传感器与检测技术2(2)

1、2020/8/26,1,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,2020/8/26,2,1.4.2 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。,（1）绝对误差,axa0,修正值c,c=,当axa0时，为正误差；反之为负误差。,a0 ax+c,2020/8/26,3,（2）相对误差,实际相对误差,示值(标称)相对误差,满度（引用）相对误差,2020/8/26,4,1.4.3 准确度,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,它表示传感器的最

2、大相对误差为s%。,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分别为0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0等；我国电工仪表的准确度等级分别为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。,某0.1级压力传感器的量程为100mpa，测量50mpa压力时，传感器引起的最大相对误差为,0.2%。,2020/8/26,5,本节主要内容:,2020/8/26,6,第一节 电阻应变式传感器,2020/8/26,7,一、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 。,2020/8/26,8,二、应变片的工作原理,设有一长度为l 、截面积

3、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,2020/8/26,9,二、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

4、，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，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。,2020/8/26,10,箔式应变片的外形,2020/8/26,11,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

5、式应变片的内部结构,2020/8/26,12,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？,2020/8/26,13,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。,2020/8/26,14,2.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 。,2020/8/26,15,3.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。,2

6、020/8/26,16,4.焊接： 将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,2020/8/26,17,5.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。,2020/8/26,18,三、测量转换电路不平衡电桥,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

7、量转换电路是如何将r /r转换为输出电压uo的。,2020/8/26,19,三、测量转换电路不平衡电桥,2020/8/26,20,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、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。,2020/8/26,21,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。,2020/8/26,22,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

8、号相间，可以使输出电压uo成倍地增大。,2020/8/26,23,四臂全桥,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。,2020/8/26,24,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。,2020/8/26,25,2020/8/26,26,四、应变效应的应用,

9、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。,2020/8/26,27,应变式力传感器,应变式力传感器,f,f,f,f,2020/8/26,28,各种悬臂梁,f,f,固定点,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

10、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。,2020/8/26,36,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。,2020/8/26,37

11、,压阻式固态 压力传感器 内部结构,信号处理电路,2020/8/26,38,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,2020/8/26,39,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。,2020/8/26,40,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。,2020/8/26,41,电阻应变仪,下图所示的静态应变仪测量范围：19999； 分辨率： 1；电桥电压：直流2.5v； 应变片：120或其他阻值； 测量

12、点数：8/16点；,2020/8/26,42,与计算机接口的多路电阻应变测量模块,2020/8/26,43,材料应变的测量,斜拉桥上的斜拉绳应变测试,2020/8/26,44,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。,2020/8/26,45,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，而计算得到的额定热态电阻值应为484 。,2020/8/26,46,易提纯、复现性好的金属

13、材料才可用于制作热电阻,2020/8/26,47,表2-2 热电阻的主要技术性能,2020/8/26,48,薄膜型及普通型铂热电阻,2020/8/26,49,小型铂热电阻,2020/8/26,50,防爆型铂热电阻,2020/8/26,51,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,2020/8/26,52,学习查“铂热电阻分度表”,附录 铂热电阻分度表,2020/8/26,53,2020/8/26,54,铂电阻温度显示、变送器,2020/8/26,55,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,2020/8/26,56,2020/8/26,57,热敏电阻,热敏电阻有负温度系数（

14、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 。,2020/8/26,58,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,2020/8/26,59,下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？,1 2 3 4 5,2020/8/26,60,热敏电阻外形,mf12型 ntc热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,2020/8/26,61,其他形式的热敏电阻,玻璃封装 ntc热敏电阻,mf58 型热敏电阻,2020/8/26,62,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,2020/8/26,63