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1、第四章第四章 敏感元件及与传感器技术敏感元件及与传感器技术11）传感器的定义）传感器的定义 传传感感器器（Transducer/sensor）的的定定义义为为：“能能感感受受（或或响响应应）规规定定的的被被测测量量，并并按按照照一一定定规规律律转转换换成成可可用用输输出出信信号号的的器器件件或或装置，通常由装置，通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成组成”。目目前前，传传感感器器转转换换后后的的信信号号大大多多为为电电信信号号。因因而而从从狭狭义义上上讲讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。4.1 4.1 传感器概论传感器概
2、论2）传感器的组成）传感器的组成 2敏感元件敏感元件转换元件转换元件压压力力作作用用膜片形变（应变）膜片形变（应变）应变片电阻改变应变片电阻改变敏感元件(Sensing element)是指传感器中能直接感受被测量的部分转换元件(Transition element)是指传感器中能将敏感元件输出量转换为适于传输和测量的电信号部分。信号调理电路：能把转换输出的电信号转换为便于显示、记录和控制的有用信号的电路。常用电桥、放大器、阻抗变换器等33 3）传感器分类传感器分类 （1 1）按被测量分类）按被测量分类 机械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振动、噪声 热工量：温度、热量、流量（速）、风
3、速、压力（差）、液位 物性参量：浓度、粘度、比重、酸碱度 状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损、表面质量 （2 2）按测量原理分类）按测量原理分类 按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式、光纤、磁敏式、激光、超声波等传感器。4（3 3）按信号变换特征分类）按信号变换特征分类 结构型：主要是通过传感器结构参量的变化实现信号变换的。例如:电容式和电感式传感器.物性型：利用敏感元件材料本身物理属性的变化来实现信号变换。例如:水银温度计,压电测力计.（4 4）按能量关系分类）按能量关系分类 能量转换型：传感器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.也称有
4、源传感器。能量控制型：传感器从外部获得能量使其工作，由被测量的变化控制外部供给能量的变化。例如:电阻式、电容式、电感式.也称无源传感器。54.2 4.2 电阻式传感器电阻式传感器被测信息被测信息敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源信号调理电路信号调理电路输出信息输出信息电阻元件电阻元件电阻元件电阻元件传感元件为传感元件为电阻元件电阻元件v电位器式电位器式v电阻应变式电阻应变式v热敏效应式热敏效应式 其结构简单、易于制造、价格便宜、性能稳其结构简单、易于制造、价格便宜、性能稳定、输出功率大，是目前在非电量检测技术定、输出功率大，是目前在非电量检测技术中应用最广、最成熟和最重要的传感器
5、之一中应用最广、最成熟和最重要的传感器之一.把被测量转换为电阻变化的一种传感器，是一种能量控制型把被测量转换为电阻变化的一种传感器，是一种能量控制型传感器传感器 可用于测量应变、位移、力、压力和加速度等参数。可用于测量应变、位移、力、压力和加速度等参数。6敏感元件敏感元件转换元件转换元件压压力力作作用用膜片形变（应变）膜片形变（应变）应变片电阻改变应变片电阻改变v电阻应变式电阻应变式v金属电阻应变片金属电阻应变片v半导体应变片半导体应变片 按应变片所用的材料可分为：按应变片所用的材料可分为：导体或半导体导体或半导体材料在外界力材料在外界力的作用下产生的作用下产生机械变形时，机械变形时，其电阻值
6、相应其电阻值相应发生变化。发生变化。主要作用是敏感元主要作用是敏感元件实现件实现应变应变电阻电阻的变换。的变换。7（1 1）电阻应变片工作原理：）电阻应变片工作原理：工作原理：工作原理：电阻丝电阻值：电阻丝电阻值：纵向应变纵向应变横向应变：横向应变：当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小对上式进行全微分，并用相对变化量来表示：泊松比泊松比电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力轴向所受正应力 有关。有关。弹性模量弹性模量纵向压阻系数纵向压阻系数8因此：因此：分析：分析：是由电阻丝几何尺寸改变引起的。是由电阻丝几何尺寸改变引起的。是由电阻丝的电阻率随应变的改变引起的
7、。是由电阻丝的电阻率随应变的改变引起的。注意：对注意：对金属电阻丝金属电阻丝来说，来说，是很小的，可忽略；对是很小的，可忽略；对半导半导体应变片体应变片来说，来说，是很小的，可忽略。是很小的，可忽略。这正是两类电阻应变式传感器原理的主要区别。这正是两类电阻应变式传感器原理的主要区别。9 电阻丝应变片电阻丝应变片金属电阻应变片：金属电阻应变片：常用的电阻材料：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金常用的电阻材料：康铜、镍铬合金、镍铬铝合金灵敏度：灵敏度：敏感元件是金属丝栅。敏感元件是金属丝栅。常用的结构形式：丝式、箔式、薄膜式常用的结构形式：丝式、箔式、薄膜式工作原理是基于金属导体的工作原理是基于金属导体的
8、应变效应应变效应，即金属导体在外力作用，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。10 箔式应变片箔式应变片1.金属箔栅很薄，感受的应力状态与试件表面金属箔栅很薄，感受的应力状态与试件表面应力状态更接近应力状态更接近2.箔材表面积大，散热条件好，所以允许通过箔材表面积大，散热条件好，所以允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度量灵敏度3.箔栅的尺寸准确、均匀，能制成任意形状，箔栅的尺寸准确、均匀，能制成
9、任意形状，扩大了应变片的使用范围扩大了应变片的使用范围优点：优点：敏感元件是通过照相制版或光刻腐蚀等工艺敏感元件是通过照相制版或光刻腐蚀等工艺制成的薄金属箔栅。制成的薄金属箔栅。缺点：缺点：1.生产工序较复杂；生产工序较复杂；2.引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量。引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量。3.价格较贵价格较贵11一般市售电阻应变片的一般市售电阻应变片的标准阻值有标准阻值有60、120、350、600、1000欧等，欧等，其中其中120欧应用最多。欧应用最多。通常静态测量时，允许通常静态测量时，允许的电流一般规定为的电流一般规定为25mA，动态测量时可，动态测
10、量时可达达75100mA，箔式箔式应应变片则可更大些。变片则可更大些。选用应变片时，要考虑选用应变片时，要考虑应变片的性能参数，主应变片的性能参数，主要是应变片的电阻值、要是应变片的电阻值、灵敏度、允许电流、应灵敏度、允许电流、应变极限等。变极限等。12n优点：优点：灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小.n缺点：缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片温度稳定性和可重复性不如金属应变片。半导体应变片：半导体应变片：工作原理是基于半导体材料的工作原理是基于半导体材料的压阻效应压阻效应。因此，有时也称为压。因此，有时也称为压阻传感器。阻传感器。灵敏度：灵
11、敏度：从半导体物理可知，半导体在压力、温度及从半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使电阻率发生很大变化。光辐射作用下，能使电阻率发生很大变化。目前，国产半导体应变片大都采用目前，国产半导体应变片大都采用P型硅单晶制成。型硅单晶制成。13利用金属导体形变引起电阻利用金属导体形变引起电阻的变化的变化 。一般制作应变片。一般制作应变片的金属丝的灵敏度的金属丝的灵敏度K K0 0在在1.71.73.63.6之间，有些工程书上，之间，有些工程书上，直接将金属丝应变片的灵敏直接将金属丝应变片的灵敏度度K K0 0定义为定义为2 2。利用半导体电阻率变化引起电利用半导体电阻率变化引起电阻的变
12、化阻的变化。用半导体应变片制。用半导体应变片制成的传感器亦称为成的传感器亦称为压阻传感器。压阻传感器。半导体应变片具有很高的灵敏半导体应变片具有很高的灵敏度（是金属丝应变片灵敏度度（是金属丝应变片灵敏度大大50507070倍倍 ），但其最大的特），但其最大的特点是温度灵敏度高，非线性严点是温度灵敏度高，非线性严重及安装困难。重及安装困难。当测量较小应变时，一般选用压阻当测量较小应变时，一般选用压阻 效应工作的应变片，而测量大应变时，一般选效应工作的应变片，而测量大应变时，一般选用用应变应变效应工作的应变片效应工作的应变片14（2 2）电阻式传感器的测量电路电阻式传感器的测量电路 由于机械应变一
13、般都很小，要把微小应变引起的微小电阻值的变化测量出来，同时，要把电阻相对变化 转换为电压或电流的变化，因此，需要设计专用的测量电路，常用桥式测量电路。该电路目标：提高输出灵敏度、进行温度补偿 15当 时，电桥的输出电压 应为：当电桥平衡时，由上式可得到 或 称为电桥平衡条件 1）直流电桥平衡条件）直流电桥平衡条件 直流电桥的基本形式如图，R1，R2，R3，R4称为电桥的桥臂，RL为其负载（可以是测量仪表内阻或其他负载）。电桥线路原理图R2R4R1R3UiACDBU0+-16R2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU0不受力时，使电桥平衡不受力时，使电桥平衡受应力或温度使电阻值变化时：受应力或
14、温度使电阻值变化时：为使分析简化，选择为使分析简化，选择2）常用电桥电路）常用电桥电路 17一般情况下，一般情况下，化简得到：，化简得到：利用上式的和差特点，可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。利用上式的和差特点，可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。R2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU018为达到完全补偿，需满足下列三个条件：为达到完全补偿，需满足下列三个条件：互互相相补补偿偿的的应应变变片片须须属属于于同同一一批批号号的的，即即它它们们的的电电阻阻温温度度系系数数、线线膨膨胀系数、应变灵敏系数都相同，互补应变片的初始电阻值也要求相同；胀系数、应变灵敏系数都相同，互补应变片的初始电阻值也要
15、求相同；用用于于粘粘贴贴补补偿偿片片的的构构件件和和粘粘贴贴工工作作片片的的试试件件材材料料必必须须相相同同，即即要要求求其其线膨胀系数相等；线膨胀系数相等；互相补偿的应变片处于同一温度环境中。互相补偿的应变片处于同一温度环境中。R1R2FFR1R2（b）（a）F19根据工作中电阻值参与变化的桥臂的个数，根据工作中电阻值参与变化的桥臂的个数，将电桥分为：将电桥分为：半桥式、全桥式半桥式、全桥式半桥单臂半桥单臂只有一个桥臂只有一个桥臂 阻值随被测量而变化阻值随被测量而变化 若四个桥臂的初始电阻值相等，若四个桥臂的初始电阻值相等，且且 时时R2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU020半桥双臂
16、半桥双臂工作时，有相邻两个桥臂工作时，有相邻两个桥臂 阻值随被测量而变化。阻值随被测量而变化。若四个桥臂的初始电阻值相等，若四个桥臂的初始电阻值相等，设相邻两个桥臂阻值变化量相等时，设相邻两个桥臂阻值变化量相等时，为使输出不为零且提高灵敏度，使电为使输出不为零且提高灵敏度，使电阻变化方向相反（即一个阻值增大，阻变化方向相反（即一个阻值增大，另一个则减小）另一个则减小）.R2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU021全桥接法全桥接法工作时四个桥臂都随被测量变化。工作时四个桥臂都随被测量变化。设四个桥臂的阻值变化量相等：设四个桥臂的阻值变化量相等：若四个桥臂的初始电阻值相等，若四个桥臂的初始电
17、阻值相等，为使输出不为零且提高输出灵敏度，任意两相邻桥臂电阻值变为使输出不为零且提高输出灵敏度，任意两相邻桥臂电阻值变化方向均相反，此时：化方向均相反，此时：R2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU022将将 作为输入（有的仅把作为输入（有的仅把 当作当作输入），由此可以求得上述各种输入），由此可以求得上述各种电桥电桥的灵敏度的灵敏度分别为分别为半桥单臂：半桥单臂：半桥双臂：半桥双臂：全桥：全桥：比较：比较：R2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU0根据理想线性关系分析所得根据理想线性关系分析所得23当仅桥臂当仅桥臂ABAB单臂承受应变单臂承受应变 ，产生，产生 时，时，上式是在假定上
18、式是在假定 时得到的。时得到的。此时电桥的实际输出是：此时电桥的实际输出是：电桥的相对非线性误差为：电桥的相对非线性误差为：如果已知如果已知 ，并对非线性误，并对非线性误差差 提出要求，则通过上式提出要求，则通过上式可计算出允许测量的最大应可计算出允许测量的最大应变量。变量。当当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。时，输出电压与应变呈线性关系。R2R4R1R3Ui电桥线路原理图ACDBU024结论：如果被测应变大于结论：如果被测应变大于10000，采用等臂电桥时的非线性误差大于，采用等臂电桥时的非线性误差大于1%。例：设例：设K=2，要求非线性误差，要求非线性误差1%，试求允许测量的最大应变值
19、，试求允许测量的最大应变值max。25（3 3）电阻应变式传感器的应用）电阻应变式传感器的应用n直接用来测定结构的应变或应力直接用来测定结构的应变或应力，如为了研究某些构件，如为了研究某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用不同形状的应在工作状态下的受力、变形情况，可利用不同形状的应变片，粘贴在构件的选定部位，测得构件的拉、压应力变片，粘贴在构件的选定部位，测得构件的拉、压应力或弯矩等，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等或弯矩等，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的试验数据。提供可靠的试验数据。n将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、将应变片贴于弹性元件上，作为测
20、量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件。在这种情况下，弹性元件得到与被测量成比例的应变，再由应变片转换为电阻的得到与被测量成比例的应变，再由应变片转换为电阻的变化。变化。注意：电阻应变片必须被粘贴在试件或弹性单元上才能工注意：电阻应变片必须被粘贴在试件或弹性单元上才能工作，应将其粘贴在应变最大的部位。粘合剂和粘合技术对作，应将其粘贴在应变最大的部位。粘合剂和粘合技术对测量结果有直接影响。测量结果有直接影响。26因此，轴向应变片感受到的应变为（因此，轴向应变片感受到的应变为（）：）：圆周方向应变片感受到的应变为（圆周方向应变片感受到的应变为（）
21、：）：柱式力传感器-2+1截面积SFFF面积S-1+2b）a）弹性元件分为实心和空心两种。实心圆柱弹性元件分为实心和空心两种。实心圆柱可承受较大负荷；空心圆桶横向钢度大，可承受较大负荷；空心圆桶横向钢度大，稳定性好。稳定性好。在在轴轴向向布布置置一一个个或或几几个个应应变变片片，在在圆圆周周方方向向布布置置同同样样数数目目的的应应变变片片，后后者者取取符符号号相相反反的的横横向向应应变变，从从而而构构成成了了差差动动对对。在在与与轴线任意夹角的轴线任意夹角的方向，其应变为方向，其应变为：载荷杨氏模量1 1、柱式力传感器、柱式力传感器2728292 2、梁式力传感器、梁式力传感器等强度梁弹性元件
22、是一种特殊形式的悬臂梁。等强度梁弹性元件是一种特殊形式的悬臂梁。LR1R3R2R4xFhbb0R4这种弹性元件的特点是：其截面按一定的规律变化，当集中力作用在自这种弹性元件的特点是：其截面按一定的规律变化，当集中力作用在自由端时，距作用力任何距离的截面上应力相等。由端时，距作用力任何距离的截面上应力相等。30313、应变式压力传感器应变式压力传感器测测量量气气体体或或液液体体压压力力的的薄薄板板式式传传感感器器，如如图图所所示示。当当气气体体或或液液体体压压力力作作用用在在薄薄板板承承压压面面上上时时，薄薄板板变变形形，粘粘贴贴在在另另一一面面的的电电阻阻应应变变片片随随之之变变形形，并改变阻
23、值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。并改变阻值。这时测量电路中电桥平衡被破坏，产生输出电压。P（b）（a）应变式压力传感器圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（圆形薄板固定形式：采用嵌固形式，如图（a）或与传感器外壳作成一体，）或与传感器外壳作成一体，如图如图(b)。应变片32根据力学公式，当均匀压力作用在薄板上时：根据力学公式，当均匀压力作用在薄板上时：圆板内任一点的应变值为：圆板内任一点的应变值为：径向和切向应力径向和切向应力径向和切向应变径向和切向应变圆板的半径和厚度圆板的半径和厚度与圆心的径向距离与圆心的径向距离334 4、应变式加速度传感器、应变式加速度传感器由由端端部部
24、固固定定并并带带有有惯惯性性质质量量块块m的的悬悬臂臂梁梁及及贴贴在在梁梁根根部部的的应应变变片片、基基座座及外壳等组成。是一种惯性式传感器。及外壳等组成。是一种惯性式传感器。测测量量时时，根根据据所所测测振振动动体体加加速速度度的的方方向向，把把传传感感器器固固定定在在被被测测部部位位。当当被测点的加速度沿图中箭头所示方向被测点的加速度沿图中箭头所示方向L应变片质量块m弹簧片外壳基座a应变式加速度传感器时，悬臂梁自由端受惯性力时，悬臂梁自由端受惯性力F=ma的作用，质量块向箭头的作用，质量块向箭头a相反的方向相对于基座运动，相反的方向相对于基座运动，使梁发生弯曲变形，应变片电使梁发生弯曲变形
25、，应变片电阻也发生变化，产生输出信号，阻也发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。输出信号大小与加速度成正比。34图4-5冲床生产量和生产过程监测图4-6电阻应变式电子秤图4-7机械手35作作 业业1.1.电阻应变片的种类有哪些？各有何特点？电阻应变片的种类有哪些？各有何特点？2.2.电阻应变片阻值为电阻应变片阻值为120120，灵敏度系数为，灵敏度系数为K=2K=2，沿纵向粘贴于直径，沿纵向粘贴于直径为为0.050.05的圆柱形钢柱表面，钢材的弹性模量为的圆柱形钢柱表面，钢材的弹性模量为 ，求钢柱受求钢柱受1010吨拉力作用时，应变片的电阻相对变换量吨拉力作用时，应变片的电阻相对
26、变换量和电阻变化量，又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴，受同样拉力和电阻变化量，又若应变片沿钢柱圆周方向粘贴，受同样拉力作用时，应变电阻的相对变化量为多少？作用时，应变电阻的相对变化量为多少？363.3.有一薄壁圆管式拉力传感器如下图有一薄壁圆管式拉力传感器如下图a a所示。已知其弹性元件材料所示。已知其弹性元件材料的泊松比为的泊松比为0.30.3，电阻应变片的灵敏系数，电阻应变片的灵敏系数K K为为2 2，贴片位置如下图，贴片位置如下图b b所示。若受拉力所示。若受拉力P P作用，问：作用，问：（1 1）欲测量拉力）欲测量拉力P P的大小，应如何正确组成电桥（画出组成电桥图）的大小，应如何正确组成电桥（画出组成电桥图）？（2 2）当供桥电压）当供桥电压U U2V2V，应变，应变1122500500时，输出电压时，输出电压UoUo是多少？是多少？（111101106 6）R1R2R3R4PP（a）R1R2R3R4（b）37