测试技术复习ppt教材

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1、第2章 常 用 传 感 器 第2章 常 用 传 感 器 2.1 概述 2.2 能量控制型传感器 2.3 能量转换型传感器 2.4 磁敏传感器 2.5 光敏传感器 2.6 湿、气敏传感器 2.7 其它传感器 1 第2章 常 用 传 感 器 2.1 概 述 能够把特定的被测量信息（物理量、 化学量、 生物量等 ）按一定规律转换成某种可用信号（电信号、 光信号等）的器 件或装置称为传感器。 传感器是生物体感官的工程模拟物； 反过来， 生物体的感官又可以看作是天然的传感器。 2 第2章 常 用 传 感 器 按输出信号的性质不同，传感器可分为开关型（二值型） 传感器、数字型传感器、模拟型传感器等。 传感

2、器一般由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成， 如图2.1所示。其中，敏感元件是传感器中能感受或响应被测 量的部分；转换元件是将敏感元件感受或响应的被测量 转换成适于传输或测量的信号(一般指电信号)部分；基本 转换电路可以对获得的微弱电信号进行放大、运算调制等。 此外，基本转换电路工作时必须有辅助电源。随着半导体器件 与集成技术在传感器中的应用，传感器的基本转换电路可安装 在传感器壳体里或与敏感元件一起集成在同一芯片上，构成集 成传感器（如ADI公司生产的AD22100型模拟集成温度传感器） 。 3 第2章 常 用 传 感 器 图2.1 传感器的组成 4 第2章 常 用 传 感 器 传感器的正

3、确选用是保证不失真测量的首要环节， 因此 在选用传感器之前，对传感器的基本特性做些了解是必要的。 (1) 灵敏度: 是指传感器输出量的变化量与输入量的变化量之比。一般 情况下，灵敏度越高越好。 (2) 线性度: 传感器的输出信号与输入信号之间成比例关系，即线性度 好。这样才能避免或减小线性度误差。 5 第2章 常 用 传 感 器 (3) 重复性: 是衡量在同一工作条件下，对同一被测量 进行多次连续测量所得结果之间的不一致程度的指标。所得结 果分散范围越小，重复性越好。 (4) 稳定性: 是指在相同条件且相当长时间内，其输入 特性和输出特性不发生变化的能力。影响传感器稳定性的因素 是时间和环境。

4、 (5) 精确度: 表示传感器的输出结果与被测量的实际值之间的符合程度 ， 是测量值的精密程度与准确程度的综合反映。 6 第2章 常 用 传 感 器 (6) 动态特性: 反映传感器对于随时间变化的动态量的 响应特性。当被测量是一随时间而变化的动态信号时， 就必 须考虑其输出能否跟得上输入信号的变化，它会产生多大的动 态误差。因此要求传感器能够迅速地、精确地跟踪输入信号， 并具有相应的输出。 (7) 环境参数:主要是指传感器允许使用的工作温度范围 及湿度环境压力、环境振动和冲击等引起环境压力误差、环境 振动误差和冲击误差等。 7 第2章 常 用 传 感 器 2.2 能量控制型传感器 2.2.1

5、电阻式传感器 1. 电阻式传感器的工作原理 对于长度、截面积一定的金属丝，其阻值R可用下式表示 式中: L电阻丝的长度； A电阻丝的截面积； 电阻丝的电阻率， 取决于导体材料的性质。 (2.1) 8 第2章 常 用 传 感 器 2. 电阻应变式传感器 电阻应变片简称应变片，是利用金属的电阻应变效应将被 测机械量转换成电阻变化，常用来测量构件的受力情况和机械 变形等。 1） 金属的电阻应变效应 金属电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值也将 发生变化，这种现象称为电阻应变效应。 对式(2.1)全微分，并用相对变化量来表示，则 (2.2) 9 第2章 常 用 传 感 器 式中的L/L=代表电阻

6、丝的轴向相对伸长，称为应变， 是 一个无量纲的量。A是因电阻丝受轴向力作用引起的截面变化 量，设电阻丝原来半径为r，径向应变为r/r， 由材料力学可知 r/r=-(L)/L=-，式中为电阻丝材料的泊桑系数。电阻丝截 面积的变化 故 (2.3) 10 第2章 常 用 传 感 器 将式(2.3)代入式(2.2)中得 (2.4) 或 (2.5) 式(2.5)的物理意义为单位应变引起电阻丝的电阻变化率， 称为电阻丝的灵敏系数，用S0表示，即 (2.6) 11 第2章 常 用 传 感 器 由式(2.6)可知，S0的大小受两个因素影响：1+2为电阻丝 受力后几何尺寸的变化；（/）/为材料的电阻率相对变化

7、。对于金属而言，以前者为主；而对于半导体材料，S0值主要 由电阻率相对变化所决定。S0值只能由实验来确定。 另外，式 (2.6)还表明S0是个常数，即应变与电阻变化率呈线性关系。 12 第2章 常 用 传 感 器 2） 金属应变片的基本结构及类型 金属应变片的结构如图2.2所示。实际使用的电阻应变片 都是将金属导体(丝或箔片)在绝缘基底上制成栅状，称为敏 感栅。敏感栅的两端焊接有引线，敏感栅的上面有保护的覆 盖层。 按敏感栅的结构形式，金属应变片可分为以下几种。 (1) 丝绕式应变片：其结构如图2.2所示。它的敏感栅由 康铜等高阻值的金属丝制成。这种应变片的制造技术和设备 都较简单，价格低廉，

8、多用纸作基底，粘贴方便，一般多用 在短期的室内试验中。其缺点是其端部弧形段会产生横向效 应。 13 第2章 常 用 传 感 器 图2.2 金属应变片的结构 14 第2章 常 用 传 感 器 (2) 短接丝式应变片： 其结构如图2.3(a)所示。它的敏 感栅也是用康铜等金属丝制成，但敏感栅各线段间的横接线 是采用截面积较大的铜导线，电阻很小，因而可减小横向效 应。但是由于敏感栅上焊点较多，因而疲劳性能差，不适于 长期的动应力测量。 15 第2章 常 用 传 感 器 (3) 箔式应变片：其结构如图2.3(b)所示。它的敏感栅是由 很薄的康铜、镍铬合金等箔片通过光刻腐蚀而制成，采用胶膜 基底。其横向

9、效应小，敏感栅比较容易制成不同的形状， 散 热条件好，受交变载荷时疲劳寿命长，长时间测量时蠕变小。 由于箔式应变片的这些优点，因而应用比较广泛，目前，在常 温条件下，已逐步取代了金属丝式应变片。 图2.3(c)和2.3(d)所示的金属箔式应变片分别用于扭矩和流 体压力测量，也称作应变花。 其优点是敏感栅的形状与弹性 元件上的应力分布相适应。 16 第2章 常 用 传 感 器 图2.3 金属应变片的类型 (a) 短接丝式应变片; (b) 箔式应变片 (c) 用于扭矩测量的箔式应变片; (d) 用于流体压力测量的箔式应变片 17 第2章 常 用 传 感 器 3） 金属应变片的主要特性参数 (1)

10、几何尺寸：应变片敏感栅的尺寸bl(见图2.2)反映了 应变片的有效工作面积。 基宽b是在应变片轴线相垂直的方向 上敏感栅最外侧之间的距离，一般在10mm以下。基长l则表示应 变片的敏感栅在纵轴方向的长度，通常为230 mm。 (2) 电阻值: 应变片电阻值是指应变片没有粘贴、也不受 力时，在室温下测定的电阻值。目前应变片的电阻值（名义阻 值）也有一个系列，如60、120、350、600、1000等，其中以 120最为常用。实际使用的应变片的阻值相对于名义阻值均可 能存在一些偏差，因此使用前要进行测量分选。 18 第2章 常 用 传 感 器 (3) 最大工作电流: 是指允许通过应变片而不影响其工

11、作 特性的最大电流值。当应变片接入测量电路后，在敏感栅中要 流过一定的电流，此电流使得应变片温度上升，从而影响测量 精度，甚至烧毁应变片。 通常在静态测量时，允许电流一般 规定为25 mA，动态测量时可达75100 mA，箔式应变片则可 更大些。 19 第2章 常 用 传 感 器 (4) 灵敏系数： 将金属电阻丝做成应变片后，由于横向效应以及粘贴剂传 递变形中的损失，应变片的灵敏系数S与金属丝的灵敏系数S0不 同，因而必须用实验的方法重新测定灵敏系数S。应变片灵敏 系数的测量是在一个加载后能产生已知应变的专用装置上进行 的，因应变片粘贴到试件上就不能取下再用，所以只能在每批 产品中按规定进行抽

12、样测定，并在应变片包装上说明这批产品 由抽样测得的灵敏系数S的平均值，同时指出其正、负偏差。 这样，对于金属应变片，电阻变化率与应变之间的关系可以用 下式表示： (2.7) 20 第2章 常 用 传 感 器 4） 金属应变片的温度误差 在采用应变片进行应变测量时，希望它的阻值变化只与应 变有关，而不受其它因素的影响，但实际上并非如此。例如， 环境温度的变化就会引起应变片的电阻值发生变化。 因温度变 化导致电阻变化的主要原因有： (1) 敏感栅材料电阻温度系数的影响。 在温度变化时，敏感栅的电阻丝阻值随温度变化而变化， 其相对电阻增量为 (2.8) 式中: 应变片敏感栅的电阻温度系数，指温度变化

13、1 时电阻的相对变化； t环境温度的变化量。 21 第2章 常 用 传 感 器 (2) 试件材料和敏感栅材料线膨胀系数的影响。 当两者线膨胀系数不一致时，环境温度变化会使敏感栅产 生附加变形，其电阻值也会改变。其相对电阻增量为 (2.9) 式中: S应变片的灵敏系数； 1、2分别为试件和敏感栅材料的线膨胀系数。 22 第2章 常 用 传 感 器 因此，由温度变化引起的总的相对电阻增量为 (2.11) (2.10) 即使在常温下测量，因环境温度很难保持恒定，所以必须采 取一定的措施减小或消除温度变化的影响，称之为温度补偿。常 用的温度补偿方法有三种：第一种是桥路补偿法，主要是通过贴 片和接桥方法

14、消除温度的影响，补偿原理和方法将在第4章中详细 介绍；第二种是应变片的自补偿，它是从电阻应变片的敏感栅材 料及制造工艺上采取措施，使应变片在一定的温度范围内满足 +S(1-2)=0的关系；第三种方法是热敏电阻法，利用热敏电 阻的特性和选择合适的分流电阻达到温度补偿的目的。 23 第2章 常 用 传 感 器 5） 应变式传感器应用举例 (1) 应变式力传感器: 在测力传感器中有一个弹性元件，利用它可把被测力的 变化转换成应变量的变化。由于弹性元件上粘贴有应变片， 因而可把应变量的变化转换成应变片电阻的变化。 24 第2章 常 用 传 感 器 作为测力传感器的弹性元件，其形式多种多样，常见的有 柱

15、形、环形、梁形、轮辐形等，如图2.4所示。柱形弹性元件( 见图2.4(a)结构简单紧凑，可承受很大的载荷，常用于大的拉 压力及荷重的测量，最大载荷可达107N。环形弹性元件(见图 2.4(b)应力分布变化大，有正有负，可以选择有利部位粘贴应 变片，便于接成差动电桥，以得到较高的灵敏度。悬臂梁形弹 性元件(见图2.4(c)结构简单，应变片粘贴容易，灵敏度也较 高，适用于测量小载荷。双孔梁(见图2.4(d)和 “S” 形弹性 元件(见图2.4(e)利用弹性体的弯曲变形，采用对称贴片组桥 方案，可以减小力点位置的影响，提高测量精度，广泛用于小 量程工业电子秤和商业电子秤。图2.4(f)为轮辐形弹性元

16、件， 应变片粘贴在轮辐的侧面，通过测量轮辐上的剪应力来测量载 荷，具有精度高、抗偏载能力强、高度低、承载能力大的特点 ， 多用于大规格的荷重传感器。 25 第2章 常 用 传 感 器 图2.4 应变式测力传感器的弹性元件 (a) 柱形弹性元件; (b) 环形弹性元件; (c) 悬臂梁形弹性元件; (d) 双孔梁弹性元件; (e) “S” 形弹性元件; (f) 轮辐形弹性元件 26 第2章 常 用 传 感 器 (2) 应变式压力传感器: 主要用于测量液体、气体的压力，也可直接将图2.3(d) 所示的应变片粘贴在弹性膜片上。 图2.5所示为组合式压力传 感器结构。 27 第2章 常 用 传 感 器 图2.5 组合压力传感器 28 第2章 常 用 传 感 器 (3) 应变式加速度传感器: 通常由悬臂梁、质量块和壳体组成，如图2.6所示。质量 块固定在悬臂梁的一端， 梁的上下表面粘贴有应变片。