传感检测技术及其应用传感检测技术及其应用第二篇第二篇 典型传感器的原理典型传感器的原理及其应用技术及其应用技术1传感检测技术与其应用第4章 因为在相关课程中，如工程测试技术，学习过各种传感器的基本原理，所以，在本课程中对各种典型传感器只作简要介绍，重点在于学习他们的信号处理电路和应用。各种典型传感器的学习内容2传感检测技术与其应用第4章第第4 4章章 电阻式传感器及应用电阻式传感器及应用一、电阻式传感器及分类1.1.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。2.2.电阻式传感器分类 电阻式传感器主要有变阻器式、电阻应变式和固态压阻式传感器。二、变阻器式电阻式传感器 3传感检测技术与其应用第4章优点：结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；可以实现输出输入间任意函数关系；输出信号大，一般不需放大。4传感检测技术与其应用第4章缺点：因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，所以分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。三、电阻应变式电阻传感器金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的电阻-应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。5传感检测技术与其应用第4章1.1.分类及结构分类及结构 金属金属电阻应变片分为金属丝式、箔式和膜式等。电阻应变片分为金属丝式、箔式和膜式等。（1 1）电阻丝应变片）电阻丝应变片 金属丝式应变片的典型结构：将一根高电阻率金属丝式应变片的典型结构：将一根高电阻率金属丝（康铜、镍铬、卡玛合金等，直径金属丝（康铜、镍铬、卡玛合金等，直径 0.0250.025mmmm左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，左右）绕成栅形，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路中。由引出导线接于电路中。 6传感检测技术与其应用第4章（2 2）箔式应变片箔式应变片由厚度为110 m的康铜箔或镍铬箔经光刻，腐蚀工艺制成的栅状箔片。箔式应变片适于大批量生产，可制成多种复杂形状，线条均匀，敏感栅尺寸准确，栅长最小可到0.2mm；散热好，允许电流大；横向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试件应变性能好。 目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。7传感检测技术与其应用第4章8传感检测技术与其应用第4章（3 3）膜式应变片 膜式应变片采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1mm0.1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达197197317317。2.2.工作原理（电阻应变效应） 电阻应变效应是指金属电阻丝的电阻随着它所承受机械变形（伸长或缩短）的大小而发生改变的一种物理现象。9传感检测技术与其应用第4章 设有一根圆截面金设有一根圆截面金属电阻丝，其电阻为属电阻丝，其电阻为 金属电阻丝受拉变形当受到轴向力F F被拉伸时，其电阻变化为10传感检测技术与其应用第4章则上式即为电阻应变效应表达式。11传感检测技术与其应用第4章对于电阻应变片，其电阻变化率与应变的关系为3.3.电阻应变片的主要特性（1 1）应变计的电阻值R R 应变计在没有粘贴及未参与变形有前，在室温下测定的电阻值。（2 2）灵敏度系数k k应变计的灵敏度系数由其材料及结构决定，由实验获得。12传感检测技术与其应用第4章（3 3）机械滞后 试件上加载、卸载过程中，对同一机械应变，应变片指示应变值发生变化，其差值称之机械滞后。其滞后大小与应变片承受的应变量大小有关，造成原因主要是敏感栅、基底粘合剂在承受机械应变后所留下的机械变形。13传感检测技术与其应用第4章（4 4）横向效应与横向效应系数应变片在感受被测试件的应变时，横向应变将使电阻变化率减小，从而降低灵敏度系数的现象，称为应变片的横向效应。 在同一单向应力作用下，垂直于单向应变方向安装的应变计的指示应变与平行于单向应变方向安装的同批应变计的指示应变之比，称为横向应变系数。 所以，为了减小横向效应的影响，应变片都做成窄长的形状。（5 5）零点漂移 指试件空载（不受应力作用）、温度恒定的条件下，指示应变随时间的变化值。14传感检测技术与其应用第4章（6 6）蠕变 粘贴在试件上的应变片，在恒温恒载条件下，指示应变随时间的变化数值称为蠕变。（7 7）应变极限 对于已安装的应变计，在温度恒定时，指示应变和真实应变的相对误差不超过规定数值的真实应变值，称为应变极限。如图所示。15传感检测技术与其应用第4章（8 8）疲劳寿命 在恒定幅值交变应力作用下，连续工作到产生疲劳损坏的循环次数，称为应变片的疲劳寿命。（9 9）温度效应及热输出 由于环境温度变化的影响，将使应变片的电阻发生变化，这种现象称为应变计的温度效应。而由于温度变化引起的应变输出称为热输出。热输出定义为：当应变片安装在某一线性膨胀系数的试件上，试件可以自由膨胀，在缓慢升（或降）温的均匀温度场内，由温度变化引起的指示应变。16传感检测技术与其应用第4章从上面可知，影响热输出因素主要有三个：温度变化；应变片敏感栅材料电阻温度系数；试件材料和敏感栅材料线性膨胀系数不等。17传感检测技术与其应用第4章（1010）应变计的最大工作电流 应变片正常工作允许通过的最大电流。通常静态测量时为25mA25mA，动态测量时为 7575100mA100mA。工作电流过大会导致应变片过热、灵敏度变化、零漂和蠕变增加，甚至烧毁。（1111）绝缘电阻 已安装的应变计的敏感栅及引线与被测试件之间的电阻值。是检查应变计的粘贴质量与粘合剂是否干燥或固化的重要指标。绝缘电阻越高越好，在室温下，一般为5005005000M5000M之间。（1212）应变片的动态特性 应变片在测量变化频率较高的动态应变时，应该考虑其频率响应，即动态特性问题。18传感检测技术与其应用第4章应变片的动态特性最终可归结到应变片的基长与输入应变波的频率的关系。若输入正弦应变波的极限工作频率f与应变片基长L的关系为若输入应变波为阶跃波时19传感检测技术与其应用第4章四、应变计测量电桥测量电桥在应变计电阻传感器中得到广泛的应用，结构简单，灵敏度高，测量范围宽，线性度好，精度高，易于实现和补偿。测量电桥有直流电桥和交流电桥，本课重点讲直流电桥。1.1.直流电桥 20传感检测技术与其应用第4章当R R1 1R R4 4=R=R2 2R R3 3时，电桥平衡，输出为零。按接入电桥应变片的数量可分为单臂工作电桥、半桥工作电桥、全桥工作电桥。2.2.单臂工作电桥 只有一个桥臂接入应变片，其它三个桥臂是平衡电阻。21传感检测技术与其应用第4章（1 1）立式桥立式桥（2 2）卧式桥22传感检测技术与其应用第4章（3 3）等臂电桥3.3.半臂工作电桥 有两只应变片接入电桥，设R1，R2作为应变片，半臂工作电桥（1 1）半臂卧式电桥23传感检测技术与其应用第4章(2)(2)半臂等臂电桥4.4.全臂工作等臂电桥四个臂均接入应变片，并为差动工作，且24传感检测技术与其应用第4章5.5.恒流供电电桥 上面所讲都是恒压供电的电桥。在全桥差动工作时，再不考虑温度变化时，电桥的输出与电阻的相对变化量R RR R成比例。而实际上温度变化时，每个电阻随温度量为R Rt t，电桥的输出为 U UO O=E R/(R+R=E R/(R+Rt t) )电桥的输出是非线性的。恒流源供电电桥如右图所示，设4个桥臂初始电阻均为R，则I IABCABC=I=IADCADC=I/2=I/2，。有压力作用时，仍有I IABCABC=I=IADCADC=I/2=I/2，则电桥输出为25传感检测技术与其应用第4章因此，电桥的输出与温度无关。总结：从上面可以知道，半臂工作卧式电桥、等臂电桥的输出是单臂工作卧式电桥、等臂电桥的输出的2倍；而全臂工作等臂电桥的输出是半臂工作电桥输出的2倍。6.6.电桥输出非线性误差上述电桥输出公式都是在R RR R的假设条件下得到。当该条件不成立时，必存非线性误差。26传感检测技术与其应用第4章对于单臂工作的卧式电桥和等臂电桥，有相对误差为27传感检测技术与其应用第4章如果2，当相对误差1时，则，则，也就是应变值时，电桥输出相对误差。28传感检测技术与其应用第4章7.7.电阻应变片的温度补偿由前面内容知道电阻应变片的热输出为由于应变片电阻丝温度系数 而产生的误差；由于电阻丝膨胀系数与测试试件材料的膨胀系数之间不同而产生误差。可以采用补偿法消除电阻应变片的热输出误差，称为热输出补偿。补偿常用的方法有两种：温度自补偿应变片法，用于高温下测量；桥路补偿法，用于常温下测量。（1 1）温度自补偿应变片法 单丝自补偿应变片29传感检测技术与其应用第4章由式可知，若t=0，需 t t=-k(=-k( s s-f f) )，在研制和选用应变计时，若所选择敏感栅材料，其 t t、 f f能与试件 s s的相匹配，即满足上式就能达到温度自补偿的目的。双丝自补偿应变计该应变计由电阻温度系数一正一负的两种金属电阻丝串接而成，如图所示。若 t+t+=t- t-, ,则正负热输出抵消就可达到自补偿的目的。30传感检测技术与其应用第4章（2 2）桥路补偿法补偿计法补偿计法是选用型号和特性完全相同（灵敏度系数、电阻温度系数、线膨胀系数均相同）的两只应变计，一只粘贴在被测试件上作为工作应变片，另一只粘贴在与被测试件的结构和材料相同而不受力的补偿块上，作为补偿片；并使补偿块与被测试件处于相同温度环境下。若工作片为R1，补偿片为R2，把它们分别接入电桥的相邻桥臂，构成如图4-14所示电桥。当被测试件受力为F，并有温度变化 t时，则工作应变片电阻由原来的R1变为R1,即31传感检测技术与其应用第4章而补偿片电阻值由原来的R2变为R2,即以上两个电阻代入电桥电压输出公式，即可得电桥输出端电压为式中R3和R4为平衡电阻，为固定值，若令R3=R4=R0，则有代入R R1 1 和R R2 2 ，得32传感检测技术与其应用第4章由于R1与R2型号和特性均相同，而且感受相同的温度变化，则则有应为则可得到从以上分析可知，此时指示应变值只是由于工作应变片受力引起的应变值，而由于温度变化所产生的热输出已经消除。33传感检测技术与其应用第4章如果补偿片R2也作为工作应变片，且粘贴于被测试件的相反应变处，则R1、R2在应力和温度变化影响下，则有代入电压输出表达式，得由于R1和R2型号特性相同，感受应力相同，温度影响也相同，则有34传感检测技术与其应用第4章故上式同样表明，指示应变值已消除了温度影响的热输出，且输出提高了一倍。35传感检测技术与其应用第4章8.8.应变计测量电路直流电桥的测量电路如图所示9.9.电阻应变式传感器的应用（1）电阻应变计式传感器应用特点电阻应变计有两方面的应用：一种是作为敏感元件，直接用于被测试件的应变测量；另一种是作为转换元件，通过弹性元件构成传感器，用以对任何能转换为弹性元件应变的其他物理量间接测量。36传感检测技术与其应用第4章(2)(2)电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器可用于测量侧力、测量位移、测量加速度、测量扭矩等。如书上图422425。基本应用平面膜片式压力传感器，应变桥连接成全桥，且应变计式传感器主要特点如下：*应用和测量范围广；*分辨力和灵敏度高；*结构轻小；*商品化，选用和使用方便。37传感检测技术与其应用第4章如图所示，应变计k=2.0，膜片允许测试的最大应变为800，对应的压力100kPa，电桥电压为5V，试求最大应变时，测量电路输出端电压为多少？当输出电压为3.3V时，所测压力为多少？A4的作用是什么？38传感检测技术与其应用第4章该例为恒压源供电全桥等臂电桥，则电桥输出电压为电路中A1，A2，A3运放组成同相输入并串联差动放大电路，放大倍数为则，最大应变时电路输出端电压为UO=0.008*625=5V输出端电压为3.2V时对应的压力为39传感检测技术与其应用第4章五、压阻式传感器及其应用1.1.压阻效应 根据电阻应变效应，有对于金属电阻丝而言，而对于半导体来说，所以半导体的电阻应变效应为 - -半导体材料的压阻系数；E E- -半导体材料的弹性模量，约为1.67X1011Pa。40传感检测技术与其应用第4章2.2.半导体应变片 根据制造工艺及安装方式不同，半导体应变片可分为体型半导体应变片（粘贴式）、薄膜型半导体应变片（利用真空沉积技术将半导体材料沉积在绝缘基底上制成）和扩散性半导体应变片（在半导体材料硅的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻构成）。半导体应变片线性范围小；电阻温度系数大；灵敏度随温度变化；光照使阻值减小。41传感检测技术与其应用第4章3.3.固态压阻式压力传感器（1 1）结构 N N作为弹性敏感元件，在其上扩散制成P P型电阻，称为硅杯。 （2 2）特点 体积小，重量轻，可微型化；相应频率高，频带宽，适合动态测量；精度、灵敏度高等。（3 3）电源电桥及其特点（4 4）固态压阻传感器的补偿4.4.压阻式压力传感器的三种测量方式 绝压测量方式、表压测量方式、差压测量方式。5.5.压阻压力传感器分类 压力传感器、压力变送器等。42传感检测技术与其应用第4章6.6.压阻压力传感器选用7.7.压阻压力传感器制造商 Freescale(Motorola),Honeywell,PhilipsFreescale(Motorola),Honeywell,Philips等8.8.压阻压力传感器应用（1）恒流工作测压电路43传感检测技术与其应用第4章（2 2）恒压工作测压电路44传感检测技术与其应用第4章（3 3）压力控制电路45传感检测技术与其应用第4章46传感检测技术与其应用第4章问题：1.推导电阻丝的电阻应变效应。2.根据温度效应及热输出，说明影响电阻应变片温度误差的主要因素，如何进行补偿？3.推导或说明半臂工作电桥和全臂工作电桥的非线性误差。4.上网查Freescale(Motorola)或Honeywell半导体压力传感器资料，选择一种压力传感器，设计一种测量空气流动速度的空速计。47传感检测技术与其应用第4章