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1、,第二章 传感检测技术的基本知识,航天,交通,摄象头:CCD传感器,指纹传感器,传感检测技术,传感检测系统的组成,一个完整的检测系统或检测装置通常由传感器、测量电路、显示记录装置和数据处理装置与执行机构等部分组成，分别完成信息获取、转换、显示和处理等到功能。,被测对象,传感器,中间变换装置,显示装置,记录装置,数据处理装置,物理量,电量,电量/数字量,信息转换,信息提取,一、传感器,1、定义：,传感器：以一定精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。定义含义：传感器是测量装置传感器的输入量是某一被测量传感器的输出量应是便于转换的物理量传感器的输入与输出之间有一定
2、精确程度的对应关系,传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、 探头,传感器的功用是一感二传，即感受被测信息，并传送出去,敏感元件、转换元件、基本转换电路,被测量,输出量,敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。,转换元件：敏感元件的输出 就是它的输入，它把输入的被测量抟换成电 路参量。,基本转换电路：上述电路参 量输入基本转换电路（简称转换电路），便可转换成电量输出。,辅助电源,敏感元件,转换元件,基本转换电路,2、传感器组成,传感器是知识密集、技术密集的行业，它与许多学科有关，它的种类十分繁多。为了很好地掌握它、应用它，需要有一个科学的分类方法。,3、传
3、感器分类,1)按被测物理量分类,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,常见的被测物理量,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.,例如位移传感器、压力传感器、振动传感器、温度传感器等。 模拟传感器、数字传感器。 双向传感器、单向传感器等。,按照传感器的用途来分类,根据传感器输出是模拟信号还是数字信号,根据转换过程可逆与否
4、,应变效应,实验演示 ：,当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图中增加到为10.05）。测量应力、应变、力的传感器就是利用类似的原理制作的。,应变效应,各种电子秤,广泛应用于,应变效应,高精度电子汽车衡,动态电子秤,电子天平,应变效应,金属丝式应变片的基本工作原理,2.1 金属应变式传感器,对于一长为L、横截面积为A、电阻率为的金属丝，其电阻值R为：,L,受力F,2r,金属丝式应变片的基本工作原理,当电阻丝受到轴向拉力F作用时，金属丝几何尺寸变化引起电阻的相对变化.,2.1 金属应变式传感器,金属丝式应变片的基本工作原理,2.1 金属应变式传感器,应变片的基本结构,2.1 金属应
5、变式传感器,金属电阻应变片主要有三种： 金属丝式 箔式 薄膜式,常用结构图示,应变片的基本结构,2.1 金属应变式传感器,典型的电阻应变片结构示意图,由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。,金属丝式应变片基本结构,金属丝式应变片的基本结构,2.1 金属应变式传感器,2,3,4,1,1-敏感栅,由金属细丝绕成栅形。电阻应变片的电阻值为60、120、200等多种规格，以120最为常用。 应变片栅长大小关系到所测应变的准确度，应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量。,2.1 金
6、属应变式传感器,2,3,4,1,基底2和盖片3,基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。,金属丝式应变片的基本结构,2.1 金属应变式传感器,2,3,4,1,引线4,是从应变片的敏感栅中引出的细金属线。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。,金属丝式应变片的基本结构,2.1 金属应变式传感器,2,3,4,1,粘结剂,用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向
7、和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。,金属丝式应变片的基本结构,应变片的基本结构,2.1 金属应变式传感器,金属箔式应变片,利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在0.0030.010 mm，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。,应变片的基本结构,2.1 金属应变式传感器,金属箔式应变片和丝式应变片相比较，有如下特点。 金属箔栅很薄，因而它所感受的应力状态与试件表面的应力状态更
8、为接近。其次，当箔材和丝材具有同样的截面积时，箔材与粘接层的接触面积比丝材大，使它能更好地和试件共同工作。第三，箔栅的端部较宽，横向效应较小，因而提高了应变测量的精度。 箔材表面积大，散热条件好，故允许通过较大电流，因而可以输出较大信号，提高了测量灵敏度。 箔栅的尺寸准确、均匀，且能制成任意形状，特别是为制造应变花和小标距应变片提供了条件，从而扩大了应变片的使用范围。 便于成批生产。缺点：电阻值分散性大，有的相差几十，故需要作阻值调整；生产工序较为复杂，因引出线的焊点采用锡焊，因此不适于高温环境下测量；此外价格较贵。,应变片的基本结构,2.1 金属应变式传感器,应变片的基本结构,2.1 金属应
9、变式传感器,金属应变计,金属丝式应变片的基本测量电路,2.1 金属应变式传感器,电阻应变片的测量线路多采用交流电桥(配交流放大器)，其原理和直流电桥相似。 直流电桥比较简单，因此首先分析直流电桥，如图所示:,金属丝式应变片的基本测量电路,2.1 金属应变式传感器,当电源E为电势源，其内阻为零时，可求出检流计中流过的电流Ig与电桥各参数之间的关系为:,Rg为负载电阻.,因而其输出电压Ug为:,当R1R4=R2R3时，Ig=0，Ug=0，即电桥处于平衡状态。若电桥的负载电阻Rg为无穷大，则B、D两点可视为开路，上式可以化简为:,设R1为应变片的阻值，工作时R1有一增量R，当为拉伸应变时，R为正；压
10、缩应变时，R为负。在上式中以R1+R代替R1，则:,设电桥各臂均有相应的电阻增量R1、R2、R3、R4时,在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。,1. 等臂电桥,2. 第一对称电桥,3.第二对称电桥,在实际使用时，一般多采用等臂电桥或对称电桥。,1、等臂电桥当R1=R2=R3=R4=R时，称为等臂电桥。此时电桥输出可写为,一般情况下，Ri（i=1，2，3，4）很小，即RRi，略去上式中的高阶微量，并利用 式得到:,当RiR时，输出电压与应变呈线性关系。若相邻两桥臂的应变极性一致，即同为拉应变或压应变时，输出电压为两者之差；若相邻两桥臂的极性不同时，输出电压为两者之和。若相对两桥臂应变的极
11、性一致时，输出电压为两者之和；相对桥臂的应变极性相反时，输出电压为两者之差。,上式表明：,利用上述特点可进行温度补偿和提高测量的灵敏度。,当仅桥臂AB单臂工作时，输出电压为 由前两式可知，当假定RR时，输出电压Ug与应变间呈线性关系。 若假定不成立，则按线性关系刻度的仪表用来测量必然带来非线性误差。,当考虑单臂工作时，即AB桥臂变化R，则:,由上式展开级数，得:,则电桥的相对非线性误差为:,可见，K愈大，愈大，通常K1。,1/2K,例：设K=2，要求非线性误差1%，试求允许测量的最大应变值max。,结论：如果被测应变大于10000，采用等臂电桥时的非线性误差大于1%。,2、第一对称电桥若电桥桥
12、臂两两相等，即R1=R2=R，R3=R4=R，则称它为第一对称电桥，如图，实质上它是半等臂电桥。设R1有一增量R，电桥的输出电压为:,Ug,R2=R,R4=R,R1=R,R3=R,E,第一对称电桥,B,A,C,D,上式表明：第一对称电桥的输出电压与等臂电桥相同，其非线性误差可由1/2K式计算。若RR，上式仍可化简为 式，这时输出电压与应变成正比。,3、第二对称电桥 半等臂电桥的另一种形式为R1=R3=R，R2=R4=R，称为第二对称电桥。若R1有一增量R，则:,当k1(RR )时，k/(1+k)1/2，其非线性较等臂电桥大；当k远小于1时，其非线性可得到很好改善；当k=1时，即为等臂电桥。,若
13、RR，忽略上式分母中 项，得到 可见，在一定应变范围内，第二对称电桥的输出与应变呈线性关系，但比等臂电桥的输出电压小 倍 。,2.1 金属应变式传感器,金属应变片的主要特性,灵敏度系数横向效应机械滞后零点漂移和蠕变应变极限动态特性,金属应变片的主要特性,1. 灵敏度系数,金属应变丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系，用灵敏度系数KS表示。,当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性与金属单丝情况不同。需用实验的方法进行重新标定。实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。,应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。,金属应变片的主要特性,1. 灵敏度系数,应变片
14、的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。,(1)胶层传递变形失真(2)横向效应。,主要原因:,金属应变片的主要特性,2. 横向效应,栅长,栅宽,金属丝式应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅，测量应变时，构件的轴向应变使敏感栅电阻发生变化，而其横向应变r也使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化。,应变片的这种既受轴向应变影响，又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应。,若敏感栅有n根纵栅，每根长为l，半径为r，在轴向应变作用下，全部纵栅的变形视为L1:,半圆弧横栅同时受到和r的作用，在任一微小段长度d l = r d上的应变可由材料力学公式求得 ：,每个圆弧形横栅的变形量l为:,纵栅为n根的应
15、变片共有n-1个半圆弧横栅，全部横栅的变形量为:,应变片敏感栅的总变形为:,敏感栅栅丝的总长为L，敏感栅的灵敏系数为KS，则电阻相对变化为：,令：,则：,可见，敏感栅电阻的相对变化分别是和r作用的结果。,当r=0时，可得轴向灵敏度系数：,当=0时，可得横向灵敏度系数：,横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值，称为横向效应系数H。即：,可见，r愈小、l愈大，则H愈小。即敏感栅越窄、基长越长的应变片，其横向效应引起的误差越小。,金属应变片的主要特性,3. 机械滞后,应变片粘贴在被测试件上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。,金属应变片的主要特性,3. 机械滞后,应变片粘贴在被测试件
16、上，当温度恒定时，其加载特性与卸载特性不重合，即为机械滞后。,机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关，加载时的机械应变愈大，卸载时的滞后也愈大。所以，通常在实验之前应将试件预先加、卸载若干次，以减少因机械滞后所产生的实验误差。,产生原因：应变片在承受机械应变后的残余变形，使敏感栅电阻发生少量不可逆变化；在制造或粘贴应变片时，敏感栅受到的不适当的变形或粘结剂固化不充分等。,金属应变片的主要特性,4. 零点漂移和蠕变,对于粘贴好的应变片，当温度恒定时，不承受应变时，其电阻值随时间增加而变化的特性，称为应变片的零点漂移。,产生的原因： 敏感栅通电后的温度效应； 应变片的内应力逐渐变化； 粘结剂固化不
17、充分等。,金属应变片的主要特性,4. 零点漂移和蠕变,如果在一定温度下，使应变片承受恒定的机械应变，其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变。一般蠕变的方向与原应变量的方向相反。,产生的原因：由于胶层之间发生“滑动”，使力传到敏感栅的应变量逐渐减少。,金属应变片的主要特性,5. 应变极限,在一定温度下，应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围（一般为10%）时的值最大真实应变值。真实应变是由于工作温度变化或承受机械载荷，在被测试件内产生应力时所引起的表面应变。,金属应变片的主要特性,6. 动态特性,当被测应变值随时间变化的频率很高时，需考虑应变片的动态特性。因应变片基底和粘贴胶
18、层很薄，构件的应变波传到应变片的时间很短(估计约0.2s)，故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应。,设一频率为 f 的正弦应变波在构件中以速度 v 沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时 t，应变量沿构件分布如图所示:,设一频率为 f 的正弦应变波在构件中以速度 v 沿应变片栅长方向传播，在某一瞬时 t，应变量沿构件分布如图所示:,应变片,瞬时t 时应变波沿构件分布为：,应变片中点的应变为,应变片测得的应变为栅长 l 范围内的平均应变m，而不是xt点的应变，其数值等于 l 范围内应变波曲线下的面积除以 l。,应变片,即：,平均应变m与中点应变t相对误差为：,可见，相对误差的大小只决定于l/的比
19、值.,应变片,平均应变m与中点应变t相对误差为：,下表给出了l/为1/10和1/20时的数值：,可见，应变片栅长与正弦应变波的波长之比愈小，相对误差愈小。,若已知应变波在某材料内传播速度，由上式可计算出栅长为l的应变片粘贴在某种材料上的可测动态应变最高频率。,一般比值为1/101/20时，将小于2%。,温度误差及其补偿,2.1 金属应变式传感器,用作测量应变的金属应变片，希望其阻值仅随应变变化，而不受其它因素的影响。 实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级，从而产生很大的测量误差，称为应变片的温度误
20、差，又称热输出。,温度误差及其补偿,2.1 金属应变式传感器,因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素： 应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数； 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。,温度误差及其补偿,2.1 金属应变式传感器,设环境引起的构件温度变化为t（）时，粘贴在试件表面的应变片敏感栅材料的电阻温度系数为t ，则应变片产生的电阻相对变化为:,由于敏感栅材料和被测构件材料两者线膨胀系数不同，当t 存在时，引起应变片的附加应变，相应的电阻相对变化为:,K应变片灵敏系数; e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。,温度误差及其补偿,2.1 金属应变式传感器,温度变化t形成的总电阻
21、相对变化：,相应的虚假应变为:,可见，应变片热输出的大小不仅与应变计敏感栅材料的性能(t,g)有关，而且与被测试件材料的线膨胀系数(e)有关。,K应变片灵敏系数; e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。,温度误差及其补偿,2.1 金属应变式传感器,虚假应变:,K应变片灵敏系数; e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。t 温度变化t 敏感栅材料电阻温度系数,1. 单丝自补偿应变片,2. 双丝组合式自补偿应变片,3. 电路补偿法,温度补偿方法：,温度误差及其补偿,2.1 金属应变式传感器,虚假应变:,K应变片灵敏系数; e试件材料线膨胀系数；g敏感栅材料线膨胀系数。t 温度变化t
22、敏感栅材料电阻温度系数,1. 单丝自补偿应变片,由上式知，若使应变片在温度变化t时的热输出值为零，必须使：,单丝自补偿应变片的优点是结构简单，制造和使用都比较方便，但它必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用，否则不能达到温度自补偿的目的。,即:,温度误差及其补偿,2.1 金属应变式传感器,2.双丝组合式自补偿应变片,由两种不同电阻温度系数（一种为正值，一种为负值）的材料串联组成敏感栅，以达到一定温度范围内在一定材料的试件上实现温度补偿.,(Ra) t = (Rb) t,这种应变片的自补偿条件要求粘贴在某种试件上的两段敏感栅，随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反，即：,温度误差及其补偿
23、,2.1 金属应变式传感器,3.电路补偿法,测量应变时，使用两个应变片，一片贴在被测试件的表面,称为工作应变片R1 。另一片贴在与被测试件材料相同的补偿块上，称为补偿应变片R2。在工作过程中补偿块不承受应变，仅随温度发生变形。,温度误差及其补偿,3.电路补偿法,把R1与R2接入电桥相邻臂上，,当被测试件不承受应变时，R1和R2处于同一温度场，调整电桥参数，可使电桥输出电压为零，即：,选择R1=R2=R及R3=R4=r。 当温度升高或降低t 时，若R1t=R2t，即两个应变片的热输出相等，则电桥的输出电压为：,温度误差及其补偿,3.电路补偿法,若被测试件受应变作用时，工作片R1感受应变，阻值变化
24、R1 ；补偿片R2不承受应变，阻值不变。此时电桥输出电压为:,由上式可知，电桥输出电压U0只与应变有关，与温度无关。,温度误差及其补偿,3.电路补偿法,电桥补偿法如果要达到全补偿，需满足下列三个条件： R1和R2须属于同一批号的，即它们的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏系数K都相同，两片的初始电阻值也要求相同； 用于粘贴补偿片的构件和粘贴工作片的试件二者材料必须相同，即要求两者线膨胀系数相等； 两应变片处于同一温度环境中。,此方法简单易行，能在较大温度范围内进行补偿。缺点是条件不易满足，尤其是条件。在某些测试条件下，温度场梯度较大，R1和R2很难处于相同温度点。,构件受弯曲应力,构件受单向应
25、力,根据被测试件承受应变的情况，可以不另加专门的补偿块，而是将补偿片贴在被测试件上，这样既能起到温度补偿作用，又能提高输出的灵敏度。,温度误差及其补偿,3.电路补偿法,构件受弯曲应力,温度误差及其补偿,3.电路补偿法,梁受弯曲应变时，应变片R1和R2的变形方向相反，上面受拉，下面受压，应变绝对值相等，符号相反，将它们接入电桥的相邻臂后，可使输出电压增加一倍。当温度变化时，应变片R1和R2阻值变化的符号相同，大小相等，电桥不产生输出，达到了补偿的目的。,构件受单向应力,温度误差及其补偿,3.电路补偿法,构件受单向应力时，将工作应变片R2的轴线顺着应变方向，补偿应变片R1的轴线和应变方向垂直，R1
26、和R2接入电桥相邻臂，其输出为:,常用应变式传感器,2.1 金属应变式传感器,(一) 柱式力传感器,轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向布置同样数目的应变片，后者取符号相反的应变，以构成差动对。由于应变片沿圆周方向分布，所以非轴向载荷分量被补偿。,常用应变式传感器,2.1 金属应变式传感器,(一) 柱式力传感器,F,-2,+1,截面积S,F,(a)实心圆柱,在圆筒（柱）上按一定方式粘贴应变片，圆柱（筒）在外力F作用下产生形变，从而应变片产生形变：,式中：L为弹性元件的长度， S为弹性元件的横截面积 F外力；为应力，=F/S；E为弹性模量,轴向应变：,圆周方向应变：,(一) 柱式力传感器,常用应
27、变式传感器,弹性元件上应变片的粘贴和电桥连接，应尽可能消除偏心和弯矩的影响，一般将应变片对称地贴在应力均匀的圆柱表面中部，构成差动对,且处于对臂位置，以减小弯矩的影响 。横向粘贴的应变片具有温度补偿作用。,常用应变式传感器,2.1 金属应变式传感器,(二) 梁式力传感器,固定端,自由端,受力方向,(二)梁式力传感器,常用应变式传感器,(1) 等强度梁,一端固定，一端自由，厚度为h,长度l，固定端宽度为b0,力F 作用在三角形顶点。其表面应变为 ：,此位置上下两侧分别粘有4只应变片，R1、R4同侧；R3 、R2同侧，这两侧的应变方向刚好相反，且大小相等，可构成全差动电桥。,E为弹性模量(杨氏模量
28、),(1) 等强度梁,E为弹性模量(杨氏模量),一端固定，一端自由，厚度为h,宽度为b,悬臂外端到应变片中心的距离 为l。其应变为 ：,(二)梁式力传感器,常用应变式传感器,(2) 等截面梁,(二)梁式力传感器,常用应变式传感器,(3)固定梁,(二)梁式力传感器,常用应变式传感器,悬臂梁是一端固定、一端自由的弹性敏感元件。它的特点是灵敏度比较高。所以多用于较小力的测量。例如，民用电子称中就多采用悬臂梁。当力F（例如苹果的重力）以垂直方向作用于电子秤中的铝质悬臂梁的末端时，梁的上表面产生拉应变，下表面产生压应变，上下表面的应变大小相等符号相反。粘贴在上下表面的应变片也随之拉伸和缩短。得到正负相间
29、的电阻值的变化，接入桥路后，就能产生输出电压。,悬臂梁式传感器,桥式传感器,常用应变式传感器,2.1 金属应变式传感器,(三) 压力传感器,（b）,（a）,应变片,(三)应变式压力传感器,常用应变式传感器,金属元件的膜片周边被固定，当膜片一面受压力P作用时，膜片的另一面有径向应变r和切向应变t 。应变值分别为：,式中： r 膜片半径 h 膜片厚度 E 膜片弹性模量 膜片泊松比 x 任意点离圆心距离,传感器原理及应用,第2章 应变式传感器,本章要点：,电阻式传感器的基本原理，转换电路。 了解不同电阻式传感器的结构、性能、灵敏 度差别，分别使用在哪些场合； 如何通过电阻式传感器测量力、压力、位移、 应变、加速度等非电量参数； 金属箔式应变片：直流单臂、半桥、全桥比较； 应用测量电路,选择=结果,汇报结束 谢谢观看！欢迎提出您的宝贵意见！,
