安全检测技术课件第3章

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1、第3章 安全检测常用传感器,3.1 传感器的作用及分类 3.2 结构型传感器 3.3 物性传感器 3.4 其他类型传感器 3.5 传感器的选用原则,3.1 传感器的作用及分类,3.1.1传感器的作用 传感器是实现检测与自动控制(包括遥感、遥测、遥控)的首要环节，而传感技术是衡量科学技术现代化程度的重要标志。如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，一切准确的检测与控制将无法实现。当今的世界正处在信息革命的新时代，而信息革命的两大重要支柱是信息采集与信息处理。信息的采集(捕获)与转换主要依赖于各种类型的传感器，信息的处理主要依靠电子技术和各种计算机。计算机与各种智能仪器将很快地在各个科学

2、技术部门发挥巨大作用。然而，如果没有各种类型的传感器去准确地捕获并转换信息，即使最现代化的计算机也无法充分发挥其应有的作用。,目前，传感器的应用已经渗透到各个学科领域，从高新技术直到每个家庭日常生活。如空间技术、海洋开发、资源探测、生物工程、人体科学等高技术领域中许多新的进展和突破，都是以实验检测为基础并与传感器技术的发展密切相关的；工业生产过程的现代化，几乎主要依靠各种传感器来监测与控制生产过程的各种参数，使设备和系统正常运行在最佳状态，从而保证生产的高效率与高质量；在生活领域中已进人每一个家庭，据不完全统计，现代高级轿车中所应用的传感器可达56种之多。又如目前常用的19种家用电器中，总共应

3、用了53个(21种)传感器。传感器应用的技术水平成为衡量一个国家的科技和工业水平的重要标志。传感器技术已形成一个完整独立的科学体系，相信在不久的将来，对传感器的研究将进人一个崭新的阶段。,3.1.2 传感器的分类 1. 按输入量（被测对象）分类 输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理量传感器、 化学量传感器和生物量传感器三大类。 其中， 物理量传感器又可分为温度传感器、 压力传感器、 位移传感器等等。 这种分类方法给使用者提供了方便，容易根据被测对象选择所需要的传感器。,2. 按转换原理分类 从传感器的转换原理来说， 通常分为结构型、 物性型两大类。 结构型传感器是利用机械构件（如金

4、属膜片等）在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。 物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（即物质定律， 如虎克定律、欧姆定律等）实现非电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。,3. 按能量转换的方式分类 按转换元件的能量转换方式，传感器可分为有源型和无源型两类。有源型也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、 电流量、电荷量等(如磁电式、压电式、光电池、热电偶等)；无源型也称能量控制型或参数型， 它把非电量变成电阻、 电容、 电感等量。,4.

5、按输出信号的形式分类 按输出信号的形式， 传感器可分为开关式、模拟式和数字式。 5. 按输入和输出的特性分类 按输入、 输出特性， 传感器可分为线性和非线性两类。,3.2 结构型传感器,3.2.1 电阻式传感器 1. 电阻式传感器原理 金属体都有一定的电阻， 电阻值因金属的种类而异。 同样的材料， 越细或越薄，则电阻值越大。当加有外力时， 金属若变细变长，则阻值增加； 若变粗变短，则阻值减小。 如果发生应变的物体上安装有（通常是粘贴）金属电阻， 当物体伸缩时，金属体也按某一比例发生伸缩，因而电阻值产生相应的变化。,设有一根长度为l，截面积为A，电阻率为的金属丝，则它的电阻值R可用下式表示：,（

6、3-1）,从上式可见，若导体的三个参数（电阻率、长度和截面积）中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。例如，若改变长度l，则可形成电位器式传感器；改变l、A和则可做成电阻应变片；改变，则可形成热敏电阻、光导性光检测器等。,2.电位器式传感器 电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。 电位器式传感器分为线绕式和非线绕式两大类。线绕电位器是最基本的电位器式传感器；非线绕式电阻传感器则是在线绕电位器的基础上，在电阻元件的形式和工作方式上有所发展，包括薄膜电位器、导电塑料电位器和光电电位器等

7、。 线绕电位器式传感器的核心，即转换元件是精密电位器。它可实现机械位移信号与电信号的模拟转换，是一种重要的机电转换元件。线绕电位器式传感器原理图如图3-1所示。,图3-1线绕电位器式传感器原理图,工作时，在电阻元件的两端，即Ui端加上固定的直流工作电压，从Uo端就有电压输出，并且，这个输出电压的大小与电刷所处的位置相关。当电刷臂随着被测量产生位移x时，输出电压也发生相应的变化，这是精密电位器的基本工作原理。易见,（3-2）,线绕电位器式传感器又分为直线位移型、角位移型和非线性型等。不管是哪种类型的传感器，都由线圈、骨架和滑动触头等组成。线圈绕于骨架上，触头可在绕线上滑动，当滑动触头在绕线上的位

8、置改变时，即实现了将位移变化转换为电阻变化。,如图3-2所示，线绕电位器主要由骨架、绕组、电刷、导电环及转轴等部分组成。线绕电位器的骨架一般由胶木等绝缘材料或表面覆有绝缘层的金属骨架构成。根据需要，骨架可做成不同的形状，如环带状、弧状、长方体或螺旋状等。绕组即电阻元件，由漆包电阻丝整齐地绕制在骨架上构成，其两个引出端UAB是电压输入端。电刷由电刷头和电刷臂组成（电刷头一般焊接在电刷臂上），电刷被绝缘地固定在电位器的转轴上，绕组与电刷头接触的工作端面用打磨和抛光的方法去掉漆层，以便与电刷接触。另外两个引出端UAC是电压输出端。,图3-2线绕电位器式传感器的组成 (a)直线位移型；(b)角位移型；

9、(c)非线性型,3.电阻应变式传感器 电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成。当弹性敏感元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，则粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片将应变转换成电阻的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，从而确定被测量的大小。 电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器之一，它可用于不同的弹性敏感元件形式，构成测量位移、加速度、压力等各种参数的电阻应变式传感器。它的主要优点是： （1）由于电阻应变片尺寸小、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基本上没有影响，适用于静态和动态测量；,（2）测量应变的灵敏度和精度高，可测量12m应

10、变，误差小于1%2%； （3）测量范围上，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形，变形范围从1%20%； （4）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。电阻应变式传感器缺点是输出信号微弱，在大应变状态下具有较明显的非线性等。,1）工作原理及结构参数 电阻应变片的工作原理如图3-3所示。它是基于导体和半导体材料的“电阻应变效应”和“压阻效应”。电阻应变效应是指电阻材料的电阻值随机械变形而变化的物理现象；压阻效应是指电阻材料受到载荷作用而产生应力时，其电阻率发生变化的物理现象。下面以单根电阻丝为例说明电阻应变片的工作原理。,图3-3电阻应变片原理图

11、,设电阻丝的长度为l，截面积为A，电阻率为，其初始电阻值为当电阻丝受到拉伸或压缩时，其几何尺寸和电阻值同时发生变化，对式两边取对数后再微分，即可求得电阻的相对变化为,（3-3）,上式中:R为电阻值（）；l为电阻丝的长度（m）；A为电阻丝的截面积（mm2）；为电阻丝的电阻率（mm2/m）。,如果对整条电阻丝长度作用均匀应力，由于l、A、的变化而引起电阻的变化，可通过对式（3-3）的全微分求得,（3-4）,相对变化量,（3-5）,假设电阻丝是圆截面，则A2r，其中r为电阻丝的半径，微分后可得：,则,（3-6）,令电阻丝轴向相对伸长，即轴向应变为,电阻丝径向相对伸长，即径向应变为dr/r，由材料力学

12、获知，在弹性范围内，金属丝沿长度方向伸长或缩短时，轴向应变和径向应变的关系如下:,（3-7）,式中:为金属材料的泊松系数，即径向应变和轴向应变的比例系数。负号表示方向相反，所以,经整理后得,（3-8）,定义金属丝的灵敏系数为,（3-9）,它的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。可知，受两个因素影响，一个是受力后材料的几何尺寸变化所引起的，即（1+2）项；另一个是受力后材料的电阻率发生变化而引起，即d/项。对于确定的材料，（1+2）项是常数，其数值约为12之间，并且由实验证明d/也是一个常数，因此灵敏系数k为常数，则得,（3-10）,上式表示金属电阻丝的电阻相对变化与轴向应变成正比。,导体或

13、半导体材料在外界作用下（如压力等）产生机械变形，其阻值将发生变化，这种现象称为“应变效应”。把依据这种效应制成的应变片粘贴于被测材料上，则被测材料受外界作用所产生的应变就会传送到应变片上，从而使应变片上电阻丝的阻值发生变化，通过测量阻值的变化量，就可反映出外界作用的大小。,2）电阻应变片的分类和结构 .电阻应变片的分类 电阻应变片的种类繁多，分类方法也各异。 按所选用的敏感材料可分为：金属应变片和半导体应变片。 按敏感栅结构可分为：单轴应变片和多轴应变片。,按基底材料可分为：纸质应变片、胶基应变片、金属基底应变片、浸胶基应变片。 按制栅工艺可分为：丝绕式应变片、短接式应变片、箔式应变片、薄膜式

14、应变片。 按使用温度可分为：低温应变片(-30以下)、常温应变片(-3060)、中温应变片（60350）、高温应变片（350以上）。,按安装方式可分为：粘贴式应变片、焊接式应变片、喷涂式应变片、埋入式应变片。 按用途可分为：一般用途应变片、特殊用途应变片（水、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等）。 按制造工艺可分为：体型半导体应变片、扩散（含外延）型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、N-P元件半导体型应变片。,.电阻应变片的结构 电阻应变片(简称应变片）的种类繁多，但基本构造大体相同，都是由敏感栅、基底、覆盖层、引线和粘合剂构成，如图3-4所示。,图3-4电阻应变片的基本结构,敏感栅由金属或半导体

15、材料制成，电阻丝（箔条）是用来感受应变的，是应变片的敏感元件；基底和覆盖层（厚度一般在0.03mm左右）是用来保护敏感栅、传递应变并使敏感栅和被测试件之间具有很好的绝缘性能，它通常根据应用范围的不同而采用不同的材料，常见的有纸基和胶基；引线是将敏感栅接到测量电路中去，它由直径为0.150.30mm镀银铜丝或镍铬铝丝制成。 金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。,半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应制成的一种纯电阻性元件。对半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生

16、应力时，它的电阻率会发生变化，这种物理现象称之为压阻效应。半导体应变片主要有体型、薄膜型和扩散型等三种。 体型半导体应变片是将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而制成的应变片。 薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成的。,扩散型半导体应变片是将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片。 半导体应变片与金属电阻应变片相比其灵敏度高5070倍，另外，其横向效应和机械滞后小。但它的温度稳定性差，在较大应变下，灵敏度的非线性误差大。,3）电阻应变式传感器的测量电路 利用应变片可以感受由被测量产生的应变，并得到电阻的相对变化。通常可以通过电桥将电阻的变化转变成电压或电流信号。图3-5给出了常用的全桥电路，Uo为输出电压，R1为受感应变片，其余R2、R3、R4为常值电阻。为便于讨论，假设电桥的输入电源内阻为零，输出为空载。 基于上面的假设，电桥的输出电压为,（3-11）