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华中科技大学机械学院,测试技术与信号处理,第三章 常用传感器与敏感元件,本章学习要求：,1.了解传感器的分类,2.掌握常用传感器测量原理,3.掌握传感器测量电路的基本原理,第三章 常用传感器与敏感元件,测试技术与信号处理,第一节 概述,1. 传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置；,是能感受规定的被测量、并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。,物理量,电量,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的,非电信号,转换成,电信号,的装置。,第三章 常用传感器与敏感元件,测试技术与信号处理,2. 传感器的构成,传感器由,敏感器件,与,辅助器件,组成。,敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出,。,辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,第一节 概述,d,V,传感器作用,传感器在,非电量电测系统,中的作用：,是,敏感作用,：,感受并拾取被测对象的信号,是,变换作用,：,被测信号转换成易于检测和处理的电信号,敏感元件,转换元件,被测,物理量,电信号,传感器,第一节 概述,3. 传感器的分类,1)按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量,:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;,声,: 声压,噪声；,磁,: 磁通,磁场；,温度,: 温度,热量,比热；,光,： 亮度，色彩。,第一节 概述,机械式,电气式,光学式,流体式等。,2)按工作原理分类:,第一节 概述,3)按信号变换特征:,物性型:,依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来,实现信号变换。,如:水银温度计,。,结构型:,依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。,如:电容式和电感式传感器,。,第一节 概述,4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,能量转换型:,直接由被测对象输入能量使其工作,，,如:热电偶温度计，加速度计。,能量控制型:,从外部供给能量使传感器工作，并由被测量控制外部供给能量的变化,，,如:电容传感器,第一节 概述,4.传感器的性能要求,足够的容量,匹配性好，转换灵敏度高,精度适当，稳定性高,反应速度快，工作可靠性高,适应性强,第一节 概述,机械式传感器应用很广。在测试基数中，常常以,弹性体作为传感器的敏感元件,。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量，,输出,则为弹性元件本身的,弹性变形（或应变）,。这种变形可转变成其他形式的变量，如被测量可放大而成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。,（见教材72页 图3-3）,优点：具有结构简单、可靠、使用方便、价格低,廉、读数直观等。,缺点：弹性变形范围小、放大和指示环节多为机,械传动，不仅受间隙影响，而且惯性大，,固有频率低。,应用：只宜用于检测缓变或静态被测量,。,第三章 常用传感器与敏感元件,第二节 机械式传感器及仪器,测力计,压力计,温度计,典型机械式传感器,机械式传感器及仪器,为了提高测量的频率范围，可先用弹性元件将被测量转换成位移，然后用其他形式的传感器（如电阻、电容等）将位移量转换成电信号输出。,机械式传感器及仪器,近年来，在自动检测、自动控制技术中广泛应用的微型探测开关也被看成是机械式传感器。它能把物体的运动、位置或尺寸变化，转换为接通、断开信号。,电阻式传感器：,是把被测量转换为电阻变化,按工作的原理可分为,:,变阻器式、电阻应变式,第三章 常用传感器与敏感元件,第二节 电阻、电容与电感式传感器,一、电阻式传感器,1 变阻器式传感器（电位计式传感器）,测量方法：通过改变电位器触头位置，实现将位移变化转换为电阻值的变化。,r,电阻率；,l,-,电阻丝长度；,A,-,电阻丝截面积。,触点,C,沿变阻器移动,x,，则,C,点与,A,点之间的电阻值：,x,x,p,A,C,B,灵敏度：,单位长度的电阻值,若导线分布均匀，,k,1,为常数，,R,与,x,成线性关系。,若电阻丝直径和材质不变电阻值随长度而变化,变阻器式传感器,左图为回转型变阻式传感器，其电阻值随电刷转角而变化。,单位弧度所对应的电阻值,左图为非线性变阻式传感器，或称为函数电位器。其骨架形状根据所要求的输出,f,(,x,),来决定。,灵敏度：,变阻器式传感器,等效电路分析,:,x,p,-,变阻器总长,;,x,-,电刷移动量,.,R,p,-,总电阻,;,R,x,-,电刷电阻,;,U,e,R,x,R,p,-,R,x,x,x,p,U,0,x,x,p,变阻器式传感器,0,x,p,U,e,U,0,x,变阻器式传感器,U,e,R,x,R,p,-,R,x,x,x,p,R,L,U,0,x,p,变阻器的总长度,R,p,变阻器的总电阻,R,L,后接电路的输入电阻,负载效应,变阻器式传感器,负载效应,0,x,p,U,e,U,0,x,无负载效应,变阻器式传感器,变阻器式传感器的性能参数,:,1),结构、尺寸,; 2),移动或旋转角度范围,;,3),分辨率（与导线的直径有关）,;,4),输入输出之间的函数关系,;,5),寿命（有磨损）,;,变阻器式传感器的分类,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,变阻器式传感器,按制作方式：,线绕电位器,导电塑料电位器,普通塑料基底,导电,材料粉,变阻器式传感器,优点,: (1),结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；,(2),受环境因素,(,如温度、湿度、电磁场干扰等,),影响小,；,(3),可以实现输出,输入间任意函数关系；,(4),输出信号大，一般不需放大。,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，分辨力较低（,20,m,m,）；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。,应用,：,常用来测量,位移,、,压力,、,加速度,等参量。,变阻器式传感器,变阻器式传感器产品,变阻器式传感器,比较,重量设定,原材料,案例：,重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧,力,位移,电位器,电阻,位移,变阻器式传感器,案例：,煤气包储量检测,煤气包,钢丝,原理：钢丝,收线圈数,电位器,电阻,变阻器式传感器,案例：,玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理：电机,转角,电位器,电阻,变阻器式传感器,2 电阻应变式传感器应变片,电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片。,金属电阻应变片,工作原理,是基于金属导体的,应变效应,，即,金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象,。,电阻应变片传感器可以用于测量,应变、力、位移、加速度、扭矩,等参数。具有,体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便,等,优点,，在航空、船舶、机械、建筑等行业广泛应用。,电阻应变式传感器,(1)金属电阻应变片,上式中，任何一个参数变换均会引起电阻变化,求其求导数，可得,金属应变片的电阻为,代入上式，可得,电阻应变式传感器,有：,金属丝的截面积：,金属丝体积不变：,电阻丝电阻率的相对变化，与电阻丝所受正应力,s,有关,电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变,电阻丝材料的泊松比,压阻系数，与材料有关,电阻应变式传感器,电阻丝材料的弹性模量,有：,金属材料很小，,可以忽略,电阻丝几何尺寸改变所引发的,常数,电阻丝的,电阻率,随应变的改变而改变,上式可简化为,此式表明：电阻相对变化率与应变成正比,灵敏度：,多在1.73.6之间,电阻应变式传感器,几种常用电阻丝材料物理性能见,教材第76页、表32,。,一般市售电阻应变片的标准阻值有60,W,、,120,W,、,350,W,、,600,W,和,1000,W,等，以,120,W,最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选用。,金属电阻应变片分为丝式、箔式两种。,金属丝电阻应变片,的典型结构见下图。,1粘合层,2 基底,3粘合层,4盖片,5敏感栅,6引出线,电阻应变式传感器,金属箔式应变片,的敏感栅，则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造，适合于大批量生产。由于金属箔式应变片具有,线条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应变性能好,等,优点,，因此，目前使用的多为金属箔式应变片，其结构见图。,电阻应变式传感器,应变计,金属应变计,电阻应变式传感器,(2)半导体应变片,半导体应变片,工作原理,是基于半导体材料的,压阻效应,，即,单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，,其,电阻率,r,发生变化的现象。,半导体应变片最简单的典型结构如右图所示，使用方法与金属应变片相同，粘贴在被测物体上，随被测试件的应变其电阻值发生相应变化 。,半导体应变片,半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使其,电阻率,r,发生很大变化,单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致,载流子迁移率及载流子浓度的变化,，从而,引起电阻率的变化,。,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。电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料，故仍可用上式来表达。对于,金属材料,来说，,d,r,/,r,比较小，但对于,半导体材料,，,d,r,/,r, (1+2,m,),e,，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，,电阻的变化率,主要是由,d,r,/,r,引起的。,半导体应变片,几何尺寸改变所引发的,电阻率,随,应变,改变,而改变,对于半导体：,是半导体应变片的主要部分,灵敏度：,比金属丝电阻应变片大,5070倍,上式可简化为,半导体应变片,金属丝电阻应变片,缺点,：,温度稳定性能差,、灵敏度离散度大、,在较大的应力作用下非线性误差大等。,可重复性不如金属应变片。,主要区别,半导体应变片,优点：,半导体应变片的,最突出优点,是,灵敏度高,。另外还有机械滞后小、横向效应小及它本身体积小等特点，扩大了使用范围。,压阻效应,应变效应,利用,导体形变,引起,电阻的变化,利用,半导体电阻率,变化,引起电阻的变化,半导体应变片,固态压阻式传感器的,工作原理,：与半导体应变片相 同，都是利用半导体材料的,压阻,效应,。,区别在于,：,半导体应变片,是由单晶半导体材料构成，是利用半导体电阻做成粘贴式敏感元件,。,固态压阻式传感器,中的敏感元件则是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，所以也称为扩散型半导体应变片。,3 固态压阻式传感器,机械力作用,硅片产生应变,导电层发生电阻变化,固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量,。,固态压阻式传感器,固态压阻式传感器,优点,：,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1020Pa的微压；测量元件的有效面积可做得,很小,，故,频率响应高,；,可测量低频加速度和直线加速度,。其最大的,缺点,是,温度误差大,，故,需温度补偿或恒温条件下使用。,利用压阻效应构成的半导体加速度敏感元件如下图。悬臂梁3由于加速度而产生位移，该位移引起扩散压阻层区域变形从而引起压阻层电阻变化，检测电阻变化即可检测出加速度大小。在,100Hz,左右的带宽中，可检测,(,0.001 50,),g,（,g =,9.8m/s,2,)的加速度。,固态压阻式传感器,如图是一个采用单晶硅作成的悬臂梁式弹性元件，并且采用平面扩散工艺技术，在它上面形成四个性能一致的电阻，构成全桥；在梁的自由段连接上敏感质量块，组成悬臂梁应变式加速度传感器。,固态压阻式传感器,应变片的主要参数,4）,其它,表示应变计性能的,参数,（工作温度、,滞后、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度,等）。,1）,几何参数：,丝栅宽度b ，制造厂,常用,bL,表示。,2）,电阻值：,应变计的原始电阻值。,3）,灵敏系数：,表示应变计变换性能,的重要参数。,电阻应变片,电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕、断丝等,缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2.用数字万用表测量应变片电阻值大,小。同一电桥中各应变片之间阻值,相差不得大于0.5欧姆。,3.试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用,酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,4.应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴502胶水，,轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,电阻应变片,5.焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应,大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止,受潮。,电阻应变片,电阻应变式传感器的,应用,主要体现在以下两个方面。,1）,将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。,例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。,电阻应变片,齿轮,飞机,立柱,桥梁,2）,将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。,在这种情况下，弹性元件将得到与,被测量,成正比的,应变,，再通过应变片转换为,电阻变化,的输出。典型应用见图。图中所示为加速度传感器，由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹簧”，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比,电阻应变片,电阻应变式传感器的应用：测力,电阻应变式传感器测出的不是该处的应力、力或位移，而是构件或弹性元件上某处的,应变,只有通过,换算或标定,，才能得到相应的,应力、力或位移,。,电阻应变片,标准产品,电阻应变片,案例1：冲床生产记数,和生产过程监测,电阻应变片,案例2：桥梁固有频率测量,电阻应变片,案例3：电子称,原理,：将物品,重量,通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,电阻应变片,案例4：机器人握力测量,电阻应变片,案例5：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,电阻应变片,电阻应变片,（3）测量电路电桥,（教材第127页）,E,R,1,R,2,R,3,R,4,V,电桥是将电阻、电,感、电容等参量的变,化转换为电压或电流,输出的一种测量电,路，由于桥式测量电,路简单可靠，而且具有很高的精度和灵敏度，,因此在测量装置中被广泛采用。电桥的分类：,直流电桥,交流电桥,按激励,电源,偏值法,归零法,按工作,原理,电桥,平衡条件,直流电桥,如右图所示，以电阻,R,1,、,R,2,、,R,3,、,R,4,组成电桥的四个桥臂，在电桥的对角点,a,、,c,端接入直流电源,U,e,，,b,、,d,端输出电压,U,o,，电桥四个桥臂中的一个或多个是阻值随被测量变化的电阻传感器元件，如电阻应变片。,电桥,电桥的接法：,单臂连接,半桥连接,全桥连接,电桥,单臂连接,令：,为了简化桥路，设计时取相邻两桥臂电阻相等，即,电桥,上式可简化为,一般,电桥的输出电压,U,o,与激励电压,U,e,成正比。,在激励电压,U,e,一定的条件下，与工作桥臂的阻值变化量 呈单调,线性,关系。,结论：,存在非线性误差,电桥,半桥连接,若：,工作中有两个桥臂（设计时通常取相邻两桥臂）的阻值随被测量而变化，即,电桥输出,结论:与单臂电桥连接相近，但比例系数不同。,无非线性误差,电桥,全桥连接,若：,工作中四个桥臂的阻值随被测量而变化，即,电桥输出,无非线性误差,电桥,结论:与前两种连接方式相近，但比例系数不同。,电桥三种接法的比较：,定义电桥灵敏度为,单臂连接,半桥连接,全桥连接,两个,工作桥臂,四个,工作桥臂,一个,工作桥臂,电桥接法不同，,灵敏度也不同，,全桥连接最大。,有非线性误差,无非线性误差,无非线性误差,电桥,电桥,若：,且,电桥,同样,电桥,综合式（4-9）和式（4-10），可以导出,由此式可以看出：,上述性质为电桥的,和差特性,，利用该特性对构成实际的电桥测量电路具有重要意义。,若相邻两桥臂(,R,1,和,R,2,、,R,3,和,R,4,)电阻,同方向,变化(,同时增大或同时减小,)，所产生的输出电压的变化将,相互抵消,；,若相邻两桥臂电阻,反方向,变化(,即两电阻一个增大另一个减小,)，所产生的输出电压的变化将,相互叠加,。,电桥,例如用悬梁做敏感元件测加速度或力时，常在梁的上下表面各贴一片应变片，并将两个应变片接入电桥相邻的两个桥臂。,R,1,R,2,上,应变片产生,正向,D,R,，,下,应变片,产生,负向,D,R,，即两,电阻,反方向,变化，由,电桥的和差特性,可知，产生的电压输出相互叠加，电桥输出最大。,电桥,应用举例：柱形测力梁电桥的接法,电桥,电桥的零位平衡调节,差动串联平衡调节,差动并联平衡调节,需要较大范围的电阻调节，如热敏电阻,只需微小的电阻调节，如电阻应变片,目的,工作臂电阻无变化,时，使电桥输出为零。,电桥,
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