第三章 传感器概述及电阻应变片

第一节传感器的重要性第二节传感器的定义及组成第三节传感器的分类第四节传感器的发展趋势第三章传感器概述当今世界是以信息技术为特征的新技术革命时代，传感器技术是现代信息技术的重要支柱。一个国家、一项工程设计中传感器应用的数量和水平直接标志着其技术先进的程度。传感器技术当今被广泛地应用在各种先进的设备和系统中。如“阿波罗”运载火箭采用的传感器达2077个；宇宙飞船部分的传感器达1218个；一架波音飞机所用的传感器达上千只。。。。。第一节传感器的重要性定义：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成。其中，敏感元件——能直接感受或响应被测量的部分。转换元件——将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。例如：应变式压力传感器弹性膜片是敏感元件将压力转换成膜片的变形应变片是转换元件将变形转换成阻值的变化第二节传感器的定义及组成传感器的组成被测量敏感元件转换元件测量电路电量测量电路（信号调节与转换电路）：——把传感元件输出的电信号转换为便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。SmartSensor——集敏感、转换、和信号处理为一体的智能传感器。传感器技术：包括敏感元件技术（新材料和新工艺等）、测量电路技术、信号转换技术、信号处理技术等等。(1)按外界输入的信号变换为电信号采用的效应分类:物理传感器、化学传感器、生物传感器利用物理效应进行变换为物理传感器利用化学效应进行变换为化学传感器利用生物效应进行变换为生物传感器如热敏电阻传感器如催化气体传感器如生化传感器第三节传感器的分类化学效应、生物效应味敏传感器味觉化学效应、生物效应气敏传感器嗅觉物理效应热敏传感器触觉物理效应声敏传感器听觉物理效应光敏传感器视觉效应传感器感觉下表给出了与五官对应的传感器：(3)按被测量对象分类:速度(加速度),力(力矩、压力），流速，液位，温度，湿度，光，电压，电流，浓度，气体成分，位移等传感器(4)按工作原理分类:电阻式,电容式,电感式,涡流式,光电式,应变式,压电式,热电式(2)按能量的传递方式分类：有源传感器—无需外加电源便可将被测量转换成电量。无源传感器—属能源控制型传感器，需辅助电源。1固态化趋向2集成化和多功能化趋向3图象化趋向4智能化趋向固态传感器体积小，便于集成。目前最先进的固态传感器是在一块芯片上同时集成差压、静压和温度传感器，使差压传感器具有温度和压力补偿。将敏感元件、转换单元和信号处理单元集成。开始发展从一维、二维到三维空间的测量问题。传感器信号处理的智能化，可完成传感器的自动补偿，自动调整和信号的识别等等。第四节传感器的发展趋势到目前为止，还尚未有统一的智能传感器定义。一般认为：传感器与微处理器结合并赋予人工智能的功能，又兼有信息检测与信息处理功能的传感器就是智能传感器。推荐几本参考书1、《传感器与检测技术》彭军，西安电子科技大学出版社2、《传感器原理及应用》王化祥张淑英，天津大学出版社3、《现代传感器技术基础》杨宝清，中国铁道出版社4、《传感器与应用电路设计》赵继文，科学出版社第一节电阻应变片第二节基本测量电路——电桥电路第三节电阻应变片传感器的应用第四章电阻应变式传感器学习要求1、掌握电阻应变片的工作原理2、掌握电阻应变式传感器的检测方法3、熟悉不同种类直流电桥的输出特点4、熟悉电阻应变式传感器的典型应用5、学习和掌握电阻应变传感器的创新应用电阻应变式传感器是将被测量的应力（压力、荷重、扭力等）通过所产生的金属弹性形变转换成电阻变化的检测元件。它由电阻应变片和测量线路两部分组成。目前应用最广泛的电阻应变片有两种：电阻丝应变片和半导体应变片。LFF第一节电阻应变片1.1应变电阻效应导体产生机械变形时，电阻值发生变化的现象称为“应变电阻效应”。SlR金属丝受力拉长，截面积S变小，由知，R将增大。SSllRR测量相对误差：2Sr2Srr即径向应变r2SrSr金属导线在受应力拉长或缩短的时候,不仅长度要变,面积也要发生变化。其电阻的变化如何计算？由材料力学知：横向应变与纵向应变的关系可以用泊松系数来描述：∴应变灵敏系数对于大多数金属材料，泊松系数所以ks的数值在1.4～4.8之间，一般取ks为2（应变片的灵敏度）左右。利用这种效应制成传感器，即为电阻应变片。0.20.5～要制成电阻应变片，用单一金属丝难以实现，所以用金属丝绕制。如用直径为0.015～0.05mm的细金属丝绕成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上，两侧由引线接出，线栅上再覆盖一层绝缘保护膜。一般线栅面积为310mm2,阻值为60～1501.2环境温度对测量的影响造成应变片测量误差的因素很多，测量时要加以考虑。其中环境温度的影响是首要的误差。而当应变金属丝受环境温度影响时，有：RT＝RT0[1+T（T－T0）]温度系数T＝4.28×10-3/℃温度变化1℃时，RT＝RT0（1+T），即，R/R＝(RT－RT0)/RT0=2×2140比较R/R＝ksl=2l（假设KS＝2）环境温度变化1℃相当于引起2140的应变，必须解决。一般l应变单位为几百～几千(1×10-6)1.3温度补偿措施1应变片补偿法将两个特性相同的应变片，用同样的方法粘贴在同样材质的两个器件上，置于相同的温度中，承受应力的为工作片，不受应力的为补偿片。测量时，如温度变化两个应变片引起的电阻增量不但符号相同，而且数量相同，根据电桥平衡条件R1R4＝R2R3，电桥必然保持平衡。应变片R1—测量元件应变片R2—温度补偿元件R1R2R3R4U02应变片自补偿使用特殊的应变片，使其温度变化的电阻增量等于零或相互抵消，从而不产生测量误差。这是利用某些电阻材料的温度系数有正负特性，将这两种不同的电阻丝串联成一个应变片来实现的温度补偿，其条件是这两段电阻丝栅随温度变化而产生的电阻增量大小相等，方向相反。即()()RR或，RRRR这种温度补偿方法给应变片的应用带来了方便，但不易达到理想的效果，而且成本较高。3热敏电阻补偿法将热敏电阻Rt置于应变片相同的温度下，可以进行温度补偿，有下列多种方式：UBTR1RtU0不变TR1RtU0不变2.1电桥概述1〉电桥工作原理13014231234()()RRsUUURRRRURRRR平衡条件：14230RRRR00UR1R2R3R4USU0第二节基本测量电路——电桥电路2〉电桥分类按输入电源分：直流电桥、交流电桥、恒压源电桥、恒流源电桥按被测电阻的接入方式分：—四个桥臂中只有一个桥臂是敏感元件，其它均为电阻；—四个桥臂中有两个敏感元件是相邻桥臂，这两个敏感元件在测量对象中，阻值变化大小相等，方向相反；—四个桥臂中两个敏感元件是相对桥臂，变化大小相对，方向相同。单臂电桥差动电桥相对臂电桥双差动电桥--四个敏感元件，分成大小相等、方向相反的两对。按桥臂电阻的配备方式分：串联对称电桥(第一类对称电桥)并联对称电桥(第二类对称电桥)等臂电桥按电桥的工作方式分：平衡电桥不平衡电桥a)对称电桥R1＝R2,R3＝R4R1＝R3，R2＝R4R1＝R2＝R3＝R4b)不对称电桥不满足上述条件的电桥满足R1R4＝R2R3又称“全对称电桥R1R2R3R4USU0R1R2R3R4USU0311011234ssRRRUUURRRRR1134311211234()()()()()sRRRRRRRRURRRRR1134311211234()()()()()sRRRRRRRRURRRRR1411234()()sRRURRRRR11312114(1)(1)RRRRRRRR2.2不平衡单臂电桥的工作特性单臂R1为敏感元件变化的电桥输出为：11RR令03214(1)(1)sUURRRR则由R1=R2,R3=R4,得01(2)2412ssUUU20(1)4248sssUUUU由(Q是微小量)可展成泰勒级数：11Q2111QQQ所以得：R1R2R3R4USU0忽略后一项2/8，得理想输出电桥电压灵敏度：非线性度：sosusUUK41可见，输入量变化越大，非线性误差越大。若要求电桥误差小于0.03，即f≤3％则允许最大值为0.06（最大的测量范围）sosUU4121osoosfUUU其结论同全对称电桥。2.3差动电桥的工作特性设：21RR43RR222RRR111RRR且21RR则sUUsRRRRRRRRRRRRU21))(()()(4322113224110灵敏度比单臂电桥高一倍线性度R1和R2为敏感元件2.4双差动电桥的工作特性sUUsRRRRRRRRRRRRRRRRU))(())(())((44332211332244110灵敏度比差动电桥高一倍线性度设：均为敏感元件R1＝R2＝R3＝R4222RRR111RRR4321RRRR444RRR333RRR且2.4相对臂电桥的工作特性设RRRRR4321RRR4RRR1得sURRRRRRRRRRRRU))(())((432132410灵敏度较高，但非线性误差较大，常用于极性显示。2(1)224(1)2R1R2R3R4USU02.5电桥调零串联调零应用于R1、R2值较大的场合，此时，RW越小，对传感器灵敏度的影响越小。USR1R2R3R4U0RW原被测量的总元件无变化时，输出量应为零。即满足。若不平衡，则须调零。一般有两种调零方式：1423RRRR并联调零该方式应用于桥臂电阻R2、R4值较小的场合。此时，Rw越大，对桥路影响越小。R1R2R3R4USU0RW2.7交流电桥Z1Z2Z3Z4～SUUO采用交流电源供电的电桥称为“交流电桥”。设Z1＝z1ej1Z2＝z2ej2Z3＝z3ej3Z4＝z4ej4交流电桥平衡的条件是：Z1Z4＝Z2Z3z1z4＝z2z31＋4＝2＋3交流电桥的调零要调两个参数。(1)力及扭矩的测量柱式转换法差动法R1受纵向力变化R2受横向力变化FFFR1R2环状法FF在拉力作用下，内环拉长，外环压缩，可构成双差动电桥，灵敏度比差动电桥提高一倍。第三节电阻应变片传感器的应用(2)加速度的测量根据F=ma测得F便可以得到a。maF(3)流体压力的测量测量原理：压力位移应力臂力测量肺活量测量走步测量动脑筋想想电阻应变传感器还有什么应用？司机瞌睡监测报警本章小结1、掌握电阻应变传感器的工作原理和应用技巧温度补偿、调零方法、减小非线性方法等等。2、单臂对称电桥、差动电桥和双差动电桥的输出特点灵敏度和非线性误差3、电阻应变传感器的典型应用和创新应用