传感技术与测控电路应用.ppt

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1、测控电路（含传感器）MEASURING&CONTROLINGCIRCUITANDSENSOR2009天津大学精密仪器与光电子工程学院Ch2电阻式传感器CH2电阻式传感器DCI’R’环境温度T’TRI温度传感器基本原理将被测的非电量转换成电阻值的变化，再由转换电路变成电量输出。主要类型应变式压阻式CH2电阻式传感器应力与应变横截面积A外力F内力F’一、应力σ=(pa或者N/m2)FAF=F’应力：由外力引起的内力集度应力与应变二、应变FF轴向应变ε＝△l/l(1)径向应变γ＝△r/r(2)γ＝-με(μ泊松比)(3)应力与应变

2、二、应力与应变的关系E:杨氏弹性模量σ＝εE应力与应变二、应力与应变的关系A=1cm×1cmF=10kN(1)(2)=485uε(3)一、工作原理横截面：A长度：l半径：r电阻率：ρ横截面：A+△A长度：l+△l半径：r+△r电阻率：ρ+△ρFF§1应变式传感器机械变形满足关系式：γ＝-με(μ泊松比)轴向应变ε＝△l/l径向应变γ＝△r/r一、工作原理§1应变式传感器电阻变化初始阻值(1)相对变化(2)(3)(1+2μ)(4)§1应变式传感器(1+2μ)阻值变化金属导体≈0(1+2μ)≈K(5)一、工作原理§1应变式传感器几

3、何变形电阻率变化(1+2μ)≈K电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种现象称为金属的电阻应变效应。应变式传感器是利用电阻应变效应，将被测物体变形转换成电阻变化的传感器。一、工作原理§1应变式传感器(1+2μ)阻值变化几何变形电阻率变化一、工作原理§1应变式传感器如何应用应变式传感器进行测量？敏感栅一、工作原理§1应变式传感器应变片一、工作原理§1应变式传感器如何应用应变式传感器进行测量？σ＝εE一、工作原理§1应变式传感器如何应用应变式传感器进行测量？金属丝式金属箔式金属薄膜式根据敏感栅分：

4、二、类型与结构§1应变式传感器金属丝式特点：制作简单、成本低廉、使用方便、性能稳定、存在横向效应。二、类型与结构§1应变式传感器特点：（1）可制成复杂形状的敏感栅；（2）与试件接触面积大，粘结与散热性好；（3）横向效应小；（4）电阻值分散性大。金属箔式二、类型与结构-----§1应变式传感器（1）机械性能发生极大的改变；（2）无需与基体粘贴，消除滞后；（3）适于批量生产；（4）允许电流密度大，灵敏系数大，温度影响小；利用薄膜技术制成厚度小于0.1um的薄膜敏感栅。特点：金属薄膜式二、类型与结构§1应变式传感器1、灵敏系数（1）

5、与金属材料有关，常选用K较大的合金材料；(1+2μ)≈KK称为灵敏系数，k＝(1+2μ)，一般为2左右（2）实际的金属应变片比金属丝的K值小.三、特性指标§1应变式传感器2、机械滞后原因：主要是敏感栅、基底和粘合层在承受机械应变后所留下的残余变形所造成的。应变片安装在试件上，在一定温度下，其加载特性与卸载特性不重合，它们的最大差值称为应变片的机械滞后。三、特性指标§1应变式传感器3、零漂和蠕变粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。三、特性指标§1应变式传感器如果在

6、一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的蠕变。蠕变中包含零漂，零漂是蠕变的特例。3、零漂和蠕变三、特性指标§1应变式传感器4、横向效应△R1△R2弯成敏感栅以后，长度不变，但由于弧段的存在，△R1>△R2,所以灵敏系数k减小，这种现象就是横向效应。三、特性指标§1应变式传感器5、其他特性（1）最大工作电流；（2）绝缘电阻；（3）电阻值R.如何选择这些参数？三、特性指标§1应变式传感器三、特性指标§1应变式传感器A=1cm×1cmF=10kN应变片：标称电阻R＝120Ω灵敏度系数K＝212

7、0×2×485×10－6＝0.12Ω0.1%（1）金属导体≈0(1+2μ)（2）半导体《(1+2μ)阻值变化几何变形电阻率变化一、工作原理§2压阻式传感器半导体这个式子表达的现象称为压阻效应，即半导体材料受力作用时，电阻率发生变化。压阻式传感器就是利用压阻效应工作的。一、工作原理§2压阻式传感器1、粘贴式2、扩散型一、工作原理§2压阻式传感器灵敏系数Kb＝60～150，灵敏系数特别大，这是压阻式传感器的突出特点；不存在横向效应半导体材料的导电特性对温度非常敏感。阻值变化：＝Kb一、工作原理§2压阻式传感器被测量X△R电流I电压

8、U传感器转换电路直流电桥转换电路交流电桥§3转换电路UoR2R3R4R1CBDA一、直流电桥§3转换电路平衡时：UB=UDUAB=UADUBC=UDCI1=IAB=IBCI2=IAD=IDCI1R1=I2R3I1R2=I2R4条件：R4/R3=R2/R1UoR2R3R4R1C