A-2013工程测试与信号处理技术02-常用传感器原理.ppt

1、22-04-2013第二章第二章 工程常用传感技术工程常用传感技术1第二章第二章 工程常用传感技术工程常用传感技术2-1 概述概述能能感感受受或或响响应规定定得得被被测量量并并按按照照一一定定规律律转换成成可可用用信信号号输出出的的器器件件或或装装置，称置，称为“传感器感器”。“被测量被测量”：应变、位移、速度、加速度、温度、压力、流量、噪声等等；：应变、位移、速度、加速度、温度、压力、流量、噪声等等；“有用信号有用信号”：电压、电流、开关量等等；：电压、电流、开关量等等；2-2 应变式式电阻阻传感器感器2-2-1 金属金属电阻阻应变片的片的传感原理感原理原理：原理：应变效效应：应变：材料的相

2、：材料的相对线变形量。形量。单位：位：1 微微应变(me)1/106取自然对数：取自然对数：两边微分得到：两边微分得到：小变形情况下，近似有：小变形情况下，近似有：(2-1)22-04-2013第二章第二章 工程常用传感技术工程常用传感技术2假设电阻丝的线变形量，即，沿电阻丝方向的假设电阻丝的线变形量，即，沿电阻丝方向的应变量应变量为：为：电阻丝被拉长的同时，直径会按一定比例缩小：电阻丝被拉长的同时，直径会按一定比例缩小：式中式中 m m 称为称为“柏松比柏松比”，康铜的，康铜的柏松比柏松比约为 0.35。于是，于是，电阻阻丝长度被拉延后，横截面度被拉延后，横截面积改改变量：量：金属金属丝拉延

3、后其拉延后其电阻率阻率变化率化率为：将以上将以上结果代入果代入(2-1)式子，得到式子，得到电阻阻变化率：化率：即，即，电阻的阻的变化率正比大大于化率正比大大于线变形量，即，形量，即，应变量量。常用常用应变片的灵敏系数片的灵敏系数 K 2，通常由厂家通，通常由厂家通过实验确定，注明在确定，注明在产品品说明明书中。中。(2-01)其中，系数其中，系数 C 因材料而异。因材料而异。22-04-2013第二章第二章 工程常用传感技术工程常用传感技术32-2-2 金属金属电阻阻应变片的片的结构及参数构及参数l桥式式测量量电路：路：栅区伸区伸缩引起引起桥臂阻臂阻值变化，得到正比化，得到正比变化的化的输出

4、出电压 v。l应变片片结构：构：基底、基底、电阻阻丝、覆盖、覆盖层、焊盘和引和引线，厚度，厚度0.05毫米左右。毫米左右。l应变片基本参数：片基本参数：灵敏系数：一般灵敏系数：一般2左右；左右；标称阻称阻值：常用有：常用有120 W W、350W W、1000W W，通常偏差，通常偏差为0.2W W；栅距：机械距：机械 0.510mm，土木，土木10100mm；供供桥电压：常用：常用110V直流；直流；22-04-2013第二章第二章 工程常用传感技术工程常用传感技术4l应变片粘片粘贴工工艺：引引线和和保保护：在在应变片片附附近近粘粘贴接接线端端子子板板桥接接导线，若若无无条条件件则应设法法固

5、固定定导线以避免拉断以避免拉断应变片引片引线。涂抹凡士林、。涂抹凡士林、润滑脂或覆盖一滑脂或覆盖一层石蜡防潮。石蜡防潮。电阻阻值检查和和分分组：用用万万用用表表测量量，阻阻值应该在在标称称阻阻值及及给定定误差差范范围内内；用于用于组成一个成一个电桥不同不同桥臂的各个臂的各个应变片的阻片的阻值应该尽量尽量选配一致。配一致。被被测物物体体表表面面处理理：首首先先清清理理待待测区区域域表表面面的的油油漆漆、锈斑斑、氧氧化化层、油油污、灰灰尘等，清理干等，清理干净后用沙后用沙纸打磨平整，再用打磨平整，再用丙丙酮或或无水酒精无水酒精擦拭干擦拭干净。标记定位定位线：用用钢针在在测点点处画十字定位画十字定位

6、线，交叉点，交叉点为应变片片栅区中心。区中心。粘粘合合剂选用用：短短期期测试（数数月月范范围内内）可可用用502胶胶水水及及其其改改性性产品品，长期期测试则应采采用用厂厂家家提提供供的的专用用胶胶水水，并并采采用用指指定定的的粘粘贴固固化化工工艺流流程程。所所用用粘粘合合剂固化后固化后应该有足有足够硬度，不能用凝固后呈硬度，不能用凝固后呈显弹性状性状态的粘合的粘合剂。粘粘贴应变片片：在在粘粘贴区区上上涂涂抹抹适适量量粘粘合合剂，将将应变片片放放置置在在胶胶液液上上轻轻移移动，使使粘粘贴面面沾沾满粘粘合合剂；用用拇拇指指隔隔着着一一层塑塑料料薄薄膜膜滚压应变片片，把把应变片片与与粘粘贴表面之表面

7、之间的胶液尽量的胶液尽量挤压出来，只剩一出来，只剩一层均匀而稀薄的粘合均匀而稀薄的粘合剂。检查：待待粘粘合合剂充充分分固固化化后后，组成成电桥并并连接接仪器器，用用橡橡皮皮擦擦子子挤压应变片片，不不应有明有明显应变值，尤其不能出，尤其不能出现明明显信号跳信号跳变，否，否则，粘，粘贴失失败。22-04-2013第二章第二章 工程常用传感技术工程常用传感技术52-2-3 测量量电路及路及应变值与信号与信号电压之之间的的换算关系算关系u电桥的的输出信号：出信号：时，电桥输出出电压当：当：u应变片灵敏系数：片灵敏系数：电阻变化电阻变化率与长度变化率之比率与长度变化率之比u工作方式：工作方式：1/4桥（

8、单臂）：被臂）：被测应变只引起一个只引起一个应变电阻的阻阻的阻值发生生变化。化。1/2桥：被：被测应变同同时引起引起测量量电桥中中两个两个应变电阻的阻阻的阻值发生生变化。化。全全桥：被：被测应变同同时引起引起测量量电桥中中全部四个全部四个应变电阻的阻阻的阻值发生生变化。化。电桥平衡条件电桥平衡条件22-04-2013第二章第二章 工程常用传感技术工程常用传感技术61、1/4桥，即，即，单臂工作的臂工作的桥路输出电压：桥路输出电压：假假设：即即 1/4桥工作方式下，工作方式下，桥路路输出出电压与被与被测应变之之间关系：关系：(2-03)(2-02)应变引起的电阻变化量远小于应变片的标称电阻：应变

9、引起的电阻变化量远小于应变片的标称电阻：组桥用的组桥用的4个应变片的阻值非常接近：个应变片的阻值非常接近：u组桥时要匹配应变片的电阻，使四个电阻值尽可能接近；组桥时要匹配应变片的电阻，使四个电阻值尽可能接近；u被测应变越大，误差越大；被测应变越大，误差越大；u同样被测应变的情况下，供桥电压越高、灵敏度越高；同样被测应变的情况下，供桥电压越高、灵敏度越高；u应变片的灵敏系数越大，灵敏度越高；应变片的灵敏系数越大，灵敏度越高；u应变片的标称阻值大小，不影响测量灵敏度；应变片的标称阻值大小，不影响测量灵敏度；l1/2桥，即，半，即，半桥工作工作，情况情况1：得到：得到：(2-05)假假设：(2-04

10、)其中：其中：12-10-23第二章 工程常用传感技术8其中：其中：情况情况2：同同样得到：得到：12-10-23第二章 工程常用传感技术9l全桥工作：其中：其中：略去平方略去平方项：(2-06)最后得到：最后得到：(2-07)12-10-23第二章 工程常用传感技术10l应变电桥的一般工作方式：的一般工作方式：初始状初始状态，即，平衡状，即，平衡状态：任意一个任意一个桥臂，臂，应变引起的引起的电阻阻变化化为：对应于于应变片承受片承受拉拉应变，电阻阻变大大；对应于于应变片承受片承受压应变，电阻阻变小小；电桥输出电压与应变之间关系可统一表示为电桥输出电压与应变之间关系可统一表示为“相邻相减、相对

11、相加相邻相减、相对相加”关系：关系：(2-08)例如：例如：弯曲应变测试，弯曲应变测试，得到，电桥输出为：得到，电桥输出为：例如：例如：四个桥臂贴在同一处四个桥臂贴在同一处，温度引起的电阻变化相同，温度引起的电阻变化相同，于是，于是，电桥输出出为：12-10-23第二章 工程常用传感技术112-2-4 电桥的的预调平衡以及温度平衡以及温度补偿方法方法W：电位器，可位器，可选100500K；Rt：2050K；1、预调平衡阻值选择预调平衡阻值选择2、温度对测量过程和测量结果的影响温度对测量过程和测量结果的影响电电桥桥的的温温度度漂漂移移：温温度度变变化化会会引引起起桥桥臂臂电电阻阻值值改改变变。当

12、当四四个个桥桥臂臂受受到到的的温温度度影响不同时其电阻值的改变量也不同，由此形成的虚假输出称为影响不同时其电阻值的改变量也不同，由此形成的虚假输出称为温度漂移温度漂移；信号调理电路的热稳定性：信号调理电路的热稳定性：温度引起供桥电压变化或放大电温度引起供桥电压变化或放大电路增益改变而造成的测量结果偏离实际值；路增益改变而造成的测量结果偏离实际值；应变片温度效应之一：应变片温度效应之一：应变片电阻丝的电阻率随温度变化而改变；应变片电阻丝的电阻率随温度变化而改变；应应变变片片温温度度效效应应之之二二：应应变变片片热热膨膨胀胀系系数数与与被被测测材材料料不不同同，应应变变片片不不能能随随着着被被测对

13、象同步膨胀或收缩而被拉伸或压缩，引起应变片的阻值发生改变；测对象同步膨胀或收缩而被拉伸或压缩，引起应变片的阻值发生改变；解解决决温温度度影影响响的的常常用用措措施施：适适当当选选择择应应变变片片和和组组桥桥方方式式，使使得得相相邻邻桥桥臂臂的的温温度度影响相同；影响相同；若若则温度影响被消除；则温度影响被消除；12-10-23第二章 工程常用传感技术12热应变：热应变：温度变化引起被测对象热涨冷缩而形成的应变；温度变化引起被测对象热涨冷缩而形成的应变；例例如如：空空调调管管路路应应变变测测量量，该该测测量量是是管管道道沿沿其其轴轴向向的的应应变变量量。为为了了消消除除温温度度影影响响，做做一一

14、块块与与管管道道材材料料相相同同的的温温度度补补偿偿块块，涂涂抹抹导导热热硅硅脂脂附附着着在在被被测测管管道道上上，将将不不工工作作桥臂臂粘粘贴在在温温度度补偿块上上。于于是是，四四个个桥臂臂受受到到的的温温度度影影响响相相同同，温温度度变化化不会改不会改变电桥输出。出。应应变变片片的的温温度度效效应应 与与 热热应应变变的的区区别别：二二者者均均是是温温度度引引起起的的桥桥臂臂电电阻阻值值改改变变，但但前前者者直直接接取取决决于于温温度度变变化化量量，而而后后者者取取决决于于温度引起的应变量。温度引起的应变量。例例如如：温温度度升升高高后后铸铁套套受受铜材材圆柱柱膨膨胀作作用用的的径径向向增

15、增加加量量（铜线膨膨胀系系数数17ppm/K，铸铁11.2ppm/K）。测量量方方法法：用用一一个个材材质和和结构构完完全全相相同同的的铸铁套套作作为补偿件件。将将待待测件件和和补偿件件置置于于同温同温环境下，改境下，改变温度，温度，进行行测量量应变。12-10-23第二章 工程常用传感技术13例如：例如：梁式称重传感器梁式称重传感器。截截面面1、2处的的应变值e e1 和和e e2 正正比比于于待待测重重力力F 及及其作用距离其作用距离：桥臂臂R1的的电阻阻增增加加值和和桥臂臂R2的的电阻阻减减小小值取取决决于于应变值e e1；桥臂臂R4的的电阻阻增增加加值和和桥臂臂R3的的电阻阻减减小小值

16、取取决决于于应变值e e2，代入公式代入公式(2-8)：于于是是，图示示结构构和和组桥方方法法，信信号号电压 v 正正比比于于作作用用力力 F，而而与与力力的的作作用用位位置置无无关关。其其中中，系系数数 kc 只只取取决决于于梁梁的的结构构尺尺寸寸有有关关，可可以以根根据据材材料料力力学学进行行适适当当设计，然后，可通，然后，可通过试验进行精确行精确“标定定”得到。得到。C 是由梁的材料及尺寸决定的常数。12-10-23第二章 工程常用传感技术142-2-5 应变测量信号量信号调理理电路的基本原理路的基本原理u 供桥电压（或电流）设定。供桥电压（或电流）设定。恒流恒流(I)供供桥，则实际供供桥电压为：电流供桥的优点：桥压不受导线电阻的影响。电流供桥的优点：桥压不受导线电阻的影响。u 量程范量程范围 E：输出出电压范范围 U 给定定时(5V或或10V)，实测应变 e e 与与输出出电压 Vo 之之间的比例关系的比例关系为：u 灵敏系数灵敏系数 K。假定，系假定，系统的放大倍数的放大倍数为 A 则：AQ(VKE)=Uu 工作方式工作方式 Q，全桥：，全桥：，半桥：，半桥：，1/4桥：，于