機(jī)械測試技術(shù)基礎(chǔ)：第3章 傳感器1 2

1、 （1）傳感器的傳感原理）傳感器的傳感原理 （2）傳感器的特性）傳感器的特性 （3）傳感器的應(yīng)用）傳感器的應(yīng)用 第三章第三章 傳感器傳感器 3.1 概述概述 敏感元件敏感元件：直接感受被測物理量并對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換的元件或單元。：直接感受被測物理量并對其進(jìn)行轉(zhuǎn)換的元件或單元。傳感器傳感器：敏感元件及其相關(guān)的輔助元件和電路組成的整個裝置。：敏感元件及其相關(guān)的輔助元件和電路組成的整個裝置。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。傳感器處于測試與檢測裝置的輸入端，傳感器性能的優(yōu)劣直接傳感器處于測試與檢測裝置的輸入端，傳感器性能的優(yōu)劣直接 影響整個測試裝置的工作特性。影響整個測試裝置的工作特

2、性。 傳感器的分類：傳感器的分類： (1) 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一條直線，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，則稱該傳感器是線性傳感器，即則稱該傳感器是線性傳感器，即y=x0+kx。式中。式中x、y分別為傳分別為傳感器的感器的輸入與輸出，輸入與輸出，x0 x0為初始值，常數(shù)為初始值，常數(shù)k k 稱傳感系數(shù)、轉(zhuǎn)換比、稱傳感系數(shù)、轉(zhuǎn)換比、靈敏度或斜率。靈敏度或斜率。 (2) (2) 非線性傳感器非線性傳感器：特性曲線不是一條直線的傳感器。：特性曲線不是一條直線的傳感器。 (3) (3) 能量轉(zhuǎn)換型傳感器（亦稱有源傳感器）能量轉(zhuǎn)換型傳感器（

3、亦稱有源傳感器）：直接由被測對象輸：直接由被測對象輸入能量來使傳感器工作的。如熱電偶溫度計、彈性壓力計等等。入能量來使傳感器工作的。如熱電偶溫度計、彈性壓力計等等。 (4)(4) 能量控制型傳感器（亦稱無源傳感器能量控制型傳感器（亦稱無源傳感器,參數(shù)型參數(shù)型）：依靠外部：依靠外部提供輔助能源來工作，由被測量來控制該能量的變化。如電橋電阻提供輔助能源來工作，由被測量來控制該能量的變化。如電橋電阻應(yīng)變儀。應(yīng)變儀。 (5) 測物理量測物理量-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.(6) 結(jié)構(gòu)型傳感器結(jié)構(gòu)型傳感器：根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)變化來實現(xiàn)信號的傳：根據(jù)傳感器的結(jié)構(gòu)變化

4、來實現(xiàn)信號的傳感，如電容傳感器。感，如電容傳感器。(7) 物性型傳感器物性型傳感器：根據(jù)傳感器敏感元件材料本身物理特性：根據(jù)傳感器敏感元件材料本身物理特性的變化來實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。如壓力加速度計是利用了傳的變化來實現(xiàn)信號的轉(zhuǎn)換。如壓力加速度計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效應(yīng)，等等。受光照作用下改變其電阻的效應(yīng)，等等。 3.2 電阻式傳感器電阻式傳感器 1 電阻式傳感器：電阻式傳感器：將被測的量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓囊环N傳感器。將被測的量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮枳兓囊环N傳感器。 工作原理：工作原理：一個電導(dǎo)體的電阻

5、值：一個電導(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)體的長度導(dǎo)體的長度（m）；）； A導(dǎo)體的截面積（導(dǎo)體的截面積（mm2）。）。 改變長度改變長度l，則可形成滑動觸點式變阻器或電位計；，則可形成滑動觸點式變阻器或電位計； 改變改變l、A和和則可做成電阻應(yīng)變片；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)性光檢測器、壓阻應(yīng)變片、以及電阻，則可形成熱敏電阻、光導(dǎo)性光檢測器、壓阻應(yīng)變片、以及電阻式溫度檢測器。式溫度檢測器。 )(AlR(3.2-1) 2 滑動觸點式變阻器滑動觸點式變阻器 直線位移型：直線位移型：R=ktxkt為單位

6、長度中的電阻為單位長度中的電阻 。其靈敏度：其靈敏度：角位移型角位移型 靈敏度：靈敏度： 觸點轉(zhuǎn)角觸點轉(zhuǎn)角(rad)；kr單位弧度對應(yīng)的電阻值。單位弧度對應(yīng)的電阻值。碳膜或?qū)щ娝芰想娮柙?。碳膜或?qū)щ娝芰想娮柙?tdxdRksrkddRs圖圖3.2-1 變阻器式傳感器變阻器式傳感器 (3.2-2)(3.2-3)(3.2-4) 3、電阻應(yīng)變傳感器、電阻應(yīng)變傳感器 當(dāng)金屬電阻絲受拉或受壓時，電阻絲的長度和橫截面積將發(fā)生變化，且電當(dāng)金屬電阻絲受拉或受壓時，電阻絲的長度和橫截面積將發(fā)生變化，且電阻絲的電阻率也發(fā)生變化（這一現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)），因此導(dǎo)線的電阻值阻絲的電阻率也發(fā)生變化（這一現(xiàn)象稱為應(yīng)變

7、效應(yīng)），因此導(dǎo)線的電阻值發(fā)生變化。發(fā)生變化。 對式（對式（3.2-1）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(3.2-5)2(2322rdrdldlRdrrldrldlrdR(3.2-6)式中，式中， dl/l=為單位應(yīng)變；為單位應(yīng)變； dr/r為電阻絲徑向相對變化，它與為電阻絲徑向相對變化，它與dl/l之間的關(guān)系為之間的關(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變化，它與電阻絲縱向所受的反映了電阻絲的電阻率的相對變化，它與電阻絲縱向所受的應(yīng)力應(yīng)力有關(guān)：有關(guān)：

8、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(3.2-8)Ed11(3.2-9)將式（將式（3.2-8）和（）和（3.2-9）代入式（）代入式（3.2-7）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： 電阻絲長度的變化電阻絲長度的變化 ； 電阻絲面積的變化電阻絲面積的變化 ； 壓阻效應(yīng)的作用壓阻效應(yīng)的作用 。電阻值的相對變化與應(yīng)變成正比，因此通過測量應(yīng)變電阻值的相對變化與應(yīng)變成正比，因此通過測量應(yīng)變dl/l=便可測量電便可測量電阻變化阻變化dR/R，這便是應(yīng)變片的原理。若用無量綱因子，這便是應(yīng)變片的原理。若用無量綱

9、因子Sg表征兩者的關(guān)表征兩者的關(guān)系，則系，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在金屬電阻絲的靈敏度常在1.74.0之中，常用之中，常用的金屬材料有銀、鉻鎳合金、或鐵鎳合金的金屬材料有銀、鉻鎳合金、或鐵鎳合金等。等。 )E21 (1RdR(3.2-10)EldlRdRSg121(3.2-11)應(yīng)變片的分類：應(yīng)變片的分類： 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3.2-3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。預(yù)加載電阻絲。其中電橋的每根電橋臂的電阻值約

10、為其中電橋的每根電橋臂的電阻值約為1201000，最大激勵電，最大激勵電壓為壓為510V，滿量程輸出為，滿量程輸出為2050mV。 圖圖3.2-3 非粘貼式應(yīng)變儀非粘貼式應(yīng)變儀 粘貼式粘貼式 ： 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。由于可測的電阻值變化要求導(dǎo)線長度很長，因而要將導(dǎo)線按一定的形可測的電阻值變化要求導(dǎo)線長度很長，因而要將導(dǎo)線按一定的形狀（通常為柵狀）曲折地貼在由浸漬過絕緣材料地紙襯或合成樹狀（通常為柵狀）曲折地貼在由浸漬過絕緣材料地紙襯或合成樹脂組成地載體上。脂組成地載體上。 圖圖3.2-4 金屬絲應(yīng)變片金屬絲

11、應(yīng)變片 圖圖3.2-5 應(yīng)變片結(jié)構(gòu)縱截面情形應(yīng)變片結(jié)構(gòu)縱截面情形 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）敏感單方向上的應(yīng)變d）膜片應(yīng)變片）膜片應(yīng)變片e）三片式應(yīng)變花，）三片式應(yīng)變花，60箔式平面型箔式平面型f）雙片式應(yīng)變花，）雙片式應(yīng)變花，90箔式疊合型箔式疊合型g）三片式應(yīng)變花，）三片式應(yīng)變花，45電阻絲式疊電阻絲式疊 合型合型h）雙片式應(yīng)變花，）雙片式應(yīng)變花，90剪切式平面剪切式平面 型型圖圖3.2-6 不同的箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式不同的箔式應(yīng)變片結(jié)構(gòu)形式 金屬薄膜應(yīng)變片金屬薄膜應(yīng)變片 ： 采用汽相淀積法和離子濺射法直接在襯底材料上形成，常用作采用汽相淀

12、積法和離子濺射法直接在襯底材料上形成，常用作傳感器。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，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，但其時間和溫度穩(wěn)定性較好。但其時間和溫度穩(wěn)定性較好。 4、半導(dǎo)體應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片 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)：單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受外力作用時，其電阻率壓阻效應(yīng)：單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受外力作用時，其電阻率隨之隨之 發(fā)生變化。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，原子點陣排列規(guī)律會發(fā)生變從半導(dǎo)體物理可知，單晶半導(dǎo)體在外力作用下，原子點陣排列規(guī)律會

13、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?；?，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。分類：分類：P型應(yīng)變片：在施加有效應(yīng)變時會增加其電阻值；型應(yīng)變片：在施加有效應(yīng)變時會增加其電阻值；N型應(yīng)變片：在施加有效應(yīng)變時會減少其阻值。型應(yīng)變片：在施加有效應(yīng)變時會減少其阻值。 特點：具有很高的應(yīng)變片系數(shù)，一般可高達(dá)特點：具有很高的應(yīng)變片系數(shù)，一般可高達(dá)150左右。左右。 圖圖3.2-7 不同類型的半導(dǎo)體應(yīng)變儀不同類型的半導(dǎo)體應(yīng)變儀1硅棒硅棒 2引線帶引線帶 3塑料載體塑料載體 4P型硅型硅 5N型硅型硅 半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化主要半導(dǎo)體應(yīng)變片的電阻變化主

14、要由公式（由公式（3.2-10）右邊的）右邊的(1+2)項決定；項決定； 缺點：缺點： 溫度靈敏度高；溫度靈敏度高； 非線性；非線性； 安裝困難。安裝困難。 半導(dǎo)體膜片式絕對壓力傳感器半導(dǎo)體膜片式絕對壓力傳感器 ：圖3.2-8 半導(dǎo)體膜片式絕對壓力傳感器 5、應(yīng)變片的誤差及其補償、應(yīng)變片的誤差及其補償 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

15、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(3.2-12) (2)金屬絲與襯底材料的線膨脹系數(shù)不同，從而在溫度變化時引起金屬絲與襯底材料的線膨脹系數(shù)不同，從而在溫度變化時引起附加的應(yīng)變。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系數(shù)。當(dāng)時分別為金屬絲和襯底材料的線膨脹系數(shù)。當(dāng)時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)生的變化較小，可以予以忽略。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

16、以予以忽略。Tgg(3.2-13)Tss(3.2-14)Tsgsg)(3.2-15)TSTsggfta)(3.2-16)補償途徑：補償途徑：應(yīng)變片溫度補償應(yīng)變片溫度補償 （如圖（如圖3.2-9所所示）；示）；采用專門的、具有固有溫度補償采用專門的、具有固有溫度補償功能的應(yīng)變片。這種應(yīng)變片采用功能的應(yīng)變片。這種應(yīng)變片采用特別的材料，這種材料能使線膨特別的材料，這種材料能使線膨脹系數(shù)和電阻變化造成的效應(yīng)差脹系數(shù)和電阻變化造成的效應(yīng)差不多相互抵消，可得不多相互抵消，可得 gfsgS(3.2-17)圖3.2-9 應(yīng)變片溫度補償 應(yīng)變片測量的另一誤差來源則涉及到應(yīng)變片的大小與被測點的位應(yīng)變片測量的另一誤差來源則涉及到應(yīng)變片的大小與被測點的位置關(guān)系。置關(guān)系。 目前最小的應(yīng)變片長可做到目前最小的應(yīng)變片長可做到0.38mm。 應(yīng)變片也可被貼到曲面上，對某些應(yīng)變片來說，曲面的最小應(yīng)變片也可被貼到曲面上，對某些應(yīng)變片來說，曲面的最小安全彎曲半徑可小到安全彎曲半徑可小到1.5mm。 6、應(yīng)變片的粘貼、應(yīng)變片的粘貼 常用的粘接劑：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等；常用的粘接劑：環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂等； 高溫下：專用陶瓷粉末等無機(jī)粘接劑。高溫下：專用陶瓷粉末等無機(jī)粘接劑。 對粘接劑的要求：保證粘接面有足夠的強(qiáng)度、絕緣性能、抗蠕變、對粘接劑的要求：保證粘接面有足夠的強(qiáng)度、絕緣性能、抗蠕變