任务二压阻式压力传感器的应用目录压阻式压力传感器：周边固定支撑的电阻和硅膜片的一体化硅杯式扩散型压力传感器。优点是：频率响应高,适于动态检测体积小，适于微型化，可集成到一个芯片上精度高，可达0.1～0.01灵敏高,有些应用场合可不加放大器无活动部件，可靠性高任务二压阻式压力传感器的应用目录任务二压阻式压力传感器的应用目录压阻式压力传感器广泛地应用于航空航天、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震检测等各个领域。任务二压阻式压力传感器的应用目录二、压力传感器检测常识任务二压阻式压力传感器的应用1.负压和绝压检测3.2.漂移及影响传感器漂移的因素精度目录1.负压和绝压检测图5-17所示为负压检测压力图，负压传感器也称为表压传感器，传感器两端均连接至大气，两端受到大气压力相同时相互抵消。任务二压阻式压力传感器的应用目录图5-18所示为绝压检测压力图，绝压传感器的背面完全密封且抽为真空。因此，绝压传感器可以检测大气压的变化，通常检测没有参考气压值的气体环境。任务二压阻式压力传感器的应用目录2.漂移及影响传感器漂移的因素压力传感器中的漂移产生的根本原因在于所有的压力传感器均基于一种材料的弹性变形，不论其材质弹性如何良好，每次弹性回复后，总会产生一定的弹性疲劳和残余形变。在传感器使用过程中，由于弹性材料引起的漂移根据材质不同各不相同。任务二压阻式压力传感器的应用目录3.精度压力传感器的精度表示方法是以误差值的大小来量度的，一般为±%FS，即误差相当于满量程的百分比。通常精度包含了非线性误差、重复性误差和迟滞（回复）误差。例如，压力传感器标示精度为±0.5%FS，量程为100kPa，则最大误差不会大于±0.5kPa。任务二压阻式压力传感器的应用目录三、压力传感器性能指标任务二压阻式压力传感器的应用1.额定压力范围额定压力范围是满足标准规定值的压力范围。也就是在最高和最低温度之间，传感器输出符合规定工作特性的压力范围。在实际应用时传感器所测压力在该范围之内。目录任务二压阻式压力传感器的应用2.最大压力范围最大压力范围是指传感器能长时间承受的最大压力，且不引起输出特性永久性改变。特别是半导体压力传感器，为提高线性和温度特性，一般都大幅度减小额定压力范围。因此，即使在额定压力以上连续使用也不会被损坏。一般最大压力是额定压力最高值的2－3倍。目录任务二压阻式压力传感器的应用3.损坏压力损坏压力是指能够加工在传感器上且不使传感器元件或传感器外壳损坏的最大压力。目录任务二压阻式压力传感器的应用4.线性度线性度是指在工作压力范围内，传感器输出与压力之间直线关系的最大偏离。目录任务二压阻式压力传感器的应用5.压力迟滞为在室温下及工作压力范围内，从最小工作压力和最大工作压力趋近某一压力时，传感器输出之差。目录任务二压阻式压力传感器的应用6.温度范围压力传感器的温度范围分为补偿温度范围和工作温度范围。补偿温度范围是由于施加了温度补偿，精度进入额定范围内的温度范围。工作温度范围是保证压力传感器能正常工作的温度范围。目录实训目标使用表压法压阻式压力传感器检测一个密封容器内的气压值，初步掌握压力传感器的一般特性和质量检查方法，掌握压力变送器的输出连接方法，熟悉压力传感器的使用特点和一般规程。实训二使用压阻式压力传感器检测气压目录实训二使用压阻式压力传感器检测气压目录实训二使用压阻式压力传感器检测气压目录注意事项（1）压阻式传感器的精度很高，但是存在的最大问题在于长期稳定性不够理想，存在较大的漂移，这是传感器本身的特性所决定的。为了保证计量校准结果的准确和可靠，通常在一段时间内需要重新标定，一般为一年。实训二使用压阻式压力传感器检测气压目录（2）高精度的稳定检测需要关闭气泵电源，以免产生气动不稳定对容器的真实压力产生影响，从而得出错误读数。（3）检测过程中，需要与大气相连通的管接头保持畅通状态，以确定气压检测的基准不发生改变。实训二使用压阻式压力传感器检测气压目录思考与练习1.通过电阻应变片检测应变计算出所受到的力。请上网找一家生产电阻应变片的企业，并仔细阅读其产品说明书，说明其产品都适应于什么行业的检测。2.总结压阻式传感器的检测原理和一般检测方法。思考与练习