阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器ppt課件

1、傳感器技術(shù),1 阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器的敏感元件 2 電阻應(yīng)變式傳感器 3 電容式傳感器 4 電感式傳感器,第二章 阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器技術(shù),電感式傳感器,阻抗式結(jié)構(gòu)型傳感器的敏感元件,1.1彈性敏感原件的主要性能： 1.彈性特性 （式中：F表示施加于敏感元件的力或力矩，為變形量或位移） 2.靈敏度和剛度 敏感元件的剛度是靈敏度的倒數(shù),3.諧振頻率 注：敏感元件的諧振頻率可由計(jì)算獲得，但必須由實(shí)驗(yàn)校正。 4.彈性滯后和后效 5.安全系數(shù) 注：安全系數(shù)越大，敏感元件的過(guò)載能力越強(qiáng)，但可能體積越大，越笨重。一般以1.55為宜。 6.其他：材料蠕變、溫度特性等,1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能 1.基本拉壓

2、： 材料受力變形的最基本形式是拉壓變形，由下式計(jì)算： 等截面桿件、等壁厚圓筒可視為基本拉伸結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿(mǎn)足： 2.彈性梁： 懸臂梁：變形以彎曲為主的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為 彈性梁.只有一端支承的梁稱(chēng)為懸臂梁 結(jié)構(gòu)，如圖所示,等強(qiáng)度梁：由上式可以看出，等截面梁測(cè)試點(diǎn)的應(yīng)力和應(yīng)變均與位置Lo有關(guān)，使用時(shí)不夠方便， 為此可以設(shè)計(jì)等強(qiáng)度梁，如上圖所示，使得,則：梁各處的應(yīng)力相等，應(yīng)變也相等。因此，使用時(shí) 可以不考慮測(cè)試點(diǎn)的位置,1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能(2,這時(shí)有,兩端固定梁：有較高的剛性和承載能力，兩端固定梁是一種靜 不定系統(tǒng)，常用梁中點(diǎn)位置作為測(cè)試點(diǎn)，稱(chēng)為中斷面,最大撓度也發(fā)生在中斷面，為,1.2常用彈

3、性元件的結(jié)構(gòu)和性能(3,3.環(huán)形結(jié)構(gòu)：（圓環(huán)形結(jié)構(gòu)和扁環(huán)形結(jié)構(gòu)） 圓環(huán)形結(jié)構(gòu),扁圓環(huán)形結(jié)構(gòu),注：扁環(huán)的應(yīng)力和應(yīng)變可采用圓環(huán)計(jì)算方法,1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能(4,4.膜片式結(jié)構(gòu),膜受載后變形，中心的撓度0最大。設(shè)膜厚為h， 1）如果0/h1/3，則可按厚膜計(jì)算，厚膜的變形以彎曲為主， 膜的拉壓處于次要地位； 2）如果0/h5，則按薄膜計(jì)算，認(rèn)為薄膜是柔軟的，無(wú)彎曲 剛度和彎曲應(yīng)力，膜的變形以拉壓為主,平膜（平膜適合于測(cè)量受均布載荷的情形,在集中載荷p的作用下,1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能(5,平膜片的撓度為,可見(jiàn)，中心r=0處撓度最大，為,平膜片的最小自振頻率為,1.2常用彈性元件的結(jié)

4、構(gòu)和性能(7,帶有硬中心的膜片,特征：膜的中心很厚，可以認(rèn)為是剛體 ，如圖所示,硬中心的撓度仍然最大,最大彎曲應(yīng)力發(fā)生在硬心的邊緣和膜 片的邊緣,1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能(8,5.彈性諧振元件,1）兩端固定弦的振動(dòng)頻率可用下式計(jì)算,2）兩端固定矩形截面振動(dòng)梁的固有頻率按下式計(jì)算,6.其它結(jié)構(gòu)：波紋管、波登管等,1.3彈性敏感元件的材料,高彈性合金和恒彈性合金，石英和硅，硅合金,1.2常用彈性元件的結(jié)構(gòu)和性能(9,電阻應(yīng)變式傳感器,電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理基于四個(gè)基本的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)：力(F) 應(yīng)變() 電阻變化(R) 電壓輸出(V,2.1 電阻應(yīng)變計(jì)的基本原理與結(jié)構(gòu),電阻應(yīng)變式傳感器是利用電

5、阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，從而實(shí)現(xiàn)電測(cè)非電量的傳感器。電阻應(yīng)變片的工作原理是基于電阻應(yīng)變效應(yīng)。即在導(dǎo)體產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化,2.1.1 工作原理,在外界力的作用下，將引起金屬或半導(dǎo)體材料發(fā)生機(jī)械變形，其電阻值將會(huì)相應(yīng)發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為“電阻應(yīng)變效應(yīng)”。對(duì)于不同的材料，電阻率相對(duì)變化的受力效應(yīng)是不同的,2.1.1 工作原理,1. 金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng),通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，金屬材料的電阻率相對(duì)變化正比于體積的相對(duì)變化，即有 式中，C為由材料及加工方式?jīng)Q定的與金屬導(dǎo)體晶格結(jié)構(gòu)相關(guān)的比例系數(shù),金屬材料的電阻相對(duì)變化與其線應(yīng)變成正比。這就是金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng),1. 金屬材料的

6、應(yīng)變電阻效應(yīng),將式（4-6）代入（4-5）可有 式中，Km=(1+2)+C(1-2)為金屬電阻絲的應(yīng)變靈敏度系數(shù)，它由兩部分組成：前半部分為受力后金屬絲幾何尺寸變化所致，后半部分為因應(yīng)變而發(fā)生的電阻率相對(duì)變化. 由以上分析可見(jiàn),2. 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng),研究發(fā)現(xiàn)，鍺、硅等單晶半導(dǎo)體材料具有壓阻效應(yīng)，即： 式中，為作用于材料上的軸向應(yīng)力；為半導(dǎo)體在受力方向的壓阻系數(shù)；E為半導(dǎo)體材料的彈性模量,由以上分析可知，外力作用而引起的軸向應(yīng)變，將導(dǎo)致電阻絲的電阻成比例地變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路可將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出。這就是應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理,2. 半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng),將式（4-8）代

7、入式（4-5）可得 式中，Ks=(1+2)+E為半導(dǎo)體絲材的應(yīng)變靈敏度系數(shù)。前半部分為尺寸變化所致，后半部分為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所致,利用金屬或半導(dǎo)體材料電阻絲（也稱(chēng)應(yīng)變絲）的應(yīng)變電阻效應(yīng)，可以制成測(cè)量試件表面應(yīng)變的敏感元件。為在較小的尺寸范圍內(nèi)敏感應(yīng)變，并產(chǎn)生較大的電阻變化，通常把應(yīng)變絲制成柵狀的應(yīng)變敏感元件，即電阻應(yīng)變計(jì)，簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)變計(jì),2.1.2 結(jié)構(gòu)與類(lèi)型,應(yīng)變計(jì)的結(jié)構(gòu),應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),1）按加工方法,可以將應(yīng)變片分為以下四種：絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片、薄膜應(yīng)變片 （2）按敏感柵的材料,可將應(yīng)變計(jì)分為金屬應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)兩大類(lèi),應(yīng)變計(jì)的類(lèi)型,2. 應(yīng)變計(jì)的類(lèi)型,制作應(yīng)變片敏

8、感柵常用的金屬材料有康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、貴金屬（鉑、鉑鎢合金等）材料等，其中康銅是目前應(yīng)用最廣泛的應(yīng)變絲材料。 除敏感柵以外，對(duì)基底材料、粘結(jié)劑、引線的材料方面都有要求，可以根據(jù)應(yīng)用對(duì)象的不同進(jìn)行選擇,電阻應(yīng)變計(jì)的材料,3. 電阻應(yīng)變計(jì)的材料,選用應(yīng)變計(jì)時(shí)，首先應(yīng)根據(jù)使用的目的、要求、對(duì)象及環(huán)境條件等，對(duì)應(yīng)變計(jì)的類(lèi)型進(jìn)行選擇；然后根據(jù)使用溫度、時(shí)間、最大應(yīng)變量及精度要求，選用合適的敏感柵、基底材料的應(yīng)變計(jì)；接著根據(jù)測(cè)量線路或儀器選擇合適應(yīng)變計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)阻值；最后還應(yīng)根據(jù)試件表面可貼應(yīng)變片的面積大小選擇合適尺寸的應(yīng)變計(jì),電阻應(yīng)變計(jì)的選用,4. 電阻應(yīng)變計(jì)的選用與粘貼,電阻應(yīng)變片工作時(shí)，是用粘

9、貼劑粘貼到被測(cè)試件或傳感器的彈性元件上的。粘貼劑形成的膠層必須準(zhǔn)確迅速地將被測(cè)應(yīng)變傳遞到敏感柵上去，所以粘貼劑以及粘貼技術(shù)對(duì)于測(cè)量結(jié)果有著直接的影響,電阻應(yīng)變計(jì)的粘貼,4. 電阻應(yīng)變計(jì)的選用與粘貼,2.2 主要特性,靜態(tài)特性是指應(yīng)變計(jì)感受不隨時(shí)間變化或變化緩慢的應(yīng)變時(shí)的輸出特性，表征靜態(tài)特性的指標(biāo)主要有：靈敏度系數(shù)、機(jī)械滯后、蠕變、應(yīng)變極限等,將具有初始電阻值R的應(yīng)變計(jì)安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下，應(yīng)變計(jì)阻值的相對(duì)變化與試件表面軸向應(yīng)變之比即為靈敏度系數(shù)。 應(yīng)變計(jì)的電阻應(yīng)變特性與單根電阻絲時(shí)不同，一般情況下，應(yīng)變計(jì)的靈敏系數(shù)小于相應(yīng)長(zhǎng)度單根應(yīng)變絲的靈敏系數(shù),1. 靈敏度系數(shù)（k

10、,橫向效應(yīng),將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，其靈敏系數(shù)降低了，這種現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變片的橫向效應(yīng)。 為了減小橫向效應(yīng)帶來(lái)的測(cè)量誤差，一般采用短接式或直角式橫柵，現(xiàn)在更多的是采用箔式應(yīng)變片，可有效克服橫向效應(yīng)的影響,2. 橫向效應(yīng),機(jī)械滯后,產(chǎn)生機(jī)械滯后的原因主要是敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的。為了減小機(jī)械滯后，除選用合適的粘合劑外，最好在正式使用之前預(yù)先加、卸載若干次再正式測(cè)量，以減小機(jī)械滯后的影響,3. 機(jī)械滯后,蠕變和零漂,粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間而變化的特

11、性，稱(chēng)為應(yīng)變計(jì)的零漂。如果在一定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱(chēng)為應(yīng)變計(jì)的蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變變化的方向相反。選用彈性模量較大的粘貼劑和基底材料，有利于蠕變性能的改善,4. 蠕變和零漂,應(yīng)變極限,應(yīng)變計(jì)的線性（靈敏系數(shù)為常數(shù)）特性，只有在一定的應(yīng)變限度范圍內(nèi)才能保持。當(dāng)試件輸入的真實(shí)應(yīng)變超過(guò)某一極限值時(shí)，應(yīng)變計(jì)的輸出特性將呈現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值，稱(chēng)為應(yīng)變極限,5. 應(yīng)變極限,圖2.14應(yīng)變計(jì)的極限應(yīng)變特性,2.動(dòng)態(tài)特性,實(shí)際衡量應(yīng)變計(jì)動(dòng)態(tài)工作性能的另一個(gè)重要指標(biāo)是疲勞壽命。它是指粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在恒幅交變應(yīng)

12、力作用下，連續(xù)工作直至疲勞損壞時(shí)的循環(huán)次數(shù)，用N表示。它與應(yīng)變計(jì)的取材、工藝和引線焊接、粘貼質(zhì)量等因素有關(guān)，一般要求N105107次,2.2 電阻應(yīng)變計(jì)的主要特性(3,溫度效應(yīng)及其熱輸出,設(shè)工作溫度變化為t，則由此引起粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)電阻 的相對(duì)變化為,上式即應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)；相對(duì)的熱輸出為,一般at2010-6C-1，若s=1110-6C-1、t=1510-6C-1，t5，取K2則t=202+(15-11) 5 10-6=70 u。熱輸出通?？梢栽斐?0%以上的誤差，因此必須采取相應(yīng)措施消除,2.3 電阻應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償,熱輸出補(bǔ)償方法,自補(bǔ)償法,1)單絲自補(bǔ)償 通過(guò)改變敏感柵的

13、合金成份及熱處理規(guī)范來(lái)調(diào)整t、t能與試件材料的s相匹配，使應(yīng)變絲材料滿(mǎn)足,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，但通用性差，應(yīng)變絲制造工藝較復(fù)雜,2).雙絲自補(bǔ)償 應(yīng)變計(jì)電阻R由兩部分 電阻Ra和Rb組成，即 R=RaRb,這種應(yīng)變計(jì)的特點(diǎn)與單絲自補(bǔ)償應(yīng)變計(jì) 相似，但只能在選定的試件上使用,電路補(bǔ)償法,2.3 電阻應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償(2,圖2.16雙絲半橋式熱補(bǔ)償應(yīng)變計(jì) 圖2.17 補(bǔ)償塊半橋熱補(bǔ)償應(yīng)變計(jì),1）雙絲半橋式,2）塊補(bǔ)償式,3）其它,2.3 電阻應(yīng)變計(jì)的溫度效應(yīng)及其補(bǔ)償(3,電容式傳感器,3.2.1 工作原理、類(lèi)型及特性,由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)的影響

14、，其電容量C與極板間介質(zhì)的介電常數(shù)、極板間的有效面積S以及兩極板間的距d有關(guān)： 當(dāng)被測(cè)參數(shù)的變化使式中d、S、r三個(gè)參量中任意一個(gè)發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容量的變化。如果保持其中兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變其中一個(gè)參數(shù)時(shí)，就可把該參數(shù)的變化轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過(guò)測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出,工作原理,類(lèi)型和特性,根據(jù)上述原理，在應(yīng)用中電容式傳感器可以有三種基本類(lèi)型，即變極距(或稱(chēng)變間隙）型、變面積型和變介電常數(shù)型。 它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種,變極距型電容傳感器,傳感器兩極板間的和S為常數(shù)，通過(guò)電容極板間距離的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)物理量的測(cè)量,變面積型電容式傳感器,測(cè)量中動(dòng)極板移動(dòng)時(shí)，兩極

15、板間的相對(duì)有效面積S發(fā)生變化，引起電容C發(fā)生變化,變介質(zhì)型電容傳感器,變介質(zhì)電容傳感器的結(jié)構(gòu)型式較多，可以用來(lái)測(cè)量紙張、絕緣薄膜等的厚度以及液位高低等，也可用來(lái)測(cè)量糧食、紡織品、木材或煤等非導(dǎo)電固體物質(zhì)的濕度,3.2 應(yīng)用注意事項(xiàng)及措施,電容的相對(duì)變化量為： 傳感器的相對(duì)非線性誤差為： 電容傳感器的靈敏度為K=S/d02，要提高靈敏度，應(yīng)減小起始間隙d0，而非線性誤差隨著d0的減小而增大。在實(shí)際應(yīng)用中，為了提高靈敏度，減小非線性誤差，往往采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu),電容式傳感器的靈敏度及非線性,差動(dòng)電容傳感器具有如下特性,等效電路,以上對(duì)各種電容傳感器的特性分析，都是在純電容的條件下進(jìn)行的。若電容傳感器工

16、作在高溫、高濕及高頻激勵(lì)條件下工作，則電容的附加損耗等影響不可忽視，這時(shí)電容傳感器的等效電路如圖4-28所示,邊緣效應(yīng),邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低，而且產(chǎn)生非線性。為了消除邊緣效應(yīng)的影響，可以采用帶有保護(hù)環(huán)的結(jié)構(gòu)，如圖4-29所示,靜電引力,電容式傳感器兩極板間因存在靜電場(chǎng)，而作用有靜電引力或力矩。靜電引力的大小與極板間的工作電壓、介電常數(shù)、極間距離有關(guān)。通常這種靜電引力很小，但在采用推動(dòng)力很小的彈性敏感元件情況下，須考慮因靜電引力造成的測(cè)量誤差,寄生電容,寄生電容與傳感器電容相關(guān)聯(lián)、影響傳感器的靈敏度，而它的變化則為虛假信號(hào),影響儀器的精度。必須消除和減小它。 消除和減小寄生電容可

17、采用如下方法： 1. 采用“驅(qū)動(dòng)電纜”技術(shù) 2. 采用組合式與集成技術(shù) 3. 整體屏蔽法,溫度影響,1）溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響 電容傳感器由于極板間隙很小而對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的變化特別敏感。 （2）溫度對(duì)介質(zhì)的影響 溫度對(duì)介電常數(shù)的影響隨介質(zhì)不同而變化，空氣及云母的介電常數(shù)溫度系數(shù)近似為零，而某些液體介質(zhì)，如硅油、醫(yī)麻油、煤油等，其介電常數(shù)的溫度系數(shù)較大,電感式傳感器,4.1電感式傳感器原理,圖2.33 變磁阻式傳感器原理,磁通量與線圈參數(shù)有如下關(guān)系 (為磁通量，W為線圈匝數(shù)，I為電流，RM為磁阻）,表2-1 磁路與電路的參數(shù)的對(duì)應(yīng)關(guān)系,4.1電感式傳感器原理(2,4.2 自感式傳感器的原理與結(jié)構(gòu),1變

18、氣隙式自感傳感器（鐵心、銜鐵、氣隙,如忽略漏磁等因素，則線圈的電感可表示為,為了精確分析傳感器的特性，引入等效磁導(dǎo)率e的概念,同時(shí),可得帶氣隙鐵心線圈的電感為,傳感器的靈敏度為,由上勢(shì)可知，變氣隙式傳感器的輸出特性是非線性的，式中負(fù)號(hào) 表示靈敏度隨氣隙增加而減小，欲增大靈敏度，應(yīng)減小l但受到 工藝和結(jié)構(gòu)的限制。為保證一定的測(cè)量范圍與線性度，對(duì)變氣隙 式傳感器，常取 l=0.21mm，變化區(qū)間l=（1/101/20）l,4.2 自感式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)(2,2變面積式自感傳感器,式中 K 0W2（llr）,為一常數(shù),3螺管式自感傳感器,圖2.34 螺管式自感傳感器結(jié)構(gòu)原理,4.2 自感式傳感器的

19、原理與結(jié)構(gòu)(3,當(dāng)鐵芯進(jìn)入線圈后，鐵芯中的極化作用使被覆蓋的那部分線圈 局部電感增大，其電感增量為,電感增量可另表示為,4.2 自感式傳感器的原理與結(jié)構(gòu)(4,4.3 互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu),圖2.35 差動(dòng)變壓器的等效電路,單個(gè)次級(jí)線圈的感應(yīng)電勢(shì),輸出阻抗,4.3 互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)(2,圖2.36 各種差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)示意圖,a）、（b）、（c）氣隙式；（d）、（e）變面積式；（f）螺管式,4.3 互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)(3,當(dāng)銜鐵上移時(shí),上氣隙變?yōu)?=0-,下氣隙為2=0+， 因而上磁路磁阻減小,下磁路磁阻增加。此時(shí)l 2，E21E22， 輸出電壓,兩初次級(jí)間的互感為,4.3 互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)(4,因此可得,在忽略鐵心磁阻于漏磁通得情況下,4.3 互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)(5,如果忽略2項(xiàng)，并設(shè)Rll=R12=R1, L0=W12/(20/0S)， 上式可改寫(xiě)并整理為,形差動(dòng)變壓器的靈敏度表達(dá)式,4.3 互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)(6,圖2.37 激勵(lì)頻率與靈敏度的關(guān)系,4.3 互感式傳感器（差動(dòng)變壓器）的原理和結(jié)構(gòu)(7,4.4 自感式和互感式傳感器的誤差,1