传感器与检测技术2(2)

1、2020/6/22,1,上节回顾: 1.检测技术的基本概念及方法 2.传感器的发展 3.传感器的分类和基本特性,2020/6/22,2,本节主要内容:,2020/6/22,3,第一节 电阻应变式传感器,2020/6/22,4,一、工作原理应变片的工作原理,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大 。,2020/6/22,5,二、应变片的工作原理,设有一长度为l 、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为 当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉

2、时，将变大，导致R变大。 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x的关系在很大范围内是线性的，即,K电阻应变片的灵敏度,2020/6/22,6,二、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。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。 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。箔式应变片与片基的接触面积大得多，

3、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，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式传感器中。,2020/6/22,7,箔式应变片的外形,2020/6/22,8,半导体应变片及金属丝式应变片的结构,半导体应变片外形,金属丝式应变片的内部结构,2020/6/22,9,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？依据是什么？,2020/6/22,10,应变片的粘贴： 1. 去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉

4、打磨出细纹以增加粘贴力 ，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2020/6/22,11,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡 。,2020/6/22,12,3.测量 ：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,2020/6/22,13,4.焊接： 将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,2020/6/22,14,5.固定： 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,2020/6/22,15,三、测量转换电路不平

5、衡电桥,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。 例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R 的变化量仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测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R /R转换为输出电压Uo的。,2020/6/22,16,三、测量转换电路不平衡电桥,2020/6/22,17,电桥平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3,调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（ R1、R2是R1

6、、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。,2020/6/22,18,单臂电桥,全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。,2020/6/22,19,双臂电桥,R1、 R2为应变片， R3、R4为固定电阻 。应变片R1 、R2 感受到的应变12以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。,2020/6/22,20,四臂全桥,全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1 R4产生的电阻增量（或感受到的应变14）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方

7、式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。,2020/6/22,21,全桥的温度补偿原理,当环境温度升高时，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，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。,2020/6/22,22,2020/6/22,23,应变片用于测量力F的计算公式,由材料力学可知，x=F /（AE），所以R /R又可表示为 如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面积A以及弹性模量均为已知，则只要设法测出R /R的数值，即可获知试件受力的大小，例如可用于电子秤的称重。,=F/A=E = l/

8、l r = r/r=-u R/R=K ,2020/6/22,24,四、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：第一类是将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应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；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。,2020/6/22,25,应变式力传感器,应变式力传感器,F,F,F,F,2020/6/22,26,各种悬臂梁,F,F,固

9、定点,固定点,电缆,应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置,F,应变式荷重传感器外形及受力位置（续）,F,F,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,汽车衡称重系统,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,应变式数显扭矩扳手,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装配扭矩。量程2500N.m，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,2020/6/22,34,第二节 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

10、致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。,2020/6/22,35,压阻式固态 压力传感器 内部结构,信号处理电路,2020/6/22,36,小型压阻式固态压力传感器,高压进气口,低压进气口,绝对压力传感器,2020/6/22,37,投入式液位计,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，并用硅油传导压力而与液体相通。,2020/6/22,38,投入式液位传感器 投入式液位传感器安装方便，适应于深度为 几米 至 几十米，且混有 大 量 污物、杂质的水或其他液体的液位测量。,2020/6/22,39,电阻应变仪,下图所示的静态应变仪测量范围：

11、19999； 分辨率： 1；电桥电压：直流2.5V； 应变片：120或其他阻值； 测量点数：8/16点；,2020/6/22,40,与计算机接口的多路电阻应变测量模块,2020/6/22,41,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,2020/6/22,42,第三节 测温热电阻传感器,一、金属热电阻,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，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,2020/6/22,43,取一只 100W/220V 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

12、算得到的额定热态电阻值应为484 。,2020/6/22,44,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,2020/6/22,45,表2-2 热电阻的主要技术性能,2020/6/22,46,薄膜型及普通型铂热电阻,2020/6/22,47,小型铂热电阻,2020/6/22,48,防爆型铂热电阻,2020/6/22,49,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,2020/6/22,50,学习查“铂热电阻分度表”,附录 铂热电阻分度表,2020/6/22,51,2020/6/22,52,铂电阻温度显示、变送器,2020/6/22,53,可设定温度的温度控制箱,旋转式机械 设定开关,拨码式 设定开关

13、,2020/6/22,54,2020/6/22,55,热敏电阻,热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。 NTC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间呈严格的负指数关系； 第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降 。,2020/6/22,56,热敏电阻的外形、结构及符号,a）圆片型热敏电阻 b）柱型热敏电阻 c）珠型热敏电阻 d）铠装型 e）厚膜型 f）图形符号 1热敏电阻 2玻璃外壳 3引出线 4紫铜外壳 5传热安装孔,2020/6/22,57,下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？,1 2 3 4 5,2020/6/22,58,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,2020/6/22,59,其他形式的热敏电阻,玻璃封装 NTC热敏电阻,MF58 型热敏电阻,2020/6/22,60,其他形式的热敏电阻,带安装孔的热敏电阻,大功率PTC热敏电阻,2020/