04aP37第四章[1电阻+2应变式传感器]lpj

1,本章学习要求：,1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路,第四章常用传感器原理及应用,2,1.传感器定义,传感器(Transducer/sensor)是将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。传感器位于测控系统的首端；是获取准确可靠信息的关键装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,引言,3,2.传感器的构成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,4,3.传感器的分类,1)按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量。,如位移传感器，压力传感器，温度传感器等。,声:声压,噪声。,磁:磁通,磁场。,温度:温度,热量,比热。,光：亮度，色彩。,5,2)按工作的物理基础分类,机械式，电气式(电阻应变式，电感式，电容式，压电式等),光学式等。,3）按被测量和工作原理联合分类,电阻应变式力传感器、电感式位移传感器、压电式加速度传感器等。,6,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.,4）按信号变换特征,7,能量转换型和能量控制型。,能量转换型: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.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.,5)按敏感元件与被测对象之间的能量关系,8,（1）集成化传感器本身的集成化：CCD器件传感器与后续电路的集成化：频率输出型单块集成压力传感器,4.传感器技术的发展,（3）微传感器基于MEMS技术的新型传感器，其敏感元件的尺寸为0.1m100m。微传感器不是传统传感器按比例缩小的产物，其理论基础、结构工艺、设计方法等有许多自身的特殊现象和规律。,9,（4）智能化智能传感器一种将普通传感器与微处理器一体化，兼有检测和信息处理功能的新型传感器，集信息采集，信息的记忆、辨别、存储、处理于一体。,（5）网络化传感器网络化传感器是在智能传感器基础上，把TCPIP协议作为一种嵌入式应用，嵌入现场智能传感器的ROM中，从而使信号的收、发都以TCPIP方式进行。,10,补充电阻式传感器,电阻式传感器：是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。按工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,1变阻器式传感器,11,（1）等效电路分析,L变阻器总长x电刷移动量RL总电阻Rx电刷电阻,12,x=L*E1/E,13,考虑负载效应，有,14,负载效应分析,15,(2)变阻器式传感器的性能参数:1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命;,(3)变阻器式传感器的分类,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,16,按制作方式：,线绕电位器,17,变阻器式传感器产品,18,案例：煤气包储量检测,19,第一节电阻应变式传感器,20,一、金属电阻应变片,电阻丝一般采用直径为0.025mm左右的康铜（含57%Cu、43%Ni）或镍铬合金（含80%Ni、20%Cr）丝，敏感栅粘贴在基片和覆盖层之间，由引线接出。,l称为应变片的基长，b称为基宽，lb称为应变片的使用面积。应变片的阻值系列有60、120、350、600、1000，以120为最常用。应变片的规格一般用使用面积和电阻值表示，例如,（310）mm，120。,常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。,1、丝式应变片,21,应变计,金属应变计,22,应变计,箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003mm0.01mm之间。可根据需要制成任意形状。它的线条均匀、尺寸准确、散热好、易粘贴、适于大批量生产，已逐渐取代丝式应变片。,2、箔式应变片,23,金属丝的原始电阻：,泊松比,微分,电阻的相对变化：,3、金属电阻应变片的工作原理,把应变片粘贴在弹性敏感元件或需要测量变形的试件表面上。受到外力作用，电阻丝随着一起变形，引起电阻值发生变化。这样，将被测量转换为电阻变化。,(4-3),(4-2),(4-1),24,=常数,令,K称为金属丝的应变系数或灵敏度,(4-4),式中dL/L-金属丝的轴向相对变形，称为纵向应变，=dL/Ldr/r-金属丝的径向相对变形，称为径向应变。当金属丝沿轴向伸长时，必然会沿径向缩小，二者之间的关系为,式中金属丝材料的泊松比，负号表示二者变化方向相反。应变无量纲的量，由于其值很小，在应变测量中常用微应变表示，1=10-6将式(4-5)代入式(4-4)中，则有,(4-6),(4-7),(4-8),(4-9),(4-10),(4-5),25,灵敏度一般在1.73.6左右。金属应变片的灵敏度较低，但温度稳定性好，用于测量精度要求较高的场合。,26,二、半导体应变片,压阻效应：半导体单晶材料在沿某一方向受到外力作用时，电阻率会发生相应变化的现象。,压阻效应的产生原因：半导体单晶在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率和载流子浓度变化，从而导致电阻率的变化。,半导体应变片的工作原理就是基于压阻效应。,制作程序：由单晶硅、锗一类半导体材料经切型、切条、光刻腐蚀成形，然后粘贴而成。,图4-3P57半导体应变片1-基片2-半导体3-导线4-接线片5-引出线,27,优点：灵敏度高，比金属应变片要高5070倍，且体积小缺点：温度稳定性和线性不如金属应变片。,半导体应变片受力后的电阻相对变化也可表示为：,(4-11),(4-12),(4-13),28,三、转换电路,29,四、电阻应变片的应用,30,标准产品,31,案例：桥梁固有频率测量,32,案