常用的传感器-概述-电阻式.ppt

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1、测试技术基础,第二章 常用的传感器,2,第二章 常用的传感器,测试技术基础,信息产业的三大支柱技术,大脑,神经系统,五官,被誉称为“电五官”,是人类五官的补充和扩展,是现代测试技术、自动化技术的重要基础,3,传感器在检测系统中处于前端，它的性能如何将直接影响整个系统的工作状态与质量。传感器在信息社会中的作用非同一般。,4,本章学习要求：,1、 了解常用传感器的分类方法 2、掌握常用传感器的变换原理 3、了解常用传感器的主要特点及应用,5,第三章 常用传感器,1. 传感器定义,传感器（Sensor/Transducer）是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种

2、信息的装置。 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,电量,第一节 概 述,传感器,6,2. 传感器的构成,传感器一般由敏感元件与转换元件组成。,敏感元件(Sensing element) 是指传感器中能直接感受被测量的部分,转换元件(Transition element) 是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。,第三章 常用传感器,7,应变式压力传感器结构简图,第三章 常用传感器,8,3. 传感器的分类,(1)按被测物理量分类: (2)按工作原理分类: (3)按信号变换特征: (4)按被测量与输

3、出电量之间的关系: (5)按输出信号分:,位移,力,温度等.,电阻式、电容式、磁电式等.,物性型,结构型.,能量转换型和能量控制型.,开关型（二值型）、模拟型和数字型.,第三章 常用传感器,9,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（有源传感器）: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（无源传感器）:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. 例

4、如:电阻式、电容式、电感式.,第三章 常用传感器,10,4. 传感器的基本特性,1）灵敏度 2）线性度 3）重复性 4）稳定性 5）精确度 6）动态特性 7）环境参数,在满足量程的情况下，保证传感器的主要参数性能指标，放宽对次要指标的要求，从而达到高的性价比。,11,5. 传感器的发展趋势,虽然传感器只是一个小小的装置，但它涉及的学科非常广泛，如物理、化学、生物、医学、电子，材料、工艺等等。随着在任何一个领域中研究的深入，都会对传感器的发展起到推进作用。,新材料、新工艺、新效应： 目前发展最迅速的新材料是：半导体、陶瓷、光导纤维、磁性材料和“智能材料”，使众多非电量的测量成为可能。,集成化、多

5、维化、多功能化和智能化 将传感器、微处理器和信号处理电路集成在同一芯片上，结构一般是三维器件，即立体器件。,第三章 常用传感器,12,第二节 电阻式传感器,把被测量转换为电阻变化的一种传感器，是一种能量控制型传感器,3.2 电阻式传感器,其结构简单、易于制造、价格便宜、性能稳定、输出功率大，应用广泛。,13,根据电工理论，一个电导体的电阻值按如下公式变化 ：,导体的三个参数中的一个或多个发生变化，则电阻值将随之变化,3.2 电阻式传感器,14,按工作的原理可分为:电位器式、电阻应变式.,1 电位器式传感器,(1) 工作原理,3.2 电阻式传感器,线绕式电位计：当滑臂触点从一圈导线移动至下一圈时

6、，电阻值的变化是台阶形的，限制了电位器的分辨率。实际中能做到绕线间的密度为25圈/mm，对直线移动式装置来说，分辨率最小为40m，而对一个直径为5cm的单线圈转动式电位计来说，其最好的角分辨率约为0.1。,15,(2) 测量电路分析:,电阻分压电路：,为减小后接电路的负载效应，应使,3.2 电阻式传感器,16,(3) 电位器式传感器的特点,优点：结构简单、性能稳定，输出信号大 缺点： 分辨力不高。因受到电阻丝直径的限制。 噪声大。电刷和电阻元件之间接触面的变动和磨损、 尘埃附着等，都会使电刷在滑动过程中的接触电阻发生不规则变化，产生噪声。 动态响应较差，适合于测量变换较慢的量。,3.2 电阻式

7、传感器,17,(4) 应用,煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数 -电位器-电阻,3.2 电阻式传感器,18,2. 电阻应变式传感器-应变片,导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化。,3.2 电阻式传感器,19,根据应变材料分为金属电阻应变片式与半导体应变片式（压阻式）两类。,工作原理：,电阻值：,3.2 电阻式传感器,对上式进行全微分，并用相对变化量来表示：,20,因此：,是由电阻丝的电阻率随应变的改变引起的。,注意：对金属电阻丝来说， 是很小的，可忽略；对半导体应变片来说， 是很小的，可忽略。这正是两类电阻应变式传感器原理的重要区别。,3.2 电阻式传感器,上

8、式表明，应变与电阻变化率呈线性关系。,21,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。,电阻丝应变片,金属电阻应变片：,常用的电阻材料：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金,灵敏度：,敏感元件是金属丝栅。,常用的结构形式：丝式、箔式,3.2 电阻式传感器,22,箔式应变片,1. 金属箔栅很薄，感受的应力状态与试件表面应力状态更接近 2. 箔材表面积大，散热条件好，所以允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度 3. 箔栅的尺寸准确、均匀，能制成任意形状，扩大了应变片的使用范围,优点：,敏感元件是通

9、过光刻、腐蚀等工艺制成的薄金属箔栅。,缺点：,1. 生产工序较复杂； 2. 引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量。 3. 价格较贵,3.2 电阻式传感器,23,3.2 电阻式传感器,一般市售电阻应变片的标准阻值有60、120、350、600、1000欧等。,通常静态测量时，允许的电流一般规定为25mA，动态测量时可达75100mA，箔式应变片则可更大些。,24,金属电阻应变片的主要特性参数,3.2 电阻式传感器,（1） 灵敏度系数 金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数 表示。当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法

10、对应变片的电阻应变特性重新测定。 实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。即 为金属应变片的灵敏系数。,测量结果表明，应变片的灵敏系数 恒小于线材的灵敏系数 。原因：胶层传递变形失真，同时横向效应也是一个不可忽视的因素。,25,（2） 横向效应 金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变 使敏感栅电阻发生变化，其横向应变 也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化，应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变 作用下，全部纵栅的变形视为,在半圆弧形部分，同

11、时受到 和 作用，在任一小段长度 上的应变由材料力学公式得到,纵栅为n根的应变片共n1个半圆弧横栅，全部变形量为：,26,应变片敏感栅的总变形为：,敏感栅的灵敏系数为 ，则电阻的相对变化为：,横向灵敏系数与纵向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H,由上式，r越小，l越大，则H越小。,即，敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。,横向灵敏系数,纵向灵敏系数,27,（3） 机械滞后 应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。 产生原因：应变片在承受机械应变后，其内部会产生残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受

12、到不适当的变形或者粘结剂固化不充分。,机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。,28,应变计,半导体应变片（压阻式）：,压阻效应指某些半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。,工作原理是基于半导体材料的压阻效应。,灵敏度：,3.2 电阻式传感器,主要类型有： 体型：利用半导体材料的体电阻制成粘贴式的应变片； 薄膜型：利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的基底上而制成； 扩散型：在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量元件。,2

13、9,优点：灵敏度高，机械滞后小，频率响应搞，横向效应小，元件尺寸小. 缺点：温度稳定性差和灵敏度的非线性误差大。,应变计,半导体应变片(压阻式)：,灵敏度：,目前，国产半导体应变片大都采用P型硅单晶制成。,3.2 电阻式传感器,30,金属丝应变片,半导体应变片,利用金属导体形变引起电阻的变化 。一般制作应变片的金属丝的灵敏度S在1.74.0之间，有些工程书上，直接将金属丝应变片的灵敏度S定义为2。,利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。用半导体应变片制成的传感器亦称为压阻传感器。半导体应变片具有很高的灵敏度（是金属丝应变片灵敏度大5070倍 ），但其最大的特点是温度灵敏度高，但非线性严重及安装困

14、难。,3.2 电阻式传感器,31,电阻应变式传感器温度误差及其补偿 （1） 温度误差,二. 电阻丝材料的线膨胀系数 与测试材料的线膨胀系数 不同。,一. 应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数 ：,因环境温度变化引起电阻变化的两个主要因素：,引起的应变为,则虚假应变为：,这就是试件不受外力作用，在温度变化 时，应变片的温度效应。,因此，由温度变化引起的总的电阻相对变化为：,3.2 电阻式传感器,32,（2） 温度补偿（自补偿法和线路补偿法）, 单丝自补偿应变片,由温度变化引起的总的电阻相对变化为,可见，要消除温度变化引起的误差，必须使,即,在选择敏感栅材料时，使其与被测试件之间满足上式即可实

15、现温度自补偿。,该方法结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。,3.2 电阻式传感器,33, 双丝组合式自补偿应变片,由两种不同电阻温度系数（一正一负）的材料串联组成敏感栅，要求两种敏感栅随温度变化产生的电阻增量大小相等，符号相反，以达到一定的温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿。,即,所以，两段敏感栅的电阻大小可按下式选择：,该方法制造时，可以调节两段敏感栅的丝长，以实现对某种材料的试件在一定温度范围内获得较好的温度补偿。,3.2 电阻式传感器,34,电桥输出电压与桥臂参数之间的关系为,当 、 为常数时， 和 对输出电压的作

16、用方向相反，利用这个基本特性实现温度补偿是最常用的补偿方法之一。,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面，称为工作片，图中 R1 ，另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿片，图中R2。在工作过程中，补偿片不承受应变，仅随温度发生变化。, 电路补偿法,式中A-由桥臂电阻和电源电压决定的常数。,当被测试件不承受应变时， R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即,选取：,3.2 电阻式传感器,35,当温度升高或降低时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，由上式可知电桥的输出电压为零，即,若此时有应变作用，只会引起电阻R1发生变化，R2不承受应变。

17、故由前式可得输出电压为,由上式可知，电桥输出电压只与应变有关，与温度无关。,为达到完全补偿，需满足下列三个条件： R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。,3.2 电阻式传感器,36,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度，如图所示的贴法。,构件受弯曲应力,构件受单向应力,3.2 电阻式传感器,37,直接用来测定结构的应变或

18、应力，如为了研究某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用不同形状的应变片，粘贴在构件的选定部位，测得构件的拉、压应力或弯矩等，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的试验数据。 将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件得到与被测量成比例的应变，再由应变片转换为电阻的变化。,电阻式应变式传感器的应用：,注意：电阻应变片必须被粘贴在试件或弹性单元上才能工作。粘合剂和粘合技术对测量结果有直接影响。,3.2 电阻式传感器,38,冲床生产记数 和生产过程监测,电子秤,机械手握力测量,3.2 电阻式传感器,39,应变式传感器包括两个部分：

19、一是弹性敏感元件，利用它将被测物理量（如力、扭矩、加速度、压力等）转换为弹性体的应变值；另一个是应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化。,柱力式传感器 梁力式传感器 应变式压力传感器 应变式加速度传感器 压阻式压力传感器,40,1、柱力式传感器 （适于测量大的载荷）,因此，轴向应变片感受到的应变为（ ）：,圆周方向应变片感受到的应变为（ ）：,弹性元件分为实心和空心两种。实心圆柱可承受较大负荷；空心圆桶横向钢度大，稳定性好。,在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的横向应变，从而构成了差动对。 在与轴线任意夹角的方向，其应变为 ：,载荷,弹性模量,41,2

20、、梁式力传感器（适于测量小载荷）,等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。,这种弹性元件的特点是：其截面按一定的规律变化，当集中力作用在自由端时，距作用力任何距离的截面上应力相等。,梁的固定端宽度为b0，自由端宽度为b，梁长为L，粱厚为h。,因此沿这种梁的长度方向上的截面抗弯模量W的变化和弯矩M的变化成正比。,等强度梁各点的应变值为：,42,3、 应变式压力传感器（主要用来测量液体、气体的压力）,测量气体或液体压力的薄板式传感器，如图所示。当气体或液体压力作用在薄板承压面上时，薄板变形，粘贴在另一面的电阻应变片随之变形，并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。,（b）,（a）,

21、应变式压力传感器,圆形薄板固定形式：采用嵌固形式如图（a）或与传感器外壳作成一体如图 (b)。,应变片,43,根据力学公式，当均匀压力作用在薄板上时：,圆板内任一点的应变值为：,44,对于应力，当 ，即在膜片边缘处径向应力最大，设计薄板时，应注意，此处的应力不应超过允许应力：,对于应变，当 ,在膜片中心位置处，,当 ,在膜片边缘处位置处，,此时切应变最大,此时径向应变最大,当 , 径向应变,综合上述情况，应变片应避开应变为零处，并尽量贴在应变最大的位置,即，一般在圆片中心处沿切向贴两片，在边缘处沿径向贴两片。,45,4、应变式加速度传感器（适于低频振动测量）,由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂

22、梁及贴在梁根部的应变片、基座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。,测量时，根据所测振动体加速度的方向，把传感器固定在被测部位。当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时，悬臂梁自由端受惯性力,F=ma的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，在一定频率范围内，输出信号大小与加速度成正比。,46,5、压阻式压力传感器,压阻式压力传感器广泛用于流体压力、差压、液位等的测量。特别是它的体积小，最小的传感器可为0.8mm，在生物医学上可以测量血管内压、颅内压等参数。,其核心部分是一块圆形硅膜片。在膜片上利用集成电路工艺方法扩散上四个阻值相等的P型电阻。用导线将其构成平衡电桥。膜片的四周用圆硅环固定，其下部是与被测系统相连的高压腔，上部一般可与大气相通。在被测压力P作用下，膜片产生应力和应变。,压阻式压力传感器由于弹性元件与变换元件一体化，尺寸小，其固有频率很高，可以测频率范围很宽的脉动压力。,47,作 业,例题： 2-1 2-4,