第四章力敏傳感器.

第4章力敏傳感器 第4章力敏傳感器 應(yīng)變式電阻傳感器 壓電式力傳感器 電容式力傳感器 4 1應(yīng)變式電阻傳感器 4 1 1電阻應(yīng)變片的種類(lèi)4 1 2金屬電阻應(yīng)變片4 1 3半導(dǎo)體應(yīng)變片4 1 4電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路4 1 5電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 4 1 2金屬電阻應(yīng)變片 4 1 2 1金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 圖4 1金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu) 4 1 2金屬電阻應(yīng)變片 4 1 2 2金屬電阻應(yīng)變片的分類(lèi)1 絲式應(yīng)變片 分回線(xiàn)式和短接式兩種 回線(xiàn)式應(yīng)變片短接式應(yīng)變片2 箔式應(yīng)變片3 薄膜應(yīng)變片 圖4 3箔式應(yīng)變片 4 1 2金屬電阻應(yīng)變片 金屬應(yīng)變片的工作原理式中 電阻的相對(duì)變化 電阻率的相對(duì)變化 金屬絲長(zhǎng)度相對(duì)變化 用表示 為金屬絲長(zhǎng)度方向的應(yīng)變或軸向應(yīng)變 截面積的相對(duì)變化 因?yàn)?r為金屬絲的半徑 則為金屬絲半徑的相對(duì)變 即徑向應(yīng)變 4 1 2金屬電阻應(yīng)變片 金屬應(yīng)變片的工作原理為金屬材料的泊松比 CC由一定的材料和加工方式?jīng)Q定的常數(shù) V 式中 為金屬絲材的應(yīng)變靈敏系數(shù) 簡(jiǎn)稱(chēng)靈敏系數(shù) C 4 1 2金屬電阻應(yīng)變片 4 1 2 4金屬電阻應(yīng)變片的參數(shù)應(yīng)變片電阻值靈敏系數(shù)K機(jī)械滯后橫向效應(yīng)及橫向效應(yīng)系數(shù)H零漂P和蠕變絕緣電阻 1 溫度誤差討論應(yīng)變片特性 通常是以室溫恒定為前提條件的 實(shí)際在應(yīng)用時(shí) 環(huán)境 工作 溫度經(jīng)常會(huì)發(fā)生變化 使應(yīng)變片上的條件改變 影響其輸出特性 這種單純由溫度變化引起的應(yīng)變片電阻值變化的現(xiàn)象 稱(chēng)為溫度效應(yīng) 設(shè)環(huán)境引起的構(gòu)件溫度變化為時(shí) 粘貼在試件表面的應(yīng)變片敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)為 則應(yīng)變片產(chǎn)生的電阻相對(duì)變化為 4 7 同時(shí) 由于敏感柵材料和被測(cè)構(gòu)件材料兩者的線(xiàn)膨脹系數(shù)不同 當(dāng)存在時(shí) 引起應(yīng)變片的附加應(yīng)變 其值為 4 8 為試件材料的線(xiàn)膨脹系數(shù) 為敏感柵材料的線(xiàn)膨脹系數(shù) 由溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化為溫度變化所引起的總的輸出應(yīng)變?yōu)?溫度補(bǔ)償 單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片若使應(yīng)變片在溫度變化時(shí)熱輸出值為零 必須滿(mǎn)足條件當(dāng)被測(cè)試件材料確定后 就可以選擇合適的應(yīng)變片敏感柵材料滿(mǎn)足上式 以達(dá)到溫度補(bǔ)償?shù)哪康?雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變片雙絲自補(bǔ)償應(yīng)變片也稱(chēng)為組合式的補(bǔ)償片或雙金屬敏感柵自補(bǔ)償片 這種應(yīng)變片的敏感柵是由電阻溫度系數(shù)為一正一負(fù)的兩種合金絲串聯(lián)而成的 有絲繞式和短接式兩種形式 如圖所示 電橋補(bǔ)償法 4 1 3半導(dǎo)體應(yīng)變片 4 1 3 1半導(dǎo)體應(yīng)變片的分類(lèi)和結(jié)構(gòu)按照材料類(lèi)型分為P型硅應(yīng)變片 N型硅應(yīng)變片 P N互補(bǔ)型應(yīng)變片 按照特性分為靈敏系數(shù)補(bǔ)償型應(yīng)變片和非線(xiàn)性補(bǔ)償應(yīng)變片 以材料的化學(xué)成分分為硅 鍺 銻化銦 磷化嫁 磷化銦等應(yīng)變片 按結(jié)構(gòu)分類(lèi)包括體型應(yīng)變片 擴(kuò)散型應(yīng)變片和薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì) 4 1 3半導(dǎo)體應(yīng)變片 4 1 3 2半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路1直流電橋電路2交流電橋電路 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 4 1 4 4直流電橋電路 直流電橋平衡條件 圖4 6直流電橋電路 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 電壓靈敏度 電橋電壓靈敏度 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 a 電橋的電壓靈敏度正比于電橋電源電壓 電源電壓愈高 電壓靈敏度愈高 但是 電源電壓的提高 受到兩方面的限制 一是應(yīng)變片的允許溫升 即應(yīng)變片的允許功耗 二是應(yīng)變片電阻的溫度誤差 所以 電源電壓應(yīng)適當(dāng)選擇 一般取1 3V b 電橋電壓靈敏度是橋臂電阻比值n的函數(shù) 即和電橋各橋臂的初始比值有關(guān) 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 非線(xiàn)性誤差及其補(bǔ)償方法 理想情況下電橋輸出電壓 實(shí)際清空下電橋輸出電壓 非線(xiàn)性誤差 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 消除非線(xiàn)性誤差的方法a 提高橋臂比 來(lái)考慮 提高橋臂比會(huì)降低電壓靈敏度 因此 為達(dá)到既減小非線(xiàn)性誤差 又不降低電壓靈敏度 必須適當(dāng)提高電源電壓 可減小非線(xiàn)性誤差 但是從電壓靈敏度 提高橋臂比 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 b 采用差動(dòng)電橋 圖4 7半橋差動(dòng)電路 圖4 8全橋差動(dòng)電路 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 電橋輸出電壓 電橋初始時(shí)是平衡 則 在對(duì)稱(chēng)情況下 與 成線(xiàn)性關(guān)系 差動(dòng)電橋無(wú)非線(xiàn)性誤差 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 給電橋的四臂接入四片應(yīng)變片 使兩個(gè)橋臂應(yīng)變片受到拉力 兩個(gè)橋臂應(yīng)變片受到壓 將兩個(gè)應(yīng)變符號(hào)相同的接入相對(duì)橋臂上 則構(gòu)成全橋差動(dòng)電路 若電橋初始是平衡的 在對(duì)稱(chēng)情況下有 差動(dòng)橋路的輸出電壓 電壓靈敏度比單片提高了四倍 比半橋差動(dòng)電路提高了一倍 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 圖4 9恒流源電橋 電橋輸出電壓為 比前面的單臂供壓電橋的非線(xiàn)性誤差減少了50 圖4 9恒流源電橋 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 交流電橋電路 交流電橋的工作原理 交流電橋也稱(chēng)為不平衡電橋 是利用電橋輸出電流或電壓與電橋各參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行工作的 a 交流電橋 b 等效電路 圖4 10交流電橋 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 交流電橋的輸出電壓為 則交流電橋的平衡條件為 將橋臂上的復(fù)阻抗代入式上式可得 由此可知 由應(yīng)變片構(gòu)成的交流電橋 除了滿(mǎn)足電阻平衡條件外 還必須滿(mǎn)足電容平衡條件 為此 交流電橋上設(shè)置有電阻平衡調(diào)節(jié)和電容平衡調(diào)節(jié) 4 1 4 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路 交流電橋平衡調(diào)節(jié)電路 a b 可變電阻調(diào)節(jié) c d 電容調(diào)節(jié) 圖4 11交流電橋平衡調(diào)節(jié)電路 4 1 5電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 1 應(yīng)變式力傳感器2 應(yīng)變式壓力傳感器3 應(yīng)變式加速度傳感器 4 1 5電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 柱 筒 式力傳感器 圖4 12柱 筒 式力傳感器 4 1 5電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 電橋的輸出電壓為 從而得到被測(cè)力F為 4 1 5電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 環(huán)式力傳感器 a 環(huán)式彈性原件 b 應(yīng)力分布曲線(xiàn) 圖4 13環(huán)式力傳感器 4 1 5電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 懸臂梁式力傳感器是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 高精度 應(yīng)變片容易黏貼 抗偏 抗側(cè)性能優(yōu)越的稱(chēng)重測(cè)力傳感器 最小可以測(cè)幾十克 最大可以測(cè)幾十噸的質(zhì)量 精度可達(dá)到0 02 FS 懸臂梁有兩種 一種為等截面梁 另一種為等強(qiáng)度梁 4 1 5電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 a 等截面梁 b 等強(qiáng)度梁 圖4 14懸臂梁 4 1 5電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 應(yīng)變式壓力傳感器 圖4 15筒式壓力傳感器 圓筒外表面沿圓周方向產(chǎn)生的環(huán)向應(yīng)變?yōu)?對(duì)于薄壁圓筒 環(huán)向應(yīng)變?yōu)?4 1 5電阻應(yīng)變式傳感器應(yīng)用 應(yīng)變式加速度傳感器 圖4 16應(yīng)變式加速度傳感器 當(dāng)被測(cè)點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭a 所示方向時(shí) 懸臂梁自由端受慣性力 的作用 質(zhì)量塊向箭頭 相反的方向相對(duì)于基座運(yùn)動(dòng) 使梁發(fā)生彎曲變形 應(yīng)變片電阻發(fā)生變化 產(chǎn)生輸出信號(hào) 輸出信號(hào)大小與加速度成正比 4 2壓電式力傳感器 4 2 1 壓電效應(yīng)和壓電材料壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)在受到一定方向的外力作用下發(fā)生形變時(shí) 內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化現(xiàn)象 同時(shí)在其表面會(huì)產(chǎn)生電荷 且所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比 a 正壓電效應(yīng) b 正壓電效應(yīng)的可逆性 圖4 17壓電效應(yīng) 4 2 1 壓電效應(yīng)和壓電材料 1 壓電材料的主要特性參數(shù)壓電常數(shù)是衡量材料壓電效應(yīng)強(qiáng)弱的參數(shù) 它直接關(guān)系到壓電輸出靈敏度 彈性常數(shù)壓電材料的彈性常數(shù)決定著壓電器件的固有頻率和動(dòng)態(tài)特性 介電常數(shù)對(duì)于一定形狀 尺寸的壓電元件 其固有電容與介電常數(shù)有關(guān) 而固有電容又影響著壓電傳感器的頻率下限 機(jī)電耦合系數(shù)它定義為 在壓電效應(yīng)中 轉(zhuǎn)換輸出的能量 如電能 與輸入的能量 如機(jī)械能 之比的平方根 它是衡量壓電材料機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率的一個(gè)重要參數(shù) 電阻壓電材料的絕緣電阻將減少電荷泄漏 從而改善壓電傳感器的低頻特性 居里點(diǎn)即壓電材料開(kāi)始喪失壓電性的溫度 4 2 1 壓電效應(yīng)和壓電材料 2 石英晶體的壓電效應(yīng) 圖4 18石英晶體 4 2 1 壓電效應(yīng)和壓電材料 圖4 19石英晶體壓電效應(yīng)機(jī)理示意圖 4 2 1壓電效應(yīng)和壓電材料 3 壓電陶瓷的壓電效應(yīng) 圖4 20鈦酸鋇BaTiO 3的壓電效應(yīng) a 未極化 b 極化 c 極化后 4 2 1 壓電效應(yīng)和壓電材料 4 新型壓電材料壓電半導(dǎo)體有機(jī)高分子壓電材料 4 2 2壓電傳感器的等效電路與測(cè)量線(xiàn)路 4 2 2 1等效電路 電容量為 輸出端電荷為 輸出端電壓為 圖4 21壓電原件等效電路 a 電荷等效電路 b 電壓等效電路 4 2 2壓電傳感器的等效電路與測(cè)量線(xiàn)路 圖4 22壓電式傳感器測(cè)試系統(tǒng)等效電路 a 電壓等效電路 b 電荷等效電路 4 2 2壓電傳感器的等效電路與測(cè)量線(xiàn)路 4 2 2 2測(cè)量電路1 電壓放大器 圖4 23壓電式傳感器與電壓放大器連接的等效電路 a 等效電路 b 簡(jiǎn)化后的等效電路 4 2 2壓電傳感器的等效電路與測(cè)量線(xiàn)路 2 電荷放大器 圖4 24壓電傳感器與電荷放大器連接的等效電路 電荷放大器的輸出電壓 4 2 2壓電傳感器的等效電路與測(cè)量線(xiàn)路 圖4 25電荷放大器電路 4 2 3壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電式測(cè)力傳感器 圖4 26壓電式測(cè)力傳感器的基本結(jié)構(gòu) 4 2 3壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 圖4 27壓電式加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖 4 2 3 2壓電式加速度傳感器 4 2 3壓電式傳感器的應(yīng)用舉例 壓電式金屬加工切削力測(cè)量 圖4 28壓電式刀具切削力的示意圖 4 2 4壓電式傳感器的主要性能及其影響因素 4 2 4 1壓電式傳感器的主要性能1 靈敏度2 頻率響應(yīng) 圖4 29壓電式加速度傳感器的頻響特性 4 3電容式力傳感器 4 3 1 電容式傳感器的特點(diǎn)一 優(yōu)點(diǎn) 1 溫度穩(wěn)定性好2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 適應(yīng)性強(qiáng)3 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好二 電容式傳感器有一下不足之處 1 輸出阻抗高 負(fù)載能力差2 寄生電容影響大 4 3 2電容式壓力傳感器 4 3 3 3電容式壓力傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)1 電容式壓力傳感器的工作原理 2 電容式壓力傳感器的結(jié)構(gòu) 圖4 31差分式電容式壓力傳感器 4 3 2電容式壓力傳感器 4 3 3 4測(cè)量電路 圖4 32雙T型電橋電路 4 3 3電容式集成壓力傳感器 4 3 3 1電容式集成壓力傳感器的結(jié)構(gòu) 圖4 33電容式集成電容傳感器 4 3 3電容式集成壓力傳感器 4 3 3 2電容式集成壓力傳感器的電路 圖4 34電容式集成壓力傳感器電路 4 4電感式壓力傳感器 電感式傳感器具有以下特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 可靠 測(cè)量力小 靈敏度和分辨力高 能測(cè)出0 1 m甚至更小的機(jī)械位移 輸出信號(hào)強(qiáng) 電壓靈敏度可達(dá)每毫米數(shù)百毫伏 重復(fù)性好 線(xiàn)性度優(yōu)良 在幾十微米到數(shù)百毫米的位移范圍內(nèi) 傳感器的非線(xiàn)性誤差可做到0 05 0 1 輸出特性的線(xiàn)性度較好 且比較穩(wěn)定 能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸 記錄 顯示和控制 響應(yīng)頻率低 不宜于高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量 4 4 1電感式壓力傳感器 電感 磁阻 4 4 1電感式壓力傳感器 圖4 35變隙式電感壓力傳感器工作原理圖 電感式壓力傳感器 4 4 1電感式壓力傳感器 變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器 圖4 36變隙電感式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖圖4 37變隙式差動(dòng)電感壓力傳感器 4 4 2差動(dòng)變壓器式傳感器 圖4 38差動(dòng)分變壓器式壓力傳感器 4 5諧振式壓力傳感器 4 6 1 工作原理和特性諧振式壓力傳感器的工作原理 為振子材料的剛度 為振子的等效振動(dòng)質(zhì)量 圖4 39諧振式傳感器的組成 4 6 2諧振式壓力傳感器的特性 圖4 40振子的基本類(lèi)型 4 6 2諧振式壓力傳感器的特性 1 振弦式諧振壓力傳感器特性 4 6 2諧振式壓力傳感器的特性 單根振弦測(cè)壓力時(shí)的靈敏度為 圖4 41差動(dòng)式振弦傳感器原理 4 6 2諧振式壓力傳感器的特性 振膜式諧振傳感器特性 式中 分別為與膜片尺寸 材料有關(guān)的常數(shù) 分別為膜片的半徑 厚度 泊松比 4 6 2諧振式壓力傳感器的特性 令 將公式 4 54 兩邊平方之后整理得 忽略高次項(xiàng)后的線(xiàn)性輸入輸出關(guān)系如下 4 6 2諧振式壓力傳感器的特性 圖4 42振膜壓力傳感器輸入輸出特性 4 6 3諧振式壓力傳感器的類(lèi)型 1 振弦式壓力傳感器 圖4 43振弦式壓力傳感器 4 6 3諧振式壓力傳感器的類(lèi)型 2 振膜式壓力傳感器應(yīng)用 圖4 44振膜式壓力傳感器 4 6 3諧振式壓力傳感器的類(lèi)型 3 振筒式壓力傳感器 圖4 45振筒式壓力傳感器原理結(jié)構(gòu) 4 6 3諧振式壓力傳感器的類(lèi)型 石英音叉諧振傳感器 圖4 46音叉諧振器 4 6光纖力學(xué)傳感器 4 6 1 光纖壓力傳感器的分類(lèi)光纖壓力傳感器主要有強(qiáng)度調(diào)制型 相位調(diào)制型和偏振調(diào)制型三類(lèi) 強(qiáng)度調(diào)制型光纖壓力傳感器大多是基于彈性元件受壓變形 將壓力信號(hào)轉(zhuǎn)換成位移信號(hào)來(lái)檢側(cè) 故常用于位移的光纖檢測(cè)技術(shù) 相位調(diào)制型光纖壓力傳感器則是利用光纖本身作為敏感元件 偏振調(diào)制型光纖壓力傳感器主要是利用晶體的光彈性效應(yīng) 4 6 2光纖壓力傳感器的應(yīng)用 1 采用彈性元件的光纖壓力傳感器 2 光纖微彎傳感器 圖4 47 圖4 48光纖微彎傳感器示意圖 4 6 2光纖壓力傳感器的應(yīng)用 3 光彈性式光纖壓力傳感器 a 檢側(cè)原理 b 傳感器結(jié)構(gòu) 圖4 49光彈性式光纖壓力傳感器結(jié)構(gòu) 4 6 2光纖壓力傳感器的應(yīng)用 1 光纖 2 起偏器 3 光彈性元件 4 1 4波長(zhǎng)板 5 偏振分光鏡 6 反射位 圖4 50光彈性式光纖壓力傳感器的另一種結(jié)構(gòu) 4 7壓電涂層壓力傳感器 一 壓電涂層傳感器 圖4 51壓電涂層傳感器 4 7壓電涂層壓力傳感器 二 壓電涂層傳感器的性能壓電效率由于它是一種壓電混合物 所以壓電效率就成為涂層傳感器的主要技術(shù)指標(biāo) 壓電效率是指結(jié)構(gòu)產(chǎn)生單位應(yīng)變所能感應(yīng)出的電荷多少 該性能指標(biāo)與壓電涂層組成成分 壓電涂層厚度