專題四傳感器

1、專題四專題四：傳感器與檢測技術(shù)：傳感器與檢測技術(shù)主講：蘇海龍主講：蘇海龍傳感器樣例傳感器樣例氣敏傳感器壓電式壓力傳感器溫度傳感器熱電偶超聲波傳感器課程概述課程概述l研究生專業(yè)基礎(chǔ)課l4課時l主要內(nèi)容概述概述傳感器的基本特性傳感器的基本特性電阻式電阻式電感式電感式電容式電容式壓電式壓電式磁敏式磁敏式熱電式熱電式光電式光電式輻射與波式輻射與波式化學(xué)傳感器化學(xué)傳感器新型傳感器新型傳感器(智能、模型、微、網(wǎng)絡(luò)傳感器智能、模型、微、網(wǎng)絡(luò)傳感器)參數(shù)檢測、微弱信號檢測、軟測量、多傳感器數(shù)參數(shù)檢測、微弱信號檢測、軟測量、多傳感器數(shù)據(jù)融合據(jù)融合測量不確定度與回歸分析測量不確定度與回歸分析自動檢測系統(tǒng)自動檢測系

2、統(tǒng)第第1部分部分概述5傳感器 感覺，感知 （Sensor、Transducer）人類有五大感覺器官，即眼、耳、鼻、舌、皮膚。通過這些感覺器官感知外界信息。機器系統(tǒng)中，傳感器是各種機械和電子設(shè)備的感覺器官。能感知光、色、溫度、壓力、聲音、濕度、氣味及輻射等。6Sensor、Transducer7891011121314151617181920傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，計算機的傳感器是信息采集系統(tǒng)的首要部件，計算機的“五官五官”，如果沒有，如果沒有傳感器對原始信息進行精確、可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，一切測量和控制都傳感器對原始信息進行精確、可靠的捕獲和轉(zhuǎn)換，一切測量和控制都是不可能實現(xiàn)的。是不可能實

3、現(xiàn)的。傳感器與傳感器技術(shù)的發(fā)展水平是衡量一個國家綜合實力的重要傳感器與傳感器技術(shù)的發(fā)展水平是衡量一個國家綜合實力的重要標(biāo)志，也是判斷一個國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度與生產(chǎn)水平高低的重標(biāo)志，也是判斷一個國家科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度與生產(chǎn)水平高低的重要依據(jù)。要依據(jù)。21 通訊技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)通訊技術(shù)、計算機技術(shù)、傳感器技術(shù) 既是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)既是現(xiàn)代信息產(chǎn)業(yè)的源頭，又是信息社會賴以存在和發(fā)展的物質(zhì)與技術(shù)基礎(chǔ)。與技術(shù)基礎(chǔ)。 如果沒有高度保真和性能可靠的傳感器，沒有先進的傳感器技術(shù)，如果沒有高度保真和性能可靠的傳感器，沒有先進的傳感器技術(shù)，信息的準(zhǔn)確獲得與精密檢測

4、就成了一句空話，通訊技術(shù)和計算機技信息的準(zhǔn)確獲得與精密檢測就成了一句空話，通訊技術(shù)和計算機技術(shù)也就成了無源之水，無本之木，現(xiàn)代測量與自動化技術(shù)隨之變成術(shù)也就成了無源之水，無本之木，現(xiàn)代測量與自動化技術(shù)隨之變成水中之月、鏡中之花。水中之月、鏡中之花。 中國傳感器網(wǎng) 傳感器網(wǎng) 內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)內(nèi)容體系結(jié)構(gòu)l按照傳感器、檢測技術(shù)和自動檢測系統(tǒng)三大模塊。l傳感器部分主要包括傳感器的基本特性、各類傳統(tǒng)與新型傳感器的工作原理與應(yīng)用（應(yīng)變式、電感式、電容式、壓電式、磁電式、熱電式、光電式、輻射與波式、數(shù)字式、智能式傳感器；化學(xué)傳感器、生物傳感器、微傳感器等）l檢測技術(shù)主要包括參數(shù)檢測、微弱信號檢測、軟測量、多傳

5、感器數(shù)據(jù)融合、測量不確定度與回歸分析等l檢測系統(tǒng)主要包括虛擬儀器和自動檢測系統(tǒng)等。 4.1 傳感器概念傳感器概念 (Introduction)1.傳感器概念 是指直接作用于被測量，并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換是指直接作用于被測量，并能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件成同種或別種量值輸出的器件。傳感器傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個測試裝置的工作質(zhì)量。2.傳感器分類 按被測量分類位移、力、溫度、壓力、流量、速度傳感器等位移、力、溫度、壓力、流量、速度傳感器等。 按工作機理分類機械式、電氣式、光學(xué)式、化學(xué)型等機械式、電氣式、光學(xué)式、化學(xué)型等。傳感器概述傳感器概述(2/5)

6、按構(gòu)成原理分類物性型 依靠敏感元件本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變化實現(xiàn)信依靠敏感元件本身的物理化學(xué)性質(zhì)的變化實現(xiàn)信號變換號變換。 如水銀溫度計、壓電式傳感器等如水銀溫度計、壓電式傳感器等。結(jié)構(gòu)型 依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換。 如電容如電容式、電感式傳感器等式、電感式傳感器等。 按能量變換關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型(無源型、 發(fā)電型或主動傳感器）直接由被測對象輸入能量使其工作。直接由被測對象輸入能量使其工作。 如熱電偶溫度計、彈性如熱電偶溫度計、彈性壓力計、壓電式傳感器壓力計、壓電式傳感器。能量轉(zhuǎn)換型傳感器存在負(fù)載效應(yīng)能量轉(zhuǎn)換型傳感器存在負(fù)載效應(yīng)。能量控制型( 有源

7、型、能量調(diào)節(jié)型或被動傳感器)由外部輔助能量使其工作，并由被測量控制外部供給能量的由外部輔助能量使其工作，并由被測量控制外部供給能量的變化變化。如電橋式電阻應(yīng)變計等如電橋式電阻應(yīng)變計等。傳感器的換能元件可能不止一個（如電容式壓力傳感器），傳感器的換能元件可能不止一個（如電容式壓力傳感器），甚至是一個小型裝置（如力反饋式加速度計）甚至是一個小型裝置（如力反饋式加速度計）。注意：傳感器概述傳感器概述(3/5)3.傳感器的性能要求（9）低成本、通用性強。）低成本、通用性強。（1）靈敏度高，輸入和輸出之間有較好的線性關(guān)系）靈敏度高，輸入和輸出之間有較好的線性關(guān)系；（2）噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能）

8、噪聲小，并且具有抗外部噪聲的性能；（3）滯后、漂移誤差小）滯后、漂移誤差??；（4）動態(tài)特性良好）動態(tài)特性良好；（5）在接入測量系統(tǒng)中，對被測量不產(chǎn)生影響；）在接入測量系統(tǒng)中，對被測量不產(chǎn)生影響；（6）功耗小，復(fù)現(xiàn)性好，有互換性；）功耗小，復(fù)現(xiàn)性好，有互換性；（7）防水及耐腐蝕等性能好，能長期使用）防水及耐腐蝕等性能好，能長期使用；（8）結(jié)構(gòu)簡單，容易維修和校正；）結(jié)構(gòu)簡單，容易維修和校正；傳感器概述傳感器概述(4/5)傳感器的技術(shù)指標(biāo)基本參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)可靠性指標(biāo)其他指標(biāo)量程指標(biāo)量程指標(biāo):量程范圍、過載能力等靈敏度指標(biāo)靈敏度指標(biāo): :靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關(guān)指標(biāo)精

9、度有關(guān)指標(biāo): :精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性等動態(tài)性能指標(biāo)動態(tài)性能指標(biāo):固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時間、過沖量、穩(wěn)態(tài)誤差等溫度指標(biāo)溫度指標(biāo):工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標(biāo)抗沖振指標(biāo): :允許各向抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差等其他環(huán)境參數(shù)其他環(huán)境參數(shù): :抗潮濕、耐介質(zhì)腐蝕能力、抗電磁干擾能力等工作壽命、平均無故障時間、保險期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關(guān)指標(biāo)使用有關(guān)指標(biāo): :供電方式(直流、交流、頻率及波形等)及功率、各項分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等結(jié)構(gòu)方面指

10、標(biāo)結(jié)構(gòu)方面指標(biāo): :外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點等安裝連接方面指標(biāo)安裝連接方面指標(biāo): :安裝方式、饋線電纜等傳感器概述傳感器概述(5/5)4.傳感器的發(fā)展趨勢（6）研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。）研究生物感官，開發(fā)仿生傳感器。（1）采用新原理、開發(fā)新型傳感器；）采用新原理、開發(fā)新型傳感器；（2）大力開發(fā)物性型傳感器；）大力開發(fā)物性型傳感器；（3）傳感器的集成化）傳感器的集成化；（4）傳感器的多功能化）傳感器的多功能化；（5）傳感器的智能化）傳感器的智能化(smart sensor)；4.2 傳感器選用原則傳感器選用原則 (Principle of Transducer Selection

11、)1.靈敏度傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小。傳感器的靈敏度越高，可以感知的變化量越小。 傳感器往往傳感器往往要求有較大的信噪比。要求有較大的信噪比。傳感器的量程范圍與靈敏度密切相關(guān)。傳感器的量程范圍與靈敏度密切相關(guān)。 過高的靈敏度會影響過高的靈敏度會影響其適用的范圍。其適用的范圍。在測量過程中，傳感器在被測量方向上的靈敏度愈高愈好，在測量過程中，傳感器在被測量方向上的靈敏度愈高愈好，而橫向靈敏度愈小愈好；而橫向靈敏度愈小愈好； 對于二維或三維矢量的測量，傳感對于二維或三維矢量的測量，傳感器的交叉靈敏度愈小愈好。器的交叉靈敏度愈小愈好。2.線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范

12、圍內(nèi)輸出與輸入任何傳感器都有一定的線性范圍，在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系。成比例關(guān)系。 線性范圍越寬，傳感器的工作量程越大。線性范圍越寬，傳感器的工作量程越大。傳感器選用原則傳感器選用原則(2/2)3.響應(yīng)特性傳感器響應(yīng)特性必須在所測頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。傳感器響應(yīng)特性必須在所測頻率范圍內(nèi)盡量保持不失真。實際傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲，但延遲時間越短越好。實際傳感器的響應(yīng)總有一定的延遲，但延遲時間越短越好。4.穩(wěn)定性穩(wěn)定性是指經(jīng)過長期使用后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。穩(wěn)定性是指經(jīng)過長期使用后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間和環(huán)境。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間

13、和環(huán)境。5.精確度精確度表示傳感器輸出與被測量的對應(yīng)程度。精確度表示傳感器輸出與被測量的對應(yīng)程度。傳感器的精確度并非越高越好，選擇時應(yīng)從實際出發(fā)。傳感器的精確度并非越高越好，選擇時應(yīng)從實際出發(fā)。6.其他選用原則如實際測試條件下的工作方式等因素。如實際測試條件下的工作方式等因素。4.3 電阻式傳感器電阻式傳感器 (Resistance Transducer) 電阻式傳感器電阻式傳感器 將被測量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再通過中間將被測量轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再通過中間變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進行測量。變換電路將電阻變化變換為電壓或電流進行測量。電阻式傳感器按工作原理可分為：電阻式傳感器按工作原理可

14、分為：（5）氣敏電阻式）氣敏電阻式（6）光敏電阻式等）光敏電阻式等（1）變阻器（電位器）式）變阻器（電位器）式（2）應(yīng)變片式（彈性電阻式）應(yīng)變片式（彈性電阻式）（3）熱敏電阻）熱敏電阻（4）磁敏電阻式）磁敏電阻式電阻式傳感器電阻式傳感器(2/22)1.電阻應(yīng)變式傳感器（1）應(yīng)變式傳感器工作原理）應(yīng)變式傳感器工作原理1）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)）金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 是指導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電是指導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨所受機械變形（應(yīng)變）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。阻值隨所受機械變形（應(yīng)變）的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。電阻應(yīng)變效應(yīng)設(shè)金屬絲長度為設(shè)金屬絲長度為l，截面積為，截面積

15、為A，電阻率為，電阻率為 ，AlR則其阻值為則其阻值為金屬絲變形時，金屬絲變形時， 、l、A將同時發(fā)生變化，從而導(dǎo)致將同時發(fā)生變化，從而導(dǎo)致R改變。改變。若若 、l、A的變化量為的變化量為d 、dl、dA，則，則AAllRAARRllRRddddddd電阻式傳感器電阻式傳感器(3/22)AAllRRdddd即：即：對半徑為對半徑為r的金屬電阻絲有：的金屬電阻絲有：2rArrAd2drrllRRd2ddd，ll d：電阻絲軸向相對變形，或稱：電阻絲軸向相對變形，或稱縱向應(yīng)變縱向應(yīng)變。rrd：電阻絲徑向相對變形，或稱：電阻絲徑向相對變形，或稱橫向應(yīng)變橫向應(yīng)變。llrrdd橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變間的關(guān)系

16、為橫向應(yīng)變與縱向應(yīng)變間的關(guān)系為式中式中 為泊松比。負(fù)號表示兩者變化相反。為泊松比。負(fù)號表示兩者變化相反。d：電阻率相對變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力：電阻率相對變化，與電阻絲軸向所受正應(yīng)力 有關(guān)。有關(guān)。電阻式傳感器電阻式傳感器(4/22)EdE為電阻絲材料的為電阻絲材料的彈性模量彈性模量； 為為壓阻系數(shù)壓阻系數(shù)，與材質(zhì)有關(guān)。，與材質(zhì)有關(guān)。ERR21d21dRR受力后電阻絲幾何尺寸變化所受力后電阻絲幾何尺寸變化所引起，對于同一材料（引起，對于同一材料（1+2v）為常數(shù)。為常數(shù)。受力后電阻率的改變引受力后電阻率的改變引起，對金屬材料，起，對金屬材料， E很很小。小。 在電阻絲拉伸比例范圍內(nèi)，電阻相對

17、變化與其所受的軸向在電阻絲拉伸比例范圍內(nèi)，電阻相對變化與其所受的軸向應(yīng)變成正比。應(yīng)變成正比。電阻式傳感器電阻式傳感器(5/22)constant21/d/d0llRRS電阻應(yīng)變片的電阻應(yīng)變片的應(yīng)變系數(shù)或靈敏度應(yīng)變系數(shù)或靈敏度S0定義為定義為通常，通常，S0 =1.73.6。2）應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測量原理）應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)及測量原理典型結(jié)構(gòu)：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪?shù)湫徒Y(jié)構(gòu)：將一根高電阻率金屬絲（康銅、鎳鉻、卡瑪合金等，直徑合金等，直徑 0.025 mm左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的左右）繞成柵形，粘貼在絕緣的基片和覆蓋層之間，由引出導(dǎo)線接于電路中?；透采w層之間，由引出導(dǎo)線接于電

18、路中。測量原理：測量原理：將應(yīng)變片將應(yīng)變片粘貼于彈性體表面粘貼于彈性體表面或者直接將應(yīng)變片或者直接將應(yīng)變片粘貼在被測粘貼在被測件上件上，被測物變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵，被測物變形通過基底和粘結(jié)劑傳遞給敏感柵 阻阻值變化值變化 轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號。轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號。電阻式傳感器電阻式傳感器(6/22)如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)如果把位移、力、力矩、加速度、壓力等物理量轉(zhuǎn)換為應(yīng)變，可以構(gòu)成各種不同的傳感器。變，可以構(gòu)成各種不同的傳感器。（2）電阻應(yīng)變片的分類及材料）電阻應(yīng)變片的分類及材料金屬電阻應(yīng)變片分為金屬電阻應(yīng)變片分為絲式絲式、箔式箔式和和

19、膜式膜式。1）絲式應(yīng)變片）絲式應(yīng)變片金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種。金屬絲式應(yīng)變片有回線式和短接式兩種?；鼐€式短接式電阻式傳感器電阻式傳感器(7/22)絲式應(yīng)變片絲式應(yīng)變片制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼制作簡單、性能穩(wěn)定、成本低、易粘貼。n 回線式應(yīng)變片因回線式應(yīng)變片因圓弧部分參與變形，橫向效應(yīng)較大。圓弧部分參與變形，橫向效應(yīng)較大。n 短接式應(yīng)變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑短接式應(yīng)變片敏感柵平行排列，兩端用直徑比柵線直徑大大 510倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點是倍的鍍銀絲短接而成，其優(yōu)點是克服了橫向效應(yīng)?？朔藱M向效應(yīng)。安全電流：安全電流：1050 mA，電阻：，電阻：50 1

20、 000 （典型（典型120 ）。）。2）箔式應(yīng)變片）箔式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片由厚度為箔式應(yīng)變片由厚度為 310 m 的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐的康銅箔或鎳鉻箔經(jīng)光刻，腐蝕工藝制成的柵狀箔片。蝕工藝制成的柵狀箔片。 大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜形狀。大批量生產(chǎn)，可制成多種復(fù)雜形狀。 散熱好，允許電流大。散熱好，允許電流大。 橫向效應(yīng)、蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長。橫向效應(yīng)、蠕變和機械滯后小，疲勞壽命長。 柔性好（可貼于形狀復(fù)雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。柔性好（可貼于形狀復(fù)雜的表面），傳遞試件應(yīng)變性能好。電阻式傳感器電阻式傳感器(8/22)3）膜式應(yīng)變片）膜式應(yīng)變片采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在

21、薄的絕緣基片上形成厚采用真空蒸發(fā)或真空沉積等方法，在薄的絕緣基片上形成厚度在度在0.1 mm以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。以下的金屬電阻材料薄膜的敏感柵。 應(yīng)變靈敏度大。應(yīng)變靈敏度大。 允許電流密度大。允許電流密度大。 工作范圍廣，可達工作范圍廣，可達- -197317 。（3）電阻應(yīng)變片的應(yīng)用）電阻應(yīng)變片的應(yīng)用 測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。測量結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。 將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。加速度等物理參數(shù)的傳感器。電阻式傳感器電阻式傳感器(9/22)齒輪輪齒彎矩齒輪輪齒彎矩x位移傳感器位移傳感器m質(zhì)塊

22、質(zhì)塊加速度傳感器加速度傳感器F柱式測力傳感器柱式測力傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器(10/22)注意事項注意事項應(yīng)變極限：機械滯后：零漂和蠕變零漂和蠕變：零漂零漂：恒定溫度，無機械應(yīng)變時，應(yīng)變片阻值隨時間變：恒定溫度，無機械應(yīng)變時，應(yīng)變片阻值隨時間變化的特性?；奶匦浴Ｈ渥?nèi)渥儯汉愣囟?、恒定?yīng)變時，應(yīng)變片阻值隨時間變化：恒定溫度、恒定應(yīng)變時，應(yīng)變片阻值隨時間變化的特性。的特性。 應(yīng)變大應(yīng)變大 輸出非線性大。誤差為輸出非線性大。誤差為10%時對應(yīng)的時對應(yīng)的應(yīng)變作為應(yīng)變片的應(yīng)變極限。應(yīng)變作為應(yīng)變片的應(yīng)變極限。 敏感柵、底基及膠粘層承受機械應(yīng)變后，一般都敏感柵、底基及膠粘層承受機械應(yīng)變后，一般都會

23、存在殘余變形，造成應(yīng)變片的機械滯后。會存在殘余變形，造成應(yīng)變片的機械滯后。電阻式傳感器電阻式傳感器(11/22)動態(tài)響應(yīng)特性動態(tài)響應(yīng)特性應(yīng)變片柵長/mm0.20.51235101520最高工作頻率/kHz125050025012583.3502516.612.5溫度影響：溫度變化導(dǎo)致應(yīng)變片電阻變化與由應(yīng)變引起的電溫度影響：溫度變化導(dǎo)致應(yīng)變片電阻變化與由應(yīng)變引起的電阻變化往往具有同等數(shù)量級，須用適當(dāng)電路進行阻變化往往具有同等數(shù)量級，須用適當(dāng)電路進行溫度補償溫度補償。（4）電阻應(yīng)變片的特點）電阻應(yīng)變片的特點 性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在性能穩(wěn)定、精度高，綜合誤差在 1.0% 0.1%，高精度力，高

24、精度力傳感器已能達到傳感器已能達到0.03% 0.01%。 測量范圍廣測量范圍廣壓力：壓力：104109 Pa；力：力：0.1 107 N。 能適應(yīng)較大的振動和沖擊，抗輻射能力強。能適應(yīng)較大的振動和沖擊，抗輻射能力強。電阻式傳感器電阻式傳感器(12/22)2.壓阻式傳感器（1）基本工作原理 是指半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時，其電阻率發(fā)生是指半導(dǎo)體材料受到應(yīng)力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。變化的現(xiàn)象。壓阻效應(yīng)單晶半導(dǎo)體在外力作用下的電阻變化量仍為單晶半導(dǎo)體在外力作用下的電阻變化量仍為ERR21d對半導(dǎo)體而言，電阻率變化引起的電阻變化對半導(dǎo)體而言，電阻率變化引起的電阻變化 E 遠遠大于遠遠大于形變引

25、起的電阻變化形變引起的電阻變化(1+2v) ，則，則 實際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，實際上，任何材料都不同程度地呈現(xiàn)壓阻效應(yīng)，但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強。但半導(dǎo)體材料的這種效應(yīng)特別強。dd)21 (dRR電阻式傳感器電阻式傳感器(13/22)ERRSL0/d靈敏度：靈敏度：ELLd由半導(dǎo)體理論由半導(dǎo)體理論 E 半導(dǎo)體材料的彈性模量。半導(dǎo)體材料的彈性模量。 L 沿某晶向沿某晶向L的壓阻系數(shù)；的壓阻系數(shù)； 沿某晶向沿某晶向L的應(yīng)力；的應(yīng)力；半導(dǎo)體電阻材料的靈敏度比金屬絲要高半導(dǎo)體電阻材料的靈敏度比金屬絲要高5070倍。倍。例：對于半導(dǎo)體硅，例：對于半導(dǎo)體硅， L=(4080)10-

26、-11 m2/N，E=1.671011 Pa,則則S0 = LE50100。電阻式傳感器電阻式傳感器(14/22)（2）壓阻式傳感器類型與特點 壓阻式傳感器有兩種類型壓阻式傳感器有兩種類型1）利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成粘貼式的應(yīng)變片，其使用）利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成粘貼式的應(yīng)變片，其使用方法與電阻應(yīng)變片類似。方法與電阻應(yīng)變片類似。2）在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，）在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成擴散電阻，作為測量傳感元件，測量壓力和加速度等物理量。作為測量傳感元件，測量壓力和加速度等物理量。 壓阻式傳感器的優(yōu)點壓阻式傳感器的優(yōu)點缺點是溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條

27、件下使用。缺點是溫度誤差大，故需溫度補償或恒溫條件下使用。1）靈敏度非常高。）靈敏度非常高。2）分辨率高，例如測量壓力時可測出）分辨率高，例如測量壓力時可測出1020 Pa的微壓。的微壓。3）測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高。）測量元件的有效面積可做得很小，故頻率響應(yīng)高。4）可測量低頻加速度和直線加速度。）可測量低頻加速度和直線加速度。電阻式傳感器電阻式傳感器(15/22)3. 變阻器式傳感器（1）變阻器式傳感器的結(jié)構(gòu)和原理變阻器式傳感器實際是變阻器式傳感器實際是精密線繞電位器精密線繞電位器，通過改變電位器觸，通過改變電位器觸頭位置將位移轉(zhuǎn)換為電阻變化。頭位置將位移轉(zhuǎn)換為電阻變化。導(dǎo)

28、體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長度而線性變化。導(dǎo)體材質(zhì)和截面積一定，其阻值隨導(dǎo)線長度而線性變化。變阻器式傳感器除可以測量線位移和角位移，還可以測量任變阻器式傳感器除可以測量線位移和角位移，還可以測量任何可以轉(zhuǎn)換為位移的物理參數(shù)，如壓力、加速度等。何可以轉(zhuǎn)換為位移的物理參數(shù)，如壓力、加速度等。1）直線位移型）直線位移型xCxABCR改變觸點改變觸點C的位置時，的位置時，AC間電阻值為間電阻值為xKRLKL：單位長度內(nèi)的電阻值，：單位長度內(nèi)的電阻值，/m。電阻式傳感器電阻式傳感器(16/22)LKxRSdd傳感器靈敏度：傳感器靈敏度：當(dāng)導(dǎo)線均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。當(dāng)導(dǎo)線

29、均勻分布時，輸出（電阻）與輸入（位移）成線性關(guān)系。2）角位移型）角位移型KR 角位移；角位移；K 單位弧度電阻值單位弧度電阻值, /rad 。傳感器靈敏度：傳感器靈敏度：KRSddACB電阻式傳感器電阻式傳感器(17/22)3）非線性型）非線性型2kxR （2）變阻器式傳感器的特性變阻器式傳感器具有階梯特性和負(fù)載效應(yīng)。變阻器式傳感器具有階梯特性和負(fù)載效應(yīng)。xACB電阻式傳感器電阻式傳感器(18/22)階梯輸出特性 是指電位器觸點的最小位移為線圈的一匝，每是指電位器觸點的最小位移為線圈的一匝，每當(dāng)觸點移動一個節(jié)距，輸出電阻產(chǎn)生一匝電阻值的跳躍，即當(dāng)觸點移動一個節(jié)距，輸出電阻產(chǎn)生一匝電阻值的跳躍，

30、即輸出電阻值不是位移的連續(xù)函數(shù)，而是階梯形折線。輸出電阻值不是位移的連續(xù)函數(shù)，而是階梯形折線。理想電位器每個階梯大小均相理想電位器每個階梯大小均相同，通過每個階梯中點的直線同，通過每個階梯中點的直線即為理論特性曲線。即為理論特性曲線。xR01）階梯輸出特性）階梯輸出特性電阻式傳感器電阻式傳感器(19/22)階梯誤差 是指理想階梯特性線對理論直線的最大偏差。是指理想階梯特性線對理論直線的最大偏差。 階梯誤差階梯誤差%1002121jnRnRe式中：式中：n為總匝數(shù)。為總匝數(shù)。顯然，減小顯然，減小ej必須增加必須增加n，當(dāng)骨架長度不變時，只有減小線徑。，當(dāng)骨架長度不變時，只有減小線徑。 分辨率（力

31、）分辨率（力）定義為電位器總匝數(shù)的倒數(shù)。定義為電位器總匝數(shù)的倒數(shù)。分辨率例：例：1 000匝直線型線繞電位器，分辨率為匝直線型線繞電位器，分辨率為0.1%，即該電位器，即該電位器僅能檢測到它的總量程僅能檢測到它的總量程1/1 000以上的位移量。以上的位移量。電阻式傳感器電阻式傳感器(20/22) 線性度線性度線性度 是指由于電阻絲本身的不均勻性或間隔的不均勻?qū)侵赣捎陔娮杞z本身的不均勻性或間隔的不均勻?qū)е码A梯特性非理想階梯，增加了傳感器的非線性。致階梯特性非理想階梯，增加了傳感器的非線性。2）負(fù)載特性）負(fù)載特性u0 xpxRLuy對于后接電阻分壓電路的對于后接電阻分壓電路的變阻器式傳感器：變

32、阻器式傳感器：020L0LuRRRRRRRuxxxy式中：式中：R0 變阻器總電阻；變阻器總電阻； Rx x段的電阻。段的電阻。 電阻式傳感器電阻式傳感器(21/22)0RRrxpxxr 令令，對直線位移型變阻器，對直線位移型變阻器，0)1 (1urmrruyL0RRm 于是，于是，式中：式中：00ruuy空載時，空載時， 由此可見，接入負(fù)載電阻由此可見，接入負(fù)載電阻RL后，輸出后，輸出uy與與r不再保持線性關(guān)系。不再保持線性關(guān)系。負(fù)載誤差負(fù)載誤差由負(fù)載特性引起的非線性誤差。由負(fù)載特性引起的非線性誤差。01102030405060m = 5m = 2m = 1m = 0.5m = 0.1m =

33、 0reL%100)1 (111%10000Lrmruuueyyy若整個行程內(nèi)誤差不超過若整個行程內(nèi)誤差不超過1%3%，必須有，必須有RL (1020)R0 。電阻式傳感器電阻式傳感器(22/22)因觸點與繞線間存在摩擦，動態(tài)響應(yīng)較差。分辨力低，一般因觸點與繞線間存在摩擦，動態(tài)響應(yīng)較差。分辨力低，一般小于小于20 m。噪聲大。噪聲大。 主要應(yīng)用于線位移、角位移測量。或作為伺服記錄儀或電子主要應(yīng)用于線位移、角位移測量?；蜃鳛樗欧涗泝x或電子電位差計。電位差計。 （3）變阻器式傳感器特點優(yōu)點：優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號大，受外界條件結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便，輸出信號大，受外界

34、條件影響小。影響小。缺點：缺點：（4）變阻器式傳感器的應(yīng)用4.4 電感式傳感器電感式傳感器 (Inductance Transducer) 將被測量，如位移或能轉(zhuǎn)換成位移的機械量，將被測量，如位移或能轉(zhuǎn)換成位移的機械量，轉(zhuǎn)換為電感量的變化。轉(zhuǎn)換為電感量的變化。電感式傳感器 互感型（差動變壓器式）互感型（差動變壓器式）按照變換方式的不同可分為：按照變換方式的不同可分為： 自感型（包括可變磁阻式與渦流式）自感型（包括可變磁阻式與渦流式）1. 自感型傳感器（1）可變磁阻式傳感器可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成，在鐵心與銜可變磁阻式傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成，在鐵心與銜鐵之間存在氣隙鐵之間存在

35、氣隙 。電感式傳感器電感式傳感器(2/20)由電工學(xué)可知，線圈自感量：由電工學(xué)可知，線圈自感量：m2RWiWL i 線圈中流過的電流。線圈中流過的電流。 通過線圈的磁通量。通過線圈的磁通量。 Rm 磁路的總磁阻（磁路的總磁阻（H-1），）， Rm= RF + R ，其中，其中RF為為 鐵心與銜鐵心與銜鐵的磁阻；鐵的磁阻；R為空氣隙磁阻。為空氣隙磁阻。ix123L0 1線圈；線圈；2鐵心；鐵心；3銜鐵銜鐵式中：式中：W 線圈匝數(shù)；線圈匝數(shù)；電感式傳感器電感式傳感器(3/20)式中：式中：l1、l2 鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁長度；鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁長度； 1、2 鐵心和銜鐵的磁導(dǎo)率；鐵心和銜鐵的磁導(dǎo)率； A

36、1、A2 鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁截面積；鐵心和銜鐵的導(dǎo)磁截面積； 氣隙長度；氣隙長度； 0 空氣磁導(dǎo)率，空氣磁導(dǎo)率，0=410-7 Hm-1 ； A0 空氣隙導(dǎo)磁截面積?？諝庀秾?dǎo)磁截面積。00222111m2AAlAlR若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙若不考慮磁路的鐵損，且空氣隙 較小時：較小時：00m2AR一般，一般，1和和2遠遠大于遠遠大于0，即：，即：RF R ，因此，因此，電感式傳感器電感式傳感器(4/20)2002AWL 自感自感L與氣隙與氣隙 成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積成反比，與氣隙導(dǎo)磁截面積A0成正比。成正比。結(jié)論：當(dāng)固定當(dāng)固定A0，變化變化 時，時，L 與與 成非線性關(guān)系，傳感器靈敏度成非

37、線性關(guān)系，傳感器靈敏度LAWLS20022為了減小非線性誤差，為了減小非線性誤差， / 0 0.1。變氣隙長度式傳感器適。變氣隙長度式傳感器適用于微小位移的測量，范圍為用于微小位移的測量，范圍為0.0011 mm。傳感器傳感器靈敏度與氣隙長度的平方成反比。靈敏度與氣隙長度的平方成反比。結(jié)論：電感式傳感器電感式傳感器(5/20)1）可變磁阻式傳感器典型結(jié)構(gòu) 可變導(dǎo)磁面積型可變導(dǎo)磁面積型特點：線性，靈敏度低。特點：線性，靈敏度低。 差動變氣隙型差動變氣隙型特點：提高靈敏度，改善線性特性。特點：提高靈敏度，改善線性特性。xx00電感式傳感器電感式傳感器(6/20)特點：結(jié)構(gòu)簡單，易制特點：結(jié)構(gòu)簡單，

38、易制造，靈敏度低，適于較造，靈敏度低，適于較大位移（數(shù)毫米）測量。大位移（數(shù)毫米）測量。 單螺管線圈型單螺管線圈型 雙螺管差動型雙螺管差動型特點：提高靈敏度，特點：提高靈敏度，改善線性特性。改善線性特性。xx電感式傳感器電感式傳感器(7/20)2）差動變氣隙傳感器工作原理）差動變氣隙傳感器工作原理對差動式傳感器，當(dāng)共用銜鐵位移時，兩線圈的間隙按對差動式傳感器，當(dāng)共用銜鐵位移時，兩線圈的間隙按 0 、 0+ 變化，即一個線圈自感增加，另一個減小。變化，即一個線圈自感增加，另一個減小。1002111)(2LAWLLL1002221)(2LAWLLL 3211LL當(dāng)當(dāng) / e2，eo與與e1同相。同

39、相。 i222o2eLRMe 鐵芯鐵芯P下移：下移：M1 = MM，M2 = M+ M，e1 e2，eo 0，eo與與e2同相。同相。 i222o2eLRMe eo與與 M成正比。成正比。電感式傳感器電感式傳感器(20/20)（3）差動變壓器式傳感器的優(yōu)點）差動變壓器式傳感器的優(yōu)點 包含機械結(jié)構(gòu)，頻率響應(yīng)較低，不宜測量高頻動態(tài)參量。包含機械結(jié)構(gòu)，頻率響應(yīng)較低，不宜測量高頻動態(tài)參量。 精度高精度高(0.1 m 數(shù)量級，最高可達數(shù)量級，最高可達0.01 m )，高精度型非，高精度型非線性誤差可達線性誤差可達0.1%。 線性范圍大（可達線性范圍大（可達 100 mm）。）。 穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用

40、方便。穩(wěn)定性好，結(jié)構(gòu)簡單，使用方便。 4.5 電容式傳感器電容式傳感器 (Capacitance Transducer)1.工作原理及分類電容式傳感器電容式傳感器是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳是將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器。感器。A電容式傳感器實質(zhì)是一具有可變電容式傳感器實質(zhì)是一具有可變參數(shù)的電容器。參數(shù)的電容器。AC0電容量為電容量為 介質(zhì)相對真空的介電常數(shù)，空氣介質(zhì)相對真空的介電常數(shù)，空氣 1。 0 真空的介電常數(shù)，真空的介電常數(shù)， 0=8.85 10-12F/m。 極板間距。極板間距。A 極板面積。極板面積。 、A或或 發(fā)生變化都會引起發(fā)生變化都會引起C變化。變化

41、。電容式傳感器電容式傳感器(2/12)實際使用中，通常僅改變一個參數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)的不實際使用中，通常僅改變一個參數(shù)，根據(jù)變化參數(shù)的不同，可分為三類：同，可分為三類： 改變極板間距的極距變化型；改變極板間距的極距變化型； 改變極板相互遮蓋面積的面積變化型；改變極板相互遮蓋面積的面積變化型； 改變極板間介質(zhì)的介質(zhì)變化型（改變改變極板間介質(zhì)的介質(zhì)變化型（改變 ）。）。 （1）極距變化型電容式傳感器）極距變化型電容式傳感器000ACC 與極距成反比， 當(dāng)極板間當(dāng)極板間距減小距減小 時，電容為時，電容為00AC0C0C極距變化型電容傳感器電容式傳感器電容式傳感器(3/12) 30200001CC100000001/1/CCCCCC電容增量為電容增量為當(dāng)當(dāng) / 01時，有時，有（近似線性）（近似線性） 00CC忽略非線性項，得忽略非線性項，得 403020非線性誤差為非線性誤差為20000ACCS靈敏度靈敏度靈敏度與極距的平方成反比，極距靈敏度與極距的平方成反比，極距越小，靈敏度越高，但極距受極板越小，靈敏度越高，但極距受極板間擊穿電壓的限制。間擊穿電壓的限制。電容式傳感器電容式傳感器(4/12)030200001 CC設(shè)間距增加設(shè)間距增加 通常極距變化范圍通常極距變化范圍 / 0 0.1，僅適于較小位移的測量，僅適于較小位移的測量（0.0