传感器及检测技术.ppt

2019/11/27,1,上节回顾:1.检测技术的基本概念及方法2.传感器的发展3.传感器的分类和基本特性,2019/11/27,2,1.4.2误差的表示方法,绝对误差和修正值的量纲必须与示值量纲相同。绝对误差可表示测量值偏离实际值的程度，但不能表示测量的准确程度。,（1）绝对误差,AxA0,修正值C,C=,当AxA0时，为正误差；反之为负误差。,A0Ax+C,2019/11/27,3,（2）相对误差,实际相对误差,示值(标称)相对误差,满度（引用）相对误差,2019/11/27,4,1.4.3准确度,传感器和测量仪表的误差是以准确度表示的。准确度常用最大引用误差来定义,它表示传感器的最大相对误差为S%。,仪表引起的最大测量相对误差为,如压力传感器的准确度等级分别为0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0等；我国电工仪表的准确度等级分别为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。,某0.1级压力传感器的量程为100MPa，测量50MPa压力时，传感器引起的最大相对误差为,0.2%。,2019/11/27,5,本节主要内容:,2019/11/27,6,第一节电阻应变式传感器,2019/11/27,7,一、工作原理应变片的工作原理,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,2019/11/27,8,二、应变片的工作原理,设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量RR与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即,K电阻应变片的灵敏度,2019/11/27,9,二、应变片的种类与结构,应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。,2019/11/27,10,箔式应变片的外形,2019/11/27,11,半导体应变片及金属丝式应变片的结构,半导体应变片外形,金属丝式应变片的内部结构,2019/11/27,12,应变片主要性能指标举例,上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？,2019/11/27,13,应变片的粘贴：1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2019/11/27,14,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。,2019/11/27,15,3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,2019/11/27,16,4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,2019/11/27,17,5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,2019/11/27,18,三、测量转换电路不平衡电桥,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R/R转换为输出电压Uo的。,2019/11/27,19,三、测量转换电路不平衡电桥,2019/11/27,20,电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3,调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。,2019/11/27,21,单臂电桥,全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。,2019/11/27,22,双臂电桥,R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变12以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。,2019/11/27,23,四臂全桥,全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1R4产生的电阻增量（或感受到的应变14）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。,2019/11/27,24,全桥的温度补偿原理,当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。,2019/11/27,25,2019/11/27,26,四、应变效应的应用,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,2019/11/27,27,应变式力传感器,应变式力传感器,F,F,F,F,2019/11/27,28,各种悬臂梁,F,F,固定点,固定点,电缆,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,汽车衡称重系统,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,应变式数显扭矩扳手,可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,2019/11/27,36,第二节压阻式固态压力传感器利用半导体材料的压阻效应和集成电路扩散工艺制作的，四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。,2019/11/27,37,压阻式固态压力传感器内部结构,信号处理电路,2019/11/27,38,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,绝对压力传感器,2019/11/27,39,投入式液位计,压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。,2019/11/27,40,投入式液位传感器投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。,2019/11/27,41,电阻应变仪,下图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率：1；电桥电压：直流2.5V；应变片：120或其他阻值；测量点数：8/16点；,2019/11/27,42,与计算机接口的多路电阻应变测量模块,2019/11/27,43,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,2019/11/27,44,第三节测温热电阻传感器,一、金属热电阻,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,2019/11/27,45,取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。,2019/11/27,46,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,2019/11/27,47,表2-2热电阻的主要技术性能,2019/11/27,48,薄膜型及普通型铂热电阻,2019/11/27,49,小型铂热电阻,2019/11/27,50,防爆型铂热电阻,2019/11/27,51,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,2019/11/27,52,学习查“铂热电阻分度表”,附录铂热电阻分度表,2019/11/27,53,2019/11/27,54,铂电阻温度显示、变送器,2019/11/27,55,可设定温度的温度控制箱,旋转式机械设定开关,拨码式设定开关,2019/11/27,56,2019/11/27,57,热敏电阻,热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。NTC又可分为两大类：第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。,2019/11/27,58,热敏电阻的外形、结构及符号,a）圆片型热敏电阻b）柱型热敏电阻c）珠型热敏电阻d）铠装型e）厚膜型f）图形符号1热敏电阻2玻璃外壳3引出线4紫铜外壳5传热安装孔,2019/11/27,59,下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？,12345,2019/11/27,60,热敏电阻外形,MF12型NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,2019/11/27,61,其他形式的热敏电阻,玻璃封装NTC热敏电阻,MF58型热敏电阻,2019/11/27,62,其他形式的热敏电阻,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,2019/11/27,63,其他