参数式传感器及其应用

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1、第四章 参数式传感器及其应用,1、了解传感器基本概念 2、电阻式传感器（工作原理、测量电路、特点及应用） 3、电容式传感器（工作原理、测量电路、特点及应用） 4、电感式传感器（工作原理、测量电路、特点及应用）,本章学习要求：,传感技术是自动检测和自动控制系统的第一基础。,测试系统基本组成,在我们日常生活中，使用着各种各样的传感器： 电冰箱、电饭煲中的温度传感器; 空调中的温度和湿度传感器; 煤气灶中的煤气泄漏传感器; 电视机和影碟机中的红外遥控器; 照相机中的光传感器; 汽车中燃料计和速度计等等，不胜枚举。,4.1 概 述,1. 传感器定义,眼（视觉） 耳（听觉） 鼻（嗅觉） 皮肤（触觉） 舌

2、（味觉）,感知外界信息 大脑 肌体,人体系统和机器系统比较,人的体力和脑力劳动通过感觉器官接收外界信号，将这些信号传送给大脑，大脑把这些信号分析处理传递给肌体。 如果用机器完成这一过程，计算机相当人的大脑，执行机构相当人的肌体，传感器相当于人的五官和皮肤。 传感器是人体感官的补充和延伸，有人又称“电五官”。,传感器的定义:,广义： 传感器是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。 狭义： 能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 国家标准（GB/76652005） 对传感器（Sensor/transducer）定义是： 能够感受规定的被测量并按照一

3、定规律转换成可用输出信 号的器件和装置.,传感器是测量装置，能完成检测任务； 输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等； 输出量是某种物理量，便于传输、转换、处理、显示等，可以是气、光、电物理量，主要是电物理量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,以上定义表明传感器有以下含义：,按使用的场合不同又称为:,发送器、传送器、变送器、检测器、探头,为一次仪表,传感器由敏感元件、转换元件、基本转换电路三部分组成：,2、传感器的构成,实际上，有些传感器很简单，有些则较复杂，大多数是开环系统，也有些是带反馈的闭环系统。,敏感元件感受被测量; 转换元件将响应的被测量转换成电参量;

4、 基本电路把电参量接入电路转换成电量;,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,3. 传感器的分类,1)按被测物理量分类,常见的被测物理量,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,位移传感器, 力传感器, 声传感器, 压力传感器， 流量传感器， 温度传感器等.,按被测量分类:,2)按工作原理分类:,电阻应变式传感器， 电容传感器， 磁电式传感器， 光电式传感器， 光纤式传感器等,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.（

5、有源） 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（无源） 供给能量的变化.例如:电容式传感器.,3)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,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.如:水银温度计. 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.,输出量性质：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,4.2

6、电阻式传感器,电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化,再经相应的测量电路和装置显示或记录被测量值的变化,是能量控制型传感器。按其工作原理可分为电阻应变式、变阻器式(电位器式)以及热电阻式传感器。,一、电阻应变式传感器,电阻式应变传感器作为测力的主要传感器，测力范围小到肌肉纤维，大到登月火箭，精确度可到 0.010.1%。有拉压式（柱、筒、环元件）、弯曲式、剪切式。 应变式传感器特征： 不同材料类型：金属应变片、半导体应变片 应用范围：应变力、压力、转矩、位移、加速度 主要优点：使用简单、精度高、范围大体积小等,优点：精度高，测量范围广频率响应特性较好结构简单，尺寸小，重量

7、轻可在高(低)温、高速、高压、强烈振动、强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作易于实现小型化、固态化价格低廉，品种多样，便于选择,缺点：具有非线性，输出信号微弱，抗干扰能力较差，因此信号线需要采取屏蔽措施；只能测量一点或应变栅范围内的平均应变，不能显示应力场中应力梯度的变化等；不能用于过高温度场合下的测量。,各种电子秤,广泛应用于,应变计,金属应变计,1、应变片工作原理,（1）应变片结构敏感栅高阻金属丝、金属箔 基底绝缘材料 盖片保护层,电阻应变片结构示意图,应变片式传感器的核心元件是应变片，它可将试件上的 应变变化转换成电阻变化。,b,l,敏感栅由金属细丝绕成栅形。,栅长,栅宽,应变片

8、的标准名义电阻值 （指应变片没有安装且不受力 的情况下，在室温时测定的电 阻值。）通常为60、120、350、600、1000等。应变片在相同的工作电流下，电阻值愈大，允许的工作电压亦愈大，可提高测量灵敏度。,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轴向应变量。,应变片的尺寸制造厂常用b l表示。,（2）应变效应,电阻应变片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，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化现象。,设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，其电阻R为,当电阻丝受到轴向拉力F作用时

9、，电阻值R的变化引起电阻的相对变化为:,式中：,电阻的相对变化,电阻率的相对变化,金属丝长度相对变化，用表示，为金属丝的轴向应变,截面积的相对变化,dr/r金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。,S= r 2,dS /S=2dr/r,r= ,由材料力学知,将微分dR、d改写成增量R、，则,金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。 比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。,式中为金属材料的泊松系数。,KS由两部分组成：1+2：由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6；：电阻率随应变而引起的变化（称“压阻效应”）。 金属材料：以前者为主，则KS 1+2； 半导

10、体： KS值主要由电阻率相对变化所决定。 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。,金属应变片灵敏系数KS由材料的几何尺寸决定的 应力 =E 可见 应变 R/R 应力 R/R 通过弹性元件可将位移、压力、振动等物理量将应力转换为应变进行测量，这是应变式传感器测量应变的基本原理。,压阻效应：半导体材料在受到应力作用后，其电阻率发生明 显变化，这种现象称为压阻效应。,半导体应变片又称压阻式传感器 优点：灵敏度高、动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。 缺点：受温度影响较大。,半导体材料的灵敏系数S主要由压阻效应引起的电阻率的变化；灵敏系数远

11、大于金属应变片的灵敏系数。,对半导体：,式中 压阻系数E弹性模量,kS50100,应变片技术参数,按材料分： 金属式： 丝式、箔式、薄膜型 半导体式： 体型、薄膜型、扩散型、外延型、PN结型 按结构分：单片、双片、特殊形状 按使用环境：高温、低温、高压、磁场、水下,（3）应变片种类,丝式 ：0.025mm金属丝（康铜、镍铬合金、贵金属）做敏感栅 箔式 ：用光刻腐蚀工艺、照相制版制作成厚0.0030.01 的金属箔栅 薄膜式：真空溅射或真空沉积技术，在绝缘基片上蒸度几几百纳米金属电阻薄膜。,(1)灵敏系数,金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同；实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在

12、很宽的范围内均为线性关系。,2、应变片的主要特性,测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因：胶层传递变形失真横向效应,丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分,b,O,l,r,r,dl,d,0,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r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化(除了起作用外)，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。,(2)横向效应,横向效应使灵敏系数K下降,横向效应系数H：横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值。,由上式可见，r愈小，l愈大，则H愈小。 即敏感栅越窄、基长越

13、长的应变片，其横向效应引起的误差越小。,为减小横向效应，常采用箔式应变片。,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：a 、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；b、在制造或粘贴应变片时，如果敏感栅受到不适当的 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。,(3)机械滞后,对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其 电阻值随时间增加而变化的特性，称为

14、应变片的零点漂移。如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电 阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。,(4)零点漂移和蠕变,(5)应变极限,在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的最大真实应变值。,（6）动态特性当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。,3、应变片的测量电路（信号调理电路）,由于将应变等机械量转换为电阻的变化，此变化的数量是很 微弱的，因此须采用高精度的测量电路电桥。电桥的作用：

15、将电阻、电感、电容等微小电参量的变化转换为电压或电流的变化。,电桥分类：直流电桥 按电源性质分：交流电桥,按输出方式分：,功率电桥（接低阻抗负载）,电压电桥（接高阻抗负载）,(1)直流电桥,*平衡条件,相对桥臂电阻之积相等。,*电桥的接法 根据电桥工作中桥臂电阻值变化的情况，电桥可分为,半桥单臂,半桥双臂,全桥,讨论：设： 电桥起始是平衡的,由于 ，电桥输出公式又可写成 ey = e0e0,上式为电桥加减特性表达式。,（全等臂电桥）,相邻相减，相对相加。,单臂工作：即只有一只电阻R产生R变化时，电桥输出电压,双臂工作：设R1产生正R的变化，R产生负R的变化，且变化的绝对值相等； 即 ， ， ， ，则电桥输出,即为单臂工作的2倍。,电压与应变成线性关系，可以用电桥测量电压以测量应变,四臂工作：设R1、R3产生正R的变化，R2、R4产生负R的变化，且R绝对值相等，即R1、R3产生正应变，R2、R4产生负应变，且应变的绝对值相等，则电桥的输出即为单臂工作的4倍。不同的电桥接法，输出电压不同，全桥接法可获得最大的 输出，其灵敏度最高。,工程上常利用电桥的加减特性，作温度补偿和提高灵敏度等。,