4参数式传感器及其应用

测试技术——参数式传感器及其应用第四章问题：1.电阻式传感器可以测量什么机械量？2.电容式传感器有几种类型？各自的特点是什么？3.电涡流传感器的工作原理是什么？内容1.传感器概念2.电阻式传感器3.电容式传感器4.电感式传感器1)基本概念国家标准（GB7665—87）对传感器定义:感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置内涵：一个指定的传感器，只能感受规定的物理量输入输出关系服从一定规律传感器的输出信号中载有被测量信息1、传感器概念重要作用：机械量检测中不可缺少的首要环节它直接影响测试系统的整体测试精度工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表传感器Transducer/Sensor/probe1、传感器概念2)组成敏感元件转换元件转换电路被测量电量敏感元件•直接感受被测量（如：位移）•转换为有确定关系的易变成电参数的其它物理量（如：应变）转换元件•将其它物理量直接转换为有确定关系的电参量的元件（如：电阻）1、传感器概念有的传感器两元件合二为一。传感器•敏感元件力、转矩应变•转换元件应变电阻•转换电路电阻电压1、传感器概念可见（1）敏感元件可以将被测量进行多于一次的变换；（2）敏感元件可以是多个零件的组合体。位移传感器•敏感元件直线位移径向位移径向位移弯曲变形弯曲变形应变•转换元件应变电阻1、传感器概念波登管一端开通，一端封闭，当流体进入管中后封闭端产生位移，其位移大小正比于流体的压强。波登管——敏感元件压强→位移1、传感器概念还需要转换元件将位移转换成电量基本特性包括静态特性与动态特性两大类性能指标。静态特性如量程、精度、灵敏度、非线性等。动态特性可用频率范围动态放大比设计或选用时必须考虑的问题1、传感器概念3)基本特性输入量分类法可分为温度、压力、位移、速度、湿度等传感器。该分类法适合于用户和销售商，便于很明确地根据用途选用传感器。输出量分类法可分为参数式传感器和发电式传感器两类。该分类法适合研发者和学习者，以便于掌握传感器的工作原理。1、传感器概念4)传感器分类一种被测量可以用不同类型的传感器来测量同一原理的传感器通常又可测量多种非电量将输入的工程参数变化转变为电参数变化的传感器。常用的有电阻、电感和电容式三种基本参数传感器。这种传感器由于在工作时其本身没有内在的能量转换，而不能产生电信号输出，故常常也被称之为无源传感器。将输入的工程参数信号直接转变为电信号输出的传感器。常用的有压电式、磁电式、光电式、霍尔式以及热电式等基本类型传感器。在工作时其本身就有内在的能量转换，且能够产生电信号输出，故它常常也被称之为有源传感器。参数式传感器发电式传感器1、传感器概念本章重点介绍参数式传感器及其应用，下一章将介绍发电式传感器及其应用定义：将非电量变化转换为电阻变化的传感器分类：敏感元件.弹性元件、热敏元件、滑块转换元件•电阻转换电路•直流电桥2、电阻式传感器VER1R2R3R4电阻R电阻应变式热电阻式电位计式电阻式传感器测应变测温度测位移原理：微应变与电阻的关系根据电阻定律，导体或半导体的电阻可以表示为：(2)dRddldARlA(1)AlRtrtrvrdrAdA22)(2(3))21(dvRdRt第一项表示材料几何尺寸变化引起的电阻变化第二项表示材料特性电阻率变化引起的电阻变化tldl2、电阻式传感器2.1应变片式传感器材料在轴向受力的作用，产生机械变形/结构变形——微应变求微分：已知：可得：——电阻应变式传感器分析电阻率变化tdEd半导体金属2、电阻式传感器（1）金属材料-与体应变成比例式中：C比例常数（2）半导体材料-取决于压阻效应式中：л半导体材料在受力方向压阻系数E半导体材料的弹性模量——电阻应变式传感器tCAdAldlCVdVCd)21()(金属材料一般ν≈0.3，C≈1，因此金属材料的电阻应变效应主要来自结构尺寸的变化——尺寸效应，且灵敏系数较小，约为2.0左右。tmtSCRdRRR)]21()21[(ttSERdRRR])21[(2、电阻式传感器半导体材料лE(1+2ν)，因此半导体材料的电阻变化主要来自压阻效应，灵敏系数较大，约为50～200，且分散性大。——电阻应变式传感器应变片式传感器技术参数类型金属应变片半导体应变片测量范围με0.1～500000.001～3000灵敏系数1.8～4.550～200标称阻值Ω120，350，600，…，50001000～5000电阻受温度影响温度系数是正值温度系数一般是负值电阻容差0.1%～0.35%1%～2%有效栅长度/mm0.4～150标准值：3～101～52、电阻式传感器——电阻应变式传感器金属应变片与半导体应变片的性能比较半导体应变片：优点是灵敏度高，比金属材料约高50倍，因此有时可以不加放大器，使测量电路大大简化。缺点是电阻温度系数大，比常用金属丝材料大几十倍，因此对温度过于敏感；此外大应变时灵敏度不为常数。金属应变片：优点是温度影响比半导体小，灵敏度一般为常数。由温度引起的电阻变化与试件应变带来的电阻变化几乎是同一数量级。缺点是灵敏度较低，需要放大电路。2、电阻式传感器——电阻应变式传感器常用金属应变片材料Δ康铜：常用的电阻丝材料Δ卡玛合金：适用于长时间静态测量，比康铜具有更长的疲劳寿命和更宽的温度范围Δ铂钨合金：具有极长的疲劳寿命Δ应变片性能•对绝缘电阻要求高：粘贴的应变片与被测试件之间的电阻值一般要求R＞108Ω•限制最大工作电流Imax：安装的应变片敏感栅允许通过的不影响其工作特性的最大电流值：通常静态测量取25mA左右，动态测量可取75～100mA2、电阻式传感器——电阻应变式传感器？应变片结构2、电阻式传感器50年代以前，主要使用金属丝式应变片，50年代中期以后，主要使用金属箔式应变片。——电阻应变式传感器柱式应变片式传感器的应用膜片式（气体、液体）梁式等截面梁双孔梁S型拉力梁2、电阻式传感器——电阻应变式传感器应变片的安装•安装——力传递——测量效果受力的方向——应变片纵向•安装方法有三种：粘贴法、焊接法和喷涂法，其中粘贴法最为常用2、电阻式传感器——电阻应变式传感器应变片传感器温度误差及补偿温度引起的测量误差△温度效应：阻值随温度变化△被测体线胀：不同的线胀系数实用中常采用桥路补偿方法tSSRRtt)]([/120电阻温度效应热膨胀效应2、电阻式传感器Rt、R0—应变片在温度t、t0时电阻值α—应变片电阻丝的电阻温度系数β—电阻丝材料和试件材料的线膨胀系数Ｓ—应变片灵敏系数Δt—温度变化量电桥特征：输出电压与相邻臂阻值之差成比例。因此：电桥可以实现温度补偿。——电阻应变式传感器？2.2热电阻式传感器——测量温度工作原理：利用电阻随温度变化的特性制成的传感器叫做电阻式温度传感器。两种类型金属热电阻：纯金属是制造热电阻的主要材料，可以应用的有铂、铜、镍、铁等半导体热敏电阻：分为三类：负温度系数热敏电阻（NTC）；正温度系数热敏电阻（PTC）；临界温度系数热敏电阻（CTC）其中，PTC和CTC型在一定温度范围内，阻值随温度剧烈变化，因此常用作开关元件，温度测量主要使用NTC型热敏电阻。2、电阻式传感器——热电阻式传感器两种类型热电阻特点：温度升高1℃：大多数金属的阻值要增加0.4~0.6%——正温度效应NTC半导体的电阻值要减小3~6%——负温度效应010ttRRtt0011()BttttRRe2、电阻式传感器——热电阻式传感器一般纯金属在温度变化范围不大时，其电阻值与温度的关系近似为NTC半导体的电阻值与温度的关系为B是热敏电阻的材料常数，一般为2000——6000K电阻—温度特性曲线铂、铜的电阻特性曲线比较理想半导体的电阻特性曲线2、电阻式传感器——热电阻式传感器热电阻材料选择电阻温度系数α要大，制成的温度传感器的灵敏度高。电阻温度系数与材料的纯度有关，纯度越高，α值就越大，且稳定材料的电阻率要大，这样可使热电阻体积较小，热惯性较小，对温度变化的响应就比较快在整个测量范围内，物理化学性质稳定、线性、良好重复性易于加工复制，价格便宜2、电阻式传感器——热电阻式传感器常用热电阻：1）铂电阻：化学稳定性很高，容易提纯，便于加工——最常用的金属热电阻材料•用于-259.34～630.74℃范围内的测温、也是基准温度计31227320320/102735.4/108019.5/109083.36500)..1(0200)]100(...1[CCCBCAttBtARRtttCtBtARRtt2、电阻式传感器——热电阻式传感器膜铂电阻•用真空沉积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上，膜厚在2μm以内，用玻璃烧结料固定Ni(或Pd)引线，制成薄膜元件.•特点：微型化、反应快2、电阻式传感器——热电阻式传感器2)铜电阻优点：•温度系数α高，价格低廉，易于提纯•在-50～150℃范围内近似呈线性关系缺点：△电阻率小，体积较大，铜电阻丝细而长，故机械强度降低△易氧化，只能用于无侵蚀性介质CtRRt/1025.4).1(302、电阻式传感器——热电阻式传感器几种金属热电阻材料特性2、电阻式传感器——热电阻式传感器镍和铁电阻虽然也适合做热电阻，但由于易氧化、非线性严重，较少应用.3)锗电阻锗是最常用的半导体材料，纯锗在低温下电阻率太大,对温度的灵敏度也不高，因此必须掺杂微量的杂质.特点：•具有负的电阻温度系数：温度降低时，其电阻值增加，灵敏度增大•电阻温度关系很稳定，重复性很好——迄今所研究过的半导体中最理想的低温测量元件•标定一次可长期使用，而且它的测量精度可达到0.005K•许多国家将锗电阻温度计作为4.2K~20K之间的标准测温仪表2、电阻式传感器——热电阻式传感器4）热敏电阻：种类繁多；由单晶、多晶以及玻璃、塑料等半导体材料制成PNC、CNC热敏电阻随温度变化阻值变化剧烈，常用开关元件测量灵敏度较高、成本低、体积小（点温度测量），可满足不同测温对象的要求，而且适合动态测量•缺点是性能不稳定，互换性差，导致测量精度不高——空调系统的温控元件a)圆片型b)柱型c)平板型d)结构组成e)符号2、电阻式传感器——热电阻式传感器2.3电位计式电阻传感器•原理：将线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻•结构：带有直线或旋转滑动触头的电阻器件•种类：按结构形式可分为绕线式、薄膜式等xSLxRrRxSLxURrUUUii02、电阻式传感器——电位计式传感器2.4电阻式传感器的应用1）应变式力传感器被测物理量：载荷或力用途：各种类型的测力元件，测量范围从1mN～108N特点：分辨率高，误差较小，测量范围大，静态与动态都可测，能在严酷环境工作的特点柱式测力元件：体积小、结构紧凑、构造简单柱式2、电阻式传感器2）应变式压力传感器被测物理量：液体、气体的动态和静态压力测量用途：动力管道设备进、出口气体和液体的压力，发动机喷口压力，内燃机管道压力等结构：膜片式或筒式弹性元件在压力的作用下，圆膜片产生径向应变和切向应变应变片2、电阻式传感器EhxRpr22228)3)(1(3EhxRp22228))(1(33）应变式扭矩传感器•原理：弹性元件在传递转矩时产生的应变来测量扭矩轴受到扭矩作用时，剪切应变与它所传递的扭矩有线性关系其中：Me转轴所受的扭矩、G剪切模量2、电阻式传感器应变片扭矩传感器径向刷式集流环示意图1-扭矩轴；2-应变片；3-绝缘环；4-滑环；5-电刷eeeKMdGMGWMG316在压力作用下，膜盒中心点产生位移，推动连杆上移，使得曲柄带动电位计电刷滑动，电位计输出与压力成比例的电压信号1—膜盒2—连杆3—曲柄4—电刷5—电阻元件2、电阻式传感器4）电位计式压力传