传感器与检测技术完整版课件

上节回顾上节回顾:1.检测技术的基本概念及方法检测技术的基本概念及方法 2.传感器的发展传感器的发展3.传感器的分类和基本特性传感器的分类和基本特性4/23/20241.上节回顾:7/28/20231.1.4.2 1.4.2 误差的表示方法误差的表示方法 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。能表示测量的准确程度。（1 1）绝对误差）绝对误差A Ax xA A0 0修正值修正值C CC C=当当A Ax xA A0 0时，为正误差；反之为负误差。时，为正误差；反之为负误差。A A0 0 A Ax x+C C4/23/20242.1.4.2误差的表示方法绝对误差和修正值的量纲必须（2 2）相对误差）相对误差实际相对误差实际相对误差示值示值(标称标称)相对误差相对误差满度（引用）相对误差满度（引用）相对误差4/23/20243.（2）相对误差实际相对误差示值(标称)相对误差满度（引1.4.3 1.4.3 准确度准确度传感器和测量仪表的误差是以准确度表示的。准确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度常用最大引用误差来定义它表示传感器的最大相对误差为它表示传感器的最大相对误差为S S%。仪表引起的最大测量相对误差为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如压力传感器的准确度等级分别为0.050.05、0.10.1、0.20.2、0.30.3、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.02.0等；我国电工仪表的准确度等级分等；我国电工仪表的准确度等级分别为别为0.10.1、0.20.2、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.52.5、5.05.0。某某0.10.1级压力传感器的量程为级压力传感器的量程为100MPa100MPa，测量，测量50MPa50MPa压力时，压力时，传感器引起的最大相对误差为传感器引起的最大相对误差为0.2%。4/23/20244.1.4.3准确度传感器和测量仪表的误差是以准确度表示的。本节主要内容本节主要内容:4/23/20245.本节主要内容:7/28/20235.第一节第一节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器4/23/20246.第一节电阻应变式传感器7/28/20236一、工作原理一、工作原理应变应变片的工作原理的工作原理 金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大。4/23/20247.一、工作原理应变片的工作原理金属丝受拉时，l变长、r变小，导二、应变片的工作原理二、应变片的工作原理设设有有一一长长度度为为l、截截面面积积为为A、半半径径为为r、电电阻阻率率为为 的金属单丝，它的电阻值的金属单丝，它的电阻值R可表示为可表示为当当沿沿金金属属丝丝的的长长度度方方向向作作用用均均匀匀拉拉力力（或或压压力力）时时，上上式式中中、r、l都都将将发发生生变变化化，从从而而导导致致电电阻阻值值R发发生生变变化化。例例如如金金属属丝丝受受拉拉时时，l将将变变长长、r变变小小，均均导导致致R变变大大；又又如如，某某些些半半导导体体受受拉拉时时，将将变变大大，导致导致R变大。变大。实实验验证证明明，电电阻阻丝丝及及应应变变片片的的电电阻阻相相对对变变化化量量 R R与与材材料料力力学学中中的的轴轴向向应应变变 x的的关关系系在在很很大大范范围围内内是是线性的，即线性的，即K电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度4/23/20248.二、应变片的工作原理设有一长度为二、应变片的种类与结构二、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，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所金属丝式应变片蠕变较大，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、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。一次性试验。箔箔式式应应变变片片中中的的箔箔栅栅是是金金属属箔箔通通过过光光刻刻、腐腐蚀蚀等等工工艺艺制制成成的的。箔箔的的材材料料多多为为电电阻阻率率高高、热热稳稳定定性性好好的的铜铜镍镍合合金金。箔箔式式应应变变片片与与片片基基的的接接触触面面积积大大得得多多，散散热热条条件件较较好好，在在长长时时间间测测量量时时的的蠕蠕变变较较小小，一一致致性性较较好好，适适合合于于大大批批量量生生产产。还还可可以以对对金金属属箔箔式式应应变变片片进进行行适适当当的的热热处处理理，使使其其线线胀胀系系数数、电电阻阻温温度度系系数数以以及及被被粘粘贴贴的的试试件件的的线线胀胀系系数数三三者者相相互互抵抵消消，从从而而将将温温度度影影响响减减小小到到最最小小的的程程度度，目目前前广广泛泛用用于于各各种种应应变变式传感器中。式传感器中。4/23/20249.二、应变片的种类与结构应变片可分为金属应变片及半箔式应变片的外形箔式应变片的外形4/23/202410.箔式应变片的外形7/28/202310.半导体应变片半导体应变片及金属及金属丝式应变片的结构丝式应变片的结构半导体应变片半导体应变片外形外形金属丝式应变片的金属丝式应变片的内部结构内部结构4/23/202411.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式应应变片主要性能指标举例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？上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？依据是什么？4/23/202412.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的粘贴：应变片的粘贴：1.去污：采用去污：采用手持砂轮工具除去手持砂轮工具除去构件表面的油污、构件表面的油污、漆、锈斑等，并用漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。棉球擦洗。4/23/202413.应变片的粘贴：1.去污：采用手持砂轮工具2.2.贴片：在应变贴片：在应变片的表面和处理过的片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶层均匀的粘贴胶 ，用镊子将应变片放上用镊子将应变片放上去，并调好位置，然去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出手指揉和滚压，排出下面的气泡下面的气泡 。4/23/202414.2.贴片：在应变片的表面和处理过3.测量测量：从：从分开的端子处，分开的端子处，预先用万用表测预先用万用表测量应变片的电阻，量应变片的电阻，发现端子折断和发现端子折断和坏的应变片。坏的应变片。4/23/202415.3.测量：从分开的端子处，预先用万4.焊接：焊接：将引线和端子用将引线和端子用烙铁焊接起来，烙铁焊接起来，注意不要把端子注意不要把端子扯断。扯断。4/23/202416.4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注5.固定：固定：焊接后用胶焊接后用胶布将引线和布将引线和被测对象固被测对象固定在一起，定在一起，防止损坏引防止损坏引线和应变片。线和应变片。4/23/202417.5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在三、测量转换电路三、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直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，接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。且误差很大。例例如，如，有一金属箔式应变片，标称阻值有一金属箔式应变片，标称阻值R R0 0为为100100，灵敏度，灵敏度K K=2=2，粘贴在横截面积为，粘贴在横截面积为9.8mm9.8mm2 2的的钢质圆柱体上，钢的弹性模量钢质圆柱体上，钢的弹性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2，所受拉力所受拉力F F=0.2t=0.2t，受拉后应变片的阻值，受拉后应变片的阻值R R 的变的变化量仅为化量仅为0.20.2，所以必须使用不平衡电桥来测所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将换电路是如何将 R/R转换为输出电压转换为输出电压Uo的。的。4/23/202418.三、测量转换电路不平衡电桥金属应变片的电阻变化三、测量转换电路三、测量转换电路不平衡电桥不平衡电桥 4/23/202419.三、测量转换电路不平衡电桥7/28/202319.电桥平衡的条件电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3调节调节RPRP，最终可以，最终可以使使R R1 1/R R2 2=R R4 4/R R3 3（R R1 1、R R2 2 是是R R1 1、R R2 2并联并联RPRP后的后的等效电阻）等效电阻），电桥趋于，电桥趋于平衡，平衡，U Uo o被预调到零位，被预调到零位，这一过程称为调零。图这一过程称为调零。图中的中的R R5 5是用于减小调节是用于减小调节范围的限流电阻。范围的限流电阻。4/23/202420.电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3单臂电桥单臂电桥全桥四臂工全桥四臂工作方式的灵敏作方式的灵敏度最高，双臂度最高，双臂半桥次之，单半桥次之，单臂半桥灵敏度臂半桥灵敏度最低。最低。4/23/202421.单臂电桥全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半双臂电桥双臂电桥 R1、R2为应变为应变片，片，R3、R4为固定为固定电阻电阻。应变片。应变片R1、R2感受到的应变感受到的应变 1 2以及产生的以及产生的电阻增量正负号相电阻增量正负号相间，可以使输出电间，可以使输出电压压Uo成倍地增大。成倍地增大。4/23/202422.双臂电桥R1、R2为应变片四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片，全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变如果设法使试件受力后，应变片片R1R4产生的电阻增量（或产生的电阻增量（或感受到的应变感受到的应变 1 4）正负号相）正负号相间，就可以使输出电压间，就可以使输出电压Uo成倍成倍地增大。上述三种工作方式中，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全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。臂半桥）还能实现温度自补偿。4/23/202423.四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力全桥的温度补偿原理全桥的温度补偿原理 当环境温度升高当环境温度升高时，桥臂上的应变片时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能较小；半桥也同样能克服温漂。克服温漂。4/23/202424.全桥的温度补偿原理当环境温度升高时，桥臂上的4/23/202425.7/28/202325.四、应变效应的应用四、应变效应的应用 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应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。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：电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量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。应变式传感器应变式传感器中，敏感元件一中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于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。从应变仪上读取被测试件的应变量。4/23/202426.四、应变效应的应用应变效应的应用十应变式力传感器应变式力传感器 应变式力传感器应变式力传感器 FFFF4/23/202427.应变式力传感器应变式力传感器FFFF7/28/2023各种悬臂梁各种悬臂梁 FF固定点固定点固定点固定点电缆4/23/202428.各种悬臂梁FF固定点固定点电缆7/28/202328.应变式荷重传感器的外形及应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置应变片的粘贴位置FR1R2 R44/23/202429.应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R4应变式荷重传感器外形及受力位置（续）应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF4/23/202430.应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF7/28/20233荷重传感器原理演示荷重传感器原理演示荷重传荷重传感器上的应变感器上的应变片在重力作用片在重力作用下产生变形。下产生变形。轴向变短，径轴向变短，径向变长。向变长。4/23/202431.荷重传感器原理演示荷重传感器上的应变汽车衡汽车衡称重系统称重系统4/23/202432.汽车衡称重系统7/28/202332.电子天平电子天平电子天平的精度电子天平的精度可达十万分之一可达十万分之一4/23/202433.电子天平电子天平的精度可达十万分之一7/28/202333.人体秤人体秤 4/23/202434.人体秤7/28/202334.应变式数显扭矩扳手应变式数显扭矩扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械可用于汽车、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。量程装配扭矩。量程2500N.m，耗电量，耗电量10mA，有公制有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。功能。4/23/202435.应变式数显扭矩扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、第二节第二节压阻式固态压力传感器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，动相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。态响应快。4/23/202436.第二节压阻式固态压力传感器利用半压阻式固态压阻式固态压力传感器压力传感器内部结构内部结构信号处理电路信号处理电路4/23/202437.压阻式固态压力传感器内部结构信号小型压阻式固态压力传感器小型压阻式固态压力传感器高压进气口高压进气口低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器4/23/202438.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7投入式液位计投入式液位计 压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：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。硅油传导压力而与液体相通。4/23/202439.投入式液位计压阻式固态压力传感器用于投入式液位投入式液位传感器投入式液位传感器投入式液位传感投入式液位传感器安装方便，适应于器安装方便，适应于深度为深度为几米几米至至几十几十米，且混有米，且混有大大量量污污物、杂质的水或其他物、杂质的水或其他液体的液位测量。液体的液位测量。4/23/202440.投入式液位传感器投入式液位传感器安装方电阻应变仪电阻应变仪下图所示的静态应变仪测量范围：下图所示的静态应变仪测量范围：19999；分辨率：分辨率：1；电桥电压：直流；电桥电压：直流2.5V；应变片：应变片：120或其他阻值；或其他阻值；测量点数：测量点数：8/16点；点；4/23/202441.电阻应变仪下图所示的静态应变仪测量范围：19999；7与计算机接口的多路电阻应变测量模块与计算机接口的多路电阻应变测量模块 4/23/202442.与计算机接口的多路电阻应变测量模块7/28/202342.材料应变的测量材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳斜拉桥上的斜拉绳应变测试应变测试 4/23/202443.材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试7/28/202343第三节第三节测温热电阻传感器测温热电阻传感器一、金属热电阻一、金属热电阻 温度升高，金属内部原子晶格的振动温度升高，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。系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。4/23/202444.第三节测温热电阻传感器一、金属热电阻取一只取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻灯泡，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的额定热态电阻值应为484。4/23/202445.取一只100W/220V灯泡，用万用表易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻 4/23/202446.易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻7/28/202表表2-2热电阻的主要技术性能热电阻的主要技术性能 4/23/202447.表2-2热电阻的主要技术性能7/28/202347.薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻 4/23/202448.薄膜型及普通型铂热电阻7/28/202348.小型铂热电阻小型铂热电阻 4/23/202449.小型铂热电阻7/28/202349.防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 4/23/202450.防爆型铂热电阻7/28/202350.汽车用水温传感器及水温表汽车用水温传感器及水温表 铜热电阻铜热电阻4/23/202451.汽车用水温传感器及水温表铜热电阻7/28/202351.学习查学习查“铂热电阻分度表铂热电阻分度表”附录附录铂热电阻分度表铂热电阻分度表4/23/202452.学习查“铂热电阻分度表”附录铂热电阻分度表7/24/23/202453.7/28/202353.铂电阻温度显示、变送器铂电阻温度显示、变送器4/23/202454.铂电阻温度显示、变送器7/28/202354.可设定温度的温度控制箱可设定温度的温度控制箱旋转式机械旋转式机械设定开关设定开关拨码式拨码式设设定开关定开关4/23/202455.可设定温度的温度控制箱旋转式机械设定开关拨码4/23/202456.7/28/202356.热敏电阻热敏电阻热敏电阻有负温度系数（热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度）和正温度系数（系数（PTC）之分。）之分。NTC又可分为两大类：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；间呈严格的负指数关系；第二类为突变型（第二类为突变型（CTR）。当温度上升到）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降某临界点时，其电阻值突然下降。4/23/202457.热敏电阻热敏电阻有负温度系数（NTC热敏电阻的外形、结构及符号热敏电阻的外形、结构及符号 a a）圆片型热敏电阻）圆片型热敏电阻 b b）柱型热敏电阻）柱型热敏电阻 c c）珠型）珠型热敏电阻热敏电阻 d d）铠装型）铠装型 e e）厚膜型）厚膜型 f f）图形符号）图形符号11热敏电阻热敏电阻 2 2玻璃外壳玻璃外壳 3 3引出线引出线 44紫铜外壳紫铜外壳 5 5传热安装孔传热安装孔4/23/202458.热敏电阻的外形、结构及符号a）圆片型热敏电阻b）柱型热下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？123454/23/202459.下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？17/28/2023热敏电阻外形热敏电阻外形 MF12 MF12型型 NTCNTC热敏电阻热敏电阻聚脂塑料封装聚脂塑料封装热敏电阻热敏电阻4/23/202460.热敏电阻外形MF12型NTC热敏电阻聚脂塑其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 玻璃封装玻璃封装 NTC热敏电阻热敏电阻MF58型热敏电阻型热敏电阻4/23/202461.其他形式的热敏电阻玻璃封装NTC热敏电阻MF58其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻 带安装孔的热敏电阻带安装孔的热敏电阻大功率大功率PTC热敏电阻热敏电阻4/23/202462.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7其他形式的热敏电阻其他形式的热敏电阻（续）（续）贴片式贴片式NTC热敏电阻热敏电阻4/23/202463.其他形式的热敏电阻（续）贴片式NTC热敏电阻7/2非标热敏电阻非标热敏电阻4/23/202464.非标热敏电阻7/28/202364.热敏电阻温度面板表热敏电阻温度面板表 热敏电阻热敏电阻 LCD4/23/202465.热敏电阻温度面板表热敏电阻LCD7/28/202365.4/23/202466.7/28/202366.热敏电阻用于热敏电阻用于CPU的温度测量的温度测量 （参考小熊在线公司资料）（参考小熊在线公司资料）4/23/202467.热敏电阻用于CPU的温度测量（参考小熊在线公司资料）7/2热敏电阻用于热敏电阻用于电热水器电热水器的温度控制的温度控制 4/23/202468.热敏电阻用于电热水器的温度控制7/28/202368.本章作业本章作业习题习题P31第第5题、题、7题，题，P326、10题（选做）题（选做）4/23/202469.本章作业习题P31第5题、7题，7/28/202369.休休息息一一下下4/23/202470.休息一下7/28/202370.