现代检测技术导论-3 电参量检测

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1、现代检测技术导论现代检测技术导论第三章电参量检测电参量检测系统的工作原理l电参量检测系统中的传感器属于能量控制型传感器，传感器需要外加电源才能工作。l工作原理：先由转换元件将被测量转换为电参量（电阻、电感、电容等），然后由转换电路进一步转换为电压或电流信号后输出。l主要有电阻式、电感式和电容式等。3.1电阻式传感器3.2电感式传感器3.3电容式传感器l电阻式传感器是通过转换元件将被测量转变为电阻值，通过转换电路将电阻值转换为电信号，通过测量电信号达到测量非电量的目的。l主要有电位器式、电阻应变式、压阻式、热电阻式、磁电式、光敏电阻式等l可以用来测量位移、形变、压力、加速度、温度等3.1 电阻式

2、传感器3.1.1电位器式传感器l把机械位移转换成与其成一定函数关系的电阻把机械位移转换成与其成一定函数关系的电阻l可用于测量线位移、角位移和液位等可用于测量线位移、角位移和液位等l结构：结构：电位器由电阻器和电刷两部分组成电位器由电阻器和电刷两部分组成l原理：原理：当电刷触电当电刷触电C在电阻器在电阻器RAB上移动时，上移动时，AC间的间的阻值会发生变化。且阻值会发生变化。且RAC与触点的直线位移或角位移成与触点的直线位移或角位移成一定的函数关系。一定的函数关系。 xfRLLRRABABACACx xLUxfRURRUUUABACABACxl特点：特点：结构简单、受环境因素（温湿度、电磁干扰等

3、）影响结构简单、受环境因素（温湿度、电磁干扰等）影响小、稳定性好、输出信号大小、稳定性好、输出信号大易于达到较高的线性度和实现各种非线性特性易于达到较高的线性度和实现各种非线性特性特性曲线呈阶梯状特性曲线呈阶梯状阶梯误差、分辨率低、耐磨性差阶梯误差、分辨率低、耐磨性差l由弹性元件、电阻应变片和测量电路构成l当弹性元件感受到被测量（力）时，其表面产生形变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的阻值随之发生变化，通过电桥进一步将电阻的变化转换为电压或电流的变化l通过检测电压或电流的变化实现测量的目的3.1.2 应变式传感器l应变电阻效应：导体或半导体在受到外界力（拉力应变电阻效应：导体或半导体在受到外界

4、力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，机械形变会导致或压力）作用时，产生机械形变，机械形变会导致阻值的变化，这种因形变使阻值发生变化的现象称阻值的变化，这种因形变使阻值发生变化的现象称为为“应变电阻效应应变电阻效应”00KllKRRSSllRRSLR应变片的基本结构l金属应变片主要有丝式、箔式等金属应变片主要有丝式、箔式等l箔式电阻应变片箔式电阻应变片采用照相制版或光刻腐蚀技术，将电阻箔材（采用照相制版或光刻腐蚀技术，将电阻箔材（1-10um）制在绝缘基地上制成，易于批量制造）制在绝缘基地上制成，易于批量制造传递应变性能好、横向效应小、散热性能好、允许通传递应变性能好、横向效应小、散热性能好、

5、允许通过电流大过电流大l电阻应变片的测量电阻应变片的测量l电桥平衡条件电桥平衡条件 当当R1R4=R2R3， 即即R1/R2=R3/R4时时 电桥处于平衡状态，电桥处于平衡状态， U0=0l不平衡电桥的工作原理不平衡电桥的工作原理当当4个桥臂均接入应变片，且都有变化时个桥臂均接入应变片，且都有变化时当当R1=R2=R3=R4=R时时因为因为Ri Ri ，忽略高阶增量，忽略高阶增量单臂桥：单臂桥： R1为应变片，为应变片，R2 、R3、R4为固定电阻为固定电阻差动半桥：差动半桥：R1、R2为应变片，为应变片，R3、R4为固定电阻为固定电阻 R1受拉，受拉， R2受压受压差动全桥：差动全桥：R1、

6、R2 、R3、R4均为应变片均为应变片 R1 、R4受拉，受拉， R2 、R3受压受压l温度误差和补偿温度误差和补偿l产生温度误差的因素：电产生温度误差的因素：电阻温度系数，材料热膨胀阻温度系数，材料热膨胀l温度补偿可分为自补偿和温度补偿可分为自补偿和电桥补偿法电桥补偿法电桥补偿法电桥补偿法R1和和RB为特性一致的应变为特性一致的应变片，其中，片，其中， R1为工作应变为工作应变片，片，B为补偿应变片，他们为补偿应变片，他们处于同一温度场中，且仅处于同一温度场中，且仅R1承受应变。承受应变。当温度变化当温度变化T时，时， R1和和RB因温度变化引起的阻值变因温度变化引起的阻值变化相同，电桥仍处

7、于平衡状态化相同，电桥仍处于平衡状态若此时有应变若此时有应变，则工作应变片电阻，则工作应变片电阻R1有新的增量有新的增量R1 R1K，而补偿应变片不承受应变，电阻不变，而补偿应变片不承受应变，电阻不变，则电桥的输出为：则电桥的输出为：可见，电桥输出只与轴向应变可见，电桥输出只与轴向应变有关，而与温度变化有关，而与温度变化无关。无关。l电阻应变片式传感器的应用电阻应变片式传感器的应用l结构形式：柱式、悬臂梁式等结构形式：柱式、悬臂梁式等l柱（筒）式力传感器柱（筒）式力传感器布片：布片：围绕柱（筒）轴线均匀分布，纵向横向各贴围绕柱（筒）轴线均匀分布，纵向横向各贴4片应变片片应变片组桥：组桥：纵向对

8、称的纵向对称的R1和和R3串联串联，R2和和R4串联，横向的串联，横向的R5和和R7串联串联，R6和和R8串联，并置于电桥相对桥臂上串联，并置于电桥相对桥臂上纵向对称两两串接为了减小偏心载荷和弯矩的影响，纵向对称两两串接为了减小偏心载荷和弯矩的影响，横向贴片作温度补偿用横向贴片作温度补偿用l悬臂梁式力传感器悬臂梁式力传感器R1和和R2贴在悬臂梁的上表面，贴在悬臂梁的上表面，R3和和R4贴在悬臂梁的下贴在悬臂梁的下表面表面接成全桥时，接成全桥时， R1和和R2接在对边，接在对边， R3和和R4接在对边接在对边l金属电阻应变片性能稳定、测量精度高，但灵敏度系金属电阻应变片性能稳定、测量精度高，但灵

9、敏度系数低、阻值小数低、阻值小l半导体应变片灵敏度系数是金属应变片的几十倍，在半导体应变片灵敏度系数是金属应变片的几十倍，在微变测量中应用广泛微变测量中应用广泛l半导体应变片的工作原理是基于半导体的压阻效应半导体应变片的工作原理是基于半导体的压阻效应l压阻效应：半导体材料受到应力作用时，其电阻率会压阻效应：半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为发生变化，这种现象称为“压阻效应压阻效应”l半导体应变片的特点：半导体应变片的特点： 优点：灵敏度系数大，横向效应和机械滞后小优点：灵敏度系数大，横向效应和机械滞后小 缺点：非线性大，温度稳定性差缺点：非线性大，温度稳定性差3.1.3

10、 压阻式传感器l测量电路与温度补偿测量电路与温度补偿4片应变片组成全桥片应变片组成全桥其中，一对对角电阻受拉，另一对对角电阻其中，一对对角电阻受拉，另一对对角电阻受压，电桥输出电压最大受压，电桥输出电压最大l电桥供电采用恒压源或恒流源电桥供电采用恒压源或恒流源对于恒压源对于恒压源设设4个桥臂由于应变引起的电阻变化为个桥臂由于应变引起的电阻变化为R，由于温度，由于温度变化引起的电阻变化为变化引起的电阻变化为Rt， 桥路输出受到环境温度变化的影响，但由于桥路输出受到环境温度变化的影响，但由于Rt R，影响甚微影响甚微对于恒流源对于恒流源 桥路输出与电阻的变化成正比，与恒流源的电流成正比，桥路输出与

11、电阻的变化成正比，与恒流源的电流成正比，与温度无关，消除了环境温度的影响与温度无关，消除了环境温度的影响l半导体电阻式传感器的应用半导体电阻式传感器的应用l压阻式气体压力传感器压阻式气体压力传感器核心是一块圆形硅膜片，膜片四周用一个圆环（硅杯核心是一块圆形硅膜片，膜片四周用一个圆环（硅杯）固定）固定在膜片上利用集成电路工艺制作在膜片上利用集成电路工艺制作4个阻值相等的电阻个阻值相等的电阻，用低阻导线连接成平衡电桥，用低阻导线连接成平衡电桥膜片两边有两个压力腔，一个是与被测系统相连的高膜片两边有两个压力腔，一个是与被测系统相连的高压腔，一个是与大气相通的低压腔压腔，一个是与大气相通的低压腔当膜片