1、第四章 敏感元件及與傳感器技術(shù),2,1）傳感器的定義 傳感器（Transducer/sensor）的定義為：“能感受（或響應(yīng)）規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。,4.1 傳感器概論,2）傳感器的組成,3,敏感元件(Sensing element) 是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺鼙粶y(cè)量的部分,轉(zhuǎn)換元件(Transition element) 是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵隽哭D(zhuǎn)換為適于傳輸和測(cè)量的電信號(hào)部分。,信號(hào)調(diào)理電路：能把轉(zhuǎn)換輸出的電信號(hào)轉(zhuǎn)換

2、為便于顯示、記錄和控制的有用信號(hào)的電路。常用電橋、放大器、阻抗變換器等,4,3） 傳感器分類 （1）按被測(cè)量分類 機(jī)械量：位移、力、力矩、扭矩、速度、加速度、振動(dòng)、噪聲 熱工量：溫度、熱量、流量（速）、風(fēng)速、壓力（差）、液位 物性參量：濃度、粘度、比重、酸堿度 狀態(tài)參量：裂紋、缺陷、泄漏、磨損、表面質(zhì)量 （2）按測(cè)量原理分類 按傳感器的工作原理可分為電阻式、電感式、電容式、壓電式、光電式、光纖、磁敏式、激光、超聲波等傳感器。,5,（3）按信號(hào)變換特征分類 結(jié)構(gòu)型：主要是通過(guò)傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換的。例如:電容式和電感式傳感器. 物性型：利用敏感元件材料本身物理屬性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換

3、。例如:水銀溫度計(jì),壓電測(cè)力計(jì). （4）按能量關(guān)系分類 能量轉(zhuǎn)換型：傳感器直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作。例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).也稱有源傳感器。 能量控制型：傳感器從外部獲得能量使其工作，由被測(cè)量的變化控制外部供給能量的變化。例如:電阻式、電容式、電感式.也稱無(wú)源傳感器。,6,4.2 電阻式傳感器,電位器式,電阻應(yīng)變式,熱敏效應(yīng)式,其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于制造、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定、輸出功率大，是目前在非電量檢測(cè)技術(shù)中應(yīng)用最廣、最成熟和最重要的傳感器之一.,把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器，是一種能量控制型傳感器,可用于測(cè)量應(yīng)變、位移、力、壓力和加速度等參數(shù)。,7,電阻應(yīng)變式,金屬電阻應(yīng)

4、變片,半導(dǎo)體應(yīng)變片,按應(yīng)變片所用的材料可分為：,導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。,主要作用是敏感元件實(shí)現(xiàn)應(yīng)變電阻的變換。,8,（1）電阻應(yīng)變片工作原理：,工作原理：,電阻絲電阻值：,縱向應(yīng)變,橫向應(yīng)變：當(dāng)電阻絲沿軸向伸長(zhǎng)時(shí)，必沿徑向縮小,對(duì)上式進(jìn)行全微分，并用相對(duì)變化量來(lái)表示：,泊松比,電阻絲電阻率相對(duì)變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力 有關(guān)。,彈性模量,縱向壓阻系數(shù),9,因此：,分析：,是由電阻絲幾何尺寸改變引起的。,是由電阻絲的電阻率隨應(yīng)變的改變引起的。,注意：對(duì)金屬電阻絲來(lái)說(shuō)， 是很小的，可忽略；對(duì)半導(dǎo)體應(yīng)變片來(lái)說(shuō)， 是很小的，可忽略。 這正是兩類電阻應(yīng)變

5、式傳感器原理的主要區(qū)別。,10,電阻絲應(yīng)變片,金屬電阻應(yīng)變片：,常用的電阻材料：康銅、鎳鉻合金、鎳鉻鋁合金,靈敏度：,敏感元件是金屬絲柵。,常用的結(jié)構(gòu)形式：絲式、箔式、薄膜式,工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。,11,箔式應(yīng)變片,1. 金屬箔柵很薄，感受的應(yīng)力狀態(tài)與試件表面應(yīng)力狀態(tài)更接近 2. 箔材表面積大，散熱條件好，所以允許通過(guò)較大電流，因而可以輸出較大信號(hào)，提高了測(cè)量靈敏度 3. 箔柵的尺寸準(zhǔn)確、均勻，能制成任意形狀，擴(kuò)大了應(yīng)變片的使用范圍,優(yōu)點(diǎn)：,敏感元件是通過(guò)照相制版或光刻腐蝕等工藝

6、制成的薄金屬箔柵。,缺點(diǎn)：,1. 生產(chǎn)工序較復(fù)雜； 2. 引出線的焊點(diǎn)采用錫焊，因此不適于高溫環(huán)境下測(cè)量。 3. 價(jià)格較貴,12,一般市售電阻應(yīng)變片的標(biāo)準(zhǔn)阻值有60、120、350、600、1000歐等，其中120歐應(yīng)用最多。,通常靜態(tài)測(cè)量時(shí)，允許的電流一般規(guī)定為25mA，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)可達(dá)75100mA，箔式應(yīng)變片則可更大些。,選用應(yīng)變片時(shí)，要考慮應(yīng)變片的性能參數(shù)，主要是應(yīng)變片的電阻值、靈敏度、允許電流、應(yīng)變極限等。,13,優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，機(jī)械滯后小，橫向效應(yīng)小，體積小. 缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。,半導(dǎo)體應(yīng)變片：,壓阻效應(yīng)是指當(dāng)半導(dǎo)體受到應(yīng)力作用時(shí)，由于載流子遷移率的變化，使其

7、電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象 。,工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。因此，有時(shí)也稱為壓阻傳感器。,靈敏度：,從半導(dǎo)體物理可知，半導(dǎo)體在壓力、溫度及光輻射作用下，能使電阻率發(fā)生很大變化。,目前，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體應(yīng)變片大都采用P型硅單晶制成。,14,金屬電阻應(yīng)變片,半導(dǎo)體應(yīng)變片,利用金屬導(dǎo)體形變引起電阻的變化 。一般制作應(yīng)變片的金屬絲的靈敏度K0在1.73.6之間，有些工程書上，直接將金屬絲應(yīng)變片的靈敏度K0定義為2。,利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻的變化。用半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的傳感器亦稱為壓阻傳感器。半導(dǎo)體應(yīng)變片具有很高的靈敏度（是金屬絲應(yīng)變片靈敏度大5070倍 ），但其最大的特點(diǎn)是溫度靈敏度高，非線性嚴(yán)重及安

8、裝困難。,當(dāng)測(cè)量較小應(yīng)變時(shí)，一般選用壓阻 效應(yīng)工作的應(yīng)變片，而測(cè)量大應(yīng)變時(shí)，一般選用應(yīng)變效應(yīng)工作的應(yīng)變片,15,（2） 電阻式傳感器的測(cè)量電路 由于機(jī)械應(yīng)變一般都很小，要把微小應(yīng)變引起的微小電阻值的變化測(cè)量出來(lái)，同時(shí)，要把電阻相對(duì)變化 轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化，因此，需要設(shè)計(jì)專用的測(cè)量電路，常用橋式測(cè)量電路。 該電路目標(biāo)：提高輸出靈敏度、進(jìn)行溫度補(bǔ)償,16,當(dāng) 時(shí)，電橋的輸出電壓 應(yīng)為： 當(dāng)電橋平衡時(shí)， ，由上式可得到 或 稱為電橋平衡條件,1）直流電橋平衡條件 直流電橋的基本形式如圖，R1，R2，R3，R4稱為電橋的橋臂，RL為其負(fù)載（可以是測(cè)量?jī)x表內(nèi)阻或其他負(fù)載）。,電橋線路原理圖,17,不

9、受力時(shí)，使電橋平衡,受應(yīng)力或溫度使電阻值變化時(shí)：,為使分析簡(jiǎn)化，選擇,2）常用電橋電路,18,一般情況下， ，化簡(jiǎn)得到：,利用上式的和差特點(diǎn)，可進(jìn)行溫度補(bǔ)償和提高測(cè)量的靈敏度。,19,為達(dá)到完全補(bǔ)償，需滿足下列三個(gè)條件： 互相補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變片須屬于同一批號(hào)的，即它們的電阻溫度系數(shù)、線膨脹系數(shù)、應(yīng)變靈敏系數(shù)都相同，互補(bǔ)應(yīng)變片的初始電阻值也要求相同； 用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件材料必須相同，即要求其線膨脹系數(shù)相等； 互相補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變片處于同一溫度環(huán)境中。,20,根據(jù)工作中電阻值參與變化的橋臂的個(gè)數(shù)， 將電橋分為： 半橋式、全橋式,半橋單臂,只有一個(gè)橋臂 阻值隨被測(cè)量而變化,若四個(gè)橋臂的初始電

10、阻值相等， 且 時(shí),21,半橋雙臂,工作時(shí)，有相鄰兩個(gè)橋臂 阻值隨被測(cè)量而變化。,若四個(gè)橋臂的初始電阻值相等，,設(shè)相鄰兩個(gè)橋臂阻值變化量相等時(shí)，為使輸出不為零且提高靈敏度，使電阻變化方向相反（即一個(gè)阻值增大，另一個(gè)則減?。?,22,全橋接法,工作時(shí)四個(gè)橋臂都隨被測(cè)量變化。,設(shè)四個(gè)橋臂的阻值變化量相等：,若四個(gè)橋臂的初始電阻值相等，,為使輸出不為零且提高輸出靈敏度，任意兩相鄰橋臂電阻值變化方向均相反，此時(shí)：,23,將 作為輸入（有的僅把 當(dāng)作輸入），由此可以求得上述各種電橋的靈敏度分別為 半橋單臂： 半橋雙臂： 全橋：,比較：,根據(jù)理想線性關(guān)系分析所得,24,當(dāng)僅橋臂AB單臂承受應(yīng)變 ，產(chǎn)生 時(shí)

11、，,上式是在假定 時(shí)得到的。,此時(shí)電橋的實(shí)際輸出是：,電橋的相對(duì)非線性誤差為：,如果已知 ，并對(duì)非線性誤差 提出要求，則通過(guò)上式可計(jì)算出允許測(cè)量的最大應(yīng)變量。,當(dāng)RiR時(shí)，輸出電壓與應(yīng)變呈線性關(guān)系。,25,結(jié)論：如果被測(cè)應(yīng)變大于10000，采用等臂電橋時(shí)的非線性誤差大于1%。,例：設(shè)K=2，要求非線性誤差1%，試求允許測(cè)量的最大應(yīng)變值max。,26,（3）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用,直接用來(lái)測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力，如為了研究某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的受力、變形情況，可利用不同形狀的應(yīng)變片，粘貼在構(gòu)件的選定部位，測(cè)得構(gòu)件的拉、壓應(yīng)力或彎矩等，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、應(yīng)力校核或構(gòu)件破壞的預(yù)測(cè)等提供可靠的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。 將應(yīng)

12、變片貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。在這種情況下，彈性元件得到與被測(cè)量成比例的應(yīng)變，再由應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻的變化。,注意：電阻應(yīng)變片必須被粘貼在試件或彈性單元上才能工作，應(yīng)將其粘貼在應(yīng)變最大的部位。粘合劑和粘合技術(shù)對(duì)測(cè)量結(jié)果有直接影響。,27,因此，軸向應(yīng)變片感受到的應(yīng)變?yōu)椋?）：,圓周方向應(yīng)變片感受到的應(yīng)變?yōu)椋?）：,彈性元件分為實(shí)心和空心兩種。實(shí)心圓柱可承受較大負(fù)荷；空心圓桶橫向鋼度大，穩(wěn)定性好。,在軸向布置一個(gè)或幾個(gè)應(yīng)變片，在圓周方向布置同樣數(shù)目的應(yīng)變片，后者取符號(hào)相反的橫向應(yīng)變，從而構(gòu)成了差動(dòng)對(duì)。在與軸線任意夾角的方向，其應(yīng)變?yōu)?：,載荷,楊氏模量,1、

13、柱式力傳感器,28,29,30,2、梁式力傳感器,等強(qiáng)度梁彈性元件是一種特殊形式的懸臂梁。,這種彈性元件的特點(diǎn)是：其截面按一定的規(guī)律變化，當(dāng)集中力作用在自由端時(shí)，距作用力任何距離的截面上應(yīng)力相等。,31,32,3、 應(yīng)變式壓力傳感器,測(cè)量氣體或液體壓力的薄板式傳感器，如圖所示。當(dāng)氣體或液體壓力作用在薄板承壓面上時(shí)，薄板變形，粘貼在另一面的電阻應(yīng)變片隨之變形，并改變阻值。這時(shí)測(cè)量電路中電橋平衡被破壞，產(chǎn)生輸出電壓。,（b）,（a）,應(yīng)變式壓力傳感器,圓形薄板固定形式：采用嵌固形式，如圖（a）或與傳感器外殼作成一體，如圖 (b)。,應(yīng)變片,33,根據(jù)力學(xué)公式，當(dāng)均勻壓力作用在薄板上時(shí)：,圓板內(nèi)任一

14、點(diǎn)的應(yīng)變值為：,徑向和切向應(yīng)力,徑向和切向應(yīng)變,圓板的半徑和厚度,與圓心的徑向距離,34,4、應(yīng)變式加速度傳感器,由端部固定并帶有慣性質(zhì)量塊m的懸臂梁及貼在梁根部的應(yīng)變片、基座及外殼等組成。是一種慣性式傳感器。,測(cè)量時(shí)，根據(jù)所測(cè)振動(dòng)體加速度的方向，把傳感器固定在被測(cè)部位。當(dāng)被測(cè)點(diǎn)的加速度沿圖中箭頭所示方向,時(shí)，懸臂梁自由端受慣性力F=ma的作用，質(zhì)量塊向箭頭a相反的方向相對(duì)于基座運(yùn)動(dòng)，使梁發(fā)生彎曲變形，應(yīng)變片電阻也發(fā)生變化，產(chǎn)生輸出信號(hào)，輸出信號(hào)大小與加速度成正比。,35,圖4-5沖床生產(chǎn)量和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè),圖4-6電阻應(yīng)變式電子秤,圖4-7機(jī)械手,36,作 業(yè),1. 電阻應(yīng)變片的種類有哪些？各有何特點(diǎn)？ 2. 電阻應(yīng)變片阻值為120，靈敏度系數(shù)為K=2，沿縱向粘貼于直徑為0.05的圓柱形鋼柱表面，鋼材的彈性模量為 ，