傳感器與檢測(cè)技術(shù)完整版

25.04.2020,.,1,上節(jié)回顧:1.檢測(cè)技術(shù)的基本概念及方法2.傳感器的發(fā)展3.傳感器的分類和基本特性,25.04.2020,.,2,1.4.2誤差的表示方法,絕對(duì)誤差和修正值的量綱必須與示值量綱相同。絕對(duì)誤差可表示測(cè)量值偏離實(shí)際值的程度，但不能表示測(cè)量的準(zhǔn)確程度。,（1）絕對(duì)誤差,AxA0,修正值C,C=,當(dāng)AxA0時(shí)，為正誤差；反之為負(fù)誤差。,A0Ax+C,25.04.2020,.,3,（2）相對(duì)誤差,實(shí)際相對(duì)誤差,示值(標(biāo)稱)相對(duì)誤差,滿度（引用）相對(duì)誤差,25.04.2020,.,4,1.4.3準(zhǔn)確度,傳感器和測(cè)量?jī)x表的誤差是以準(zhǔn)確度表示的。準(zhǔn)確度常用最大引用誤差來(lái)定義,它表示傳感器的最大相對(duì)誤差為S%。,儀表引起的最大測(cè)量相對(duì)誤差為,如壓力傳感器的準(zhǔn)確度等級(jí)分別為0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0等；我國(guó)電工儀表的準(zhǔn)確度等級(jí)分別為0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。,某0.1級(jí)壓力傳感器的量程為100MPa，測(cè)量50MPa壓力時(shí)，傳感器引起的最大相對(duì)誤差為,0.2%。,25.04.2020,.,5,本節(jié)主要內(nèi)容:,25.04.2020,.,6,第一節(jié)電阻應(yīng)變式傳感器,25.04.2020,.,7,一、工作原理應(yīng)變片的工作原理,金屬絲受拉時(shí)，l變長(zhǎng)、r變小，導(dǎo)致R變大。,25.04.2020,.,8,二、應(yīng)變片的工作原理,設(shè)有一長(zhǎng)度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為的金屬單絲，它的電阻值R可表示為當(dāng)沿金屬絲的長(zhǎng)度方向作用均勻拉力（或壓力）時(shí)，上式中、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時(shí)，l將變長(zhǎng)、r變小，均導(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉時(shí)，將變大，導(dǎo)致R變大。實(shí)驗(yàn)證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化量RR與材料力學(xué)中的軸向應(yīng)變x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即,K電阻應(yīng)變片的靈敏度,25.04.2020,.,9,二、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu),應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。目前箔式應(yīng)變片應(yīng)用較多。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(shì)。但其價(jià)格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗(yàn)。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。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長(zhǎng)時(shí)間測(cè)量時(shí)的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對(duì)金屬箔式應(yīng)變片進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚恚蛊渚€脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器中。,25.04.2020,.,10,箔式應(yīng)變片的外形,25.04.2020,.,11,半導(dǎo)體應(yīng)變片及金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu),半導(dǎo)體應(yīng)變片外形,金屬絲式應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu),25.04.2020,.,12,應(yīng)變片主要性能指標(biāo)舉例,上表中，哪幾個(gè)型號(hào)是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？,25.04.2020,.,13,應(yīng)變片的粘貼：1.去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。,25.04.2020,.,14,2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。,25.04.2020,.,15,3.測(cè)量：從分開的端子處，預(yù)先用萬(wàn)用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。,25.04.2020,.,16,4.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來(lái)，注意不要把端子扯斷。,25.04.2020,.,17,5.固定：焊接后用膠布將引線和被測(cè)對(duì)象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。,25.04.2020,.,18,三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路不平衡電橋,金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測(cè)量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。例如，有一金屬箔式應(yīng)變片，標(biāo)稱阻值R0為100，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R的變化量?jī)H為0.2，所以必須使用不平衡電橋來(lái)測(cè)量這一微小的變化量。下面分析該橋式測(cè)量轉(zhuǎn)換電路是如何將R/R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo的。,25.04.2020,.,19,三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路不平衡電橋,25.04.2020,.,20,電橋平衡的條件：R1/R2=R4/R3,調(diào)節(jié)RP，最終可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并聯(lián)RP后的等效電阻），電橋趨于平衡，Uo被預(yù)調(diào)到零位，這一過程稱為調(diào)零。圖中的R5是用于減小調(diào)節(jié)范圍的限流電阻。,25.04.2020,.,21,單臂電橋,全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。,25.04.2020,.,22,雙臂電橋,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12以及產(chǎn)生的電阻增量正負(fù)號(hào)相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。,25.04.2020,.,23,四臂全橋,全橋的四個(gè)橋臂都為應(yīng)變片，如果設(shè)法使試件受力后，應(yīng)變片R1R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變14）正負(fù)號(hào)相間，就可以使輸出電壓Uo成倍地增大。上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。,25.04.2020,.,24,全橋的溫度補(bǔ)償原理,當(dāng)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，可以相互抵消，所以全橋的溫漂較??；半橋也同樣能克服溫漂。,25.04.2020,.,25,25.04.2020,.,26,四、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用,應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測(cè)量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測(cè)量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測(cè)量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應(yīng)變片，測(cè)量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；第二類是將應(yīng)變片貼于被測(cè)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(cè)試件的應(yīng)變量。,25.04.2020,.,27,應(yīng)變式力傳感器,應(yīng)變式力傳感器,F,F,F,F,25.04.2020,.,28,各種懸臂梁,F,F,固定點(diǎn),固定點(diǎn),電纜,應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置,F,應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）,F,F,荷重傳感器原理演示,荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長(zhǎng)。,汽車衡稱重系統(tǒng),電子天平,電子天平的精度可達(dá)十萬(wàn)分之一,人體秤,應(yīng)變式數(shù)顯扭矩扳手,可用于汽車、摩托車、飛機(jī)、內(nèi)燃機(jī)、機(jī)械制造和家用電器等領(lǐng)域，準(zhǔn)確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量10mA，有公制/英制單位轉(zhuǎn)換、峰值保持、自動(dòng)斷電等功能。,25.04.2020,.,36,第二節(jié)壓阻式固態(tài)壓力傳感器利用半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)和集成電路擴(kuò)散工藝制作的，四個(gè)半導(dǎo)體應(yīng)變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。,25.04.2020,.,37,壓阻式固態(tài)壓力傳感器內(nèi)部結(jié)構(gòu),信號(hào)處理電路,25.04.2020,.,38,小型壓阻式固態(tài)壓力傳感器,高壓進(jìn)氣口,低壓進(jìn)氣口,絕對(duì)壓力傳感器,25.04.2020,.,39,投入式液位計(jì),壓阻式固態(tài)壓力傳感器用于投入式液位計(jì)：p1的進(jìn)氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導(dǎo)壓力而與液體相通。,25.04.2020,.,40,投入式液位傳感器投入式液位傳感器安裝方便，適應(yīng)于深度為幾米至幾十米，且混有大量污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測(cè)量。,25.04.2020,.,41,電阻應(yīng)變儀,下圖所示的靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量范圍：19999；分辨率：1；電橋電壓：直流2.5V；應(yīng)變片：120或其他阻值；測(cè)量點(diǎn)數(shù)：8/16點(diǎn)；,25.04.2020,.,42,與計(jì)算機(jī)接口的多路電阻應(yīng)變測(cè)量模塊,25.04.2020,.,43,材料應(yīng)變的測(cè)量,斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測(cè)試,25.04.2020,.,44,第三節(jié)測(cè)溫?zé)犭娮鑲鞲衅?一、金屬熱電阻,溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動(dòng)加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時(shí)的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢(shì)相同。,25.04.2020,.,45,取一只100W/220V燈泡，用萬(wàn)用表測(cè)量其電阻值，可以發(fā)現(xiàn)其冷態(tài)阻值只有幾十歐姆，而計(jì)算得到的額定熱態(tài)電阻值應(yīng)為484。,25.04.2020,.,46,易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻,25.04.2020,.,47,表2-2熱電阻的主要技術(shù)性能,25.04.2020,.,48,薄膜型及普通型鉑熱電阻,25.04.2020,.,49,小型鉑熱電阻,25.04.2020,.,50,防爆型鉑熱電阻,25.04.2020,.,51,汽車用水溫傳感器及水溫表,銅熱電阻,25.04.2020,.,52,學(xué)習(xí)查“鉑熱電阻分度表”,附錄鉑熱電阻分度表,25.04.2020,.,53,25.04.2020,.,54,鉑電阻溫度顯示、變送器,25.04.2020,.,55,可設(shè)定溫度的溫度控制箱,旋轉(zhuǎn)式機(jī)械設(shè)定開關(guān),撥碼式設(shè)定開關(guān),25.04.2020,.,56,25.04.2020,.,57,熱敏電阻,熱敏電阻有負(fù)溫度系數(shù)（NTC）和正溫度系數(shù)（PTC）之分。NTC又可分為兩大類：第一類用于測(cè)量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴(yán)格的負(fù)指數(shù)關(guān)系；第二類為突變型（CTR）。當(dāng)溫度上升到某臨界點(diǎn)時(shí)，其電阻值突然下降。,25.04.2020,.,58,熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號(hào),a）圓片型熱敏電阻b）柱型熱敏電阻c）珠型熱敏電阻d）鎧裝型e）厚膜型f）圖形符號(hào)1熱敏電阻2玻璃外殼3引出線4紫銅外殼5傳熱安裝孔,25.04.2020,.,59,下圖所示的五根曲線分別為哪一種熱敏電阻？,12345,25.04.2020,.,60,熱敏電阻外形,MF12型NTC熱敏電阻,聚脂塑料封裝熱敏電阻,25.04.2020,.,61,其他形式的熱敏電阻,玻璃封裝NTC熱敏電阻,MF58型熱敏電阻,25.04.2020,.,62,其他形式的熱敏電阻,帶安裝孔的熱敏電阻,大功率PTC熱敏電阻,25.04.2020,.,63,其他形式的熱敏電阻（