传感器原理及电阻式传感器ppt课件

第六章传感器原理 6 1传感器基本概念 6 1 1传感器的定义与组成6 1 2传感器的分类6 1 3传感器的基本特性 6 1传感器基本概念 6 1 1传感器的定义与组成 一 传感器的定义传感器 sensor 是把被测的物理量按一定的规律转换为相应的容易检测 传输及处理的信号的装置 它是实现自动检测和自动控制的首要环节 6 1 1传感器的定义与组成 二 传感器的组成传感器通常由敏感元件 转换器件和其他辅助器件组成 敏感元件 Sensingelement 传感器中直接感受被测量并输出与被测量成确定关系的其他量的部分 转换元件 Transductionelement 能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分 6 1 2传感器的分类 1 按工作原理分类 参量传感器 发电传感器 特殊传感器 电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器等 热电偶传感器 压电式传感器 霍尔式传感器等 超声波探头 激光检测等 6 1 3传感器的基本特性 一 传感器的静态特性二 传感器的动态特性 6 1 3传感器的基本特性 一 静态特性传感器在被测量处于稳定状态的输入 输出关系 对于理想传感器 其静态特性可用麦克劳林技术表示 只有当二阶以上的项为0时 才满足理想的线性关系 6 1 3传感器的基本特性 衡量传感器静态特性的重要指标是线性度 灵敏度 精确度 重复性 迟滞性和分辨率 1 线性度又称非线性误差 非线性度 它表示传感器特性曲线与刻度直线的偏离程度 图6 1 其表达式为 线性度 6 1 3传感器的基本特性 图6 1传感器的线性度 刻度直线 拟合方法 可用最小二乘法 端基法 切线法得到 6 1 3传感器的基本特性 2 精确度传感器的精度是指测量结果的可靠程度 它以给定的准确度表示重复某个读数的能力 其误差愈小 则精度愈高 一般用极限误差或极限误差与满量程输出之比的百分数表示 精确度 极限误差 量程 100 在应用中 为了简化传感器的精度的表示方法 引用了精度等级的概念 分为 0 05 0 1 0 2 0 3 0 5 1 0 1 5 2 0 精度等级越小精度越高 6 1 3传感器的基本特性 3 灵敏度表示在稳定工作状态下 传感器输出变化与引起此变化的输入变化的比值 K为灵敏度 即 6 1 3传感器的基本特性 4 重复性指在同一工作条件下 输入量按同一方向在全量程范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性 特性曲线一致 则重复性好 测量误差小 图6 2 右图6 2重复性曲线 6 1 3传感器的基本特性 5 迟滞性在输入量增加过程中测得的某一点输出值 与在输入减少过程测得的同一点值不一样 这种现象称为滞后 图6 3曲线称为滞环特性曲线 右图6 3滞环特性曲线 6 1 3传感器的基本特性 6 分辨率传感器能感测到的测量值的最小变化量 因为变化量是无穷的 小数点后面有无穷位 但传感器测量的输出并不是无穷的变化量都能分辨出来 能分辨的最小单位就是分辨率 例1 一光栅传感器 测量长度10mm 最小测量距离0 1um 求分辨率 分辨率 最小测量距离 测量长度 100 0 01 6 1 3传感器的基本特性 二 动态特性指传感器的输出量对于随时间变化的输入量的响应特性 传感器的主要动态特性指标有 1 时域性能指标采用瞬态响应法 阶跃响应 2 频域性能指标采用频率响应法 正弦响应 6 2 1电阻式传感器 电阻式传感器是将被测非电量转换成电阻值变化的器件或装置 被测量 电阻式传感器 电阻值 电阻式传感器可以测量力 应变 位移 加速度 扭矩 温度等非电量参数 一般来说 电阻式传感器的结构简单 性能稳定 灵敏度较高 有的还适用于动态测量 6 2常用传感器 6 2 1电阻式传感器 一 应变片式传感器二 压阻式传感器三 其他电阻传感器 6 2 1电阻式传感器 一 应变片式传感器1 电阻应变效应长为L 截面积为A 电阻率为r的金属或半导体丝 电阻为 若导线沿着轴线方向受到力的作用而产生变形 则其电阻值也随之发生变化 这一现象称为电阻应变效应 6 2 1电阻式传感器 实验证明 电阻丝及应变片的电阻相对变化量 R R与材料力学中的轴向应变 的关系在一定范围内是线性的 即 R R K K 电阻应变片的灵敏度 对于不同的金属材料 K略微不同 一般为2左右 而对半导体材料而言 由于其感受到应变时 电阻率 会产生很大的变化 所以半导体材料灵敏度比金属材料大十几倍 6 2 1电阻式传感器 由材料力学可知 F AE 则 R R又可表示为 R R K F AE 若应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量E均为已知 则只要测出 R R的数值 即可知试件受力F的大小 例如可用于电子称的称重 6 2 1电阻式传感器 2 应变片的类型结构 金属应变片 半导体应变片 金属丝式 箔式 薄膜式 6 2 1电阻式传感器 3 金属应变片 1 金属丝式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 但价格便宜 多用于应力 应变的大批量 一次性试验 如图6 4所示 6 2 1电阻式传感器 图6 4丝式电阻应变片 l称应变片的标距或工作基长 b称应变片的工作宽度 6 2 1电阻式传感器 电阻丝较细 直径一般在0 015 0 06mm 两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝 直径为0 1 0 2mm 作为引线 以便与测量电路连接 应变片的规格一般是以使用面积和电阻来表示的 如PJ 120型金属电阻应变片的规格为13mm 5mm 120W 6 2 1电阻式传感器 2 箔式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 如图6 5所示 图6 5箔式应变片 6 2 1电阻式传感器 箔式应变片与金属丝式应变片相比有如下特点 敏感栅尺寸准确 线条均匀 大批量生产时电阻值离散程度小 可根据不同测量要求制成任意形状 可制成基长很小的应变片 敏感栅弯头横向效应可忽略 6 2 1电阻式传感器 箔式应变片表面积大 散热性能好 在相同断面积情况下能通过较大的工作电流 从而能增大输出信号 疲劳寿命长 机械滞后小 蠕变小 便于批量生产 而且生产效率高 6 2 1电阻式传感器 3 薄膜式它是采用真空溅射或真空沉积等镀膜技术将应变电阻材料镀在基底材料上而形成的 厚度在零点几nm到几百nm 这类应变片的显著特点是灵敏系数大 允许的电流密度大 工作温度范围广 197 317 也可用于核辐射等特殊情况下 易实现工业化批量生产 6 2 1电阻式传感器 4 半导体式应变片半导体应变片分为体型和扩散型 体型 利用半导体材料的体电阻制成 如图6 6所示 扩散型 在半导体材料的基片上利用集成电路工艺制成 图6 6体型半导体式应变片 6 2 1电阻式传感器 半导体应变片有如下优点 灵敏度高 体积小 耗电省 具有两种符号的应力效应 即在拉伸时P型硅应变片的灵敏系数为正值 N型硅的为负值 主要缺点是受温度的影响大 非线性严重 6 2 1电阻式传感器 5 电阻应变片的性能参数 1 电阻值 是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值 也称为初始电阻值 120 和350 应用较多 2 几何参数 敏感栅基长1和宽度b 制造厂常用b 1表示 3 灵敏系数 表示应变片变换性能的重要参数 4 绝缘电阻 应变片与试件间的阻值 越大越好 一般大于1010 5 其他性能参数 允许电流 工作温度 应变极限 滞后 蠕变 零漂以及疲劳寿命 6 2 1电阻式传感器 6 应变片基本工作特性 1 横向效应将电阻丝绕成敏感栅后 虽然长度不变 但其直线段和圆弧段的应变状态不同 其灵敏系数较整长电阻丝的灵敏系数小 该现象称为横向效应 上图为横向效应的原理图 6 2 1电阻式传感器 2 温度效应把应变片安装在自由膨胀的试件上 即使试件不受任何外力作用 如果环境温度发生变化 应变片的电阻也将发生变化 这种现象称为应变片的温度效应 由温度变化引起的应变输出称为热输出 它是虚假应变 在测量中须设法予以消除 6 2 1电阻式传感器 产生温度误差的原因主要有两个 敏感栅金属丝本身的电阻随温度变化 由于敏感栅材料的线膨胀系数b与试件材料的线膨胀系数b不同引起附加变形而使电阻变化 6 2 1电阻式传感器 3 蠕变和零漂粘贴在试件上的应变片 在恒温恒载条件下 指示应变量随时间单向变化的特性称为蠕变 当试件初始空载时 应变片示值仍会随时间变化的现象称为零漂 6 2 1电阻式传感器 4 滞后恒温条件下 试件承受加 卸载特性曲线不重合的特性 这种不重合性用滞后来衡量 实测中 可在测试前通过多次重复预加 卸载 来减小机械滞后产生的误差 6 2 1电阻式传感器 7 测量桥路 1 单臂半桥R1为应变片 其余电阻为固定电阻 6 2 1电阻式传感器 2 双臂半桥R1 R2为应变片 R3 R4为固定电阻 应变片R1 R2感受到的应变以及产生电阻增量正负号相间 可以使输出电压成倍增大 6 2 1电阻式传感器 3 四臂全桥全桥的四个桥臂均为应变片 如果设法使试件受力后 应变片R1 R4产生的电阻增量正负号相间 即可使输出电压成倍增大 6 2 1电阻式传感器 4 桥路温度补偿原理环境温度升高时 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 可以互相抵消 所以全桥温漂较小 双臂半桥也同样能克服温漂 6 2 1电阻式传感器 8 应变片的应用应变片的应用可分为两大类 第一类是将应变片粘贴与某些弹性体上 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 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 6 2 1电阻式传感器 a 柱式传感器 b 梁式传感器 c 轮辐式传感器 图6 7各类应变式传感器 6 2 1电阻式传感器 图6 8悬臂梁式传感器实物 6 2 1电阻式传感器 图6 9称重传感器实物 6 2 1电阻式传感器 实例 例1应变式传感器测量位移应变式位移传感器是把被测位移量变换为弹性元件的应变 通过测量应变间接求得位移 图6 10弹簧组合式位移传感器 6 2 1电阻式传感器 如图6 10所示 以弹簧组合式位移传感器为例 梁弯曲产生的应变与测杆的位移呈线性关系 测杆位移包括悬臂梁端部位移量y1和弹簧伸长量y2两部分 即y y1 y2 根据应变量的读数值 可求得位移y 6 2 1电阻式传感器 例2 应变式传感器测量加速度在悬臂梁1的自由端固定一质量块3 当壳体4与待测物一起作加速运动时 梁在质量块惯性力的作用下发生变形 使粘贴于其上的应变片2阻值变化 检测阻值的变化可求得待测物的加速度 图6 11应变式加速度传感器 6 2 1电阻式传感器 例3 桥梁固有频率测量 图6 12固有频率测量波形 6 2 1电阻式传感器 例4 应变式数显扭矩扳手数显扳手可用于汽车 摩托车 飞机 机械制造和家用电器等领域 准确控制紧固螺栓的装配扭矩 量程2 500Nm 耗电量 10mA 图6 13应变式数显扭矩扳手实物图 6 2 1电阻式传感器 二 压阻式传感器压阻式传感器有下面两种类型 利用半导体材料做成的粘贴式应变片 在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻 称扩散型压阻式传感器 6 2 1电阻式传感器 压阻式传感器的优点如下 灵敏度非常高 有时传感器输出不需放大就可直接用于测量 分辨力高 例如 可测出10 20Pa的微小压力变化 体积小 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 压阻式传感器的主要缺点是温度误差大 需进行温度补偿或恒温使用 6 2 1电阻式传感器 1 压阻效应压阻效应 固体受到作用力后或沿半导体的某一轴向施加一定的载荷而产生应变时电阻率发生变化的现象 半导体材料的应变与电阻的相对变化之间的关系如下 6 2 1电阻式传感器 有 是由于电阻丝的电阻率随应变而改变所引起的 对于金属丝来说 很小 可忽略 则电阻应变片的灵敏度为 6 2 1电阻式传感器 2 压阻式传感器分类 半导体应变片 扩散型压阻传感器 固态压阻式压力传感器 3 扩散型压阻式传感器为了克服半导体应变片粘贴造成的缺点 采用N型单晶硅为传感器的弹性元件 在它上面直接蒸镀半导体电阻应变薄膜 制成扩散型压阻传感器 6 2 1电阻式传感器 1 扩散型压阻式传感器结构图6 13是扩散型压阻式传感器 其核心部分是一块圆形硅膜片 在膜片上 利用扩散工艺设置有4个阻值相等的电阻 用导线将其构成平衡电桥 膜片的四周用圆环固定 膜片的两边有两个压力腔 一个是与被测系统相连的高压腔 另一个是低压腔 一般与大气相通 6 2 1电阻式传感器 a 扩散型硅压阻传感器结构b 硅膜片尺寸c 应变电阻条排列方式图6 14压阻式压力传感器 6 2 1电阻式传感器 2 扩散型压阻式传感器工作原理当膜片两边存在压力差时 膜片发生变形 产生应变 从而使扩散电阻的电阻值发生变化 电桥失去平衡 输出相对应的电压 其大小就反映了膜片所受压力差值 6 2 1电阻式传感器 4 压阻式传感器的特性补偿由于半导体材料对温度的敏感性 压阻式传感器受到温度变化影响后 将产生零点漂移和灵敏度漂移 零点温度漂移是因为扩散电阻的阻值温度变化引起的 灵敏度漂移是因为压阻系数随温度变化引起的 温度升高时 压阻系数变小 则灵敏度下降 6 2 1电阻式传感器 一般可用串 并联电阻的方法进行补偿 如图6 14所示 串联电阻Rs起调零作用 负温度系数的并联电阻Rp主要起补偿作用 当然R4上并联正温度系数电阻也可以 压阻传感器使用时必