傳感器原理及電阻式傳感器

第六章傳感器原理6.1傳感器基本概念

6.1.1傳感器的定義與組成6.1.2傳感器的分類6.1.3傳感器的基本特性6.1傳感器基本概念6.1.1傳感器的定義與組成

一、傳感器的定義

傳感器（sensor）是把被測的物理量按一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的容易檢測、傳輸及處理的信號的裝置。它是實(shí)現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)。6.1.1傳感器的定義與組成

二.傳感器的組成傳感器通常由敏感元件、轉(zhuǎn)換器件和其他輔助器件組成。

敏感元件（Sensingelement）傳感器中直接感受被測量并輸出與被測量成確定關(guān)系的其他量的部分。

轉(zhuǎn)換元件（Transductionelement）能將敏感元件感受或響應(yīng)的被測量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測量的電信號部分。6.1.2傳感器的分類1.按工作原理分類參量傳感器發(fā)電傳感器特殊傳感器電阻式傳感器電容式傳感器電感式傳感器等熱電偶傳感器壓電式傳感器霍爾式傳感器等超聲波探頭激光檢測等6.1.2傳感器的分類2.按被測對象分類速度傳感器溫度傳感器壓力傳感器流量傳感器等3.傳感器與被測對象間的能量關(guān)系分類能量轉(zhuǎn)換型傳感器能量控制型傳感器6.1.2傳感器的分類

傳感器的分類方法很多，還有按信號變換特征、按傳感器輸出信號的形式、按傳感器工作的物理基礎(chǔ)等分類方法。6.1.3傳感器的基本特性一、傳感器的靜態(tài)特性二、傳感器的動態(tài)特性6.1.3傳感器的基本特性

一、靜態(tài)特性傳感器在被測量處于穩(wěn)定狀態(tài)的輸入—輸出關(guān)系。對于理想傳感器，其靜態(tài)特性可用麥克勞林技術(shù)表示：只有當(dāng)二階以上的項(xiàng)為0時(shí)，才滿足理想的線性關(guān)系。

6.1.3傳感器的基本特性

衡量傳感器靜態(tài)特性的重要指標(biāo)是線性度、靈敏度、精確度、重復(fù)性、遲滯性和分辨率。

1.線性度又稱非線性誤差、非線性度，它表示傳感器特性曲線與刻度直線的偏離程度（圖6.1）其表達(dá)式為：

線性度6.1.3傳感器的基本特性圖6.1傳感器的線性度

刻度直線（擬合方法）可用最小二乘法、端基法、切線法得到。6.1.3傳感器的基本特性

2.精確度

傳感器的精度是指測量結(jié)果的可靠程度，它以給定的準(zhǔn)確度表示重復(fù)某個(gè)讀數(shù)的能力，其誤差愈小，則精度愈高。一般用極限誤差或極限誤差與滿量程輸出之比的百分?jǐn)?shù)表示：精確度=（極限誤差/量程）*100%

在應(yīng)用中，為了簡化傳感器的精度的表示方法，引用了精度等級的概念，分為：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等級越小精度越高。6.1.3傳感器的基本特性

3.靈敏度表示在穩(wěn)定工作狀態(tài)下，傳感器輸出變化與引起此變化的輸入變化的比值，K為靈敏度，即

6.1.3傳感器的基本特性

4.重復(fù)性指在同一工作條件下，輸入量按同一方向在全量程范圍內(nèi)連續(xù)變動多次所得特性曲線的不一致性。特性曲線一致，則重復(fù)性好，測量誤差小。（圖6.2）右圖6.2重復(fù)性曲線6.1.3傳感器的基本特性5.遲滯性

在輸入量增加過程中測得的某一點(diǎn)輸出值，與在輸入減少過程測得的同一點(diǎn)值不一樣，這種現(xiàn)象稱為滯后。圖6.3曲線稱為滯環(huán)特性曲線。右圖6.3滯環(huán)特性曲線6.1.3傳感器的基本特性

6.分辨率傳感器能感測到的測量值的最小變化量，因?yàn)樽兓渴菬o窮的，小數(shù)點(diǎn)后面有無窮位，但傳感器測量的輸出并不是無窮的變化量都能分辨出來，能分辨的最小單位就是分辨率。

【例1】一光柵傳感器，測量長度10mm，最小測量距離0.1um，求分辨率。分辨率=（最小測量距離/測量長度）*100%=0.01%6.1.3傳感器的基本特性

二、動態(tài)特性指傳感器的輸出量對于隨時(shí)間變化的輸入量的響應(yīng)特性。傳感器的主要動態(tài)特性指標(biāo)有：（1）時(shí)域性能指標(biāo)采用瞬態(tài)響應(yīng)法（階躍響應(yīng)）（2）頻域性能指標(biāo)采用頻率響應(yīng)法（正弦響應(yīng)）6.2.1電阻式傳感器

電阻式傳感器是將被測非電量轉(zhuǎn)換成電阻值變化的器件或裝置。

被測量電阻式傳感器

電阻值

電阻式傳感器可以測量力、應(yīng)變、位移、加速度、扭矩、溫度等非電量參數(shù)。一般來說，電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，有的還適用于動態(tài)測量。6.2常用傳感器6.2.1電阻式傳感器

一、應(yīng)變片式傳感器二、壓阻式傳感器三、其他電阻傳感器6.2.1電阻式傳感器

一、應(yīng)變片式傳感器1.電阻應(yīng)變效應(yīng)長為L、截面積為A、電阻率為r的金屬或半導(dǎo)體絲，電阻為

若導(dǎo)線沿著軸線方向受到力的作用而產(chǎn)生變形，則其電阻值也隨之發(fā)生變化，這一現(xiàn)象稱為電阻應(yīng)變效應(yīng)。6.2.1電阻式傳感器

實(shí)驗(yàn)證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量?R/R與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變ε的關(guān)系在一定范圍內(nèi)是線性的，即

?R/R=Kε（K—電阻應(yīng)變片的靈敏度）

對于不同的金屬材料，K略微不同，一般為2左右。而對半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時(shí)，電阻率ρ會產(chǎn)生很大的變化，所以半導(dǎo)體材料靈敏度比金屬材料大十幾倍。6.2.1電阻式傳感器

由材料力學(xué)可知，ε=F/(AE),則?R/R又可表示為?R/R=K(F/AE)

若應(yīng)變片的靈敏度K和試件的橫截面積A以及彈性模量E均為已知，則只要測出?R/R的數(shù)值，即可知試件受力F的大小。例如可用于電子稱的稱重。6.2.1電阻式傳感器

2.應(yīng)變片的類型結(jié)構(gòu)金屬應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬絲式箔式薄膜式6.2.1電阻式傳感器

3.金屬應(yīng)變片

（1）金屬絲式金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但價(jià)格便宜，多用于應(yīng)力、應(yīng)變的大批量、一次性試驗(yàn)。如圖6.4所示6.2.1電阻式傳感器圖6.4絲式電阻應(yīng)變片l

稱應(yīng)變片的標(biāo)距或工作基長；b稱應(yīng)變片的工作寬度6.2.1電阻式傳感器

電阻絲較細(xì)，直徑一般在0.015～0.06mm，兩端焊有較粗的低阻鍍錫銅絲(直徑為0.1～0.2mm)作為引線，以便與測量電路連接。應(yīng)變片的規(guī)格一般是以使用面積和電阻來表示的，如PJ-120型金屬電阻應(yīng)變片的規(guī)格為13mm×5mm，120W。6.2.1電阻式傳感器

（2）箔式箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。如圖6.5所示圖6.5箔式應(yīng)變片6.2.1電阻式傳感器

箔式應(yīng)變片與金屬絲式應(yīng)變片相比有如下特點(diǎn)：

①敏感柵尺寸準(zhǔn)確、線條均勻，大批量生產(chǎn)時(shí)電阻值離散程度小?？筛鶕?jù)不同測量要求制成任意形狀。

②可制成基長很小的應(yīng)變片。

③敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可忽略。6.2.1電阻式傳感器

④箔式應(yīng)變片表面積大，散熱性能好，在相同斷面積情況下能通過較大的工作電流，從而能增大輸出信號。

⑤疲勞壽命長，機(jī)械滯后小，蠕變小。

⑥便于批量生產(chǎn)，而且生產(chǎn)效率高。6.2.1電阻式傳感器（3）薄膜式它是采用真空濺射或真空沉積等鍍膜技術(shù)將應(yīng)變電阻材料鍍在基底材料上而形成的(厚度在零點(diǎn)幾nm到幾百nm)。這類應(yīng)變片的顯著特點(diǎn)是靈敏系數(shù)大，允許的電流密度大，工作溫度范圍廣(－197～317℃)，也可用于核輻射等特殊情況下，易實(shí)現(xiàn)工業(yè)化批量生產(chǎn)。6.2.1電阻式傳感器

4.半導(dǎo)體式應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片分為體型和擴(kuò)散型。

①體型：利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成。如圖6.6所示

②擴(kuò)散型：在半導(dǎo)體材料的基片上利用集成電路工藝制成。圖6.6體型半導(dǎo)體式應(yīng)變片6.2.1電阻式傳感器半導(dǎo)體應(yīng)變片有如下優(yōu)點(diǎn)：

①靈敏度高。

②體積小，耗電省。

③具有兩種符號的應(yīng)力效應(yīng)(即在拉伸時(shí)P型硅應(yīng)變片的靈敏系數(shù)為正值，N型硅的為負(fù)值)。

主要缺點(diǎn)是受溫度的影響大、非線性嚴(yán)重。6.2.1電阻式傳感器

5.電阻應(yīng)變片的性能參數(shù)

（1）電阻值：是指應(yīng)變片在安裝前及室溫下測定的電阻值，也稱為初始電阻值。120Ω和350Ω應(yīng)用較多。（2）幾何參數(shù)：敏感柵基長1和寬度b，制造廠常用b*1表示。（3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變片變換性能的重要參數(shù)。（4）絕緣電阻：應(yīng)變片與試件間的阻值，越大越好。一般大于1010Ω。（5）其他性能參數(shù)（允許電流、工作溫度、應(yīng)變極限、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命）6.2.1電阻式傳感器

6.應(yīng)變片基本工作特性（1）橫向效應(yīng)

將電阻絲繞成敏感柵后，雖然長度不變，但其直線段和圓弧段的應(yīng)變狀態(tài)不同，其靈敏系數(shù)較整長電阻絲的靈敏系數(shù)小，該現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。上圖為橫向效應(yīng)的原理圖。6.2.1電阻式傳感器

（2）溫度效應(yīng)把應(yīng)變片安裝在自由膨脹的試件上，即使試件不受任何外力作用，如果環(huán)境溫度發(fā)生變化，應(yīng)變片的電阻也將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。由溫度變化引起的應(yīng)變輸出稱為熱輸出，它是虛假應(yīng)變，在測量中須設(shè)法予以消除。6.2.1電阻式傳感器

產(chǎn)生溫度誤差的原因主要有兩個(gè)：

①敏感柵金屬絲本身的電阻隨溫度變化。②由于敏感柵材料的線膨脹系數(shù)b與試件材料的線膨脹系數(shù)b不同引起附加變形而使電阻變化6.2.1電阻式傳感器

（3）蠕變和零漂粘貼在試件上的應(yīng)變片，在恒溫恒載條件下，指示應(yīng)變量隨時(shí)間單向變化的特性稱為蠕變。當(dāng)試件初始空載時(shí)，應(yīng)變片示值仍會隨時(shí)間變化的現(xiàn)象稱為零漂。6.2.1電阻式傳感器

（4）滯后

恒溫條件下，試件承受加/卸載特性曲線不重合的特性。這種不重合性用滯后來衡量。實(shí)測中，可在測試前通過多次重復(fù)預(yù)加、卸載，來減小機(jī)械滯后產(chǎn)生的誤差

6.2.1電阻式傳感器

7.測量橋路（1）單臂半橋

R1為應(yīng)變片，其余電阻為固定電阻。6.2.1電阻式傳感器

（2）雙臂半橋

R1、R2為應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻。應(yīng)變片R1、R2感受到的應(yīng)變以及產(chǎn)生電阻增量正負(fù)號相間，可以使輸出電壓成倍增大。6.2.1電阻式傳感器

（3）四臂全橋全橋的四個(gè)橋臂均為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1~R4產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號相間，即可使輸出電壓成倍增大6.2.1電阻式傳感器

（4）橋路溫度補(bǔ)償原理環(huán)境溫度升高時(shí)，橋臂上的應(yīng)變片溫度同時(shí)升高，溫度引起的電阻值漂移數(shù)值一致，可以互相抵消，所以全橋溫漂較??；雙臂半橋也同樣能克服溫漂。6.2.1電阻式傳感器8.應(yīng)變片的應(yīng)用應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼與某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。第二類是將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。6.2.1電阻式傳感器a)柱式傳感器b)梁式傳感器c）輪輻式傳感器圖6.7各類應(yīng)變式傳感器6.2.1電阻式傳感器圖6.8懸臂梁式傳感器實(shí)物6.2.1電阻式傳感器圖6.9稱重傳感器實(shí)物6.2.1電阻式傳感器實(shí)例：例1應(yīng)變式傳感器測量位移應(yīng)變式位移傳感器是把被測位移量變換為彈性元件的應(yīng)變，通過測量應(yīng)變間接求得位移。圖6.10彈簧組合式位移傳感器6.2.1電阻式傳感器

如圖6.10所示，以彈簧組合式位移傳感器為例，梁彎曲產(chǎn)生的應(yīng)變與測桿的位移呈線性關(guān)系。測桿位移包括懸臂梁端部位移量y1和彈簧伸長量y2兩部分，即y＝y(tǒng)1＋y2。根據(jù)應(yīng)變量的讀數(shù)值，可求得位移y。6.2.1電阻式傳感器

例2.應(yīng)變式傳感器測量加速度

在懸臂梁1的自由端固定一質(zhì)量塊3。當(dāng)殼體4與待測物一起作加速運(yùn)動時(shí)，梁在質(zhì)量塊慣性力的作用下發(fā)生變形，使粘貼于其上的應(yīng)變片2阻值變化。檢測阻值的變化可求得待測物的加速度。1423圖6.11應(yīng)變式加速度傳感器6.2.1電阻式傳感器例3.橋梁固有頻率測量。圖6.12固有頻率測量波形6.2.1電阻式傳感器例4.應(yīng)變式數(shù)