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1、 第二章 传感检测技术的基本知识 航天 交通 摄象头:CCD传感器 指纹传感器 传感检测技术 传感检测系统的组成 一个完整的检测系统或检测装置通常由传感器、 测量电路、显示记录装置和数据处理装置与执行 机构等部分组成，分别完成信息获取、转换、显 示和处理等到功能。 被测对象 传感器 中间变 换装置 显示装置 记录装置 数据处 理装置 物理量 电量 电量/数字量 信息转换 信息提取 一、传感器 1、定义： n传感器：以一定精确度把被测量转换为与 之有确定对应关系的，便于应用的某种物 理量的测量装置。 n定义含义： 传感器是测量装置 传感器的输入量是某一被测量 传感器的输出量应是便于转换的物理量
2、传感器的输入与输出之间有一定精确程度 的对应关系 传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、 探头 传感器的功用是一感二传， 即感受被测信息，并传送出去 被测量电量 敏感元件、转换元件、基本转换电路 被测量 输出量 敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确 定关系的某一物理量的元件。 转换元件：敏感元件的输出 就是它的输入，它把输入 的被测量抟换成电 路参量。 基本转换电路：上述电路参 量输入基本转换电路（简 称转换电路），便可转换成电量输出。 辅助电源 敏感元件转换元件基本转换电路 2、传感器组成 传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类十分繁多 。为了很好地掌
3、握它、应用它，需要有一个科学的分类方法。 3、传感器分类 1)按被测物理量分类 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 常见的被测物理量 能量转换型和能量控制型. 3)按信号变换特征: 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:电阻应变片. 例如位移传感器、压力传感器、振动传 感器、温度传感器等。 模拟传感器、数字传感器。 双
4、向传感器、单向传感器等。 按照传感器的用途来分类 根据传感器输出是模拟信号还是数字信号 根据转换过程可逆与否 应变效应应变效应 取一根细电阻丝，两端接上一台取一根细电阻丝，两端接上一台3 3位半位数字式欧姆表（分辨率位半位数字式欧姆表（分辨率 为为1/20001/2000），记下其初始阻值（图中为），记下其初始阻值（图中为10.0110.01）。 实验演示实验演示 ： 当我们用力将该电阻丝当我们用力将该电阻丝拉长拉长时，会发现其阻值略有增加（图时，会发现其阻值略有增加（图 中增加到为中增加到为10.0510.05）。）。测量测量应力应力、应变应变、力力的传感器就是利的传感器就是利 用类似的原理
5、制作的。用类似的原理制作的。 应变效应应变效应 各种电子秤 广泛应用于 应变效应应变效应 高 精 度 电 子 汽 车 衡 动态电子秤 电子天平 应变效应应变效应 机械秤包装机 吊秤 金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 对于一长为对于一长为 L L 、横截面积为、横截面积为 A A 、电阻率为、电阻率为 的的金属丝，其电阻金属丝，其电阻 值值 R R 为：为： L 受力受力 F F 2r 金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理 当电阻丝受到轴向拉力当电阻丝受到轴向拉力F F作用时，金属丝几何尺作用时，金属丝几
6、何尺 寸变化引起电阻的相对变化寸变化引起电阻的相对变化. . 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 金属丝式应变片的基本工作原理金属丝式应变片的基本工作原理2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 金属电阻应变片主要有三种：金属电阻应变片主要有三种： 金属丝式金属丝式 箔式箔式 薄膜式薄膜式 常用结构图示常用结构图示 应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 典型的电阻应变片结构示意图 由由敏感栅敏感栅1 1、基底基底2 2、盖片盖片3 3、引线引线4
7、4和和粘结剂粘结剂等组成。等组成。 这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因 此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。 2 3 4 1 b l 栅长 栅宽 金属丝式应变片基本结构金属丝式应变片基本结构 金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 2 3 4 1 1-1-敏感栅敏感栅 由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为6060、 120120、200200等多种规格，以等多种规格，以120120最为常用。最
8、为常用。 应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测 得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均 轴向应变量。轴向应变量。 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 2 3 4 1 基底基底2 2和和盖片盖片3 3 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置， 盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保 护敏感栅。基底的全长称为护敏感栅。基底的全长称为基底长基底长，其宽度称为，其宽度称为基底
9、基底 宽宽。 金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 2 3 4 1 引线引线4 4 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。 对引线材料的性能要求对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、：电阻率低、电阻温度系数小、 抗氧化性能好、易于焊接。抗氧化性能好、易于焊接。 大多数敏感栅材料都可制作引线。大多数敏感栅材料都可制作引线。 金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 2 3 4 1 粘结剂粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底
10、粘贴用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴 在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片 基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件 受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为常用的粘结剂分为有机有机和和无机无机两大类。有机粘结剂两大类。有机粘结剂 用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛 树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用
11、于高 温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。 金属丝式应变片的基本结构金属丝式应变片的基本结构 应变片的基本结构应变片的基本结构 2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 金属箔式应变片金属箔式应变片 利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度 一般在一般在0.0030.010 0.0030.010 mmmm，粘贴在基片上，上面再覆盖，粘贴在基片上，上面再覆盖 一层薄膜而制成。一层薄膜而制成。 应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 金属箔式应变片和丝式应变
12、片相比较，有如下金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点特点。 金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的 应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，应力状态更为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时， 箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工 作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测 量的精度。量的精度。 箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因箔材表面积大，散热条件
13、好，故允许通过较大电流，因 而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。 箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为 制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使 用范围。用范围。 便于成批生产。便于成批生产。 缺点：缺点：电阻值分散性大，有的相差几十电阻值分散性大，有的相差几十，故需要作阻值调整；，故需要作阻值调整； 生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温 环境下测量
14、；此外价格较贵。环境下测量；此外价格较贵。 应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 应变片的基本结构应变片的基本结构2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 金属应变计 金属丝式应变片的基本测量电路金属丝式应变片的基本测量电路2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 电阻应变片的测量线路多采用交流电桥电阻应变片的测量线路多采用交流电桥( (配交流放大配交流放大 器器) )，其原理和直流电桥相似。，其原理和直流电桥相似。 直流电桥比较简单，因此首先分析直流电桥，如图直流电桥比较简单，因此首先分析直流电桥，如图 所示所示: : R2 R4
15、R1 R3 E 电桥线路原理图 Rg A C D Ig B 金属丝式应变片的基本测量电路金属丝式应变片的基本测量电路2.1 2.1 金属应变式传感器金属应变式传感器 当电源当电源E E为电势源，其内阻为零时，可求出检流计中流为电势源，其内阻为零时，可求出检流计中流 过的电流过的电流I I g g 与电桥各参数之间的关系为与电桥各参数之间的关系为: : R2 R4 R1 R3 E 电桥线路原理图 Rg A C D Ig B R Rg g 为负载电阻为负载电阻. . 因而其输出电压因而其输出电压U U g g 为为: : 当当R R 1 1R R4 4 = =R R 2 2R R3 3 时，时，I
16、 I g g =0=0，U U g g =0=0，即电桥处于平衡状态。，即电桥处于平衡状态。 若电桥的若电桥的负载电阻负载电阻R R g g 为无穷大，则为无穷大，则B B、D D两点可视为开路两点可视为开路 ，上式可以化简为，上式可以化简为: : 设设R R 1 1 为应变片的阻值，工作时为应变片的阻值，工作时R R 1 1 有一增量有一增量 R R，当为拉，当为拉 伸应变时，伸应变时， R R为正；压缩应变时，为正；压缩应变时， R R为负。在上式为负。在上式 中以中以R R 1 1 +R R代替代替R R 1 1 ，则，则: : 设电桥设电桥各臂均有各臂均有相应的电阻增量相应的电阻增量 R R 1 1 、 R R 2 2 、 R R 3 3 、 R R 4 4 时时, , 在实际使用时，一般多采用在实际使用时，一般多采用等臂电桥等
