工程测试第二版西北工业大学出版社

本章学习要求：1.掌握传感器的基本概念，组成，传感器的分类2.掌握电阻式传感器的工作原理和性能特点3.掌握测量电路及其补偿方法4.了解电阻式传感器的应用第1页/共96页

4.1传感器概述一、什么是传感器？1、什么是传感器？是能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。2、传感器的功能：有二：1）、对规定的被测量的敏感作用，以完成对被测量的拾取；2）、变换作用：将被测量转换成与之有严格（一、一）对应关系的，容易检测，传输或处理的电信号。3、应用广泛传感器的作用类似人的五官（感觉器官）：视觉、听觉、触觉、嗅觉、味觉。人类依靠五种感官从外界获取信息。又是五官的延伸。主要用于检测机电一体化系统①自身、②作业对象、③作业环境的状态，为有效地控制机电一体化系统的运动状态提供信息。应用极为广泛，无论是经典的闭环控制，还是今天的CNC（数控机床）、MC(加工中心）、CIMS（计算机集成制造技术）FMS(柔性制造）。科学研究，军事、航空、航天、航海、工业、农业（温度、湿度，土壤成分的监测与控制，设施农业……）、医疗卫生，环保、资源普查，地质、采矿、……人们的生活……。机器人，头脑尚较发达，感官迟钝……第2页/共96页二、传感器的组成：一般由：敏感元件，转换元件，及基本转换电路三部分组成。作用：1、敏感元件：直接感受被测物理量，并以确定（一、一对应）关系输出转换元件敏感的另一物理量；2、转换元件：将敏感元件输出的非电量转换成电路参数（R.L,C)，或电压，电流，频率等电信号；开环3、基本转换电路：把转换元件输出的电信号规范化，放大到一定的功率，或转换成便于传输，处理的电量。一次、二次传感器……开环，闭环……基本转换电路一般不与敏感元件状在一个壳体内，由于空间限制和技术等原因……一次传感器：热电偶压电F→Q(V）磁电v→E电容位移→⊿C二次传感器第3页/共96页差动电感式传感器第4页/共96页第5页/共96页三、传感器的分类：由于实际的需要，新材料，新理论，新工艺及CPU,传感器的种类、数量与日俱增，因此应对其进行合理分类；按被测量对象内部信息传感器：用于检测机电一体化系统内部的位置，速度，加速度，M,n……外部信息传感器：环境状态：非接触式视觉听觉接近觉味觉接触式触觉力传感器接触觉压觉滑动觉重量觉软硬觉1、第6页/共96页2、按工作机理分类（机理，机制：某些自然现象的物理、化学规律）1）、物性型：是利用某些物质（材料）的某些物理性质随被测参数的变化而变化的原理制成的。主要是以半导体（ρ），电介质（ε）、磁性体（μ）、热电、压电材料。以光电、热电、压磁、压电效应为基础。2）、结构型：利用传感器本身的结构或参数变化来实现对被测量的检测或转换。如滑线电阻，电感，电容式、光栅，磁栅，感应同步器等传感器。有运动部件。3、按被测物理量分类：此方法明确地表明了传感器的用途，便于使用者选择。如：机械参数：力、力矩、位置、位移、速度，加速度，长度，厚度、角度；

热工参数：压力，压差，流量、流速，温度，液位……；

物理、化学量：密度，湿度，粘度，浓度，比重，盐度，PH值……；生物医学量：血压，眼压，脑压，血液，……4、按工作原理：此法清楚地表示了传感器的工作原理，有利于传感器的设计和使用。表1—1，列出了28种工作原理：第7页/共96页第8页/共96页第9页/共96页第10页/共96页5、按传感器的能量源分类：1）、无源型：不需要外加电源、而是将被测量的相关能量转换为电量（电压，电流，电荷）输出，故又称为能量转换型，发电型。光电，热电、压电、磁电。2）、有源型：需外接电源才能输出电量，故又称为能量控制型、参量型。如：电阻，电感，电容等6、按输出信号的性质分类开关型（二值型）接触型（如微动开关、行程开关……有触点的开关非接触型：（光电开关、声控开关、接近开关、磁控开关……）模拟型电阻型（电位器，电阻应变片，湿敏电阻）电压，电流型（热电偶，光电池）电感、电容型（电感、电容式位置传感器等）数字型计数型（脉冲或方波信号+计数器）代码型（增量码盘、绝对码盘二进制码盘格雷码盘第11页/共96页按能量源无源型、发电型有源型、能量控制型第12页/共96页1）、开关型：输出只有ON或OFF(“1”或“0”）两种状态，非此及彼，两者必居其一；可直接送入微机进行处理，使用方便：如：压力、温度、流量、速度……继电器类。２）、模拟型传感器传感器的输出是与输入相对应的连续变化量线性非线性３）、数字型①、计数型：输出的脉冲数与输入量成正比，加上计数器，即可对输入量进行计数。如：增量码盘：脉冲数与转角成正比：光电检测输送带上的产品个数……②、代码型（数字编码器）：如绝对码盘，直接输出数字代码，如二进制码、格雷码（循环码）各码道随输入量变化，如４码道第13页/共96页4.2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、气敏式.磁敏式例：变阻器式传感器基本工作原理大电阻传感器第14页/共96页第15页/共96页1.电阻应变式传感器--应变片

电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。第16页/共96页1)工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数金属应变片的电阻R为代入或两边相除第17页/共96页有：将代入，得：材料的压阻系数由上式由两部分组成（1+2μ）ε，由几何尺寸变化引起的，称为几何效应πLEε,是由电阻率ρ变化引起的，称为力阻效应、压阻效应、物理效应。第18页/共96页对金属材料，导电率不变：金属丝应变片：主要是几何效应的贡献半导体应变片=πLEε主要是压阻效应的贡献优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。第19页/共96页第20页/共96页2)电阻应变片的种类与材料第21页/共96页2)电阻应变片的种类与材料第22页/共96页2)电阻应变片的种类与材料第23页/共96页关于电阻应变片的横向效应：如上，粘贴在试样表面上的应变片，当试样表面变形时，必然引起应变片电阻值产生相对变化。但这种改变不仅是沿应变片轴线（即纵向）变形引起的，而且也由应变栅弯曲部分承受横向变形引起的［因试样若纵向伸长，必然引起试样横向收缩（体积不变原理）］，而横向收缩作用引起电阻值的减小量对于轴向伸长作用引起的电阻值增加量起着抵消作用，它使所测应变值偏小，或者说使应变灵敏度系数减小，这种现象称为横向效应，它对测量带来误差。在实际测量时，弯曲半径越大，横向效应也越大。第24页/共96页2)电阻应变片的种类与材料第25页/共96页2)电阻应变片的种类与材料金属箔很薄，因而所感受的应力状态更接近于试样表面的应力状态第26页/共96页2)电阻应变片的种类与材料第27页/共96页是金属电阻应变片的50~70倍第28页/共96页金属与半导体电阻应变片性能比较1、工作原理：几何效应压阻效应2、灵敏度：较小、一般为2

但稳定较大，是金属的50~70倍

分散3、温度系数：较小较大4、线性、好非线性5、横向效应有横向效应小6、器件参数、一致性好分散第29页/共96页把试件表面的应变准确地传递给敏感栅教材P30、表3—1抗湿、抗热酚醛树脂、环氧树脂、聚脂……第30页/共96页3)电阻应变片的性能参数第31页/共96页4.3测量电路及温度补偿ε及△R/R都比较小，难以直接测量简单直接动态响应好精度灵敏度都较高第32页/共96页对边电阻乘积相等第33页/共96页直流电桥的连接方式第34页/共96页1）、电桥的特性

传感器与应变仪配套才能进行力的测量。电桥输出电压：电桥的四个臂R1、R2、R3、R4所产生的变化用⊿R1、⊿R2、⊿R3、、⊿R4表示。若初始状态电桥平衡、且满足最大灵敏度条件，对上式进行全微分，得：若各桥臂的应变灵敏度系数K都相同，则：电桥根据工作的桥臂数，可分为：单臂、双臂、和全桥，其输出电压见表3—22、电桥的和差特性石来德、袁礼平，机械参数电测技术P23,自考讲义P27背面第35页/共96页第36页/共96页第37页/共96页第38页/共96页第39页/共96页电桥的和差特性1、若相邻两桥臂应变极性相同（同为拉、压）时，电桥输出电压正比于两应变之差；若极性相反，输出电压正比于两应变之和；2、相对两桥臂应变极性相同，输出电压正比于两应变之和；若相反，输出电压正比于两应变之差。第40页/共96页2)电桥的和差特性（结论）④、减小非线性第41页/共96页2)电桥的和差特性（例）温度把R1、R3布置在电桥相对两边，输出电压正比于两应变之和第42页/共96页3、温度误差及补偿对t微分第43页/共96页K：由温度变化所引起的电阻变化为;第44页/共96页①②选择：α+S(β1-β2）=0第45页/共96页t↑→S↓→U0↓t↑→Rt↓→Ui↑→U0↑第46页/共96页4、电桥的非线性王光铨：P130起始电桥平衡R1R3=R2R4，满足最大灵敏度条件R1=R2=R3=R41)、单臂电桥：当R1→R1+△R1分子、分母同除因分母中包含自变量△R!/R1，故具有非线性误差。第47页/共96页忽略△R1/R1小量，并考虑R2/R1=R3/R4=1则：2）差动半桥：R1→R1+△R1R2→R2+△R2则：第48页/共96页2）差动半桥：R1→R1+△R1R2→R2+△R2则：分母中不含△R项，只要相邻桥臂△R大小相等，极性相反，就可消除非线性。第49页/共96页3）、差动全桥相邻桥臂电阻变化大小相等，极性相反；可见①在全等臂电桥时，K=②、采用差动电桥可减小或消除非线性误差第50页/共96页4、减小或消除非线性①②③④减小或消除非线性第51页/共96页4、应变片的布置和接桥方式第52页/共96页4、应变片的布置和接桥方式第53页/共96页4.4电阻式传感器的应用第54页/共96页4.4电阻式传感器的应用：测力第55页/共96页一、电阻应变式测力传感器1、基本工作原理力弹性敏感元件产生应变应变片、⊿R电桥、U放大kU2、弹性敏感元件及计算公式1）、柱形弹性元件F：NE:Pa(N/m2)S:m22)簿壁圆环形弹性元件第56页/共96页第57页/共96页第58页/共96页Φ:断面坐标角，B处为0，A处为900M:坐标角为Φ处的弯矩R0:环的平均半径（m）；F:拉力或压力在A、B断面处出现最大弯矩：MA=0.318FR0

MB=-0.182FR0两处的应变值分别为：式中：b为簿壁环的宽度；h为厚度;E为材料的杨氏模量Pa八角形测力环：第59页/共96页由于圆环不易固定，实际常用八角环代替他。当八角环的h/R较小时（h—环的宽度，R—环的平均半径），零应变点在50.50.随着h/R的增大，此角度下降；当h/R=0.4时，零应变点在450FxFy零应变处在与Fx成900的B处BB第60页/共96页第61页/共96页各种弹性元件产生的应变ε与外力F成正比，完成了Fε的转变第62页/共96页第63页/共96页第64页/共96页案例：