第三章常用传感器与敏感元件1.ppt

传感器的定义： 传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。 定义的解释： 传感器是测量装置,能完成检测任务; 它的输入量是某一被测量,可能是物理量(如位移、温度、力、压力、速度、加速度等),也可能是化学量、生物量等; 它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等,可以是气、光、电量,但主要是电量; 输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度。 传感器的基本组成： 敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系的某一物理量。 转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电路参量 。 转换电路：把转换元件的电路参量转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号。 其组成如图所示。 传感器的重要性： 传感器是人类感官的延伸，可以去探测人类无法或不能用感官直接感知的事物； 传感器是测试系统的第一个环节，其性能直接影响整个测试系统，对测试精度至关重要。 第一节 常用传感器的分类 第二节 机械式传感器及仪器 机械式传感器以弹性体作为敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。 弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指示被测量的大小。 应用实例：测力计、压力计和温度计。 特点： 机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、读数直观； 弹性变形不宜大，以减小线性误差； 惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态被测量。 弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象，影响输出与输入的线性关系。 第三节 电阻、电容与电感式传感器 一、电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器。 电阻式传感器分类： 变阻器式传感器 电阻应变式传感器 固态压阻式传感器 1、变阻器式传感器 变阻器式传感器又称为电位器式传感器。 工作原理： 一个电导体的电阻值： 式中：R－电阻（Ω）； ρ－材料的电阻率（Ω·mm2/m）； l－导体的长度（m）； A－导体的截面积（mm2）。 电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。 变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。 直线位移型 kl为单位长度中的电阻 。 其灵敏度： 角位移型 灵敏度： α－触点转角(rad)； ka－单位弧度对应的电阻值。 变阻器式传感器的优缺点： 优点：结构简单，性能稳定，使用方便； 缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于20μm；较大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因）。 2、电阻应变式传感器 可测参数：应变、力、位移、加速度、扭矩等。 电阻应变式传感器:金属电阻应变片和半导体应变片。 （1）金属电阻应变片 基本工作原理： 当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。 主要形式：金属电阻应变片有丝式和箔式两种。 金属丝式应变片是用0.01～0.05mm的金属丝绕成敏感栅 ，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。 金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。 优点：可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅；散热条件好；生产效率高，便于实现自动化生产。 将应变片粘贴于弹性元件 或被测构件预定部位的表面。 电阻应变片的选择、粘贴技术 1.目测电阻应变片有无缺陷 2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小 3.试件表面处理 4.应变片粘贴 5.焊线 6.用兆欧表检查应变片的引线与试件之间的绝缘阻值，应大于50M欧 7.应变片保护 设A=πr2，r为电阻丝半径，代入上式得 依次代入式（3－5），得 说明： Sg为应变片系数或灵敏度,金属电阻丝的灵敏度常在1.7——3.6之中，常用的金属材料有银、铬镍合金、或铁镍合金等。 电阻丝应变片的标准阻值有60、120、350、600和1000Ω。其中120 Ω最为常用。 （2）半导体应变片 半导体应变片的结构如图，使用方法同电阻丝应变片。 工作原理：单晶半导体材料在沿某一轴向受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。 实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。 单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规则变化，导致载流子迁移率及载流子浓度变化，从而引起电阻率变化。 半导体应变片的优点是: 灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量； 分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压； 机械滞后小，横向效应小、体积小。 最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。 （3）电阻应变片式传感器的应用实例 将应变片粘贴于被测构件上，直接