测试技术_传感器原理

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1、汪陈芳汪陈芳 合肥工业大学合肥工业大学 2015.03.162015.03.16 热能与动力机械测试技术 传感器的基本类型及其工作原理 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 电阻式传感器电阻式传感器 第三节第三节 电感式传感器电感式传感器 第四节第四节 电容式传感器电容式传感器 概述 国家标准国家标准GBGB76657665- -20052005对传感器下的定义是：对传感器下的定义是：“能能 感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号感受被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的的 器件或装置器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成通常由敏感元件和转换元件组成”。 传感器是一种检测装置，能感

2、受到被测量的信息传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息 ，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电 信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输 、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现 自动检测和自动控制的首要环节自动检测和自动控制的首要环节。 概述 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成 另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 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。

3、 概述 发展的特点与趋向：采用电测仪表测定非电量发展的特点与趋向：采用电测仪表测定非电量 电测法具有下述优点：电测法具有下述优点： 集中检测、控制和远距离测量集中检测、控制和远距离测量； 惯性小且无摩擦，适于测量动态过程；惯性小且无摩擦，适于测量动态过程； 测量、调节和控制设备之间最方便可靠的联系形式，使测量、调节和控制设备之间最方便可靠的联系形式，使 连续测量、自动记录、自动调节或控制成为可能；连续测量、自动记录、自动调节或控制成为可能； 测量的准确度和灵敏度高，测量范围大；测量的准确度和灵敏度高，测量范围大； 可以进行数学运算，并能指示、记录和存储最后结果。可以进行数学运算，并能指示、记录

4、和存储最后结果。 概述 分类法分类法型式型式说明说明 基本效应基本效应 化学型化学型 物理型物理型 生物型生物型 采用物理效应进行转换 采用化学效应进行转换 采用生物效应进行转换 构成原理构成原理 结构型结构型 物性型物性型 以转换元件结构参数变化实现信号转换 以转换元件物理特性变化实现信号转换 能量关系能量关系 能量转换型能量转换型 能量控制型能量控制型 输出量直接由被测量能量转换而来 输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制 工作原理工作原理 电阻式电阻式 电容式电容式 电感式电感式 压电式压电式 磁电式磁电式 热电式热电式 光电式光电式 光纤式光纤式 利用电阻参数变化实现信号转换 利用电

5、容参数变化实现信号转换 利用电感参数变化实现信号转换 利用压电效应实现信号转换 利用电磁感应原理实现信号转换 利用热电效应实现信号转换 利用光电效应实现信号转换 利用光纤特性参数变化实现信号转换 输入量输入量 长度、角度、振动、长度、角度、振动、 位移、压力、温度、位移、压力、温度、 流量、距离、速度等流量、距离、速度等 以被测量命名（即按用途分类） 输出量输出量 模拟式模拟式 数字式数字式 输出量为模拟信号（电压、电流、） 输出量为数字信号（脉冲、编码、） 传感器的基本类型及其工作原理 第一节第一节 概述概述 第二节第二节 电阻式传感器电阻式传感器 第三节第三节 电感式传感器电感式传感器 第

6、四节第四节 电容式传感器电容式传感器 电阻式传感器 电阻式传感器电阻式传感器 把被测量转换为电阻变化的一种传感器。把被测量转换为电阻变化的一种传感器。 应用最广、最成熟；应用最广、最成熟； 原理：导体的电阻与导体的材料性能原理：导体的电阻与导体的材料性能( (电阻率电阻率) )、导体的尺寸、导体的尺寸( ( 如长度、横截面积如长度、横截面积) )及导体的温度等因素有关，将物理量的变及导体的温度等因素有关，将物理量的变 化转换为敏感元件的电阻值的变化；化转换为敏感元件的电阻值的变化； 按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏

7、式、电敏式；式、电敏式； 可以测量位移、形变、力、加速度、温度、湿度等。可以测量位移、形变、力、加速度、温度、湿度等。 电阻式传感器：金属应变式 金属应变式传感器金属应变式传感器 原理：金属导体的原理：金属导体的应变效应应变效应，即金属导体在外力作用，即金属导体在外力作用 下发生机械下发生机械变形变形时，其电阻值随着所受机械变形时，其电阻值随着所受机械变形( (伸长或伸长或 缩短缩短) )的变化而发生变化。的变化而发生变化。 l R A 电阻率电阻率 金属丝的长度金属丝的长度 横截面积横截面积 拉伸或者压缩后 Rl kk Rl 灵敏度系数灵敏度系数 线应变线应变 :RR 电阻式传感器：金属应变

8、式 结构结构 粘合层粘合层1 1、3 3， 基底基底2 2， 盖片盖片4 4， 敏感栅敏感栅5 5， 引出线引出线6 6 制作金属应变片的材料有铜镍合金、镍铬合金、镍铬铝合金、制作金属应变片的材料有铜镍合金、镍铬合金、镍铬铝合金、 铁铬铝合金以及某些贵金属铂和铂钨合金等。它们的灵敏度在铁铬铝合金以及某些贵金属铂和铂钨合金等。它们的灵敏度在 1.73.61.73.6之间，常用的灵敏度为之间，常用的灵敏度为2.082.08。 电阻式传感器：金属应变式 测量电路测量电路 VE R4 R1 R2 R3 V=? 电阻式传感器：金属应变式 2413 1423 ()() R RR R VE RRRR 123

9、4 ,RRRR RRdR给定 2413 1423 ()() 4 4 R RR R VE RRRR E dR R E k V与应变成线形关系 电阻式传感器：金属应变式 应变片的选择、粘贴技术应变片的选择、粘贴技术 目测电阻应变片有无折痕、断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能 粘贴； 用数字万用表测量应变片电阻值大小，同一电桥中各应变片之间 阻值相差不得大于0.5欧； 试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗 贴处，直到棉球无黑迹为止； 应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴胶水，轻轻涂抹均匀，立即 放在应变贴片位置； 焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上； 用兆欧表检查应变片与试件

10、之间的绝缘组织，应大于500M欧； 应变片保护：用硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。 电阻式传感器：金属应变式 优点 由于应变片的尺寸小，重量轻，因而具有良好的动态特性，而且应 变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布没有影响。适用于静态 测量和动态测量。 测量应变的灵敏度和精确度高。 测量范围大，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形，变形范围从 120。 能适应各种环境，可在高（低）温、超低压、高压、水下、强磁场 以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。 缺点 大应变状态下具有较明显的非线性。 输出信号较弱。 优缺点优缺点 应用：测力应用：测力 电阻式传感器：金属应变式 将物品重量通过悬臂梁 转化结构变

11、形再通过应 变片转化为电量输出。 电阻式传感器：金属应变式 冲床生产记数 和生产过程监测 电阻式传感器：金属应变式 用应变片作为敏感元件测量构件的变形时，应变片的电阻变 化与应变之间并非有单值函数关系。 温度变化引起的电阻变化造成电阻应变片的温度误差。 应变片本身电阻随温度的变化 应变丝线胀系数与基底线胀系数不一致，在温度变化时会引起 附加应变。 为此使用时必须采取温度补偿措施，以消除由温度引起的零 漂或虚假信号，以求出仅由载荷作用引起的真实应力。 温度补偿温度补偿 电阻式传感器：金属应变式 应变片的温度误差应变片的温度误差 环境温度改变给测量带来的附加误差环境温度改变给测量带来的附加误差 电

12、阻温度系数的影响电阻温度系数的影响 敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系：敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系： Rt=R0(1+0t) 当温度变化当温度变化t时，电阻丝电阻的变化值为：时，电阻丝电阻的变化值为： R=Rt-R0=R00t 电阻式传感器：金属应变式 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响 当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化 不会产生附加变形不会产生附加变形。若线膨胀系数不同时：环境温度变化若线膨胀系数不同时：环境温度变化， 电阻丝会产生附加变形电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电

13、阻变化从而产生附加电阻变化。 设电阻丝和试件在温度为设电阻丝和试件在温度为0 0时的长度均为时的长度均为l l0 0, , 它们的线它们的线 膨胀系数分别为膨胀系数分别为s和和g，若两者不粘贴若两者不粘贴，则它们的长度分别则它们的长度分别 为：为： ls=l0(1+st) lg=l0(1+gt) 电阻式传感器：金属应变式 当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形l、附加应 变和附加电阻变化R分别为 电阻式传感器：金属应变式 应变片的温度误差应变片的温度误差 因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了除了 与环境温度有关外与环境温度有关外，还与应变

14、片自身的性能参数还与应变片自身的性能参数（K0, 0, s ）以及被测试件线膨胀系数以及被测试件线膨胀系数g有关有关。 电阻式传感器：金属应变式 温度补偿温度补偿 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和 应变片自补偿两大类。 线路补偿法线路补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。 电阻式传感器：金属应变式 A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知， 当R3和R4 为常数时，R1和RB对电桥输出电压U0的作用方向相反。 利用这 一基本关系可实现对温度的补偿。 测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴 在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应

15、变。 当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中 ，调整电桥参数使之达到平衡，此时有（取电阻相等）： 电阻式传感器：金属应变式 应变片自补偿法应变片自补偿法 自身具有温度补偿作用。 合理选择敏感栅材料合理选择敏感栅材料，实现温度自补偿实现温度自补偿 压阻效应压阻效应 半导体材料受到应力作用时，电阻率发生变化。半导体材料受到应力作用时，电阻率发生变化。 实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材 料的这种效应特别强；料的这种效应特别强； 电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料；电阻应变效应的分析公式也适用

16、于半导体电阻材料； 对于金属材料来说，电阻率变化比较小，但对于半导体材料对于金属材料来说，电阻率变化比较小，但对于半导体材料 ，因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要，因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要 是由电阻率变化引起的。是由电阻率变化引起的。 电阻式传感器：半导体压阻式 电阻式传感器：半导体压阻式 图(a)为膜片式半导体压力传感器结构示意图。为接近固定边条件,硅膜片 的边缘较厚,呈杯形,也称为硅杯。在硅膜片上的四个扩散电阻接成电桥。硅 边的内腔与被测压力p相连,杯外与大气相通。若杯外与另一压力源相接,则 可测压差。 图 (b)是一相似结构,不同的是为了减少封装产生的应力对传感器性能的 影响,硅中间体经由进气管与表壳相连