传感器与检测技术完整版

1、12/13/2021整理课件1上节回顾上节回顾:1.检测技术的基本概念及方法检测技术的基本概念及方法 2.传感器的发展传感器的发展3.传感器的分类和基本特性传感器的分类和基本特性12/13/2021整理课件21.4.2 1.4.2 误差的表示方法误差的表示方法 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。能表示测量的准确程度。 （1 1）绝对误差）绝对误差A Ax xA A0 0修正值修正值C CC C= =当当A Ax xA A0 0时，为正误差

2、；反之为负误差。时，为正误差；反之为负误差。A A0 0 A Ax x+ +C C12/13/2021整理课件3（2 2）相对误差）相对误差实际相对误差实际相对误差示值示值( (标称标称) )相对误差相对误差满度（引用）相对误差满度（引用）相对误差12/13/2021整理课件41.4.3 1.4.3 准确度准确度传感器和测量仪表的误差是以准确度表示的。准确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它表示传感器的最大相对误差为S S% %。仪表引起的最大测量相对误差为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

3、分别为如压力传感器的准确度等级分别为0.050.05、0.10.1、0.20.2、0.30.3、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.02.0等；我国电工仪表的准确度等级分等；我国电工仪表的准确度等级分别为别为0.10.1、0.20.2、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.52.5、5.05.0。某某0.10.1级压力传感器的量程为级压力传感器的量程为100MPa100MPa，测量，测量50MPa50MPa压力时，压力时，传感器引起的最大相对误差为传感器引起的最大相对误差为0.2%。12/13/2021整理课件5本节主要内容本节主要内容:12/13/2021整理课件6第一节第

4、一节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 12/13/2021整理课件7一、工作原理一、工作原理应变应变片的工作原理的工作原理 2llRAr金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大 。12/13/2021整理课件8二、应变片的工作原理二、应变片的工作原理 设有一长度为设有一长度为l 、截面积为、截面积为A、半径为、半径为r、电阻率、电阻率为为 的金属单丝，它的电阻值的金属单丝，它的电阻值R可表示为可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中时，上式中 、r、l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从

5、而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、将变长、r变小，变小，均导致均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，变大；又如，某些半导体受拉时， 将变大将变大，导致，导致R变大。变大。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量实验证明，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与材料力学中的轴向应变 x的关系在很大范围内是的关系在很大范围内是线性的，即线性的，即 2llRAr 2-1xRKRK电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度12/13/2021整理课件9二、应变片的种类与结构二、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

6、。前者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、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。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

7、的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔成的。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、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，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从而将温度影响减小到最小的程度，目前

8、广泛用于各种应变式传感器中。式传感器中。12/13/2021整理课件10箔式应变片的外形箔式应变片的外形12/13/2021整理课件11半导体应变片半导体应变片及金属及金属丝式应变片的结构丝式应变片的结构半导体应变片半导体应变片外形外形金属丝式应变片的金属丝式应变片的内部结构内部结构12/13/2021整理课件12应变片主要性能指标举例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？上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？依据是什么？ 12/13/2021整理课件13应变片的粘贴：应变片的粘贴： 1. 去污：采用去污：采用手持砂轮工具除去手持砂轮工具除去构件表面的油污、构件表面

9、的油污、漆、锈斑等，并用漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴细纹以增加粘贴力力 ，用浸有酒精，用浸有酒精或丙酮的纱布片或或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。脱脂棉球擦洗。 12/13/2021整理课件14 2.2.贴片：在应变贴片：在应变片的表面和处理过的片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上用镊子将应变片放上去，并调好位置，然去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出手指揉和滚压，排出下面的气泡下面的气泡 。12/13/2021整理课件15 3.测量测量 ：从：从分开的端子处，

10、分开的端子处，预先用万用表测预先用万用表测量应变片的电阻，量应变片的电阻，发现端子折断和发现端子折断和坏的应变片。坏的应变片。12/13/2021整理课件16 4.焊接：焊接： 将引线和端子用将引线和端子用烙铁焊接起来，烙铁焊接起来，注意不要把端子注意不要把端子扯断。扯断。 12/13/2021整理课件17 5.固定：固定： 焊接后用胶焊接后用胶布将引线和布将引线和被测对象固被测对象固定在一起，定在一起，防止损坏引防止损坏引线和应变片。线和应变片。 12/13/2021整理课件18三、测量转换电路三、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直金属应变片的电阻变化范围

11、很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。且误差很大。 例例如，如，有一金属箔式应变片，标称阻值有一金属箔式应变片，标称阻值R R0 0为为100100 ，灵敏度，灵敏度K K=2=2，粘贴在横截面积为，粘贴在横截面积为9.8mm9.8mm2 2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2，所受拉力所受拉力F F=0.2t=0.2t，受拉后应变片的阻值，受拉后应变片的阻值R R 的变的变化量仅为化量仅为0.20.2 ，所以必须使用不平衡电桥来测所以必须使用不平衡电桥来测量

12、这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转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换电路是如何将 R /R转换为输出电压转换为输出电压Uo的。的。 12/13/2021整理课件19三、测量转换电路三、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 3i124o1234() 2-34RURRRURRRR12/13/2021整理课件20电桥平衡的条件电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3 调节调节RPRP，最终可以，最终可以使使R R1 1 / /R R2 2 = =R R4 4/ /R R3 3（ R R1 1 、R R2 2 是是R R1 1、R R2 2并联并联RPRP后的后的等效电阻）等效电

13、阻），电桥趋于，电桥趋于平衡，平衡，U Uo o被预调到零位，被预调到零位，这一过程称为调零。图这一过程称为调零。图中的中的R R5 5是用于减小调节是用于减小调节范围的限流电阻。范围的限流电阻。 12/13/2021整理课件21单臂电桥单臂电桥 全桥四臂工全桥四臂工作方式的灵敏作方式的灵敏度最高，双臂度最高，双臂半桥次之，单半桥次之，单臂半桥灵敏度臂半桥灵敏度最低。最低。12/13/2021整理课件22 双臂电桥双臂电桥 R1、 R2为应变为应变片，片， R3、R4为固定为固定电阻电阻 。应变片。应变片R1 、R2 感受到的应变感受到的应变 1 2以及产生的电以及产生的电阻增量正负号相间，阻

14、增量正负号相间，可以使输出电压可以使输出电压Uo成倍地增大。成倍地增大。12/13/2021整理课件23四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片，全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变如果设法使试件受力后，应变片片R1 R4产生的电阻增量（或产生的电阻增量（或感受到的应变感受到的应变 1 4）正负号相）正负号相间，就可以使输出电压间，就可以使输出电压Uo成倍成倍地增大。上述三种工作方式中，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全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）

15、还能实现温度自补偿。臂半桥）还能实现温度自补偿。12/13/2021整理课件24全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理 当环境温度升高当环境温度升高时，桥臂上的应变片时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能较小；半桥也同样能克服温漂。克服温漂。 12/13/2021整理课件2512/13/2021整理课件26四、应变效应的应用四、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。

16、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：电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量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。应变式传感器应变式传感器中，敏感元件一中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于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被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直

17、接从应变仪上读取被测试件的应变量。从应变仪上读取被测试件的应变量。 12/13/2021整理课件27应变式力传感器应变式力传感器 应变式力传感器应变式力传感器 FFFF12/13/2021整理课件28各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆应变式荷重传感器的外形及应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变片的粘贴位置FR1R2 R4应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示 荷重传荷重传感器上的应感器上的应变片在重力变片在重力作用下产生作用下产生变形。轴向变形。轴向变短，径向变短，径向变长。变长。 汽车衡汽车

18、衡称重系统称重系统电子天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一人体秤人体秤 应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手 可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械可用于汽车、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。量程装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。功能。12/13/2021整理课件36第二节第二节 压阻式固态压力传感器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利用半导体材料的压阻

19、效应和集成电路扩散工艺制作的，四个半导体应变电阻路扩散工艺制作的，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，动相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。态响应快。 12/13/2021整理课件37压阻式固态压阻式固态 压力传感器压力传感器 内部结构内部结构信号处理电路信号处理电路12/13/2021整理课件38小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器12/13/2021整理课件39投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入

20、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。硅油传导压力而与液体相通。 12/13/2021整理课件40投入式液位传感器投入式液位传感器 投入式液位传感投入式液位传感器安装方便，适应于器安装方便，适应于深度为深度为 几米几米 至至 几十几十米，且混有米，且混有 大大 量量 污污物、杂质的水或其他物、杂质的水或其他液体的液位测量。液体的液位测量。 12/13/2021整理课件41电阻应变仪电阻应变仪下图所示的静态应变仪测量范围：下图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率：分辨率：

21、1；电桥电压：直流；电桥电压：直流2.5V； 应变片：应变片：120或其他阻值；或其他阻值； 测量点数：测量点数：8/16点；点；12/13/2021整理课件42与计算机接口的多路电阻应变测量模块与计算机接口的多路电阻应变测量模块 12/13/2021整理课件43材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳斜拉桥上的斜拉绳应变测试应变测试 12/13/2021整理课件44第三节第三节 测温热电阻传感器测温热电阻传感器 一、金属热电阻一、金属热电阻 温度升高，金属内部原子晶格的振动温度升高，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加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻

22、碍增大，宏观上表现出电阻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。系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。 12/13/2021整理课件45 取一只取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其电阻灯泡，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的额定热态电阻值应为484 。 12/13/2021整理课件46易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻 12/13/

23、2021整理课件47表表2-2 热电阻的主要技术性能热电阻的主要技术性能 12/13/2021整理课件48薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻 12/13/2021整理课件49小型铂热电阻小型铂热电阻 12/13/2021整理课件50防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 12/13/2021整理课件51汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铜热电阻12/13/2021整理课件52学习查学习查“铂热电阻分度表铂热电阻分度表”附录附录 铂热电阻分度表铂热电阻分度表 12/13/2021整理课件5312/13/2021整理课件54铂电阻温度显示、变送器铂电阻温度显示、变送器12/

24、13/2021整理课件55可设定温度的温度控制箱可设定温度的温度控制箱 旋转式机械旋转式机械 设定开关设定开关 拨码式拨码式 设定开关设定开关12/13/2021整理课件5612/13/2021整理课件57热敏电阻热敏电阻 热敏电阻有负温度系数（热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度）和正温度系数（系数（PTC）之分。）之分。 NTC又可分为两大类：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；间呈严格的负指数关系； 第二类为突变型（第二类为突变型（CTR）。当温度上升到）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降某临界点时，其电阻值突然下降 。12/13/2021整理课件5