传感器的类型及工作原理第四章重点

1、在第四章“传感器的类型和工作原理”中，国家标准GB7665-87中传感器的定义是：“能够感应特定测量信号并按照一定规则将其转换为可用信号的设备或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，它能够感知被测信息，并将感知到的信息按照一定的规则转换成电信号或其他所需的信息输出形式，以满足信息传输、处理、存储、显示、记录和控制的要求。这是实现自动检测和控制的第一步。在第一部分中，传感器是通过检测元件将一种形式的信息转换成另一种形式的装置。目前，传感器转换的信号大多是电信号。因此，从狭义上讲，传感器是一种将从外部输入的非电信号转换成电信号的装置。发展特点和趋势：电测量仪器广泛用于测量非电

2、量。电气测量方法具有以下优点：1)易于实现集中检测、控制和远程测量。2)由于电测仪表惯性小，无摩擦，适合测量动态过程。3)传感器在被研究对象的测量、调节和控制设备之间提供了最方便、最可靠的接触形式，使热能和动力机械试验的连续测量、自动记录、自动调节或控制成为可能。4)测量精度和灵敏度高。由于电子测量仪的测量范围容易改变，所以测量范围大。5)不仅可以测量，而且可以进行数学运算，最终结果可以显示、记录和存储。在第二部分中，导体的电阻与材料特性(电阻率)、导体的尺寸(如长度和横截面积)以及导体的温度有关。在均匀导体中，电阻与其长度和电阻率成正比(线性变化)。电阻传感器是一种将测量值转化为电阻变化的传

3、感器。根据工作原理，可分为：压敏型、电阻应变型、热敏型、光敏型和电敏型。首先，电位计传感器是常见的旋转变阻器和滑线变阻器，可用作角位移和线性位移测量的电阻传感器。位移的变化通过机械机构改变电阻器滑动臂的位置，从而改变输出端的电阻值Rx。输出电压可以反映Rx的变化。等效电路分析：x、L、L-变阻器总长度；x刷运动。R-总阻力；Rx电刷电阻；R=K*L，x=L*E1/E，输出电压与位移之间存在线性关系，结论：K L不应太小！只有当负载电阻为无穷大时，才能满足线性关系。在实际测量系统中，负载电阻Rm不能是无穷大，存在非线性相对误差。负载电阻Rm越大，相对误差越小。增加传感器的电源电压u可以提高传感器

4、的灵敏度，但会导致传感器因电流过大而发热。然而，金属导体的电阻率随着导体温度的升高而增加，这导致了新的温度误差。阶梯特性及其分辨率、阶梯特性及其原因、阶梯特性和阶梯特性是由滑动触点(刷)在运动过程中从一圈滑动到另一圈时电阻值的突然变化引起的。阶跃值u为：n，总绕组匝数，分辨率和阶跃误差分辨率：阶跃误差：在理想条件下，工作曲线均匀地通过实际曲线的阶跃，此时的阶跃误差为：压敏电阻传感器： (1)的优点是结构简单、体积小、重量轻、价格低、性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响较小。)；(3)可以实现输入和输出之间的任何函数关系；(4)输出信号大，一般不需要放大。缺点：因为电刷和

5、线圈或电阻膜之间有摩擦，需要很大的输入能量；因为磨损不仅影响使用寿命，降低可靠性，而且降低测量精度电阻应变仪工作原理是基于金属导体的应变效应，即当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着机械变形(伸长或缩短)的变化而变化。1.工作原理：上述参数的任何变化都会引起电阻的变化，并得到导数。金属应变片的电阻r为0，金属丝的体积不变，金属应变片的电导率不变，受两个因素影响：一是受力后材料几何尺寸的变化，二是受力后材料电阻率的变化。对于金属材料，电阻率的变化要小得多。在电阻丝拉伸比的极限范围内，电阻的相对变化与其承受的轴向应变成正比，即K0是常数K0=1 2=常数，而金属电阻丝的K0通常在K0=

6、1.73.6之间。2.应变仪的结构、粘合层1和3、衬底2、覆盖片4、敏感栅格5和引出线6。金属应变仪由铜镍合金、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金和一些贵金属如铂、铂钨合金制成。它们的灵敏度s在1.73.6之间，常用的灵敏度s为2.08。3、应变计测量电路中，电压和应变成线性关系，而电桥可以用来测量电压和应变。根据不同的要求，应变片在桥梁中有不同的连接方式。4.电阻应变片的选择和粘贴技术：1)目视检查电阻应变片有无折痕、断线等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2)。用数字万用表测量应变片的电阻值。同一电桥中应变仪的电阻值之间的差值不得大于0.5欧姆。3)试件表面处理：用细纱纸清洁补片，用酒精棉球反复

7、擦洗补片，直至棉球无黑色痕迹。4)。在应变仪上粘贴：在应变仪基底上挤一小滴502胶，轻轻均匀地涂上，然后立即放在应变仪上。5)。电线：使用电烙铁将应变仪的引线焊接到导线上。6)。用兆欧表检查应变仪和试件之间的绝缘结构，兆欧表应大于500欧姆。7)。应变仪保护：用704硅橡胶覆盖应变仪，防止受潮。优点：由于应变片体积小、重量轻，具有良好的动态特性，将应变片粘贴在试样上对其工作状态和应力分布没有影响。适用于静态测量和动态测量。应变测量的灵敏度和准确度高，可测量12微应变，误差小于1。测量范围大，既能测量弹性变形，又能测量塑性变形，变形范围从120。可适应各种环境，可用于高(低)温、超低压力、高压、

8、水下、强磁场、辐射和化学腐蚀等恶劣环境。缺点：在大应变状态下具有明显的非线性；输出信号很弱。5.电阻应变传感器的优缺点，电阻应变传感器的应用：测力，案例：电子称重原理是通过悬臂梁将货物重量转化为结构变形，然后通过应变仪转化为电输出。案例：冲压生产计数和生产过程监控当应变仪作为敏感元件测量零件变形时，应变仪的电阻变化和应变之间不存在单值函数关系。由温度变化引起的电阻变化导致电阻应变仪的温度误差。(1)应变仪的电阻随温度变化；(2)应变丝的膨胀系数与基线的膨胀系数不一致，当温度变化时会引起附加应变。因此，必须采取温度补偿措施，消除温度引起的零点漂移或虚假信号，从而找出仅由负载引起的真实应力。6.应

9、变片的温度误差及补偿1)应变片的温度误差由测量现场环境温度变化引起的附加误差称为应变片的温度误差。有两个主要原因当试件的线膨胀系数与电阻丝材料的线膨胀系数不同时，电阻丝会随着环境温度的变化产生额外的变形，这将导致额外的电阻变化。假设当温度为0时，电阻丝和试件的长度为l0，它们的线膨胀系数分别为S和G。如果没有粘贴，它们的长度为ls=l0(第一个)lg=l0(1 gt)。当它们粘在一起时，电阻丝产生的附加变形L、附加应变和附加电阻变化R分别为，温度变化引起的应变片总电阻的相对变化为。结论：环境温度变化引起的附加电阻的相对变化不仅与环境温度有关，还与应变片本身的性能参数(K0，0，s)和被测件的线

10、膨胀系数g有关。2)电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有两种：线补偿和应变片自补偿。(1)线路补偿法桥补偿是最常用和最有效的线路补偿。电桥补偿法，a是由电桥臂电阻和电源电压决定的常数。从上述公式可以看出，当R3和R4不变时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这种基本关系，可以实现温度补偿。测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测件表面，补偿应变片RB粘贴在与被测件材料相同的补偿块上，只有工作应变片承受应变。当被测件未受应变时，R1和铷处于同一温度场，环境温度为t，调整电桥参数达到平衡。此时，在工程中，桥臂电阻一般根据R1=RB=R3=R4来选择。实施温度补偿：当温度

11、升高或降低t=t-t0时，两个应变片因温度而产生的电阻变化相等，电桥仍处于平衡状态，即应变测量：如果被测件有应变，工作应变片的电阻R1有一个新的增量R1=R1K，而补偿片由于不承受应变而不产生新的增量。此时，电桥的输出电压为，可以看出如下：电桥的电阻R1注意补偿条件：确保R3=应变计工作期间的R4。R1应变仪和RB应变仪应具有相同的电阻温度系数、线性膨胀系数、应变灵敏度系数k和初始电阻值R0。贴有补偿片的补偿块与贴有工件的被测件的材料必须相同，且线膨胀系数相同。两个应变仪应该在同一个温度场。(2)应变仪的自补偿方法是利用具有温度补偿功能的应变仪进行补偿。为了实现温度自补偿，上述公式表明，当被测

12、零件的线膨胀系数g已知时，如果敏感栅材料，即其电阻温度系数0、灵敏度系数K0和线膨胀系数s满足上述公式，那么无论温度如何变化，都会有Rt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。a .选择性自补偿应变片：根据被测材料选择合适的应变片材料简单实用；极大的局限性b .组合式自补偿应变仪：两种材料具有不同的电阻温度系数。当温度变化时，电阻反向变化，总电阻保持不变。效果好；制作麻烦，(3)热敏电阻法：由于应变仪的灵敏度系数随着温度的升高而降低，输出电压降低。为了补偿温度造成的影响，热敏电阻Rt连接到电桥供电电路，该电路与应变仪处于相同的温度环境。当温度升高时，Rt的电阻值减小，这使得电源电桥电压随着温度升

13、高而增加，从而增加电桥的输出电压。合理选择分流电阻R0的值可以使电源电桥的电压随着温度以与应变计的灵敏度系数相同的速率增加电阻应变效应的解析公式也适用于半导体电阻材料。对于金属材料，电阻率的变化相对较小，但对于半导体材料，机械变形引起的电阻变化可以忽略不计，电阻的变化率主要是由电阻率的变化引起的。其中压阻系数l沿某一晶体方向l；e沿某一晶体方向l的应力；半导体材料的弹性模量。半导体材料的灵敏度系数K0为：例如，半导体硅，L=(4080)10-11m2/N，E=1.671011N/m2，则k0=LE50100。显然，半导体电阻材料的灵敏度系数比金属线高5070倍。最常用的半导体电阻材料是硅和锗，

14、p型或n型半导体可以通过掺杂杂质形成。由于半导体(如单晶硅)是一种各向异性材料，其压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶体取向有关(即，当向晶体施加不同方向的力时，其电阻以不同方式变化)。图(a)是膜片半导体压力传感器的结构示意图。为了接近固定边缘状态，硅膜片的边缘较厚且呈杯形，也称为硅杯。硅膜片上的四个扩散电阻连接成一个电桥。硅边的内腔与被测压力p相连，杯外与大气相通。如果杯子的外部与另一个压力源相连，则可以测量压差。图(b)是类似的结构。不同之处在于，为了减少封装产生的应力对传感器性能的影响，硅中间体通过进气管连接到表壳，但不直接连接到表壳。主要特点：1。高灵敏度硅应变电阻的灵

15、敏度比金属应变计高50，100倍，因此相应传感器的灵敏度很高，满量程输出一般在100毫伏左右。因此，对接口电路没有特殊要求，应用成本也相应较低。因为它是非机械结构传感器，所以分辨率极高。硅压阻传感器在零点附近的低范围内没有死区，线性度很好。2.高精度由于固体压阻式压力传感器的感觉，灵敏的转换和检测由同一元件实现，没有中间转换环节，因此重复性和迟滞误差极小。同时，由于硅单晶的高刚性和小变形，综合静态精度很高。0.01%，3。体积小、重量轻、动态频率响应高。由于机芯采用集成技术，没有传动部件，所以体积小、重量轻。由于芯片尺寸小，硅的弹性模量极高，敏感元件的固有频率非常高。在动态应用中，动态精度高，

16、使用带宽宽。传感器的形状可以合理选择和设计，使用带宽可以从零频率到500千赫。4.性能稳定，可靠性高。由于工作弹性变形低至微应变量级，弹性薄膜的最大位移量级为亚微米量级，因此不会产生磨损、疲劳和老化。使用寿命超过107个压力循环。电阻的热稳定性和灵敏度系数是差温补偿。4.热阻利用电阻率(电阻值)随温度变化的特性来测量温度。1.铂电阻在物理和化学上相对稳定，因此广泛应用于温度不太高的工业测温领域。在0630.74:-1900:为了使用方便，将R0中不同铂电阻的Rt-t关系制成分度表，以供参考。铂电阻的温度系数与其纯度有关，铂的纯度通常用W(100)表示，在精确测量时应充分考虑。根据R0，它可以分为46、50(Pt50)、100(Pt100)、300(Pt300)和1000。图热阻的形状、结构和符号，a)圆盘型热阻b)圆柱型热阻c)珠型热阻d)装甲型热阻e)厚膜型热阻f)图形s、汽车水温传感器和水温