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1、测试技术 参数式传感器及其应用,第四章,内容,传感器概念 电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器,基本概念,传感器：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。,1、传感器概念,基本概念 信息检测的不可缺少的首要环节，它的直接影响测试系统的整体测试精度 工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表 传感器 Transducer/Sensor/probe 国家标准（GB766587）对传感器定义: 感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置 一个指定的传感器，只能感受规定的物理量（电量、非电量) 传感器的输出信号中载有被测量信息，且能
2、远距离传送 电信号、光信号、气动信号 输入输出关系服从一定规律，可以复现公认、标准,1、传感器概念,组成 感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,敏感元件 直接感受被测量 转换为有确定关系的易变成电量的其它量,转换元件 将其它物理量直接转换为有确定关系的电量的元件,便于远传、接收的信号 420mA、5V,1、传感器概念,敏感元件 力、转矩应变 转换元件 应变电阻,转换电路 电阻电压,基本特性 测试系统的一个基本单元，具有： 静态特性 测量范围、灵敏度、精度等 动态特性 带宽 频响曲线,1、传感器概念,分类 用途/输入量:适合于用户 机械量：位移、力、速度、加速度、振动 热
3、工量：温度、压力、流量、流速 光学量：光强、光通量、辐射能 能量关系 能量转换型/有源型：热电偶、光电池、压电式、惯性式 能量控制型：获取的信息能量来控制、调制外部激励 涡流、R、L、C参数型,1、传感器概念,分类 输出量性质：适合于研发 电参数型/参数式：R、L、C 工程参数电参数 基本类型:电阻、电感和电容式 无源传感器：本身没有内在的能量转换 电量型/发电式：电压、电流、电荷 工程参数电信号 基本类型:压电式、磁电式、光电式、霍尔式以及热电式 有源传感器：本身就有内在的能量转换,1、传感器概念,定义：将非电量变化转换为电阻变化的传感器 测量的物理量 应变应变片 热热敏电阻 位移/距离电位
4、器 转换元件 电阻R 转换电路 直流电桥,2、电阻式传感器,电阻R,应变片式传感器 工作原理：应变效应 应变片的电阻： l长度 A截面、半径r 电阻率 微应变 材料在轴向受力的作用，产生机械变形/结构变形微应变,2、电阻式传感器,应变片式传感器 工作原理 微应变 结构尺寸变化 应变单位：（1=1x10-6m/m） 材料的泊松比,2、电阻式传感器,应变片式传感器 工作原理 电阻率变化 金属材料 材料的泊松比 C常数 半导体材料 半导体材料在受力方向压阻系数 E半导体材料的弹性模量,2、电阻式传感器,应变片式传感器 工作原理 金属材料 一般0.3，C1，因此金属材料的电阻应变效应主要来自结构尺寸的
5、变化尺寸效应，且灵敏系数较小，约为2.0左右。 半导体材料 E(1+)，因此半导体材料的电阻变化主要来自压阻效应，灵敏系数较大，约为50200，且分散性大。,2、电阻式传感器,应变片式传感器 应变片技术参数,2、电阻式传感器,应变片式传感器 应变片技术参数 (金属)应变片材料 康铜：常用的电阻丝材料 卡玛合金：适用于长时间静态测量，比康铜具有更长的疲劳寿命和更宽的温度范围 铂钨合金：具有极长的疲劳寿命 绝缘电阻：应变片绝缘电阻R是指已粘贴的应变片与被测试件之间的电阻值，一般要求R108 最大工作电流Imax已安装的应变片敏感栅允许通过的不影响其工作特性的最大电流值.通常静态测量取25mA左右，
6、动态测量可取75100mA,2、电阻式传感器,应变片式传感器 应变片结构,50年代以前,2、电阻式传感器,柱式,应变片式传感器 应变片使用敏感元件,膜片式（气体、液体）,2、电阻式传感器,应变片式传感器 应变片的安装 安装力传递测量效果 受力的方向应变片纵向 安装方法有三种：粘贴法、焊接法和喷涂法，其中粘贴法最为常用,2、电阻式传感器,应变片式传感器 温度误差 温度引起的测量误差 Rt、R0应变片在温度t、t0时电阻值 应变片电阻丝的电阻温度系数 电阻丝材料和试件材料的线膨胀系数 应变片灵敏系数 t 温度变化量,必须采用一定的方法来补偿电阻应变片输出的温度误差，实用中常采用桥路补偿方法,2、电
7、阻式传感器,应变片式传感器 温度补偿 温度效应：阻值随温度变化 被测体线胀：不同的线胀系数 电桥连接 差动：相邻臂提高灵敏度 补偿：相邻臂,2、电阻式传感器,热电阻式传感器 工作原理：金属或半导体的电阻值是温度的函数 当温度升高1时，大多数金属的阻值要增加0.40.6%，而半导体的电阻值要减小36% 一般纯金属在温度变化范围不大时，其电阻值与温度的关系近似为 某些半导体的电阻值与温度的关系为,2、电阻式传感器,热电阻式传感器 电阻温度特性曲线,铂、铜的电阻特性曲线比较理想 半导体的电阻特性曲线,2、电阻式传感器,热电阻式传感器 热电阻材料选择 电阻温度系数a要大，制成的温度传感器的灵敏度越高。
8、电阻温度系数与材料的纯度有关，纯度越高，a值就越大，且稳定 材料的电阻率要大，这样可使热电阻体积较小，热惯性较小，对温度变化的响应就比较快 在整个测量范围内，物理化学性质稳定、线性、良好重复性 易于加工复制，价格便宜,几种热电阻材料特性,2、电阻式传感器,热电阻式传感器 金属电阻：工业中应用最多的是铂和铜 铂电阻 化学稳定性很高，容易提纯，便于加工最常用的材料 用于13.81K630范围内的测温、也是基准温度计,2、电阻式传感器,热电阻式传感器 铂电阻精度等级：决定于纯度 纯度：百度电阻比W(100)=R100/R0 1.391工业标准 分度号： BA1、BA2,HT-101铂电阻元件（hon
9、eywell ） 分度号：pT100（BA2）量程：-200-450精度：A：0.06 B：0.12外形：1.63.2 25,2、电阻式传感器,热电阻式传感器 膜铂电阻 用真空沉积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上，膜厚在2m以内，用玻璃烧结料固定Ni(或Pd)引线，经激光调阻制成薄膜元件 微型化、反应快,2、电阻式传感器,热电阻式传感器 金属电阻：工业中应用最多的是铂和铜 铜电阻 温度系数a高于其它金属的值，价格低廉，易于提纯 在-50150范围内近似呈线性关系 缺点 电阻率小，体积较大，铜电阻丝细而长，故机械强度降低 易氧化，只能用于无侵蚀性介质,2、电阻式传感器,热电阻式传感器 半导体电阻
10、具有负的电阻温度系数：温度降低时，其电阻值增加，灵敏度增大 具有灵敏度高、体积小、热容量小的优点，可作为精密温度测量 常用的测温电阻有锗电阻和热敏电阻 锗电阻 电阻温度关系很稳定，重复性很好迄今所研究过的半导体中最理想的低温测量元件 标定一次可长期使用，而且它的测量精度可达到0.005K 许多国家将锗电阻温度计作为4.2K20K之间的标准测温仪表,2、电阻式传感器,热电阻式传感器 半导体电阻 热敏电阻：正、负、临界温度系数 测量灵敏度较高、成本低、体积小（点温度测量）、重复性好，可满足不同测温对象的要求，而且适合动态测量 缺点是性能不稳定，互换性差，导致测量精度不高空调系统的温控元件,a)圆片
11、型 b)柱型 c)平板型 d)结构组成 e)符号,2、电阻式传感器,电位计 原理及结构 结构：带有直线或旋转滑动触头的电阻器件将线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻 种类：按结构形式可分为绕线式、薄膜式等 原理,2、电阻式传感器,应用 应变式力传感器 被测物理量：载荷或力 用途：各种电子衡器的测力元件，测量范围从1mN108N 特点：分辨率高，误差较小，测量范围大，静态与动态都可测，能在严酷环境工作的特点 柱式测力元件：体积小、结构紧凑、构造简单,柱式,2、电阻式传感器,应用 应变式力传感器 ZL110力传感器 额定载荷 1050（kg） 灵敏度 2.00.2%（mV/kg/V） 非线
12、性 0.02% F.S 滞后 0.02% F.S 激励电压 912 VDC 重复度 0.02% F.S 温度补尝范围 -10 +40 蠕变 0.02% F.S/30min 允许使用范围 -20 +55 ,激励电压为10V时，满载荷时的输出是多少？,2、电阻式传感器,与激励电压有关,应用 应变式压力传感器 被测物理量：液体、气体的动态和静态压力测量 用途：动力管道设备进、出口气体和液体的压力，发动机喷口压力，内燃机管道压力等 结构：膜片式或筒式弹性元件 在压力的作用下，圆膜片产生径向应变和切向应变应变片,2、电阻式传感器,应用 应变式扭矩传感器 原理：弹性元件在传递转矩时产生的应变来测量扭矩 轴
13、受到扭矩作用时，剪切应力与它所传递的扭矩有线性关系 其中：Mk转轴所受的扭矩、G剪切弹性模量,2、电阻式传感器,集流环,应用 动态电阻应变仪 应变片：1201K 输出：5V_p（电流5mA）,激励电压为10V时，满载荷时的输出是多少？,2、电阻式传感器,应用 热电阻式温度传感器（负温度系数）,冷却水温测量：非线性变化、非线性电流、非线性刻度，测量有限温度范围内的温度,温度补偿电路：仪表线圈R铜导线(正系数)，r为锰铜电阻(0温系)，Rt负温系数,温度控制电路：可调电阻、负温度系数热敏电阻和继电器线圈串联组成,2、电阻式传感器,温度上升阻值下降电流变大继电器开启降温,应用 电位计式压力传感器,在
14、压力作用下，膜盒中心点产生位移，推动连杆上移，使得曲柄带动电位计电刷滑动，电位计输出与压力成比例的电压信号,1膜盒 2连杆 3曲柄 4电刷 5电阻元件,2、电阻式传感器,传感器 定义：感受特定量、一定规律、可用输出信号 组成：三部分功能 电阻式传感器 应变片原理:结构尺寸效应、压阻效应 应用：差动、补偿原则、敏感元件 热电阻传感器：热阻效应 应用：铂电阻、铜电阻；锗电阻、热敏电阻 电位计：滑动触头 种类：绕线式、薄膜式,回顾,定义：将被测量变化转换为电容变化的传感器 电容传感器特点 结构简单，分辨率高，工作可靠 可非接触测量，可在恶劣环境下工作 测量的物理量 位移 压力 液位 介质 转换元件
15、电容C,A,3、电容式传感器,工作原理 在忽略边缘效应的情况下，平行极板电容器的电容量 基本类型 变极距：位移 变面积A：位移、压力（差动） 变介质：介电常数,3、电容式传感器,变极距式 两极板在被测对象作用下发生位移变化时 变极距型电容传感器的灵敏度是非线性的 极距愈小，灵敏度愈高,受击穿电压的限制 一般极距取0.11mm左右 减小非线性误差 选择初始距离;微小位移量的测量 非接触测量,3、电容式传感器,变极距式 差动方式 两个变极距电容传感器，被测位移使动片变化，引起极距差动变化，两个输出电容也差动变化，提高测量灵敏度 差动电容传感器通常均接成电桥进行放大:电桥的相邻两个桥臂,3、电容式传
16、感器,变面积式：相对面积变化 输出特性：线性 测量1cm10cm中等大小的位移 灵敏度 减小极距可提高灵敏度 差动方式：提高灵敏度,3、电容式传感器,变介质式 输出特性：线性 灵敏度 增加面积A、减小极距可提高灵敏度 应用 液位高低 介电常数,3、电容式传感器,传感器优点 输入能量小而灵敏度高 精度高达0.01% 动态特性好，适合测量动态参数 能量损耗小 结构简单，环境适应性好（高温、辐射等） 缺点：电缆分布电容影响大,3、电容式传感器,3、电容式传感器,应用 电容式传感器的等效电路 并联电阻RP代表极板间泄漏电阻和介质损耗，低频时影响较大 串联电阻RS表征引线电阻、极板电阻，通常很小，它随频率增高而增大，只有在极高工作频率时才考虑 电感L包括电容器本身电感和外部接线电感 谐振频率：几十兆赫 工作频率应低于谐振频率（一般选为谐振频率的1/21/3）,3、电容式传感器,应用 电容测量的几点考虑 抗干扰：电容量很小（几个pf 几十个pf），易受外界电场的干扰，这样，就
