现代检测技术与系统第2章课件.ppt
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1、第第2 2章章 电阻式传感器电阻式传感器 2.1 2.1 工作原理工作原理2.2 2.2 电阻应变片的温度误差及补偿电阻应变片的温度误差及补偿 2.3 2.3 电阻应变片的测量电路电阻应变片的测量电路2.4 2.4 电阻式传感器的应用电阻式传感器的应用 知识单元知识单元与知识点与知识点应变、应变效应的基本概念;应变、应变效应的基本概念;应变电阻式传感器的工作原理、测量电路与典型应用;应变电阻式传感器的工作原理、测量电路与典型应用;气敏电阻的基本概念、工作原理、分类和应用;气敏电阻的基本概念、工作原理、分类和应用;湿敏电阻的基本概念、工作原理、测量电路和应用。湿敏电阻的基本概念、工作原理、测量电
2、路和应用。能力点能力点深入理解应变、应变效应、湿度等基本概念;深入理解应变、应变效应、湿度等基本概念;理解应变片的分类;理解应变片的分类;把握电阻式传感器的工作原理、测量电路;把握电阻式传感器的工作原理、测量电路;了解电阻式传感器的典型应用。了解电阻式传感器的典型应用。重难点重难点重点:应变与应变效应的涵义;电阻式传感器的工作原理与测量电路。重点:应变与应变效应的涵义;电阻式传感器的工作原理与测量电路。难点:电阻式传感器的测量电路。难点:电阻式传感器的测量电路。学习要求学习要求掌握应变、应变效应、湿度等基本概念;掌握应变、应变效应、湿度等基本概念;牚握电阻式传感器的工作原理、测量电路;牚握电阻
3、式传感器的工作原理、测量电路;了解应变片的分类、气敏电阻的分类;了解应变片的分类、气敏电阻的分类;了解电阻式传感器的典型应用;了解电阻式传感器的典型应用;会分析半桥差动、全桥差动对非线性误差和电压灵敏度的改善。会分析半桥差动、全桥差动对非线性误差和电压灵敏度的改善。学习导航学习导航2.12.1应变电阻式传感器应变电阻式传感器应变应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象弹性应变弹性应变 当外力去除后,物体能够完全恢复其尺寸和形状的当外力去除后,物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变应变弹性元件弹性元件具有弹性应变特性的物体具有弹性应变特性的物体应变效应应
4、变效应电阻应变片的工作原理是基于电阻应变片的工作原理是基于应变效应应变效应 即即导体导体或或半导体半导体材料在外界力的作材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相用下产生机械变形时,其电阻值相应发生变化,应发生变化,这种现象称为这种现象称为“应变应变效应效应”。一根金属电阻丝,在一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电其未受力时,原始电阻值为:阻值为:LRA应变效应应变效应 当电阻丝受到拉力当电阻丝受到拉力F作用时,作用时,将伸长将伸长L,横截面,横截面积相应减小积相应减小A,电阻率因材料晶格发生变形等因素,电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了影响而改变了,从而引起电阻值变化量为,从而引
5、起电阻值变化量为:RLARLA式中:式中:L/L长度相对变化量,用应变长度相对变化量,用应变表示为表示为 LdL2LLdRddLdAAAA电阻相对变化量:电阻相对变化量:dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量,设圆形电阻丝的截面积相对变化量,设r为电为电阻丝的半径,微分后可得阻丝的半径,微分后可得dA=2r dr,则,则:2ArAr材料力学:材料力学:在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸在弹性范围内,金属丝受拉力时,沿轴向伸长,长,沿径向缩短,沿径向缩短,轴向应变和径向应变的关系可表示为轴向应变和径向应变的关系可表示为:rLrL 为电阻丝材料的泊松比,为电阻丝材料的泊松比,负号表示应变方向相反
6、。负号表示应变方向相反。推得:推得:定义:定义:电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数(物理意义):单位应(物理意义):单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为变所引起的电阻相对变化量。其表达式为(12)RR12RKR灵敏度系数灵敏度系数K K受两个因素影响受两个因素影响一是应变片受力后材料几何尺寸的变化,一是应变片受力后材料几何尺寸的变化,即即1+21+2二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化,二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化,即即(/)/。对对金属材料金属材料:1+21+2(/)/)/对对半导体材料半导体材料:(/)/)/1+21+2大量实验证明,在电阻丝拉伸极限内,大量实验证明,在电阻
7、丝拉伸极限内,电阻的相对电阻的相对变化与应变成正比,即变化与应变成正比,即K K为常数。为常数。2.1.2 2.1.2 电阻应变片种类电阻应变片种类常用的电阻应变片有两种:常用的电阻应变片有两种:金属电阻应变片金属电阻应变片半导体应变片半导体应变片 金属电阻应变片灵敏度取决于尺寸变化(应变效应为主)1212K 半导体应变片半导体应变片21K灵敏度取决于电阻率的变化(压阻效应为主)分析:当半导体应变片受轴向力作用时分析:当半导体应变片受轴向力作用时半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有半导体应变片的电阻率相对变化量与所受的应变力有关关:E式中:式中:半导体材料的压阻系数半导体材料的压阻系
8、数;半导体材料的所受应变力半导体材料的所受应变力;E半导体材料的弹性模量半导体材料的弹性模量;半导体材料的应变。半导体材料的应变。压阻效应压阻效应:单晶半导体材料沿某一轴向受到:单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时,其电阻率发生变化的现象外力作用时,其电阻率发生变化的现象因此:因此:)21(ERR实验证明,实验证明,E比比1+2大上百倍,所以大上百倍,所以1+2可以忽略,可以忽略,因而半导体应变片的灵敏系数为:因而半导体应变片的灵敏系数为:ERRK 测量原理:测量原理:在外力作用下,被测对象产生微在外力作用下,被测对象产生微小机械变形,应变片随着发生相同的变化,小机械变形,应变片随着发生相同
9、的变化,同时应变同时应变片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量片电阻值也发生相应变化。当测得应变片电阻值变化量为为R时,便可得到被测对象的应变值,时,便可得到被测对象的应变值,根据应力与应根据应力与应变的关系,得到应力值变的关系,得到应力值为为:=E RRK应变力正比于电阻值的变化!应变力正比于电阻值的变化!FA2.1.3 2.1.3 测量电路测量电路 直流电桥直流电桥 1.1.直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件433211RRRRRREUoR1R2R4R3ACBEDIoRLUo当当RL时,电桥输出电压为:时,电桥输出电压为:当电桥平衡时,当电桥平衡时,Uo=0,则有:,则有:R1R4
10、=R2R3或:或:4321RRRR电桥平衡条件:电桥平衡条件:欲使电桥平衡,欲使电桥平衡,其相邻两臂电阻的比值应相等,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。或相对两臂电阻的乘积应相等。电桥平衡条件电桥平衡条件电压灵敏度电压灵敏度 应变片工作时:应变片工作时:电阻值变化很小,电桥相应输电阻值变化很小,电桥相应输出电压也很小,一般需要加入出电压也很小,一般需要加入放大器放大器进行放大。进行放大。由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多,由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多,所以此时仍视电桥为所以此时仍视电桥为开路开路情况。情况。当受应变时:当受应变时:若应变片电阻变化为若应变
11、片电阻变化为R,其,其它桥臂固定不变,电桥输出电压它桥臂固定不变,电桥输出电压Uo0,则电桥不,则电桥不平衡,输出电压为平衡,输出电压为 3111123414112344131124113()()11oRRRUERRRRRR RERRRRRRRRRERRRRRR 设桥臂比设桥臂比n=R2/R1,由于,由于R15的小曲率圆环:的小曲率圆环:A、B两点的应变。两点的应变。EbhFREbhFRBA2291.109.1A23(/2)2(1)F Rhbh EB23(/2)2F Rhbh E内贴取内贴取“一一”内贴取内贴取“”式中:式中:h圆环厚度;圆环厚度;b圆环宽度;圆环宽度;E材料弹性模量。材料弹性
12、模量。0()()0URRUfKf FRRRUFR 测量3悬臂梁式力传感器悬臂梁式力传感器悬臂梁是一端固定另一端自由的弹性敏感元件,其特点是结构简单、加工方便,在较小力的测量中应用普遍。根据梁的截面形状不同可分为变截面梁(等强度梁)和等截面梁。26Flbh E6xF lxAhEAE梁的截面积材料的弹性模量应变式压力传感器应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力。主要用来测量流动介质的动态或静态压力。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。在压力在压力p作用下,膜片产生径向应变作用下,膜片产生径向应变r和切向应变和切向应变t,表,表达
13、式分别为达式分别为:EhxRpEhxRptr222222228)(1(38)3)(1(3膜片式压力传感器膜片式压力传感器应变变化曲线的特点:应变变化曲线的特点:当当x=0时,时,rmax=tmax;当当x=R时,时,t=0,r=2rmax。特点的应用:特点的应用:一般在平膜片圆心处切向粘贴一般在平膜片圆心处切向粘贴R1、R4两个应变片,两个应变片,在边缘处沿径向粘贴在边缘处沿径向粘贴R2、R3两个应变片,两个应变片,然后接成全桥测量电路。然后接成全桥测量电路。避开避开 位置。位置。3/Rx 0r3/Rx EhRPtr2228)1(3EhRPr2224)1(3感压膜感受上面液体的压力。感压膜感受
14、上面液体的压力。当容器中溶液增多时,当容器中溶液增多时,感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接的电桥接成正向串接的双电桥电路,此时输出电压为成正向串接的双电桥电路,此时输出电压为:式中式中,S为传感器传输系数。为传感器传输系数。AQgh 结论:结论:电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系,因此可以测量容器内储存的溶液重量。量成线性关系,因此可以测量容器内储存的溶液重量。0US h g0S QUA应变电阻式加速度传感器应变电阻式加速度传感器应变电阻式加速度传感器用于测量物体的加速度。加
15、速度是运动参数而不是力,因此,它首先需要经过质量惯性系统将加速度转换成力,再作用于弹性元件上来实现测量:应变电阻式加速度传感器的结构如图3.18所示。等强度梁的自由端安装质量块,另一端固定在壳体上;等强度梁上粘贴四个电阻应变敏感元件;通常壳体内充满硅油以调节系统阻尼系数。测量时,将传感器壳体与被测对象刚性连接,当被测物体以加速度 运动时,质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用,使悬臂梁变形,导致其上的应变片感受到并随之产生应变,从而使应变片的电阻值发生变化,引起测量电桥不平衡而输出电压,即可得出加速度的大小。这种测量方法主要用于低频(1060Hz)的振动和冲击测量。aF m气敏传感器的定义
16、:是能够感知环境中某种气体某种气体及其浓度浓度的一种敏感器件它将气体种类及其浓度有关的信息转换成电信号,根据这些电信号的强弱便可获得与待测气体在环境中存在情况有关的信息。2.2 气敏电阻 气敏传感器的性能要求 对被测气体具有较高的灵敏度对被测气体以外的共存气体或物质不敏感 性能稳定,重复性好 动态特性好,对检测信号响应迅速使用寿命长 制造成本低,使用与维护方便等 专一性气敏传感器的主要参数及特性灵敏度灵敏度:对被测气体(种类)的敏感程度响应时间响应时间:对被测气体浓度的响应速度选择性选择性:指在多种气体共存的条件下,气敏元件区分气体种类的能力稳定性稳定性:当被测气体浓度不变时,若其他条件发生改
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