清華大學(xué)測(cè)試技術(shù)第五章

1、第四章第四章 被測(cè)量的獲取被測(cè)量的獲取清華大學(xué)清華大學(xué)儀器科學(xué)與技術(shù)研究所儀器科學(xué)與技術(shù)研究所第四章第四章 被測(cè)量的獲取被測(cè)量的獲取4.14.1被測(cè)量獲取的基本概念被測(cè)量獲取的基本概念 4.24.2傳感器的分類(lèi)傳感器的分類(lèi) 4.34.3電阻式傳感器電阻式傳感器 4.44.4電阻式溫度計(jì)電阻式溫度計(jì) 4.54.5熱敏電阻熱敏電阻4.64.6電感式傳感器電感式傳感器4.74.7電容式傳感器電容式傳感器4.84.8壓電傳感器壓電傳感器4.94.9磁電式傳感器磁電式傳感器 4.104.10 紅外輻射檢測(cè)紅外輻射檢測(cè)4.114.11 固態(tài)圖象傳感器固態(tài)圖象傳感器 4.124.12 霍爾傳感器霍爾傳感器

2、學(xué)習(xí)重點(diǎn)學(xué)習(xí)重點(diǎn)獲取被測(cè)量的基本方法，傳感器的分類(lèi)及依獲取被測(cè)量的基本方法，傳感器的分類(lèi)及依據(jù)的原理；據(jù)的原理；參量型（電阻、電容、電感）傳感器的作用參量型（電阻、電容、電感）傳感器的作用原理、測(cè)量電路和典型應(yīng)用；原理、測(cè)量電路和典型應(yīng)用；絕對(duì)速度、慣性加速度傳感器的頻率響應(yīng)特絕對(duì)速度、慣性加速度傳感器的頻率響應(yīng)特性曲線及其分析，系統(tǒng)特性參數(shù)（性曲線及其分析，系統(tǒng)特性參數(shù)（n，）的求法。的求法。4.14.1被測(cè)量獲取的基本概念被測(cè)量獲取的基本概念傳感：將被測(cè)的量或被觀察地量通過(guò)一個(gè)被傳感：將被測(cè)的量或被觀察地量通過(guò)一個(gè)被測(cè)量傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)電的、液測(cè)量傳感器或敏感元件轉(zhuǎn)換成一個(gè)電的、

3、液壓的、氣動(dòng)的、或其它形式的物理輸出量。壓的、氣動(dòng)的、或其它形式的物理輸出量。用來(lái)完成這種轉(zhuǎn)換的裝置則稱(chēng)為用來(lái)完成這種轉(zhuǎn)換的裝置則稱(chēng)為傳感器傳感器或或敏敏感元件感元件。n敏感元件：直接感受被測(cè)物理量并對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換敏感元件：直接感受被測(cè)物理量并對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換的元件或單元。的元件或單元。n傳感器：敏感元件及其相關(guān)的輔助元件和電路組傳感器：敏感元件及其相關(guān)的輔助元件和電路組成的整個(gè)裝置。成的整個(gè)裝置。n敏感元件是傳感器的核心部件。敏感元件是傳感器的核心部件。 傳感器處于測(cè)試與檢測(cè)裝置的輸入端，傳感傳感器處于測(cè)試與檢測(cè)裝置的輸入端，傳感器性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)測(cè)試裝置的工作器性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)測(cè)試裝

4、置的工作特性。特性。 線性傳感器：線性傳感器：若傳感器的輸入量及其輸出量之間的特性曲線是若傳感器的輸入量及其輸出量之間的特性曲線是一條直線，則稱(chēng)該傳感器是線性傳感器，即一條直線，則稱(chēng)該傳感器是線性傳感器，即y=x0+kx。式中。式中x、y分別為傳感器的輸入與輸分別為傳感器的輸入與輸出，出，x0為初始值，常數(shù)為初始值，常數(shù)k 稱(chēng)傳感系數(shù)、轉(zhuǎn)換比、稱(chēng)傳感系數(shù)、轉(zhuǎn)換比、靈敏度或斜率。靈敏度或斜率。 非線性傳感器：特性曲線不是一條直線的傳非線性傳感器：特性曲線不是一條直線的傳感器。感器。傳感器產(chǎn)生誤差的原因：傳感器產(chǎn)生誤差的原因：n實(shí)際特性曲線與設(shè)定特性曲線之間存在偏差實(shí)際特性曲線與設(shè)定特性曲線之間存

5、在偏差 ；n傳感器的不可逆變化傳感器的不可逆變化 。w引起不可逆變化的原因：老化、零件接觸點(diǎn)狀況變化、引起不可逆變化的原因：老化、零件接觸點(diǎn)狀況變化、熱的或機(jī)械的過(guò)載、以及化學(xué)變化等熱的或機(jī)械的過(guò)載、以及化學(xué)變化等 。消除傳感器誤差的方法消除傳感器誤差的方法n合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。w例如：力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)法避免橫向敏感力的例如：力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中設(shè)法避免橫向敏感力的產(chǎn)生。產(chǎn)生。 n對(duì)影響傳感器的干擾量進(jìn)行補(bǔ)償。對(duì)影響傳感器的干擾量進(jìn)行補(bǔ)償。 n穩(wěn)定傳感器的工作環(huán)境條件、合理傳感器的安穩(wěn)定傳感器的工作環(huán)境條件、合理傳感器的安裝方法。裝方法。n對(duì)傳感器的定期維護(hù)和校準(zhǔn)對(duì)傳感器的定

6、期維護(hù)和校準(zhǔn) 。4.24.2傳感器的分類(lèi)傳感器的分類(lèi)按被測(cè)物理量進(jìn)行分類(lèi)按被測(cè)物理量進(jìn)行分類(lèi) ：n力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等。力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等。按傳感器的工作原理或傳感過(guò)程中信號(hào)轉(zhuǎn)換按傳感器的工作原理或傳感過(guò)程中信號(hào)轉(zhuǎn)換的原理分類(lèi)：的原理分類(lèi)：n結(jié)構(gòu)型傳感器：根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信結(jié)構(gòu)型傳感器：根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳感，如電容傳感器。號(hào)的傳感，如電容傳感器。n物性型傳感器：根據(jù)傳感器敏感元件材料本身物物性型傳感器：根據(jù)傳感器敏感元件材料本身物理特性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。如壓力加速度理特性的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)的轉(zhuǎn)換。如壓力加速度計(jì)是利用了傳感器中石英晶體

7、的壓電效應(yīng)；光敏計(jì)是利用了傳感器中石英晶體的壓電效應(yīng)；光敏電阻則是利用材料在受光照作用下改變其電阻的電阻則是利用材料在受光照作用下改變其電阻的效應(yīng)，等等。效應(yīng)，等等。 根據(jù)傳感器與被測(cè)對(duì)象之間的能量轉(zhuǎn)換根據(jù)傳感器與被測(cè)對(duì)象之間的能量轉(zhuǎn)換關(guān)系分類(lèi)：關(guān)系分類(lèi)：n能量轉(zhuǎn)換型傳感器（亦稱(chēng)無(wú)源傳感器）：直能量轉(zhuǎn)換型傳感器（亦稱(chēng)無(wú)源傳感器）：直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量來(lái)使傳感器工作的。接由被測(cè)對(duì)象輸入能量來(lái)使傳感器工作的。如熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)等等。如熱電偶溫度計(jì)、彈性壓力計(jì)等等。n能量控制型傳感器（亦稱(chēng)有源傳感器）：依能量控制型傳感器（亦稱(chēng)有源傳感器）：依靠外部提供輔助能源來(lái)工作，由被測(cè)量來(lái)控靠外部提供

8、輔助能源來(lái)工作，由被測(cè)量來(lái)控制該能量的變化。如電橋電阻應(yīng)變儀。制該能量的變化。如電橋電阻應(yīng)變儀。 4.34.3電阻式傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器：將被測(cè)的量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓囊环N電阻式傳感器：將被測(cè)的量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓囊环N傳感器。傳感器。 一、工作原理：一、工作原理：一個(gè)電導(dǎo)體的電阻值：一個(gè)電導(dǎo)體的電阻值：式中：式中：R電阻（電阻（）；）；材料的電阻率（材料的電阻率（mm2/m）；）；l導(dǎo)體的長(zhǎng)度（導(dǎo)體的長(zhǎng)度（m）；）； A導(dǎo)體的截面積（導(dǎo)體的截面積（mm2）。）。 改變長(zhǎng)度改變長(zhǎng)度l，則可形成滑動(dòng)觸點(diǎn)式變阻器或電位計(jì)；，則可形成滑動(dòng)觸點(diǎn)式變阻器或電位計(jì)； 改變改變l、A和和則可做成電阻應(yīng)變片

9、；則可做成電阻應(yīng)變片；改變改變，則可形成熱敏電阻、光導(dǎo)性光檢測(cè)器、壓阻應(yīng)變，則可形成熱敏電阻、光導(dǎo)性光檢測(cè)器、壓阻應(yīng)變片、以及電阻式溫度檢測(cè)器。片、以及電阻式溫度檢測(cè)器。 )(AlR(4.1)二、滑動(dòng)觸點(diǎn)式變阻器二、滑動(dòng)觸點(diǎn)式變阻器 n直線位移型：直線位移型：R=ktxkt為單位長(zhǎng)度中的電阻為單位長(zhǎng)度中的電阻 。其靈敏度：其靈敏度：n角位移型角位移型 靈敏度：靈敏度：觸點(diǎn)轉(zhuǎn)角觸點(diǎn)轉(zhuǎn)角(rad)；kr單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值。單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值。 圖4.1 變阻器式傳感器 tdxdRks(4.3)rkddRs(4.4)(4.2)變阻器的分辨率變阻器的分辨率 取決于電阻元件的結(jié)構(gòu)型式。取決于電阻元件

10、的結(jié)構(gòu)型式。為在小范圍空間中得到足夠高的電阻值，常采為在小范圍空間中得到足夠高的電阻值，常采用線繞式電阻元件用線繞式電阻元件 。當(dāng)滑臂觸點(diǎn)從一圈導(dǎo)線移動(dòng)至下一圈時(shí)，電阻當(dāng)滑臂觸點(diǎn)從一圈導(dǎo)線移動(dòng)至下一圈時(shí)，電阻值的變化是臺(tái)階形的，由此則限制了器件的分值的變化是臺(tái)階形的，由此則限制了器件的分辨率。辨率。 實(shí)際中能做到繞線間的密度為實(shí)際中能做到繞線間的密度為25圈圈/mm，對(duì)直，對(duì)直線移動(dòng)式裝置來(lái)說(shuō)，分辨率最小為線移動(dòng)式裝置來(lái)說(shuō)，分辨率最小為40m，而，而對(duì)一個(gè)單線圈對(duì)一個(gè)單線圈5cm直徑的轉(zhuǎn)動(dòng)式電位計(jì)來(lái)說(shuō)，直徑的轉(zhuǎn)動(dòng)式電位計(jì)來(lái)說(shuō)，其最好的角分辨率為約其最好的角分辨率為約0.1o。為改善分辨率，也可

11、采用為改善分辨率，也可采用碳膜碳膜或或?qū)щ娝芰蠈?dǎo)電塑料電阻電阻元件。元件。 三、電阻應(yīng)變傳感器三、電阻應(yīng)變傳感器 當(dāng)金屬電阻絲受拉或受壓時(shí)，電阻絲的長(zhǎng)度和當(dāng)金屬電阻絲受拉或受壓時(shí)，電阻絲的長(zhǎng)度和橫截面積將發(fā)生變化，且電阻絲的電阻率也發(fā)生橫截面積將發(fā)生變化，且電阻絲的電阻率也發(fā)生變化（這一現(xiàn)象稱(chēng)為壓阻效應(yīng)），因此導(dǎo)線的電變化（這一現(xiàn)象稱(chēng)為壓阻效應(yīng)），因此導(dǎo)線的電阻值發(fā)生變化。阻值發(fā)生變化。 對(duì)式（對(duì)式（4.1）進(jìn)行微分可得：）進(jìn)行微分可得：設(shè)設(shè)A=r2，r為電阻絲半徑，代入上式得為電阻絲半徑，代入上式得 2)(AldAlddlAdR(4.6)2(2322rdrdldlRdrrldrldlrdR式

12、中，式中， dl/l=為單位應(yīng)變；為單位應(yīng)變； dr/r為電阻絲徑向相對(duì)變化，它與為電阻絲徑向相對(duì)變化，它與dl/l之間之間的關(guān)系為的關(guān)系為 式中式中電阻絲材料的泊松比。電阻絲材料的泊松比。 d/反映了電阻絲的電阻率的相對(duì)變化，它與反映了電阻絲的電阻率的相對(duì)變化，它與電阻絲縱向所受的應(yīng)力電阻絲縱向所受的應(yīng)力有關(guān)：有關(guān)：式中，式中，1縱向壓阻系數(shù)縱向壓阻系數(shù) ；E材料的彈性模量。材料的彈性模量。 ldlrdr(4.8)Ed11(4.9)(4.7)將式（將式（4.8）和（）和（4.9）代入式（）代入式（4.7）中，可得）中，可得 分析：分析：影響電阻值變化的因素：影響電阻值變化的因素：n電阻絲長(zhǎng)度

13、的變化電阻絲長(zhǎng)度的變化 ；n電阻絲面積的變化電阻絲面積的變化 ；n壓阻效應(yīng)的作用壓阻效應(yīng)的作用 。電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，因此通過(guò)測(cè)量應(yīng)電阻值的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，因此通過(guò)測(cè)量應(yīng)變變dl/l=便可測(cè)量電阻變化便可測(cè)量電阻變化dR/R，這便是應(yīng)變片，這便是應(yīng)變片的原理。若用無(wú)量綱因子的原理。若用無(wú)量綱因子Sg表征兩者的關(guān)系，則表征兩者的關(guān)系，則 Sg為應(yīng)變片系數(shù)或靈敏度為應(yīng)變片系數(shù)或靈敏度,金屬電阻絲的靈敏度常金屬電阻絲的靈敏度常在在1.74.0之中，常用的金屬材料有銀、鉻鎳合金、之中，常用的金屬材料有銀、鉻鎳合金、或鐵鎳合金等?；蜩F鎳合金等。 )E21 (1RdR(4.10)EldlR

14、dRSg121(4.11)應(yīng)變片的分類(lèi)：應(yīng)變片的分類(lèi)：n非粘貼式非粘貼式 ：幾乎都被用于傳感器應(yīng)用。：幾乎都被用于傳感器應(yīng)用。 圖圖4.3示出一種非粘貼式應(yīng)變儀，它采用一組連接成電示出一種非粘貼式應(yīng)變儀，它采用一組連接成電橋形式的預(yù)加載電阻絲。橋形式的預(yù)加載電阻絲。其中電橋的每根電橋臂的電阻值約為其中電橋的每根電橋臂的電阻值約為1201000，最大激勵(lì)電壓為最大激勵(lì)電壓為510V，滿量程輸出為，滿量程輸出為2050mV。 圖4.3 非粘貼式應(yīng)變儀 n粘貼式粘貼式 ：w粘貼式金屬絲應(yīng)變片可用于應(yīng)力分析，也可用作為傳粘貼式金屬絲應(yīng)變片可用于應(yīng)力分析，也可用作為傳感器。由于可測(cè)的電阻值變化要求導(dǎo)線長(zhǎng)

15、度很長(zhǎng)，因感器。由于可測(cè)的電阻值變化要求導(dǎo)線長(zhǎng)度很長(zhǎng)，因而要將導(dǎo)線按一定的形狀（通常為柵狀）曲折地貼在而要將導(dǎo)線按一定的形狀（通常為柵狀）曲折地貼在由浸漬過(guò)絕緣材料地紙襯或合成樹(shù)脂組成地載體上。由浸漬過(guò)絕緣材料地紙襯或合成樹(shù)脂組成地載體上。 圖4.4 金屬絲應(yīng)變片 圖4.5 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)縱截面情形 w金屬箔式應(yīng)變片：金屬箔式應(yīng)變片： a）、b）、c）敏感單方向上的應(yīng)變d）膜片應(yīng)變片e）三片式應(yīng)變花，60箔式平面型f）雙片式應(yīng)變花，90箔式疊合型g）三片式應(yīng)變花，45電阻絲式疊合型h）雙片式應(yīng)變花，90剪切式平面型圖4.6 不同的箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式 金屬薄膜應(yīng)變片 ： 采用汽相淀積法和離子濺射法直

16、接在襯底材料上形成，常用作傳感器。 薄膜應(yīng)變片的阻值和應(yīng)變片系數(shù)與粘貼式金屬箔應(yīng)變片的相似，但其時(shí)間和溫度穩(wěn)定性較好。 四、半導(dǎo)體應(yīng)變片四、半導(dǎo)體應(yīng)變片 n工作原理：半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)工作原理：半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng) 。壓阻效應(yīng)：?jiǎn)尉О雽?dǎo)體材料在沿某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻壓阻效應(yīng)：?jiǎn)尉О雽?dǎo)體材料在沿某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率率隨之發(fā)生變化。從半導(dǎo)體物理可知，單晶半導(dǎo)體在外力作用隨之發(fā)生變化。從半導(dǎo)體物理可知，單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子下，原子點(diǎn)陣排列規(guī)律會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致載流子遷移率及載流子濃度產(chǎn)生變化，從而引起電阻率的變化。濃度產(chǎn)生變化

17、，從而引起電阻率的變化。n分類(lèi)：分類(lèi)：wP型應(yīng)變片：在施加有效應(yīng)變時(shí)會(huì)增加其電阻值；型應(yīng)變片：在施加有效應(yīng)變時(shí)會(huì)增加其電阻值；wN型應(yīng)變片：在施加有效應(yīng)變時(shí)會(huì)減少其阻值。型應(yīng)變片：在施加有效應(yīng)變時(shí)會(huì)減少其阻值。 n特點(diǎn)：具有很高的應(yīng)變片系數(shù)，一般可高達(dá)特點(diǎn)：具有很高的應(yīng)變片系數(shù)，一般可高達(dá)150左右。左右。 圖4.7 不同類(lèi)型的半導(dǎo)體應(yīng)變儀1硅棒 2引線帶 3塑料載體 4P型硅 5N型硅 n半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化主要由公式變化主要由公式（4.10）右邊的）右邊的(1+2)項(xiàng)決定；項(xiàng)決定；n缺點(diǎn)：缺點(diǎn)：w溫度靈敏度高；溫度靈敏度高；w非線性；非線性；w安裝困難。安裝困難。 n半

18、導(dǎo)體膜片式絕對(duì)壓半導(dǎo)體膜片式絕對(duì)壓力傳感器力傳感器 ：圖4.8 半導(dǎo)體膜片式絕對(duì)壓力傳感器 五、應(yīng)變片的誤差及其補(bǔ)償五、應(yīng)變片的誤差及其補(bǔ)償 溫度是影響應(yīng)變片精度的主要因素溫度是影響應(yīng)變片精度的主要因素 1.溫度變化引起應(yīng)變片本身電阻的變化溫度變化引起應(yīng)變片本身電阻的變化 式中式中RT溫度變化引起的電阻變化值；溫度變化引起的電阻變化值； f金屬應(yīng)變片電阻溫度系數(shù)金屬應(yīng)變片電阻溫度系數(shù) ； T溫度變化度數(shù)。溫度變化度數(shù)。由該電阻值的變化折算成應(yīng)變值為由該電阻值的變化折算成應(yīng)變值為 TRRfTgfgTTSTSRR1(4.12)2.金屬絲與襯底材料的線膨脹系數(shù)不同，從而在金屬絲與襯底材料的線膨脹系數(shù)

19、不同，從而在溫度變化時(shí)引起附加的應(yīng)變。溫度變化時(shí)引起附加的應(yīng)變。 金屬絲因溫度變化引起的應(yīng)變：金屬絲因溫度變化引起的應(yīng)變：襯底材料因溫度變化而引起的應(yīng)變襯底材料因溫度變化而引起的應(yīng)變 式中式中g(shù)和和s分別為金屬絲和襯底材料的線膨脹分別為金屬絲和襯底材料的線膨脹系數(shù)。當(dāng)時(shí)系數(shù)。當(dāng)時(shí)g s總附加應(yīng)變則為總附加應(yīng)變則為 3. 應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)隨溫度變化產(chǎn)生的變化較應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)隨溫度變化產(chǎn)生的變化較小，可以予以忽略。小，可以予以忽略。Tgg(4.13)Tss(4.14)Tsgsg)(4.15)TSTsggfta)(4.16)補(bǔ)償途徑：補(bǔ)償途徑：n應(yīng)變片溫度補(bǔ)償應(yīng)變片溫度補(bǔ)償 （如圖（如圖4.9所示）；所示）；n采用專(zhuān)門(mén)的、具有固有采用專(zhuān)門(mén)的、具有固有溫度補(bǔ)償功能的應(yīng)變片。溫度補(bǔ)償功能的應(yīng)變片。這種應(yīng)變片采用特別的這種應(yīng)變片采用特別的材料，這種