機械工程測試技術基礎

第三章常用傳感器與敏感元件1.傳感器的發(fā)展

人類為了從外界獲取信息,必須借助于感覺器官。人類依靠這些器官接受來自外界的刺激,再通過大腦分析判斷,發(fā)出命令而動作。隨著科學技術的發(fā)展和人類社會的進步,人類為了進一步認識自然和改造自然,只靠這些感覺器官就顯得很不夠了。于是,一系列代替、補充、延伸人的感覺器官功能的各種手段就應運而生,從而出現(xiàn)了各種用途的傳感器。傳感器的歷史可以追溯到遠古時代,公元前1000年左右,中國的指南針已開始使用。埃及王朝時代開始使用的天平,一直延用到現(xiàn)在。利用液體膨脹進行溫度測量在16世紀前后就已出現(xiàn)。19世紀建立了電磁學的基礎,當時建立的物理法則直到現(xiàn)在作為各種傳感器的工作原理仍在應用著。以電量作為輸出的傳感器，其發(fā)展歷史最短,但是隨著真空管和半導體等有源元件的可靠性的提高,這種傳感器得到飛速發(fā)展。目前只要提到傳感器,一般是指具有電輸出的裝置。由于集成電路技術和半導體應用技術的發(fā)展,研究開發(fā)了性能更好的傳感器。隨著電子設備水平不斷提高以及功能不斷加強,傳感器也越來越顯得重要。世界各國都將傳感器技術列為重點發(fā)展的高新技術,傳感器技術已成為高新技術競爭的核心技術之一,并且發(fā)展十分迅速。2．傳感器作用：~直接作用于被測量，并把它轉換成與之相應的、容易檢測、傳輸或處理的信號的裝置。①傳感器是人類感官的延伸a．視覺與光傳感器；b．聽覺與聲壓傳感器;c．觸覺與溫度和壓力傳感器；d．嗅覺與氣敏傳感器；②是現(xiàn)代測控系統(tǒng)的關鍵環(huán)節(jié)。敏感元件轉換元件基本轉換電路被測量電量RLC3．傳感器的基本組成：輸入P大氣壓殼體膜盒電感線圈磁芯基本轉換電路敏感元件轉換元件例：壓力傳感器：第一節(jié)常用傳感器的分類

結構型：依靠傳感器結構參數(shù)的變化而實現(xiàn)信號轉變的（電容，電感傳感器）物性型：依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化而實現(xiàn)信號轉變的（壓電，半導體傳感器）能量轉換型（無源傳感器）：直接由被測對象輸入能量使其工作的（壓電，磁電，光電）能量控制型（有源傳感器）：外部供給能量使傳感器工作的，并且由被測量來控制外部供給能量的變化。（電阻，電容，電感）位移速度加速度力溫度…….1.2.3.第二節(jié)機械式傳感器敏感元件（彈性體）機械放大指示系統(tǒng)輸入量輸出量彈性變形輸出力壓力溫度…...組成典型應用及特點：圖3-3圖3-4①測力計;②壓力計；③溫度計。①結構簡單，使用方便；價格低廉，讀數(shù)直觀。②機械式放大，指示系統(tǒng)使其慣性大，固有頻率低，故多用于靜態(tài)量或低頻變化量的測量。③彈性元件的蠕變，彈性后效現(xiàn)象會影響輸入，輸出的關系。第三節(jié)電阻式傳感器變阻器式傳感器金屬電阻應變式電阻應變式傳感器半導體應變式(固態(tài)壓阻式)基本原理：將被測物理量的變化轉換成電阻值的變化。一．變阻器式傳感器：1．工作原理：即。當電阻絲直徑A與材質(zhì)ρ一定時，的單值函數(shù)。2．直線位移型變阻器式傳感器：設電位計觸頭移動Δx，其相應電阻值變化ΔR，則：3．角位移型：同理，可得：4．非線性電位計：

5．電阻分壓電路：6．特點：①結構簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。②分辨力低，噪聲大。二．電阻應變式傳感器金屬電阻應變式半導體應變式1．電阻應變效應：~電阻絲在外力的作用下發(fā)生變形，其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象。當受到外力F作用，其R的變化：設一根電阻絲，未受力時的原始電阻值：

2．金屬電阻應變片：①工作原理：電阻相對變化率與應變成正比

②結構：絲式箔式a．絲式：四個基本部分組成：敏感柵（電阻絲）基片覆蓋層引出線b．箔式：特點：①光刻技術，應變花；②橫向效應?。虎凵釛l件好；④疲勞壽命長；⑤生產(chǎn)率高。

③材料：見表3--2。3．半導體應變片：①工作原理：“壓阻效應”~：單晶半導體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。特點：（1）靈敏度高；機械滯后小，橫向效應?。唬?）溫度穩(wěn)定性差；靈敏度離散度大；在較大應力作用下，非線性誤差大等。

膠膜襯底半導體敏感柵內(nèi)引線焊接端外引線②結構：③材料：見表3--3。P型硅單晶4.應變計的靈敏度系數(shù)金屬電阻絲的電阻相對變化與它所感受的應變之間具有線性關系,金屬絲做成應變計后,由于基片、粘合劑以及敏感柵的橫向效應,電阻應變特性與單根金屬絲將有所不同,必須重新用實驗來測定。實驗是按規(guī)定的統(tǒng)一標準進行的。電阻應變計貼在一維力作用下的試件上,例如受軸向拉壓的直桿、純彎梁等。實驗證明,電阻應變計的電阻相對變化ΔR/R與應變Δl/l=ε之間在很大范圍內(nèi)是線性的,即

式中,k為電阻應變計的靈敏度系數(shù)。因一般應變計粘貼到試件上后不能取下再用,只能在每批產(chǎn)品中提取一定百分比（如5%）的產(chǎn)品進行測定,取其平均值作為這一批產(chǎn)品的靈敏度系數(shù)。這就是產(chǎn)品包裝盒上注明的靈敏度系數(shù),或稱“標稱靈敏度系數(shù)”。5.橫向效應實驗表明,應變計的靈敏度k恒小于金屬線材的靈敏度系數(shù)k0。其原因除了粘合劑、基片傳遞變形失真外,主要是由于存在橫向效應。敏感柵由許多直線及圓角組成,如下圖所示。拉伸被測試件時,粘貼在試件上的應變計,被沿應變計長度方向拉伸,產(chǎn)生縱向拉伸應變εx,應變計直線段電阻將增加。但是在圓弧段上,沿各微段（圓弧的切向）的應變并不是εx,與直線段上同樣長的微段所產(chǎn)生的電阻變化不同。最明顯的是在θ=π/2垂直方向的微段,按泊松比關系產(chǎn)生壓應變-εy。該微段電阻不僅不增加,反而減少。在圓弧的其他各微段上,感受的應變是由+εx變化到-εy的。這樣,圓弧段的電阻變化,顯然將小于同樣長度沿x方向的直線段的電阻變化。因此,將同樣長的金屬線材做成敏感柵后,對同樣應變,應變計敏感柵的電阻變化較小,靈敏度有所降低。這種現(xiàn)象稱為應變計的橫向效應。6.7.

電阻應變儀

電阻應變儀是最早應用的,以應變計作為傳感元件的測量應力的專用儀器。電阻應變儀將電橋的微小輸出電壓放大、記錄和處理,從而得到待測應變值。其種類和型號很多,但基本原理相似,通常包括測量電橋、讀數(shù)電橋、放大器、相敏檢波器、濾波器、顯示器、穩(wěn)壓電源及振蕩器等部分。其方框圖如圖（3-11）所示。

以阻值R＝120Ω，靈敏度S＝2的電阻應變片與阻值為120Ω的固定電阻組成電橋，供橋電壓為3V，并假定負載無窮大，當應變片的應變?yōu)?με和2000με時，分別求出單臂和雙臂電橋的輸出電壓，并比較兩種情況下的靈敏度。

在材料為鋼的實心圓柱試件上，沿軸線和圓周方向各貼一片電阻為120Ω的金屬應變片