第6次课 机械、电阻式传感器及电桥、运算放大器

本章学习要求：1、掌握各种电阻式传感器的结构特点及工作原理。2、掌握各类电感式传感器的构成、结构特点、工作原理及特性。3、掌握各种电容式传感器的结构和工作原理，熟悉电容式传感器的绝缘及屏蔽等保护 措施 《全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观全国民用建筑工程设计技术措施》规划•建筑•景观软件质量保证措施下载工地伤害及预防措施下载关于贯彻落实的具体措施 。4、掌握半导体传感器的结构和工作原理，并能进行相应的动力学分析。5、掌握压电式传感器的工作原理，熟悉压电式传感器的工作特点。6、掌握光纤传感器的工作原理。7、学会各种传感器的选择及使用方法。第三章常用传感器与敏感元件一、传感器概述1.传感器定义传感器是能将所感受到的物理量（如力，热，光，声等）转换成便于测量的量（一般是电学量）的一类元件。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。物理量(非电量)电量传感器2.传感器的作用（1）它相当于我们的感觉器官被测物理量进行转换成易测或易传输的信号（2）是人类感官的延伸：热电偶测量高温测量仪器与被测事物之间的接口（3）传感器技术曾是20世纪90年代的关键技术之一，是生产过程自动控制和智能化的重要因素。3.传感器的分类(1)按被测物理量分类:(2)按传感器工作原理分类:(3)按信号变换特征:(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:(5)按输出信号分类：位移,力,温度等.机械式,电气式,光学式,流体式等.物性型,结构型.能量转换型和能量控制型.模拟式,数字式.A物性型与结构型传感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如:水银温度计,压电测力计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.B能量转换型和能量控制型传感器能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变计中电阻接入电桥上，电桥工作能源由直流电源或交流电源供给，而由被测量变化（如力、压力）引起应变片电阻变化来控制电桥输出。4.常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声;磁:磁通,磁场;温度:温度,热量,比热;光：亮度，色彩;湿度二、机械式传感器1、机械式传感器：将被测量如力、压力、温度等物理量变换为机械量（弹性元件本身的弹性变形）输出的传感器。典型应用例子有：用于测力或称重的环形测力计、弹簧秤等；用于测量流体压力的波纹膜片、波纹管等；用于温度测量的双金属片等。a)测力计b)压力计c)温度计优点：机械式传感器做成的机械式指示仪表具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点。缺点：但弹性变形不易大，以减小线性误差。此外，由于放大和指示环节多为机械传动，不仅受间隙影响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。敏感元件（弹性体）机械放大指示系统输入量输出量弹性变形力压力温度…...输出2、机械式传感器的特点3、选择与应用为了提高测量的频率范围，可先用弹性元件将被测量转换成位移量，然后用其他形式的传感器（如电阻、电容式等）将位移量转换成电信号输出。弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象。材料的蠕变（蠕变：应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。它与塑性变形不同，塑性变形通常在应力超过弹性极限之后才出现，而蠕变只要应力的作用时间相当长，它在应力小于弹性极限时也能出现。）与承载时间、载荷大小、环境温度等因素有关；而弹性后效[加载（或卸载）后经过一段时间应变才增加（或减小）到一定数值的现象。弹性后效发生在弹性蠕变之后，二者都是在弹性范围内表现出应变的弛豫现象，统称为滞弹性。]与材料应力—松弛和内阻尼等因素有关。这些现象最终都会影响到输出与输入的线性关系。故选用弹性元件时，应从结构设计、材料选择和处理工艺等方面采取有效措施。微型探测开关--机械传感器,在自动检测、自动控制技术中广泛应用。这种开关能把物体的运动、位置或尺寸变化，转换为接通、断开信号。三、电阻式传感器定义：电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。按工作的原理可分为:变阻器式和电阻应变式。它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。1、变阻器式传感器（电位计式传感器）（1）直线位移型变阻器式当导线分布均匀时，为一常数。此时传感器的输出（电阻）与输入（位移）呈线性关系。1）分类x（2）角位移型变阻器式当导线分布均匀时，ka为一常数。此时传感器的输出（电阻）与输入（位移）呈线性关系。kα—单位弧度对应的电阻值传感器灵敏度（3）非线性变阻器式传感器变阻器式传感器的后接电路，一般采用电阻分压电路。在直流激励电压u0作用下，该传感器将位移变成输出电压的变化。x（4）等效电路分析132xxp312x-电刷移动量。Rp-总电阻;xp-变阻器总长;RL负载电阻;优点：结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出—输入间任意函数关系；(4)输出信号大，一般不需放大。缺点：(1)因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。2）变阻器式传感器的优、缺点:3）变阻器式传感器的应用变阻器式传感器常用来测量位移、压力、加速度等参量。用变阻器式传感器制作的位移传感器的结构图如下图所示。被测位移使测量轴沿导轨轴向移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻式电桥的两个桥臂，构成电桥测量电路。案例：电位器式压力传感器原理原理用压力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化。案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化金属电阻应变片、半导体应变片2、电阻应变式传感器--应变片应变片种类：1）金属电阻应变片——金属丝式、箔式横向效应：电阻丝的电阻会因横向缩短的作用而减小，从而给测量带来误差，这种效应被称为横向效应。①金属丝式：如右图所示其缺点是：各片之间电阻值相差较大，横向效应较大1-基片；2-电阻丝；3-覆盖片；4-引线其性能要大大优于丝式应变片，其电阻值的偏差很小，横向效应也大大低于丝式应变片；且可以作成特殊形式，因此得到了广泛的应用。2）半导体应变片优点：灵敏度高、体积小、机械滞后小及横向效应几乎为零等；缺点：温度稳定性差。金属箔式应变片半导体应变片②金属箔式应变片：应变片的电阻R为工作原理1）金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应。一般用Sg=(dR/R)/ε表征电阻应变片的灵敏度。则得到由由上可知，由应力引起的金属材料的电阻变化是由两个因素所决定的：一受力后材料的几何尺寸变化所引起的(1+2v)ε项；二电阻变化率所引起的。对于大多数作为应变金属丝的材料来说，在其弹性范围内，(1+2v)为常数，即Sg（常数）=（1.7～3.6）。即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。该式表示金属导体的电阻变化率与应变成线性关系。2）半导体电阻应变片的工作原理是压阻效应。所谓压阻效应是指沿半导体材料的某一轴向施加一定的作用力而产生应变时，它的电阻率随应力变化而变化的一种效应。即：代入可得：可知，半导体材料的电阻变化同样是由两个因素所决定的：一同样为尺寸变化所致；二为半导体材料的压阻效应所引起。而且λE>>(1+2v),因此半导体材料的Sg≈λEε可见半导体材料的应变电阻效应主要取决于压阻效应。1)金属应变计优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.应用2)半导体应变计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。二者区别：金属电阻应变计利用导体形变引起电阻的变化。半导体应变片利用半导体电阻率变化（压阻效应）引起电阻的变化。由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定在振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹簧”，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。3）加速度传感器图中给出应变式力传感器的弹性敏感元件和粘贴在弹性敏感元件上的应变片。a柱形弹性元件b圆环形弹性元件c两端固支梁弹性元件d等强度悬臂梁弹性元件图中给出应变式压力传感器的弹性敏感元件和粘贴在弹性敏感元件上的应变片。应变式压力传感器原理a平膜片式弹性元件b圆筒形弹性元件c膜片-圆筒形式弹性元件12345应变式传感器测量电路应变式传感器弹性元件上粘贴的应变片绝大多数都是金属应变片，由于它的灵敏度系数很小（k≈2），即使弹性元件受力后产生的应变达到1000uε,此时应变片电阻值的相对变化（△R/R=kε）也不过才0.2%。如果应变片电阻值R=120Ω，则该应变片电阻的绝对变化量△R=0.24Ω。电桥电路作用：可将应变片的电阻变化转化为电桥输出电压或电流的变化，电桥的输出可直接记录或显示，也可以输入到放大器进行放大处理后再记录。对这样小的电阻变化量，用一般的仪表是很难准确测量的，必须通过专门的测量电路来解决，而最常用的测量电路是电桥电路。作业：P1263-3、3-4。