《传感器技术与应用教学课件 PPT 作者 张旭涛 22579传感器技术与应用课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《传感器技术与应用教学课件 PPT 作者 张旭涛 22579传感器技术与应用课件（180页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、传感器技术与应用,主讲人:张旭涛,章节 一 览,第1章 传感器的基本知识 第2章 能量控制型传感器 第3章 物性型传感器 第4章 环境量传感器 第5章 频率式及数字式传感器 第6章 抗干扰技术 第7章 传感器与微机的接口技术,第1章 传感器的基本知识,节次安排,1.1 传感器概述,1.1 传感器概述,1.1 传感器概述,4、传感器实物展示 由于传感器的种类比较繁多，我们列举一些传感器实物，给学习者一些感官认识。如下图所示。,1.1 传感器概述,1.2 测量基础知识,1、测量 以确定量值为目的的一系列操作，也就是将被测量与某种性质的标准量进行比较，确定被测量对标准量的倍数。它可由下式表示： 式中
2、： x 被测量值； u 标准量，即测量单位； n 比值（纯数），含有测量误差。 由测量所获得的被测量值称为测量结果。测量结果可用一定的数值表示，也可用一条曲线或某种图形表示。但无论其表现形式如何,测量结果应包括两部分：比值和测量单位。当然测量结果还应包括误差部分。,1.2 测量基础知识,1.2 测量基础知识,1.2 测量基础知识,1.2 测量基础知识,5、测量误差 【概念引出】测量的目的是希望通过测量获取被测量的真实值。但由于种种原因，例如：传感器本身性能不十分优良，测量方法不十分完善，外界干扰的影响等，都会造成被测参数的测量值与真实值不一致，两者不一致程度用测量误差表示。 测量误差就是测量值
3、与真实值之间的差值。它反映了测量质量的好坏。 1）测量误差的表示方法 测量误差的表示方法有多种，含义各异。 （1）绝对误差 绝对误差可用下式定义： =x-L 式中： 绝对误差； x 测量值； L真实值。 （2）相对误差 相对误差的定义由下式给出： =/L 式中： 相对误差，一般用百分数表示； 绝对误差； L真实值。 （3）引用误差 引用误差是仪表中通用的一种误差表示方法，它是相对仪表满量程的一种误差，一般也用百分数表示，即 =/( 测量范围上限-测量范围下限） 式中： 引用误差； 绝对误差； （4）基本误差 基本误差是指仪表在规定的标准条件下所具有的误差。 （5）附加误差 附加误差是指当仪表的
4、使用条件偏离额定条件下出现的误差。,1.2 测量基础知识,6、误差的性质 根据测量数据中的误差所呈现的规律，将误差分为三种：系统误差、随机误差和粗大误差。这种分类方法便于测量数据的处理。 （1）系统误差：在相同条件下，多次测量同一量时，误差的绝对值和符号保持恒定或遵循一定规律变化的误差。产生系统误差的主要原因有仪器误差、使用误差、影响误差、方法和理论误差，消除系统误差主要应从消除产生误差的来源着手，多用零示法、补偿法等，用修正值是减小系统误差的一种好方法。 （2）随机误差：在相同条件下进行多次测量，每次测量结果出现无规则的随机性变化的误差。随机误差主要由外界干扰等原因引起，可以采用多次测量取算
5、术平均值的方法来消除随机误差。 （3）粗大误差：在一定条件下，测量结果明显偏离真值时所对应的误差，称为粗大误差。产生粗大误差的原因有读错数、测量方法错误、测量仪器有缺陷等等，其中人为误差是主要的，这可通过提高测量者的责任心和加强测量者的培训等方法来解决。,第2章 能量控制型传感器,节次安排,根据能量的观点对传感器进行分类，可分为有源传感器和无源传感器。有源传感器将非电能量转换为电能量，称之为能量转换型传感器。通常配合有电压测量电路和放大器，如压电式、热电式、电磁式等。无源传感器又称能量控制型传感器。它本身不是一个换能器，被测非电量仅对传感器中能量起控制或调节作用。所以，它们必须有辅助电源，这类
6、传感器有电容式、电感式等。本章重点介绍能量控制型传感器，考虑到学习传感器的全面性，最后一节介绍常用的一种能量转换型传感器压电式传感器，以此比较这两类传感器的差异，强化学习效果。,2.1应变式传感器,1、应变式传感器种类、结构 应变式传感器到底分为哪些种类呢？ 应变式传感器中的传感元件有电阻应变片、半导体膜片、电位器等。由它们分别制成了电阻应变式传感器、压阻式传感器、电位器式传感器等。 其中，电阻应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片，电阻应变式传感器由弹性敏感元件、电阻应变片、补偿电阻和外壳组成，可根据具体测量要求设计成多种结构形式。弹性敏感元件
7、受到所测量的力而产生变形，并使附着其上的电阻应变片一起变形。电阻应变片再将变形转换为电阻值的变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度和温度等多种物理量。 电阻应变式传感器特点 精度高，测量范围广； 使用寿命长，性能稳定可靠； 结构简单，体积小，重量轻； 频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量； 价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。,2.1应变式传感器,【典型实例】检测拉压力的电阻应变式传感器如下图所示： 图 电阻应变式拉压力传感器,压阻式传感器有两种类型：半导体应变式传感器、固态压阻式传感器。压阻式传感器的特点：灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；分辨率高，
8、例如测量压力时可测出1020Pa的微压；测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低频加速度和直线加速度。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。固态压阻式传感器在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻，作为测量传感元件亦成扩散型压阻式传感器。固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。,2.1应变式传感器,【典型实例】硅压阻式传感器实物如下图所示。,电位器传感器可以用来把转动或位移这两个物理量转换为电阻的变化。电位器或传感器的结构如图所示。线性电位器可以把线性位移或转动转换为电阻的变化，在施加给传感器激励能量后，又可把电阻的变化转换为电压、
9、电流的变化。下图中 (a)为直线式电位器，(b)为旋转式电位器。,2.1应变式传感器,2、应变式传感器工作原理 1）电阻应变效应 当电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化，这种效应称为电阻应变效应。,2.1应变式传感器,上式中dl/l=材料的轴向线应变 dA/A=2(dr/r)=2,其中r导体的半径；导体的泊松比。继续代入上式，得： dR/R=(1+2)+d/ 对于金属导体或半导体，上式中右末项电阻率相对变化的受力效应是不一样的，分别讨论如下： （1）金属材料的应变电阻效应通过实验研究发现，金属材料的电阻率相对变化与其体积相对变化之间有如下关系： d/=CdV/V 式中，C由一定
10、的材料和加工方式决定的常数。 dV/V=(dl/l)+dS/S=(1-2) 经过合并，可得：dR/R=(1+2)+C(1-2)=Km,（2）半导体材料的应变电阻效应 史密兹等学者很早发现，锗、硅等单晶半导体材料具有压阻效应。 d/= E 式中 作用于材料的轴向应力； 半导体材料在受力方向的压阻系数； E半导体材料的弹性摸量。 经整合得： R/R=(1+2)+E=S 式中，S半导体材料的应变灵敏度。 2、应变片的基本结构和测量原理 （1）应变片的结构 【实例分析】电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅网状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基片
11、上，电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。,2.1应变式传感器,左图为典型应变片的结构及组成:(a)丝式 (b)箔式 (c)半导体 1敏感栅 2基底 3引线 4盖层 5粘结剂 6电极 应变片的结构型式很多，但其主要组成部分基本相同。左图给出了丝式、箔式和半导体三种典型应变片的结构型式及其组成。 敏感栅应变片中实现应变-电阻转换的敏感元件。它通常由直径为0.0150.05mm的金属丝绕成栅状，或用金属箔腐蚀成栅状。图中l表示栅长，b表示栅宽。其电阻值一般在100以上。 基底为保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通常用粘结剂将其固结在纸质或胶质的基底上。应变片工作时，基底起着把试件应
12、变准确地传递给敏感栅的作用。为此，基底必须很薄，一般为0.020.04mm。有用专门的薄纸制成的基片称为纸基。有用粘结剂和有机树脂薄膜制成的胶基。 引线它起着敏感栅与测量电路之间的过渡连接和引导作用。通常取直径约0.10.15mm的低阻镀锡铜线，并用钎焊与敏感栅端连接。 盖层用纸、胶做成覆盖在敏感栅上的保护层；起着防潮、防蚀、防损等作用。 粘结剂在制造应变片时，用它分别把盖层和敏感栅固结于基底；在使用应变片时，用它把应变片基底再粘贴在试件表面的被测部位。因此它也起着传递应变的作用。,2.1应变式传感器,（2）测量原理 用应变片测量时，将其粘贴在被测对象表面上。当被测对象受力变形时，应变片的敏感
13、栅也随同变形，其电阻值发生相应变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，从而实现应变的测量。通过弹性敏感元件，将位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应变，则可用应变片测量上述各量，做成各种应变式传感器。 （3）静态特性 灵敏系数(S) 当具有初始电阻值R的应变片粘贴于试件表面时，试件受力引起的表面应变，将传递给应变片的敏感栅，使其产生电阻相对变化R/R 。实验证明，在一定的应变范围内，有下列关系： R/R=Sx 式中 x应变片轴向应变； 横向效应及横向效应系数(H) 金属应变片的敏感栅通常都呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成，如下图(a)所示。由于试件承受单向应力时，其表面处于平面
14、应变状态中，即轴向拉伸x和横向收缩y。粘贴在试件表面上的应变片，其纵栅和横栅各自主要分别敏感x和y如下图(b)，从而引起总的电阻相对变化为：,2.1应变式传感器,上图为应变片横向效应效果图: (a)应变片敏感栅的组成 ; (b)横向效应 R/R= Sx x + Sy y 式中: Sx纵向灵敏系数，它表示当y0时，单位轴向应变x引起的电阻相对变化； Sy横向灵敏系数，它表示当x0时，单位横向应变y引起的电阻相对变化； （4）压阻效应与压阻系数 半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象就称为压阻效应。 dR/Rd/= 式中 压阻系数； 应力。 实际情况并非如此简单。当半导体膜片承受外
15、应力时，必须同时考虑其纵向(扩散电阻长度方向)压阻效应和横向(扩散电阻宽度方向)压阻效应。由于扩散型力敏传感器的扩散电阻厚度(即扩散深度)只有几微米，其垂直于膜片方向的应力远比其他两个分量小而可忽略。此时，在扩散电阻长度方向上的电阻变化率与给定点应力的关系变为: dR/R=ll+tt 式中 l 、 t分别为纵向应力和横向应力。l反映纵向应力引起纵向电阻的变化，称为纵向压阻系数；t反映横向应力引起纵向电阻的变化，称为横向压阻系数。,2.1应变式传感器,（5）测量电路 应变片把机械应变信号转换成后，由于应变量及其应变电阻变化一般都很微小，既难以直接精确测量，又不便直接处理。因此，必须采用转换电路或仪器，把应变计的变化转换成电压或电流变化。通常采用电桥电路实现这种转换。根据电源的不同，电桥分直流电桥和交流电桥。 直流电桥 （a）直流电桥平衡条件 :如下图,当I L=0时, R1R3-R2R4=0,2.1应变式传感器,(b) 直流电桥电压灵敏度 应变片工作时，其电阻变化很小，电桥相应输出电压也很小。要将应变量进行测量，须将输出电压放大，为此必须了解R/R与电桥输出电压的关系。 可知n=1时，即R1=R2，R3=R4时，Su电桥的电压灵敏度最高。 此时，U0=UR/4R 因此,
