传感器与检测技术实用教案

2022-4-1511.4.2 1.4.2 误差的表示误差的表示(biosh)(biosh)方法方法 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。 绝对误差可表示绝对误差可表示(biosh)(biosh)测量值偏离实际值的程度，但不能表示测量值偏离实际值的程度，但不能表示(biosh)(biosh)测量的准确程度。测量的准确程度。 （1 1）绝对误差(ju du w ch)(ju du w ch)A Ax xA A0 0修正值C CC C= =当A Ax xA A0 0时，为正误差；反之为负误差。A A0 0 A Ax x+ +C C第1页/共70页第一页，共71页。2022-4-152（2 2）相对误差(xin du w (xin du w ch)ch)实际(shj)相对误差示值( (标称(bio chn)(bio chn)相对误差满度（引用）相对误差第2页/共70页第二页，共71页。2022-4-1531.4.3 1.4.3 准确度传感器和测量仪表的误差是以准确度表示(biosh)的。准确度常用最大引用误差来定义它表示(biosh)(biosh)传感器的最大相对误差为S%S%。仪表(ybio)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、等；我国电工仪表的准确度等级分别为、。某级压力传感器的量程为100MPa100MPa，测量50MPa50MPa压力时，传感器引起的最大相对误差为0.2%。第3页/共70页第三页，共71页。2022-4-154本节主要(zhyo)内容:第4页/共70页第四页，共71页。2022-4-155第一节第一节 电阻电阻(dinz)(dinz)应变式传感器应变式传感器 第5页/共70页第五页，共71页。2022-4-156一、工作一、工作(gngzu)原理应变片的工作原理应变片的工作(gngzu)原理原理 2llRAr金属丝受拉时，l变长、r变小(bin xio)，导致R变大 。第6页/共70页第六页，共71页。2022-4-157二、应变片的工作二、应变片的工作(gngzu)原理原理 设有一长度为设有一长度为l 、截面积为、截面积为A、半径为、半径为r、电阻率为、电阻率为的金属单丝，它的电阻值的金属单丝，它的电阻值R可表示为可表示为 当沿金属丝的长度方向作用当沿金属丝的长度方向作用(zuyng)均匀拉力（或压均匀拉力（或压力）时，上式中力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、将变长、r变小，均导变小，均导致致R变大；又如，某些半导体受拉时，变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致将变大，导致R变大。变大。 实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R R与材料力学中的轴向应变与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的关系在很大范围内是线性的，即的，即 2llRAr 2-1xRKRK电阻(dinz)应变片的灵敏度第7页/共70页第七页，共71页。2022-4-158二、应变二、应变(yngbin)片的种类与结构片的种类与结构 应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。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较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之片应用较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应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、一次性试验。力的大批量、一次性试验。 箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件(tiojin)(tiojin)较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。第8页/共70页第八页，共71页。2022-4-159箔式应变箔式应变(yngbin)(yngbin)片的片的外形外形第9页/共70页第九页，共71页。2022-4-1510半导体应变半导体应变(yngbin)片及金属片及金属丝式应变丝式应变(yngbin)片的结构片的结构半导体应变半导体应变(yngbin)(yngbin)片外形片外形金属丝式应变(yngbin)(yngbin)片的内部结构第10页/共70页第十页，共71页。2022-4-1511应变应变(yngbin)片主要性能指标举例片主要性能指标举例 上表上表(shn bio)(shn bio)中，哪几个型号中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？是半导体应变片？依据是什么？ 第11页/共70页第十一页，共71页。2022-4-1512应变片的粘贴：应变片的粘贴： 1. 去污：去污：采用手持砂轮采用手持砂轮工具除去构件工具除去构件表面的油污、表面的油污、漆、锈斑等，漆、锈斑等，并用细纱布交并用细纱布交叉打磨出细纹叉打磨出细纹以增加以增加(zngji)粘贴力粘贴力 ，用浸，用浸有酒精或丙酮有酒精或丙酮的纱布片或脱的纱布片或脱脂棉球擦洗。脂棉球擦洗。 第12页/共70页第十二页，共71页。2022-4-1513 2.贴片：在应变贴片：在应变片的表面片的表面(biomin)和处理过的粘贴表面和处理过的粘贴表面(biomin)上，各涂上，各涂一层均匀的粘贴胶一层均匀的粘贴胶 ，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 。第13页/共70页第十三页，共71页。2022-4-1514 3.测量测量 ：从：从分开的端子处，分开的端子处，预先预先(yxin)用万用万用表测量应变片用表测量应变片的电阻，发现端的电阻，发现端子折断和坏的应子折断和坏的应变片。变片。第14页/共70页第十四页，共71页。2022-4-1515 4.焊接：焊接： 将引线和端子将引线和端子用烙铁用烙铁(lo tie)焊接起来，注焊接起来，注意不要把端子意不要把端子扯断。扯断。 第15页/共70页第十五页，共71页。2022-4-1516 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，防止损坏防止损坏(snhui)引线和应变引线和应变片。片。 第16页/共70页第十六页，共71页。2022-4-1517三、测量转换电路三、测量转换电路(dinl)不平不平衡电桥衡电桥 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，且误差很大。 例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0R0为100100，灵敏度K=2K=2，粘贴在横截面积为2 2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量(tn xn m lin)E=2(tn xn m lin)E=21011N/m21011N/m2，所受拉力F F，受拉后应变片的阻值R R 的变化量仅为，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换电路是如何将R /RR /R转换为输出电压UoUo的。 第17页/共70页第十七页，共71页。2022-4-1518三、测量转换电路三、测量转换电路不平衡不平衡(pnghng)电桥电桥 3i124o1234() 2-34RURRRURRRR第18页/共70页第十八页，共71页。2022-4-1519电桥电桥(din qio)平衡的条件平衡的条件 ：R1/R2=R4/R3 调节调节RP，最终可以，最终可以使使R1/R2=R4/R3（ R1、R2是是R1、R2并联并联RP后的等效电后的等效电阻），电桥趋于平衡，阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程被预调到零位，这一过程称为称为(chn wi)调零。图调零。图中的中的R5是用于减小调节范是用于减小调节范围的限流电阻。围的限流电阻。 第19页/共70页第十九页，共71页。2022-4-1520单臂电桥单臂电桥(din qio) 全桥四臂工全桥四臂工作作(gngzu)方方式的灵敏度最式的灵敏度最高，双臂半桥高，双臂半桥次之，单臂半次之，单臂半桥灵敏度最低。桥灵敏度最低。第20页/共70页第二十页，共71页。2022-4-1521 双臂电桥双臂电桥(din qio) R1、 R2为应为应变片，变片， R3、R4为固为固定电阻定电阻 。应变片。应变片R1 、R2 感受到的感受到的应变应变12以及产以及产生的电阻增量正负生的电阻增量正负号相间，可以使输号相间，可以使输出电压出电压(diny)Uo成倍地增大。成倍地增大。第21页/共70页第二十一页，共71页。2022-4-1522四臂全桥四臂全桥 全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1 R4产生的电阻增量（或感受到的应变14）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种(sn zhn)工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。第22页/共70页第二十二页，共71页。2022-4-1523全桥的温度全桥的温度(wnd)补偿补偿原理原理 当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以(suy)全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。 第23页/共70页第二十三页，共71页。2022-4-1524第24页/共70页第二十四页，共71页。2022-4-1525四、应变四、应变(yngbin)(yngbin)效应的应用效应的应用 应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变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。电应力、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：第一类是将应变阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样路，这样(zhyng)就构成测量各种物理量的专用就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试电路一般为桥路；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从应变仪件上，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。上读取被测试件的应变量。 第25页/共70页第二十五页，共71页。2022-4-1526应变应变(yngbin)(yngbin)式力传感器式力传感器 应变应变(yngbin)式力传式力传感器感器 FFFF第26页/共70页第二十六页，共71页。2022-4-1527各种各种( zhn)悬臂梁悬臂梁 FF固定点固定点电缆(dinln)第27页/共70页第二十七页，共71页。应变式荷重应变式荷重(hzhng)(hzhng)传感传感器的外形及应变片的粘贴位器的外形及应变片的粘贴位置置FR1R2 R4第28页/共70页第二十八页，共71页。应变式荷重应变式荷重(hzhng)(hzhng)传感器外形及受力传感器外形及受力位置（续）位置（续）FF第29页/共70页第二十九页，共71页。荷重传感器原理荷重传感器原理(yunl)演示演示 荷重传荷重传感器上的应感器上的应变变(yngbin)片在重力作片在重力作用下产生变用下产生变形。轴向变形。轴向变短，径向变短，径向变长。长。 第30页/共70页第三十页，共71页。汽车衡称重汽车衡称重(chn zhn)系统系统第31页/共70页第三十一页，共71页。电子天平电子天平电子天平的精度(jn d)可达十万分之一第32页/共70页第三十二页，共71页。人体人体(rnt(rnt)秤秤 第33页/共70页第三十三页，共71页。应变应变(yngbin)(yngbin)式数式数显扭矩扳手显扭矩扳手 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(jn )螺纹的装配扭矩。量程，耗电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。第34页/共70页第三十四页，共71页。2022-4-1535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利用半导体材料的压阻效应和集成电路成电路(jchng-dinl)扩散工艺制作扩散工艺制作的，四个半导体应变电阻处于同一硅的，四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。响应快。 第35页/共70页第三十五页，共71页。2022-4-1536压阻式固态压阻式固态(gti) 压力传感器压力传感器 内部结构内部结构信号处理信号处理(xn ho ch l)电路电路第36页/共70页第三十六页，共71页。2022-4-1537小型小型(xioxng)压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器高压高压(goy)进气口进气口低压(dy)进气口绝对压力传感器第37页/共70页第三十七页，共71页。2022-4-1538投入投入(tur)式液位计式液位计 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(bn yn)硅油传导压力而与液体相通。 第38页/共70页第三十八页，共71页。2022-4-1539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，适应于深度深度(shnd)为为 几米几米 至至 几十米，且混有几十米，且混有 大大 量量 污物、杂质的水或污物、杂质的水或其他液体的液位测量。其他液体的液位测量。 第39页/共70页第三十九页，共71页。2022-4-1540电阻电阻(dinz)应变仪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； 应变片：应变片：120或其他阻值或其他阻值(z zh)； 测量点数：测量点数：8/16点；点；第40页/共70页第四十页，共71页。2022-4-1541与计算机接口与计算机接口(ji ku)的多路电阻应变的多路电阻应变测量模块测量模块 第41页/共70页第四十一页，共71页。2022-4-1542材料应变材料应变(yngbin)的测量的测量斜拉桥上的斜拉绳斜拉桥上的斜拉绳应变应变(yngbin)测测试试 第42页/共70页第四十二页，共71页。2022-4-1543第三节第三节 测温热电阻传感器测温热电阻传感器 一、金属一、金属(jnsh)热电阻热电阻 温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧(jij)，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。 第43页/共70页第四十三页，共71页。2022-4-1544 取一只取一只 100W/220V 灯泡，用万用表测量其灯泡，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，而电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算计算(j sun)得到的额定热态电阻值应为得到的额定热态电阻值应为484 。 第44页/共70页第四十四页，共71页。2022-4-1545易提纯易提纯(tchn)、复现性好的金属材料才可用于制作热、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻电阻 第45页/共70页第四十五页，共71页。2022-4-1546表表2-2 热电阻的主要热电阻的主要(zhyo)技术性能技术性能 第46页/共70页第四十六页，共71页。2022-4-1547薄膜型及普通型铂热电阻薄膜型及普通型铂热电阻 第47页/共70页第四十七页，共71页。2022-4-1548小型小型(xioxng)铂热电阻铂热电阻 第48页/共70页第四十八页，共71页。2022-4-1549防爆型铂热电阻防爆型铂热电阻 第49页/共70页第四十九页，共71页。2022-4-1550汽车汽车(qch)用水温传感器用水温传感器及水温表及水温表 铜热电阻第50页/共70页第五十页，共71页。2022-4-1551学习学习(xux)查查“铂热电阻分度表铂热电阻分度表”附录附录(fl) 铂热电阻分度表铂热电阻分度表 第51页/共70页第五十一页，共71页。2022-4-1552第52页/共70页第五十二页，共71页。2022-4-1553铂电阻温度铂电阻温度(wnd)显示、变显示、变送器送器第53页/共70页第五十三页，共71页。2022-4-1554可设定可设定(sh dn)温度的温度控制箱温度的温度控制箱 旋转式机械旋转式机械(jxi) 设定设定开关开关 拨码式 设定(sh dn)开关第54页/共70页第五十四页，共71页。2022-4-1555第55页/共70页第五十五页，共71页。2022-4-1556热敏电阻热敏电阻(r mn din z) 热敏电阻有负温度系数（热敏电阻有负温度系数（NTC）和正）和正温度系数（温度系数（PTC）之分。）之分。 NTC又可分为又可分为(fn wi)两大类：两大类： 第一类用于测量温度，它的电阻值与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；温度之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）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降升到某临界点时，其电阻值突然下降 。第56页/共70页第五十六页，共71页。2022-4-1557热敏电阻热敏电阻(r mn din z)(r mn din z)的外形、结构及符号的外形、结构及符号 a a）圆片型热敏电阻 b b）柱型热敏电阻 c c）珠型热敏电阻 d d）铠装型 e e）厚膜型 f f）图形符号11热敏电阻 2 2玻璃外壳(wi k) 3(wi k) 3引出线 4 4紫铜外壳(wi k) 5(wi k) 5传热安装孔 第57页/共70页第五十七页，共71页。2022-4-1558下图所示的五根曲线分别下图所示的五根曲线分别(fnbi)为哪一种热为哪一种热敏电阻？敏电阻？12345第58页/共70页第五十八页，共71页。2022-4-1559热敏电阻热敏电阻(r mn din z)外形外形 MF12 MF12型型 NTCNTC热敏电阻热敏电阻(r mn (r mn din z)din z)聚脂塑料(slio)封装热敏电阻第59页/共70页第五十九页，共71页。2022-4-1560其他形式其他形式(xngsh)(xngsh)的热敏电阻的热敏电阻 玻璃封装玻璃封装 NTCNTC热敏电阻热敏电阻(r mn din (r mn din z)z)MF58 型热敏电阻(r mn din z)第60页/共70页第六十页，共71页。2022-4-1561其他其他(qt)(qt)形式的热敏电阻形式的热敏电阻 带安装(nzhung)(nzhung)孔的热敏电阻大功率PTC热敏电阻(r mn din z)第61页/共70页第六十一页，共71页。2022-4-1562其他其他(qt)(qt)形式的热敏电阻（续）形式的热敏电阻（续） 贴片式贴片式NTC热热敏电阻敏电阻(r mn din z)第62页/共70页第六十二页，共71页。2022-4-1563非标热敏电阻非标热敏电阻(r mn din z)(r mn din z)第63页/共70页第六十三页，共71页。2022-4-1564热敏电阻温度热敏电阻温度(wnd)(wnd)面板表面板表 热敏电阻热敏电阻(r (r mn mn din din z)z) LCD第64页/共70页第六十四页，共71页。2022-4-1565第65页/共70页第六十五页，共71页。2022-4-1566热敏电阻热敏电阻(r mn din z)(r mn din z)用于用于CPUCPU的的温度测量温度测量 （参考小熊在线（参考小熊在线(zi xin)公司资公司资料）料）第66页/共70页第六十六页，共71页。2022-4-1567热敏电阻热敏电阻(r mn din z)(r mn din z)用于电热用于电热水器的温度控制水器的温度控制 第67页/共70页第六十七页，共71页。2022-4-1568本章本章(bn (bn zhn)zhn)作业作业习题(xt)P31第5题、7题，P32 6、10题（选做）第68页/共70页第六十八页，共71页。2022-4-1569休休 息息 一一 下下第69页/共70页第六十九页，共71页。2022-4-1570感谢您的观看(gunkn)！第70页/共70页第七十页，共71页。NoImage内容(nirng)总结2021/11/14。第2页/共70页。一、工作原理应变片的工作原理。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。5.固定： 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。三、测量转换电路不平衡电桥。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R /R转换为输出电压Uo的。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(zhji)从应变仪上读取被测试件的应变量。习题P31第5题、7题，第七十一页，共71页。