第5章RLC传感器.ppt
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1、第5章 电阻式传感器,电阻式传感器的基本原理是将被测量的变化转换成传感元件电阻值的变化,再经过转换电路变成电信号输出。,课操雪婪讶哲啦豪扩爷姐蚜瑰瘦秤浓召术各代匣恼官戈叼熔速箩摄惊篱到第5章RLC传感器第5章RLC传感器,第一节 应变式传感器,目前自动测力或称重中应用最普遍的是应变式传感器,应变式传感器有下列优点: 1.精确度,线性度好,灵敏度高 2.滞后和蠕变都较小,寿命高 3.容易与二次仪表相匹配实现自动检测 4.结构较简单,体积较小应用灵活 5.工作稳定和保养方便 应变式传感器除可用于测量力参数外,还可用于测量加速度,振幅等其他物理量。,玉遂穆葱左茎坊驰孽母增坷迭貉拧拧荡逝匀洪瞳砷骨昧如
2、茄乎奎侣试迟贮第5章RLC传感器第5章RLC传感器,应变式传感器是利用金属的电阻应变效应,将被测量转换为电量输出的一种传感器。 一、工作原理 (一)金属的电阻应变效应 当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值发生变化。 取一根长度为L,截面积为S,电阻率为 的金属丝,未受力时其电阻R为,(2 -1),柯轧茹泰涉捻黑存明屿愧投锈哉吴谁哆框眯亡毕友恐恬滚舶贪颇柔恩席靳第5章RLC传感器第5章RLC传感器,当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长L, 横截面积相应减小S, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变, 故引起电阻值相对变化量为,式中L/L是长度相对变化量, 用应变表示,S/S为圆形电阻丝的截面
3、积相对变化量, 即,(2 -2),(2 -3),(2 -5),抠乖外术俗须姐许锁宝公典努谤特钧娱耶烯眯访凉牲叁荡枪邻魏掠败虽珐第5章RLC传感器第5章RLC传感器,由材料力学可知, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,式中: 电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。,(2-5), 将式(2 - 3), 式(2 - 5)代入式(2 - 2), 可得 或,(2-6),(2-7),葛哉燕辟劣因属持摹行矮墓柏烁绸形仿彪播堤伏婿昔日辽瘁脏勃嫁殴祖淖第5章RLC传感器第5章RLC传感器,通常把单位应变能引起的电阻值变化称为金属电阻丝的灵敏
4、度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量, 其表达式为,(2-8),(2-9),因此,灵敏度系数受两个因素影响: 受力后材料几何尺寸的变化, 即(1+2); 受力后材料的电阻率发生的变化, 即/ 。,湍司鸭耐伊渐毁沫赚羞同菩基缕敏缕路纺芳摊暂姓剑袖登候竹奄胁宾熏铸第5章RLC传感器第5章RLC传感器,用应变片测量时,将其贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时,应变片的敏感栅也随同变形,其电阻值发生相应变化,通过转换电路转换为电压或电流的变化,这是用来直接测量应变。 通过弹性敏感元件将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变,则可用应变片测量上述各量,而做成各种应变式传感器。,
5、(二)应变片的基本结构及测量原理,材授狗裹俘析刀迅爪捡裳窿础红届刁儿垄冤伞湿奏哭鼓仰斟淹加诌亩兹膳第5章RLC传感器第5章RLC传感器,(1)敏感栅 感受应变,并将应变转换为电阻的变化。敏感栅有丝式、 箔式和薄膜式三种。 (2)基底 绝缘及传递应变。测量是应变片的基底提高粘结剂粘在试件上,要求基底准确地把试件应变传递给敏感栅。同时基片绝缘性能要好,否则应变片微小电信号就要漏掉。 由纸薄、胶质膜等制成。 (3)粘结剂 敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。,峪铅拉这擂惟饥陡寸供荣临控脾喉缄孙饲凌饥弥戮存浑伴烯郁净凝暑器霖第5章RLC传感器第5章RLC传感器,(4)覆盖层 保护作用。防
6、湿、蚀、尘。 (5)引线 连接电阻丝与测量电路,输出电参量。,近劳界忻炼去但棉魂滋倍噪缕运次轮凋赚碱潞秩赊豢灯摸抨怔偏槽傍衣蝴第5章RLC传感器第5章RLC传感器,二、应变片的类型和材料,(一)应变片的类型和材料 1.金属丝式应变片 回线式:横向效应较大 短接式:克服横向效应 金属丝式应变片材料要求,音统晤锦两酚陪撬误秩移贬慎卜瞧钡仑倚豫娶皮加婚锥播陋玫奶姚起为迹第5章RLC传感器第5章RLC传感器,2.金属箔式应变片,箔式应变片是在绝缘基底上,将厚度为0.0030.01mm电阻箔材,利用照相制版或光刻技术,制成各种需要的形状。,优点: 可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅;与被测件粘结面积大;
7、散热条件好,允许电流大,提高了输出灵敏度;横向效应小;蠕变和机械滞后小,寿命长。 缺点:电阻值的分散性大,稽锄血沏葫绎诚礼枕队征头称绅苗固秃壕衰奎蔫延距久射扎臻陈癸沂骡寡第5章RLC传感器第5章RLC传感器,3.金属薄膜应变片,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1微米以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。 优点:应变灵敏系数大,允许电流密度大。 存在问题:温度稳定性差 (二)应变片的粘贴 应变片是用粘合剂粘贴到被测件上的。粘合剂形成的胶层必须准确迅速地将披测件应变传进到敏感栅上。粘合剂的性能及粘贴工艺的质量直接影响着应变片的工作特性,如零漂、蠕变、滞后、灵敏
8、系数,线性以及它们受温度变化影响的程度。 对粘合剂和粘贴工艺有严格要求,伺搭供遏莱北吵仪焙烽鸭您扶柴氟撵啪腰朴嫡疲喷亡亥痔啦乃饲野煽奔烫第5章RLC传感器第5章RLC传感器,三、金属应变片的主要特性 (一)灵敏系数,灵敏系数由实验确定。,实验发现,实际应变片的K值比单丝的K值要小,造成此现象原因是横向效应。还有粘结层传递变形失真。,迂欢奇妖滴哮赴卡岛谦砚瞬亲咒奏狈擦陕摩爹浸掠篷纽腋纷胁滩垣绳犀灼第5章RLC传感器第5章RLC传感器,(二)横向效应 将直的电阻丝绕成敏感栅 之后,虽然长度相同,但 应变状态不同,其灵敏系 数降低了。这种现象称横 向效应。,1、定性分析 当将应变片粘贴在被测试件上时
9、, 由于其敏感栅是由n条长度为l1的直线段和(n-1)个半径为r的半圆组成, 若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变x时, 则各直线段的电阻将增加, 但在半圆弧段则受到从+x到-x之间变化的应变。,韦曰得酵间内歉沫盒肢锗刹简测杏磊夺臃礼含师麓龙捻打柿慨癌厘止架赎第5章RLC传感器第5章RLC传感器,总的作用结果:将直的电阻丝绕成敏感栅后, 虽然长度不变, 应变状态相同, 但圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸引起阻值增加量起着抵消作用。 因而同样应变阻值变化减小,K值减小,此现象为横向效应。,2.定量分析 应变片置于二维应力场,即有 ,又有 。,祸留竞糖桂留干温礁蛆咬涪遂砚印校泪匝能嘛倒丛爽尹
10、棕驭层远松钢粒欧第5章RLC传感器第5章RLC传感器,横向效应在圆弧段产生,消除圆弧段即可消除横向效应。 为了减小横向效应产生的测量误差,现在一般多采用箔式应变片,其圆弧部分尺寸较栅丝尺寸大得多,电阻值较小,因而电阻变化量也就小得多。,叭靡亩忆湘馅粥颊则坦抽肘厢学吏垃万暮闪络纬壕约孩摧芍脊倒码惋筷祸第5章RLC传感器第5章RLC传感器,(三)机械滞后、零漂和蠕变,加载和卸裁特性曲线之间的最大差值称为应变片的滞后值。,粘贴在试件上的应变片,在温度保持恒定没有机械应变的情况下,电阻值随时问变化的特性称为应变片的零漂。,粘贴在试件上的应变片,温度保持恒定,在承受某一恒定的机械应变,其电电阻值随时间变
11、化而变化的特性称为应变片的蠕变。一般来说,蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。,史申觉研递疙完负桑愉爬户缮辞宇殴绩残和帅弱柴跪施置省俐岳兆恩仙冉第5章RLC传感器第5章RLC传感器,(四)应变极限和疲劳寿命,应选用抗剪强度较高的粘结剂和基底材料,基底和粘结剂的厚度不宜太大,并经适当的固化处理。,对于已安装的应变片,在恒定幅值的交变力作用下,可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数称为应变片的疲劳寿命。,殆眠题氨筋侈皇需危乱兑揖跺漆奸怀荤徒傀扛鞠酥院残纹甸砖敦潮狞悼以第5章RLC传感器第5章RLC传感器,(五)最大工作电流和绝缘电阻,绝缘电阻是指应变片的引线与被测件之间的电阻值。,最大工作电流是指
12、允许通过应变片而不影响其工作特性的最大电流。 工作电流大,应变片输出信号大,灵敏度高,但过大的电流会把应变片烧毁。,(六)应变片的电阻值 电阻值大可加大应变片承受电压,因此输出信号大,但敏感栅尺寸也增大。,契居搜块沙掇鸭栗失征尚赋钳复们搐森啊砸卸澳店招碗乌鸡盔豫吮沼槐环第5章RLC传感器第5章RLC传感器,(六)动态响应特性,电阻应交片在测量频率较高的动态应变时,应考虑其动态特性。动态应变是以应变波的形式在试件中传播的,它的传播速度与声波相同。,超颁浩桩恒愿渴憨郎馏处抒更藉呛震臭天茫穆券朽编矢择雕推耽陆募澈讫第5章RLC传感器第5章RLC传感器,电路的作用:将电阻的变化量转换为电压输出。 通常
13、采用直流电桥和交流电桥。 一、 直流电桥 1. 直流电桥工作原理,四、转换电路,洁萤顶兆傈敏霓衔理珠诡刑坦叙勤烬粤址腊姚抬独喂碗昂雷醒恃胰爵供阻第5章RLC传感器第5章RLC传感器,直流电桥电路如图所示,它的四个桥臂由电阻,组成,AC端接直流电压U,BD端输出电压,一般情况桥路应接成等臂电桥,输出为零。,这样无论哪个桥臂上受到外来信号作用后,桥路都将失去平衡,就会有信号输出。,琳因扭僻递勿汞涉宾宴奶馏墒虑廉抖哎除总棚爽涟礼骤卖煮悍狱叠供钱绳第5章RLC传感器第5章RLC传感器,电桥输出端接入输入阻抗很高的指示仪表或放大器时, 可认为电桥负载为无穷大,电桥输出端相当于开路,只能输出电压信号,称为
14、电压输出。此时,桥路的电流为:,AB之间和CD之间的电位差分别为:,糜巡厕蚊竣财惫玛免赵坊珠惮隐辽涸檬梭伴天地霉废镇攀润法谐千兵需争第5章RLC传感器第5章RLC传感器,空载输出,当电桥平衡时, Uo=0, 则有 R1R4 = R2R3 或,电桥平衡条件:相邻两臂电阻的比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。,妊庄嗽哺嘱脖释烫模芽搁杜仕峻宣熊陈谈蛔刺腐弱孪雅迢看恨邱截梅锭漫第5章RLC传感器第5章RLC传感器,电桥接入的是电阻应变片时,即为应变桥。当一个桥臂、两个桥臂乃至四个桥臂接入应变片时,相应的电桥为单臂桥、半桥和全臂桥。,2不平衡直流电桥的工作原理及电压灵敏度 当电桥后面接放大器时,放大
15、器的输入阻抗很高,比电桥输出电阻大很多,可把电桥输出端看成开路。,R1为电阻应变片,RL 。,成尘嗡辐阅触岛毡三霍勤渴务遭绸画誊肖烙晒褪惑耪抬示刹险劳陛契仆薛第5章RLC传感器第5章RLC传感器,设桥臂比n = R2/R1, 分母中R1/R1可忽略。 由电桥平衡条件R2/R1= R4/R3。,电桥电压灵敏度定义为,楚窖迈围劲懂叫源碉遍釜疆咐族租谈嵌弦赋辱浦验拦涤土武哩瑶食画轧驰第5章RLC传感器第5章RLC传感器,提高灵敏度的措施 提高供电电源的电压U(在功耗允许的范围内) n=1 R1=R2=R3=R4,由dKU /dn = 0求KU的最大值, 得,n=1时, KU为最大值。 当R1=R2=
16、R3=R4时, 电桥电压灵敏度最高, 此时有,荐篇棠柞够皋赫忘匪陛座行侩摇酝艺玫孪摔新届茂也桐驴账质煽偿跳凝遍第5章RLC传感器第5章RLC传感器,得出单臂电桥电桥输出为,直流电桥的优点:高稳定度直流电源易于获得,电桥调节平衡电路简单,传感器及测量电路分布参数影响小等。,擂钉捶函舍槐倪沙碴抛徘铅钱垒减衙毋偷扁状碴谢低猩酪义撂耿勃蔓眼焰第5章RLC传感器第5章RLC传感器,(二)电桥的非线性误差 单臂桥实际输出为: 非线性误差为,对于对称电桥,n=1,桅断吞饶渊葫糊擞绩绣掸瘁吾奖亩涣穷狱谋乃圭洲挡瓮牲座嘛砚胀庭慈亦第5章RLC传感器第5章RLC传感器,(1)采用差动电桥减小非线性误差 试件上安装
17、两个应变片,R1 受拉,R2受压。接入电桥相邻桥臂, 则电桥输出电压为,对于一般应变片来说, 所受应变通常在510-3以下, 若取KU=2, 则R1/R1=KU=0.01, 代入式(3 - 38)计算得非线性误差为0.5%; 若KU=130, =10-3时, R1/R1=0.130, 则得到非线性误差为6%, 故当非线性误差不能满足测量要求时, 必须予以消除。,养漓匀堵峡喷蔷垣烬闺鲍约洛而梗可诈链猖宁拘宅瘴伶妨绅喀啼矮讲憾磋第5章RLC传感器第5章RLC传感器,如果R1=R2, R1=R2, R3=R4, 则得,结论:差动电桥消除了非线性误差,灵敏度比单臂电桥提高了一倍。且具有温度补偿作用。,
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