《机械工程测试与控制技术》课件 第16课 第八章 常用传感器

机械工程测试与控制技术第八章

常用传感器8.1传感器概念8.2电阻式传感器8.3电感式传感器8.4电容式传感器8.5压电式传感器8.6磁电式传感器8.7霍尔式传感器8.8热电偶传感器8.9光电式传感器8.1传感器概念一、基本概念传感器：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。8.1传感器概念感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。敏感元件转换元件转换电路被测量电量敏感元件直接感受被测量转换为有确定关系的易变成电量的其它量转换元件将其它物理量直接转换为有确定关系的电量的元件便于远传、接收的信号4～20mA、±5V服从一定的可复现的规律V＝f（p）、Q＝f（p）R＝f（σ）L＝f（x）规定的物理量压力应变振动、位移二、组成68.1传感器概念基本特性测试系统的一个基本单元，具有：静态特性测量范围、灵敏度、精度等动态特性带宽频响曲线8.1传感器概念用途/输入量:适合于用户机械量：位移、力、速度、加速度、振动热工量：温度、压力、流量、流速光学量：光强、光通量、辐射能输出量性质：适合于研发电参数型/参数式：R、L、C工程参数→电参数基本类型:电阻、电感和电容式无源传感器：本身没有内在的能量转换电量型/发电式：电压、电流、电荷工程参数→电信号基本类型:压电式、磁电式、光电式、霍尔式以及热电式有源传感器：本身就有内在的能量转换8.1传感器概念三、分类8.1传感器概念8.2电阻式传感器8.3电感式传感器8.4电容式传感器8.5压电式传感器8.6磁电式传感器8.7霍尔式传感器8.8热电偶传感器8.9光电式传感器8.2电阻式传感器定义将非电量变化转换为电阻变化的传感器。测量的物理量应变——应变片热——热敏电阻位移/距离——电位器转换元件电阻R转换电路直流电桥电阻R应变片式传感器工作原理：应变效应应变片的电阻：l——长度A——截面、半径rρ——电阻率微应变材料在轴向受力的作用，产生机械变形/结构变形——微应变Al8.2电阻式传感器Al8.2电阻式传感器

Al8.2电阻式传感器

8.2电阻式传感器应变片式传感器应变片技术参数类型金属应变片半导体应变片测量范围με0.1～500000.001～3000灵敏系数1.8～4.550～200标称阻值Ω120，350，600，…，50001000～5000电阻受温度影响温度系数是正值温度系数是负值，0.15%/0C电阻容差0.1%～0.35%1%～2%有效栅长度/mm0.4～150标准值：3～101～58.2电阻式传感器应变片式传感器应变片技术参数(金属)应变片材料康铜：常用的电阻丝材料卡玛合金：适用于长时间静态测量，比康铜具有更长的疲劳寿命和更宽的温度范围(NiCr20AlSi牌号：NiCr20AlSi镍含量：74.5%杂质含量：1%)铂钨合金：具有极长的疲劳寿命绝缘电阻应变片绝缘电阻R是指已粘贴的应变片与被测试件之间的电阻值，一般要求R＞108Ω最大工作电流Imax已安装的应变片敏感栅允许通过的不影响其工作特性的最大电流值。通常静态测量取25mA左右，动态测量可取75～100mA8.2电阻式传感器应变片式传感器应变片结构金属丝式金属箔式半导体式50年代以前8.2电阻式传感器应变片式传感器应变片使用——敏感元件柱式膜片式（气体、液体）梁式等截面梁双孔梁S型拉力梁8.2电阻式传感器应变片式传感器温度误差温度引起的测量误差Rt、R0—应变片在温度t、t0时电阻值α—应变片电阻丝的电阻温度系数β—电阻丝材料和试件材料的线膨胀系数S—应变片灵敏系数Δt—温度变化量必须采用一定的方法来补偿电阻应变片输出的温度误差，实用中常采用桥路补偿方法电阻温度效应热膨胀效应8.2电阻式传感器应变片式传感器温度补偿温度效应：阻值随温度变化被测体线胀：不同的线胀系数电桥连接差动：相邻臂——提高灵敏度补偿：相邻臂8.2电阻式传感器热电阻式传感器工作原理：金属或半导体的电阻值是温度的函数当温度升高1℃时，大多数金属的阻值要增加0.4~0.6%，而半导体的电阻值要减小3~6%一般纯金属在温度变化范围不大时，其电阻值与温度的关系近似为某些半导体的电阻值与温度的关系为B=2000~6000K8.2电阻式传感器热电阻式传感器电阻—温度特性曲线铂、铜的电阻特性曲线比较理想半导体的电阻特性曲线8.2电阻式传感器热电阻式传感器热电阻材料选择电阻温度系数a要大，制成的温度传感器的灵敏度越高。电阻温度系数与材料的纯度有关，纯度越高，a值就越大，且稳定；材料的电阻率要大，这样可使热电阻体积较小，热惯性较小，对温度变化的响应就比较快；在整个测量范围内，物理化学性质稳定、线性、良好重复性；易于加工复制，价格便宜。几种热电阻材料特性8.2电阻式传感器热电阻式传感器金属电阻：工业中应用最多的是铂和铜铂电阻化学稳定性很高，容易提纯，便于加工——最常用的材料用于13.81K～630℃范围内的测温、也是基准温度计8.2电阻式传感器热电阻式传感器金属电阻：工业中应用最多的是铂和铜铜电阻温度系数a高于其它金属的值，价格低廉，易于提纯在-50～150℃范围内近似呈线性关系缺点：电阻率小，体积较大，铜电阻丝细而长，故机械强度降低易氧化，只能用于无侵蚀性介质8.2电阻式传感器热电阻式传感器半导体电阻具有负的电阻温度系数：温度降低时，其电阻值增加，灵敏度增大；具有灵敏度高、体积小、热容量小的优点，可作为精密温度测量；常用的测温电阻有锗电阻和热敏电阻。锗电阻电阻温度关系很稳定，重复性很好——迄今所研究过的半导体中最理想的低温测量元件标定一次可长期使用，而且它的测量精度可达到0.005K许多国家将锗电阻温度计作为8.2K~20K之间的标准测温仪表8.2电阻式传感器热电阻式传感器半导体电阻热敏电阻：正、负、临界温度系数电阻温度系数大，测量灵敏度较高；成本低、结构简单、体积小（点温度测量）；电阻率高，而且适合动态测量缺点是性能不稳定，互换性差，导致测量精度不高——空调系统的温控元件a)圆片型b)柱型c)平板型d)结构组成e)符号8.2电阻式传感器电阻式传感器的直流电桥调理技术基本概念电桥是将电阻、电感、电容等电参数的变化变为电压或电流输出的一种转换电路。四臂激励电源输出电压：直接测量、进行放大特点：结构简单，精确度和灵敏度高，易消除温度及环境影响分类：按照所采用电源不同，分为直流电桥和交流电桥8.2电阻式传感器电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥直流供电桥臂为电阻8.2电阻式传感器实验的第一步？电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥直流供电桥臂为电阻8.2电阻式传感器调零平衡:电桥输出为0平衡条件：对应臂乘积相等

电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥直流供电桥臂为电阻8.2电阻式传感器调零平衡:电桥输出为0电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥单臂桥应变测量：

8.2电阻式传感器电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥单臂桥应变测量：

8.2电阻式传感器电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥单臂桥应变测量：

8.2电阻式传感器单臂桥电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥单臂桥应变测量(考虑温度补偿)：

8.2电阻式传感器电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥单臂桥应变测量(考虑温度补偿)：

8.2电阻式传感器电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥单臂桥应变测量(考虑温度补偿)：

8.2电阻式传感器电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥8.2电阻式传感器半桥应变测量：？电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥8.2电阻式传感器半桥应变测量：变化相同------对臂电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥8.2电阻式传感器半桥应变测量：？电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥8.2电阻式传感器变化相反-----邻臂（差动）半桥应变测量：电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥8.2电阻式传感器全桥应变测量：全桥：在半桥基础上，对应臂变化相同电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥单臂桥半桥全桥测量：放大异号放邻臂同号放对臂补偿：平衡邻臂8.2电阻式传感器电阻式传感器的直流电桥调理技术直流电桥单臂桥半桥全桥测量：放大异号放邻臂同号放对臂补偿：平衡邻臂8.2电阻式传感器灵敏度：全桥测量时最大电阻式传感器的直流电桥调理技术应用：悬臂梁纯弯曲的力测量8.2电阻式传感器几种方法？温度补偿？电阻式传感器的直流电桥调理技术应用：悬臂梁纯弯曲的力测量R1、R2差动变化半桥应变片粘贴位置电桥连接方式8.2电阻式传感器电阻式传感器的直流电桥调理技术应用：悬臂梁纯弯曲的力测量R1、R4相同；R2、R3相同；2组差动变化全桥应变片粘贴位置电桥连接方式8.2电阻式传感器应用应变式力传感器被测物理量：载荷或力特点：分辨率高，误差较小，测量范围大，静、动态均可测，能在严酷环境工作8.2电阻式传感器应用应变式力传感器ZL110力传感器额定载荷10～50（kg）激励电压9～12VDC灵敏度2.0±0.2%（mV/kg/V）非线性0.02%F.S重复度0.02%F.S蠕变0.02%F.S/30min允许使用范围-20～+55℃温度补尝范围-10～+40℃8.2电阻式传感器与激励电压有关激励电压为10V时，满载荷时的输出是多少？8.2电阻式传感器应用应变式力传感器ZL110力传感器额定载荷10～50（kg）激励电压9～12VDC灵敏度2.0±0