测试技术-贾平民CH 4 常用传感器

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4.1 传感器概述
(Introduction)
1.传感器概念 传感器 是指直接作用于被测量，并能按一定规律将其转换
成同种或别种量值输出的器件。
传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测 试装置的工作质量。 2.传感器分类 按被测量分类 位移、力、温度、压力、流量、速度传感器等。 按工作机理分类 机械式、电气式、光学式、化学型等。
L=(40～80)×10-11 m2/N，
E=1.67×1011 Pa, 则S0 = LE＝50～100。
半导体电阻材料的灵敏度比金属丝要高50～70倍。
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（2）压阻式传感器类型与特点 压阻式传感器有两种类型 1）利用半导体材料的体电阻制成粘贴式的应变片，其使用 方法与电阻应变片类似。 2）在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成扩散电阻， 作为测量传感元件，测量压力和加速度等物理量。 压阻式传感器的优点 1）灵敏度非常高。
传感器选用原则(2/2)
3.响应特性 传感器响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。 实际传感器的响应总有一定的延迟，但延迟时间越短越好。 4.稳定性 稳定性是指经过长期使用后，其输出特性不发生变化的性能。 影响传感器稳定性的因素是时间和环境。 5.精确度 精确度表示传感器输出与被测量的对应程度。 传感器的精确度并非越高越好，选择时应从实际出发。 6.其他选用原则 如实际测试条件下的工作方式等因素。
测量范围广 压力：104~109 Pa； 力：0.1~ 107 N。 能适应较大的振动和冲击，抗辐射能力强。
电阻式传感器(12/22)
2.压阻式传感器 （1）基本工作原理
压阻效应 是指半导体材料受到应力作用时，其电阻率发生 实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应， 变化的现象。 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的电阻变化量仍为 dR 1 2 E R 对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化 E 远远大于 形变引起的电阻变化(1+2v) ，则
dR R (1 2 ) d d
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由半导体理论
d L L E
L —— 沿某晶向L的压阻系数； —— 沿某晶向L的应力；
E —— 半导体材料的弹性模量。 灵敏度： dR / R S0 LE 例：对于半导体硅，
dl ：电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。 l dr ：电阻丝径向相对变形，或称横向应变。 r dr dl 横向应变与纵向应变间的关系为 r l
式中为泊松比。负号表示两者变化相反。
d

：电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力有关。
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d

E
dR 传感器灵敏度： S KL dx 当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。
2）角位移型

R K
传感器概述(2/5)
按构成原理分类
物性型 依靠敏感元件本身的物理化学性质的变化实现信 如水银温度计、压电式传感器等。 号变换。 结构型 依靠传感器结构参量的变化实现信号转换。 如电容 式、电感式传感器等。
按能量变换关系分类 能量转换型(无源型、 发电型或主动传感器） 直接由被测对象输入能量使其工作。 如热电偶温度计、弹性 压力计、压电式传感器。能量转换型传感器存在负载效应。 能量控制型( 有源型、能量调节型或被动传感器) 由外部辅助能量使其工作，并由被测量控制外部供给能量的 变化。如电桥式电阻应变计等。 注意： 传感器的换能元件可能不止一个（如电容式压力传感器）， 甚至是一个小型装臵（如力反馈式加速度计）。
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动态响应特性 应变片栅长/mm
0.2 0.5 1 2 3 5 10 25 15 20
最高工作频率/kHz 1250 500 250 125 83.3 50
16.6 12.5
温度影响：温度变化导致应变片电阻变化与由应变引起的电 阻变化往往具有同等数量级，须用适当电路进行温度补偿。 （4）电阻应变片的特点 性能稳定、精度高，综合误差在 1.0% ~ 0.1%，高精度力 传感器已能达到0.03%~ 0.01%。
传感器概述(4/5)
传感器的技术指标
基本参数指标 量程指标: 量程范围、过载能力等 灵敏度指标: 灵敏度、分辨力、满量程输 出、输入输出阻抗等 精度有关指标: 精度、误差、线性、滞后、 重复性、灵敏度误差、稳定 性等 动态性能指标: 固有频率、阻尼比、时间常 数、频率响应范围、频率特 性、临界频率、临界速度、 稳定时间、过冲量、稳态误 差等 环境参数指标 温度指标: 工作温度范围、温度 误差、温度漂移、温 度系数、热滞后等 抗冲振指标: 允许各向抗冲振的频 率、振幅及加速度、 冲振所引入的误差等 其他环境参数: 抗潮湿、耐介质腐蚀 能力、抗电磁干扰能 力等 可靠性指标 其他指标 工作寿命、平 使用有关指标: 均无故障时间、供电方式(直流、交 保险期、疲劳 流、频率及波形等) 性能、绝缘电 及功率、各项分布参 阻、耐压及抗 数值、电压范围与稳 飞弧等 定度等 结构方面指标: 外形尺寸、重量、壳 体材质、结构特点等 安装连接方面指标: 安装方式、馈线电缆 等
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如果把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换为应 变，可以构成各种不同的传感器。 （2）电阻应变片的分类及材料 金属电阻应变片分为丝式、箔式和膜式。 1）丝式应变片
金属丝式应变片有回线式和短接式两种。
回线式
短接式
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丝式应变片制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴。 回线式应变片因圆弧部分参与变形，横向效应较大。 短接式应变片敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径 大 5～10倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。 安全电流：10~50 mA，电阻：50~ 1 000 （典型120 ）。 2）箔式应变片 箔式应变片由厚度为 3~10 m 的康铜箔或镍铬箔经光刻，腐 蚀工艺制成的栅状箔片。 大批量生产，可制成多种复杂形状。 散热好，允许电流大。
加速度等物理参数的传感器。
电阻式传感器(9/22) 质块
m
x 位移传感器 加速度传感器
F
柱式测力传感器
齿轮轮齿弯矩
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注意事项 应变极限： 应变大 — 输出非线性大。误差为10%时对应的 应变作为应变片的应变极限。 机械滞后： 敏感栅、底基及胶粘层承受机械应变后，一般都 会存在残余变形，造成应变片的机械滞后。 零漂和蠕变： 零漂：恒定温度，无机械应变时，应变片阻值随时间变 化的特性。 蠕变：恒定温度、恒定应变时，应变片阻值随时间变化 的特性。
导体材质和截面积一定，其阻值随导线长度而线性变化。 变阻器式传感器除可以测量线位移和角位移，还可以测量任 何可以转换为位移的物理参数，如压力、加速度等。 R 1）直线位移型
改变触点C的位臵时，AC 间电阻值为
x
C
x
R KL x
KL：单位长度内的电阻值，/m。
A C B
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dR dl d dA R R R dl d dA R l l A A
电阻式传感器(3/22)
dR dl d dA 即： R l A
对半径为r的金属电阻丝有： r 2 ， A 2rdr A d dR dl d 2dr R l r
传感器概述(3/5)
3.传感器的性能要求 （1）灵敏度高，输入和输出之间有较好的线性关系； （2）噪声小，并且具有抗外部噪声的性能； （3）滞后、漂移误差小； （4）动态特性良好； （5）在接入测量系统中，对被测量不产生影响； （6）功耗小，复现性好，有互换性； （7）防水及耐腐蚀等性能好，能长期使用； （8）结构简单，容易维修和校正； （9）低成本、通用性强。
电阻式传感器(2/22)
1.电阻应变式传感器
（1）应变式传感器工作原理 1）金属的电阻应变效应 电阻应变效应 是指导体在外力作用下发生机械变形时，其电 阻值随所受机械变形（应变）的变化而发生变化的现象。
则其阻值为 设金属丝长度为l，截面积为A，电阻率为，
l R A
金属丝变形时，、l、A将同时发生变化，从而导致R改变。 若、l、A的变化量为d、dl、dA，则
第4章 常用传感器 Transducer
4.1 传感器概述(Introduction) 4.2 传感器选用原则(Principle of Transducer Selection) 4.3 电阻式传感器(Resistance Transducer) 4.4 电感传感器(Inductance Transducer) 4.5 电容传感器(Capacitance Transducer)
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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。
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3）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0.1 mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。
应变灵敏度大。 允许电流密度大。 工作范围广，可达-197～317 ℃。 （3）电阻应变片的应用 测量结构的应变或应力。 将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、
传感器概述(5/5)
4.传感器的发展趋势 （1）采用新原理、开发新型传感器； （2）大力开发物性型传感器； （3）传感器的集成化； （4）传感器的多功能化； （5）传感器的智能化(smart sensor)； （6）研究生物感官，开发仿生传感器。
4.2 传感器选用原则
(Principle of Transducer Selection) 1.灵敏度 传感器的灵敏度越高，可以感知的变化量越小。传感器往往 要求有较大的信噪比。 传感器的量程范围与灵敏度密切相关。过高的灵敏度会影响 其适用的范围。 在测量过程中，传感器在被测量方向上的灵敏度愈高愈好， 而横向灵敏度愈小愈好；对于二维或三维矢量的测量，传感 器的交叉灵敏度愈小愈好。 2.线性范围 任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入 线性范围越宽，传感器的工作量程越大。 成比例关系。
应变成正比。
电阻式传感器(5/22)
电阻应变片的应变系数或灵敏度S0定义为
dR / R S0 1 2 constant dl / l
通常，S0 =1.7~3.6。
2）应变片的基本结构及测量原理 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 0.025 mm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。 测量原理： 将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴在被测 件上，被测物变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅 — 阻 值变化 — 转换电路转换为电压或电流信号。
E为电阻丝材料的弹性模量；为压阻系数，与材质有关。
dR 1 2 E R
受力后电阻丝几何尺寸变化所 引起，对于同一材料（1+2v） 为常数。
受力后电阻率的改变引 起，对金属材料，E很 小。
dR 1 2 R 在电阻丝拉伸比例范围内，电阻相对变化与其所受的轴向
4.3 电阻式传感器
(Resistance Transducer) 电阻式传感器 将被测量转换成电阻变化量，再通过中间 变换电路将电阻变化变换为电压或电流进行测量。 电阻式传感器按工作原理可分为： （1）变阻器（电位器）式
（2）应变片式（弹性电阻式）
（3）热敏电阻 （4）磁敏电阻式 （5）气敏电阻式 （6）光敏电阻式等
2）分辨率高，例如测量压力时可测出10～20 Pa的微压。
3）测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高。 4）可测量低频加速度和直线加速度。 缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。
电阻式传感器(15/22)
3. 变阻器式传感器 （1）变阻器式传感器的结构和原理 变阻器式传感器实际是精密线绕电位器，通过改变电位器 触头位臵将位移转换为电阻变化。