第二章(1电阻、2电容).ppt

1、第一节 电阻式传感器,电阻式传感器是一种将被测物理形量的变化转换成电阻值变化的传感器。常用的电阻式传感器有电位式、电阻应变式、压阻式、热敏效应式等类型的电阻传感器。本节主要介绍电阻应变式和压阻式电阻传感器。,、电阻应变式传感器,应变式传感器是利用电阻应变片的应变效应将应变转换为电阻变化的传感器。传感器由电阻应变片和弹性敏感元件构成，将当应变片粘贴在各种弹性敏感元件上，当弹性敏感元件感受到外力、位移、加速度等参数作用时，弹性敏感元件产生应变，再通过粘贴在上面的电阻应变片将其转换成电阻的变化。,（一）工作原理,1. 金属电阻的应变效应,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作

2、用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化现象。,金属丝受拉时，L变长、r变小，导致R变大 。,金属应变片的电阻R为,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,代入,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,由材料力学知识，材料沿轴向伸长时，沿径向缩短，径向与轴向应变的关系是：,令,材料的轴向应变,材料的径向应变,金属材料的泊松系数,有：,灵敏度,在塑性变形范围内K通常取1.83.6。,应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝

3、易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。,2. 应变片的基本结构,阻值为501000欧，常用120欧,半导体应变片及金属丝式应变片的结构,半导体应变片外形,金属丝式应变片的内部结构,

4、3. 应变片测量原理,用应变片测量受力应变时，将电阻应变片用特殊胶剂粘在被测对象的表面上。在外力作用下，被测对象表面发生微小机械变形时，应变片敏感栅将随同变形，其电阻值也随之变化，而电阻的变化与被测对象的变形保持一定的线性关系，进而通过转换电路转换为相应的电压或电流的变化。通过应变片在被测对象上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得应力、变形、扭矩等参数。,（二）测量电路,1. 直流电桥,（1）直流电桥的平衡条件,当电桥平衡时，U00，则有,欲使电桥平衡，其相对两臂电阻的乘积相等，或相邻两臂电阻的比值相等。,电阻应变片将应变转换为电阻的变化量，测量电路将电阻的变化再转换为电压或电流信号，最终

5、实现被测量的测量。电阻的变化一般采用电桥电路测量。,（2）输出电压灵敏度,当R1为电阻应变片，R2、R3、R4为固定电阻时就构成了单臂电桥。应变片工作时，其电阻值变化很小，电桥输出电压也很小，一般需要加入放大器放大，由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多，所以此时仍可视电桥为开路情况,当产生应变时，若应变片电阻变化为R，其它桥臂固定不变，电桥输出电压U00，此时电桥不平衡输出电压为,设桥臂比,单臂电桥输出电压灵敏度,KU值的大小由电桥电源电压E和桥臂比n决定。,1.电桥电压的灵敏度正比于电桥电源电压，电桥电源电压越高，输出电压的灵敏度越高。一般电源电压取36V为宜。,2.桥臂比n取何值使KU

6、最大？,显然，n1时KU有最大值。这就是说，在电桥电压确定后，当,时，电桥电压灵敏度最高，,（3） 非线性误差及其补偿方法,上面在讨论电桥的输出特性时，应用了,的近似条件，才得出U0对R1的线性关系，当R1过大而不能忽略时，桥路输出电压将存在较大的非线性误差。,全等臂四分之一电桥输出电压,非线性误差为,对于一般应变片来说，所受应变通常在510-3以下，若取KU2，则,计算得非线性误差为0.5；若KU130，110-3时，,则得非线性误差为6，故当非线性误差不能满足测量要求时，必须予以消除。,一般消除非线性误差的方法有以下几种： （1）采用差动电桥,半桥差动电桥,U0与（R1/R1）呈线性关系，

7、差动电桥无非线性误差，而且电压灵敏度比使用一只应变片提高了1倍，同时可以起到温度补偿的作用。,若将电桥四臂接入四片应变片，如图所示，即两个受拉、两个受压，将两个应变符号相同的接入相对臂上，则构成全桥差动电路。若满足,则输出电压为,全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电桥灵敏度是单臂工作时的4倍，同时仍具有温度补偿作用。,调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。,电桥常见连接形式：,半桥单臂,半桥双臂,全桥,产生非线性的原因之一是在工作过程中通过桥臂的电流

8、不恒定，因此，有时用恒流源给桥路供电。采用恒流源比采用恒压源的非线性误差减小一倍。一般半导体应变片的桥路都采用恒流源供电。,(2) 采用高内阻的恒流源电桥,2. 交流电桥,（1） 交流电桥的平衡条件,Z1、Z2、Z3、Z4为复阻抗，,为交流电桥电压源，开路输出电压为,电桥平衡,则有,由于电桥电源为交流电源，应变片引线分布电容使得两个桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两个应变片各并联了一只电容,对全等臂电桥，上式即为R1=R2=R3=R4 和 C1=C2,（2） 交流电桥的输出特性,设交流电桥的初始状态是平衡的，当工作应变片R1改变R1后，使Z1变化了Z1,对这种交流电容电桥，除要满足电阻平衡条

9、件外，还必须满足电容平衡条件。为此在桥路上除设有电阻平衡调节外还设有电容平衡调节。,（三）电阻应变片的温度误差及其补偿,1. 温度误差及其产生原因,（1）电阻温度系数的影响,Rt温度为t时的电阻值； R0温度为t0时的电阻值； 敏感栅材料的电阻温度系数； t温度的变化值，ttt0； Rt温度变化t时电阻的变化。,将温度变化t时的电阻变化折合成应变t，则,（2）试件材料和敏感栅线膨胀系数不同的影响,当被测试件与敏感栅材料的线膨胀系数相同时，不论环境温度如何变化，敏感栅不会产生附加变形。 当试件材料和敏感栅线膨胀系数不同时，由于环境温度变化，敏感栅产生附加变形，从而产生附加电阻。,如果在试件上粘贴

10、一段电阻丝，设电阻丝和试件在温度t0时长度均为L0，线膨胀系数分别为s和g，若两者不粘贴，则它们的长度分别为,如果s和g不相等，则Ls和Lg也不相等，当两者粘贴在一起时，电阻丝会产生附加变形L，附加应变和附加电阻变化Rt，分别为,由于温度变化而引起应变片总电阻相对变化量为,折合成附加应变量或虚假应变t，有,2. 温度误差补偿方法,（1）桥路补偿法,当被测试件不承受应变时，由于R1和R2处于同一温度t0的温度场中，并且R1R2、R3R4，所以有,当温度变化ttt0时,全桥的温度补偿原理,当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；

11、半桥也同样能克服温漂。,（2）应变片自补偿法,单丝选择式自补偿,当被测试件的线膨胀系数g已知时，如果合理选择敏感栅材料，即选择电阻温度系数、灵敏度系数K和线膨胀系数s，使式成立，则不论温度如何变化，均有Rt/R00，从而达到温度自补偿的目的。, 双丝组合式自补偿,利用两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到在一定材料的试件上和在一定温度范围内实现温度补偿。,利用适当的布片和组桥方式消除温度变化和复合载荷作用的影响，获得最大的输出灵敏度。 1）应变片应布置在弹性元件产生应变最大的位置，并沿主应力方向贴片；贴片处的应变尽量与外载荷呈线性关系（避开非线性区），同时应

12、注意使该处不受非待测载荷的干扰影响。 2）选择适当的接桥方式，可以使输出的灵敏度最大，同时又能排除非待测载荷的影响并进行温度补偿。,（四） 电阻应变片的布置,应变片的粘贴： 1. 去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡 。,3.测量 ：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,4.焊接： 将引线和端子用烙铁焊接起来，

13、注意不要把端子扯断。,5.固定： 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,应变片的主要参数,4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应变计的原始电阻值。,3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,（五）弹性元件,1. 弹性元件的概念,物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状，称为变形。如果外力去掉后完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性形变。具有弹性形变特点的元件称为弹性元件。,当弹性敏感元件受压(拉)力时，内部横截面之间的相互作用力称为内力，

14、记为N，单位是N。 弹性敏感元件单位横截面S(单位为mm2)上所受的力称为应力，记为,在材料的弹性范围内，/为常数，称为弹性模量，记为E,拉压虎克定律为,2. 弹性元件的特性,（1） 刚度,刚度是弹性元件在外力作用下变形的量度,弹性特性曲线上某点A处的刚度：,（2） 灵敏度,灵敏度是弹性元件在单位力作用下产生变形的大小。柔度，它是刚度的倒数,（3） 弹性滞后,实际的弹性元件在加、卸载的正反行程中曲线不重合的现象,（4） 弹性后效,当载荷从某一数值变化到另一数值时，弹性变形不是立即完成相应的形变，而是经过一定时间间隔逐渐完成变形的，这种现象称为弹性后效,3. 对弹性元件材料的要求,（1）弹性滞后

15、和弹性后效要小。 （2）弹性模量的温度系数要小。 （3）线膨胀系数要小并且稳定。 （4）有良好的机械加工处理性能。 （5）特殊条件下，要求耐腐蚀，并且有良好的导电性或较高的绝缘性,4. 弹性元件的结构形式,（1） 变换力的弹性元件,所谓变换力的弹性元件，是指输入量为力F、输出量可以是应变或位移的弹性元件。在力的作用下，位移很小时，往往用应变作为输出量,（2）变换压力的弹性元件,指将气体和液体等的压力转换为位移或应变的弹性元件,（六） 应用实例,柱式力传感器,2.梁式力传感器,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应

16、变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,电阻应变式传感器的应用：测力,2,应变式力传感器,F,F,F,F,各种悬臂梁,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,二

17、、压阻式传感器,固体受到力的作用后，其电阻率(或电阻)就要发生变化，这种现象称为压阻效应。压阻式传感器分为两种类型 ：粘贴型 、扩散型,（一）工作原理,粘贴型压阻式传感器,金属材料，起主要作用的是应变效应，即L/L和S/S两项,半导体，尺寸的变化率很小 ，电阻率变化率较大，故半导体电阻的变化率主要是由/一项引起的,如果引用,L为压阻系数，为应力,对金属材料，LE有时可忽略不计，而泊松系数0.250.5，故近似的有KUK1212,对半导体，12可忽略，压阻系数 弹性模量,优点：对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率 会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍;体积小; 缺点：温度稳定性

18、和可重复性不如金属应变片。,2.扩散型压阻式传感器,利用半导体扩散技术，将P型杂质扩散到一片N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层，装上引线后，即形成扩散型半导体应变片,（二）转换电路及温度补偿,恒压源供电,在压阻式传感器基片上扩散出的四个电阻如何连接才能输出与被测量成比例的信号呢?通常是将阻值增加的两个电阻对接，阻值减小的两个电阻对接，使电桥的灵敏度最大。,如果RT0，即没有温度影响，,2.恒流源供电,假设电桥两个支路的电阻相等,电桥的输出与电阻的变化量成正比，即与被测量成正比，当然也与电源电流成正比 ，不受温度影响,第二节 电容式传感器,电容式传感器是将被测物理量转换为电容变化的一种转换装

19、置,一、基本工作原理与分类,、S或l发生变化时，都会引起电容的变化。,可分为变极距型、变面积型和变介质型三类,当动极板受被测物体作用引起位移时，改变了两极板之间的距离l，从而使电容量发生变化。,（一）变极距型电容式传感器,间距l0减少l时，则电容量为,当,时，略去高次项,单一极距变化型电容式传感器的非线性误差为,传感器灵敏度,灵敏度与 成反比，极距越小，灵敏度越高。实际使用时，总是使初始极距l0尽量小些，以提高灵敏度，减小非线性误差，但这也带来了变极距式电容器的行程较小的缺点。,一般电容式传感器的起始电容在2030pF之间，极板距离在25200 m的范围内，最大位移应该小于间距的1/10,为提

20、高灵敏度，减少非线性误差，克服外界因素的影响，常采用差动式电容传感器。,若位移量l很小，且,差动电容式传感器的非线性误差为,灵敏度,图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。图c是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积S就减小，因而电容量也随之减小。,（二）变面积型电容式传感器,1. 平板式直线位移电容传感器,用来测量直线位移和角位移,灵敏度,2.圆柱式直线位移电容传感器,灵敏度,3. 角位移式电容传感器,设两半圆重合时，

21、电容量为,极板2转过时，电容量变为,变面积式电容传感器不论被测量是线位移还是角位移，位移与输出电容都为线性关系(忽略边缘效应)，传感器灵敏度系数为常数。,（三）介质变化型电容式传感器,厚度为l2的介质（介电常数为2）在电容器中移动时，电容器中介质的介电常数(总值)改变使电容量改变，于是可用来测量位移x。有C=CA+CB，l=l1+l2，无介质2时，,当介质2移进电容器中x长度时,A是常数，电容量C与位移量x成线性关系。,灵敏度,表2-1 几种介质的相对介电常数,根据表2-1，分析不同介质对变介电常数电容器的影响。在电容器两极板间插入干的纸和潮湿的纸时，哪一种情况下的电容量大？,二、测量电路,（

22、一）交流电桥（调幅电路）,C1和C2以差动的形式接入相邻两个桥臂，另两个桥臂可以是电阻、电容或电感，也可以是变压器的二个次级线圈。,Z1与Z2是耦合电感，这种电桥的灵敏度和稳定性较高，且寄生电容影响小，简化了电路屏蔽和接地，适合于高频工作，已广泛应用。,当交流电桥处于平衡位置时，电容传感器起始电容量C1与C2相等，两者容抗相等,交流电桥输出电压U0的频率按频率不变的原则，与电源电压E的频率相同。输出电压U0的幅值与被测量成正比，这种电路又称做调幅电路。,电容传感器工作在平衡位置附近，有电容变化量输出时C1C2，则Z1Z2，,传感器没有工作时空载输出电压为,工作时,（二）运算放大式电路,将电容式

23、传感器作为电路的反馈元件接入运算放大器。,电路要求电源电压稳定，固定电容量稳定，并要放大倍数与输入阻抗足够大。,（三）调频电路,这种电路是把电容传感器作为振荡器电路的一部分，当被测量变化而使电容量发生变化时，能使振荡频率发生相应的变化。由于振荡器的频率受电容传感器的电容调制，故称为调频电路。但伴随频率的改变，振荡器输出幅值也往往要改变，为克服后者，在振荡器之后再加入限幅环节。虽然可将此频率作为测量系统的输出量，用以判断被测量的大小，但这时系统是非线性的，而且不易校正。因此在系统之后可再加入鉴频器，用以补偿其他部分的非线性，使整个测量系统线性化，并将频率信号转换为电压或电流等模拟量输出至放大器进

24、行放大。,电容式传感器尚未工作时，则CxC0即为传感器的初始电容值，,f0常选在1MHz以上。,当传感器工作时，CxC0C,三、电容式传感器的应用,（一）位移的测量,（二）电容式压力传感器,美国西特（setra）267压力传感器,（三）湿敏电容,利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。,湿敏电容外形,吸水高分子薄膜,湿敏电容模块及传感器外形,（四）电容式接近开关,电容式接近开关属于一种具有开关量输出的位置传感器，它的测量头通常是

25、构成电容器的一个极板，而另一个极板是物体的本身，很象“打开的”电容器电极，该两个电极构成一个电容，串接在LC振荡回路内。,电源接通时，C振荡器不振荡，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，电容器的容量增加，振荡器开始振荡。通过后级电路的处理，将信号转换成开关信号，从而起到了检测有无物体存在的目的，该传感器能检测金属物体，也能检测非金属物体，对金属物体可以获得最大的动作距离，对非金属物体动作距离决定于材料的介电常数，材料的介电常数越大，可获得的动作距离越大。,工作流程方框图,检测距离：110毫米 被检测物：25X25X1毫米 响应频率：50HZ 工作电压：1036V直流 工作电

26、流：小于10毫安 输出驱动电流：300毫安 温度范围：2570度,M18电容式接近开关（NPN三极管驱动输出）,这是一种电容接近开关，主要用于检测非金属物，被广泛应用到颗粒料位仪、人体接近开关等用途，它的直径为18毫米，固定时只要在设备外壳上打一个18毫米的园孔就能轻松固定，长度约70毫米，背后有工作指示灯，当检测到物体时红色LED点亮，平时处于熄灭状态，非常直观，引线长度为100毫米。,电容式接近开关外形,齐平式,非齐平式,非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。,全密封防水式,远距离式（大量程）,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示,不同材料的

27、非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响,电容式电子清纱器,（三）电容式条干仪,理想情况下两平行板间具有均匀电场，填入其中的圆形纱条可等效成面积为A，厚度为b的长方体，两者体积相等,填有纱条的平行板电容C可等效成由介质为空气的电容Ca与介质为纤维材料的电容Cf相串联,，为极板间介质既含空气又含纤维材料时的相对介电常数；,，a为空气的相对介电常数，a1；,，f为纤维材料的相对介电常数。,当无纱条即介质全为空气时，平行极板间的电容为,填入纱条后平行极板间的电容为,表示将纱条放入测量槽后，传感器检测电容量的相对变化率,一方面与（测量槽内的纤维量）有关，另一方面又与纤维材料的相对介电常数f有关。当相当小时（一般小于0.10），可近似表达为,电容传感器的电容增量C与成正比，也即C与测量槽内填入的纤维量成正比。,曲线,2.测量电路,k1由电桥参数决定的常数,再见,