第6次課 機(jī)械、電阻式傳感器及電橋、運(yùn)算放大器

1、本章學(xué)習(xí)要求：1、掌握各種電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及工作原理。2、掌握各類電感式傳感器的構(gòu)成、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、工作原理及 特性。3、掌握各種電容式傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，熟悉電容式傳感器的絕緣及屏蔽等保護(hù)措施。4、掌握半導(dǎo)體傳感器的結(jié)構(gòu)和工作原理，并能進(jìn)行相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)分析。5、掌握壓電式傳感器的工作原理，熟悉壓電式傳感器的工作特點(diǎn)。6、掌握光纖傳感器的工作原理。7、學(xué)會(huì)各種傳感器的選擇及使用方法。第三章 常用傳感器與敏感元件一 、傳感器概述1. 傳感器定義 傳感器是能將所感受到的物理量（如力，熱，光，聲等）轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的量（一般是電學(xué)量）的一類元件。 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義

2、上講，傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。物理量(非電量)電量傳感器2. 傳感器的作用（1）它相當(dāng)于我們的感覺器官 被測(cè)物理量進(jìn)行轉(zhuǎn)換成易測(cè)或易傳輸?shù)男盘?hào)（2）是人類感官的延伸：熱電偶測(cè)量高溫 測(cè)量?jī)x器與被測(cè)事物之間的接口（3）傳感器技術(shù)曾是20世紀(jì)90年代的關(guān)鍵技術(shù)之一，是生 產(chǎn)過程自動(dòng)控制和智能化的重要因素。3. 傳感器的分類(1)按被測(cè)物理量分類:(2)按傳感器工作原理分類:(3)按信號(hào)變換特征:(4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系:(5)按輸出信號(hào)分類：位移,力,溫度等.機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.物性型,結(jié)構(gòu)型.能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.模擬式,數(shù)字式.A 物性型

3、與結(jié)構(gòu)型傳感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換. 例如:水銀溫度計(jì),壓電測(cè)力計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變. 例如:電容式和電感式傳感器.B 能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型傳感器能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化. 例如:電阻應(yīng)變計(jì)中電阻接入電橋上，電橋工作能源由直流電源或交流電源供給，而由被測(cè)量變化（如力、壓力）引起應(yīng)變片電阻變化來控制電橋輸出。4. 常見的被測(cè)物理量機(jī)械量:長(zhǎng)度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù), 質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力

4、矩,風(fēng)速,流速, 流量;聲: 聲壓,噪聲;磁: 磁通,磁場(chǎng);溫度: 溫度,熱量,比熱;光： 亮度，色彩;濕度二、 機(jī)械式傳感器1、機(jī)械式傳感器：將被測(cè)量如力、壓力、溫度等物理量變換為機(jī)械量（彈性元件本身的彈性變形）輸出的傳感器。 典型應(yīng)用例子有：用于測(cè)力或稱重的環(huán)形測(cè)力計(jì)、彈簧秤等；用于測(cè)量流體壓力的波紋膜片、波紋管等；用于溫度測(cè)量的雙金屬片等。a) 測(cè)力計(jì)b) 壓力計(jì)c) 溫度計(jì)優(yōu)點(diǎn)：機(jī)械式傳感器做成的機(jī)械式指示儀表具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)：但彈性變形不易大，以減小線性誤差。此外，由于放大和指示環(huán)節(jié)多為機(jī)械傳動(dòng)，不僅受間隙影響，而且慣性大，固有頻率低，只宜

5、用于檢測(cè)緩變或靜態(tài)被測(cè)量。敏感元件（彈性體）機(jī)械放大指示系統(tǒng)輸入量輸出量彈性變形力壓力溫度.輸出2、機(jī)械式傳感器的特點(diǎn)3、選擇與應(yīng)用為了提高測(cè)量的頻率范圍，可先用彈性元件將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成位移量，然后用其他形式的傳感器（如電阻、電容式等）將位移量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。彈性元件具有蠕變、彈性后效等現(xiàn)象。 材料的蠕變（蠕變：應(yīng)力不變的條件下，應(yīng)變隨時(shí)間延長(zhǎng)而增加的現(xiàn)象。它與塑性變形不同，塑性變形通常在應(yīng)力超過彈性極限之后才出現(xiàn)，而蠕變只要應(yīng)力的作用時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，它在應(yīng)力小于彈性極限時(shí)也能出現(xiàn)。）與承載時(shí)間、載荷大小、環(huán)境溫度等因素有關(guān)； 而彈性后效加載（或卸載）后經(jīng)過一段時(shí)間應(yīng)變才增加（或減?。┑揭欢〝?shù)值的

6、現(xiàn)象。彈性后效發(fā)生在彈性蠕變之后，二者都是在彈性范圍內(nèi)表現(xiàn)出應(yīng)變的弛豫現(xiàn)象，統(tǒng)稱為滯彈性。 與材料應(yīng)力松弛和內(nèi)阻尼等因素有關(guān)。這些現(xiàn)象最終都會(huì)影響到輸出與輸入的線性關(guān)系。 故選用彈性元件時(shí)，應(yīng)從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和處理工藝等方面采取有效措施。微型探測(cè)開關(guān)-機(jī)械傳感器,在自動(dòng)檢測(cè)、自動(dòng)控制技術(shù)中廣泛應(yīng)用。這種開關(guān)能把物體的運(yùn)動(dòng)、位置或尺寸變化，轉(zhuǎn)換為接通、斷開信號(hào)。三 、 電阻式傳感器定義：電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。按工作的原理可分為:變阻器式和電阻應(yīng)變式。它通過改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。1、變阻器式傳感器（電位計(jì)式傳感器） （1）直線位移型變阻器式 當(dāng)

7、導(dǎo)線分布均勻時(shí)， 為一常數(shù)。此時(shí)傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）呈線性關(guān)系。 1）分類x（2）角位移型變阻器式 當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí)， ka 為一常數(shù)。此時(shí)傳感器的輸出（電阻）與輸入（位移）呈線性關(guān)系。k單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值傳感器靈敏度（3）非線性變阻器式傳感器 變阻器式傳感器的后接電路，一般采用電阻分壓電路。在直流激勵(lì)電壓u0作用下，該傳感器將位移變成輸出電壓的變化。 x（4）等效電路分析132xxp312x-電刷移動(dòng)量。Rp-總電阻; xp-變阻器總長(zhǎng); RL負(fù)載電阻;優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、尺寸小、重量輕、價(jià)格低廉且性能穩(wěn)定；受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場(chǎng)干擾等)影響小；(3) 可以實(shí)現(xiàn)輸出輸入

8、間任意函數(shù)關(guān)系；(4) 輸出信號(hào)大，一般不需放大。缺點(diǎn)：(1) 因?yàn)榇嬖陔娝⑴c線圈或電阻膜之間摩擦，因此需要較大的輸入能量； 由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會(huì)降低測(cè)量精度，所以分辨力較低； 動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測(cè)量變化較緩慢的量。 2）變阻器式傳感器的優(yōu)、缺點(diǎn):3）變阻器式傳感器的應(yīng)用變阻器式傳感器常用來測(cè)量位移、壓力、加速度等參量。用變阻器式傳感器制作的位移傳感器的結(jié)構(gòu)圖如下圖所示。被測(cè)位移使測(cè)量軸沿導(dǎo)軌軸向移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。精密電阻與電位器電阻式電橋的兩個(gè)橋臂，構(gòu)成電橋測(cè)量電路。 案例：電位器式壓力傳感器原理原理用壓力轉(zhuǎn)換為位

9、移;再用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。案例：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼 ）原理直接將關(guān)節(jié)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)角度變化轉(zhuǎn)換為電阻器阻值變化 金屬電阻應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片2、 電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片 應(yīng)變片種類：1）金屬電阻應(yīng)變片 金屬絲式、箔式橫向效應(yīng)：電阻絲的電阻會(huì)因橫向縮短的作用而減小，從而給測(cè)量帶來誤差，這種效應(yīng)被稱為橫向效應(yīng)。金屬絲式：如右圖所示 其缺點(diǎn)是：各片之間電阻值相差較大，橫向效應(yīng)較大1-基片；2-電阻絲；3-覆蓋片；4-引線 其性能要大大優(yōu)于絲式應(yīng)變片，其電阻值的偏差很小，橫向效應(yīng)也大大低于絲式應(yīng)變片；且可以作成特殊形式，因此得到了廣泛的應(yīng)用。 2）半導(dǎo)體應(yīng)變片優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、體積小

10、、機(jī)械滯后小及橫向效應(yīng)幾乎為零等；缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差。金屬箔式應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片：應(yīng)變片的電阻R為 工作原理 1）金屬電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)。一般用Sg=(dR/R)/表征電阻應(yīng)變片的靈敏度。則得到由由上可知，由應(yīng)力引起的金屬材料的電阻變化是由兩個(gè)因素所決定的： 一 受力后材料的幾何尺寸變化所引起的(1+2v)項(xiàng)； 二 電阻變化率所引起的 。對(duì)于大多數(shù)作為應(yīng)變金屬絲的材料來說，在其彈性范圍內(nèi)， (1+2v)為常數(shù)，即Sg（常數(shù)）=（1.73.6）。即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著它所受機(jī)械變形(伸長(zhǎng)或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。該式表示金

11、屬導(dǎo)體的電阻變化率與應(yīng)變成線性關(guān)系。2）半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片的工作原理是壓阻效應(yīng)。 所謂壓阻效應(yīng)是指沿半導(dǎo)體材料的某一軸向施加一定的作用力而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，它的電阻率隨應(yīng)力變化而變化的一種效應(yīng)。即：代入可得：可知，半導(dǎo)體材料的電阻變化同樣是由兩個(gè)因素所決定的： 一 同樣為尺寸變化所致； 二 為半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)所引起。而且 E(1+2v),因此半導(dǎo)體材料的Sg E可見半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)主要取決于壓阻效應(yīng)。1) 金屬應(yīng)變計(jì)優(yōu)點(diǎn): 穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點(diǎn): 靈敏度系數(shù)小. 應(yīng)用2) 半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變 電阻的元件。缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。

12、二者區(qū)別：金屬電阻應(yīng)變計(jì)利用導(dǎo)體形變引起電阻的變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片利用半導(dǎo)體電阻率變化（壓阻效應(yīng)）引起電阻的變化。由懸臂梁、質(zhì)量塊、基座組成。測(cè)量時(shí)，基座固定在振動(dòng)體上，振動(dòng)加速度使質(zhì)量塊產(chǎn)生慣性力，懸臂梁則相當(dāng)于慣性系統(tǒng)的“彈簧”，在慣性力作用下產(chǎn)生彎曲變形。因此，梁的應(yīng)變?cè)谝欢ǖ念l率范圍內(nèi)與振動(dòng)體的加速度成正比。 3）加速度傳感器圖中給出應(yīng)變式力傳感器的彈性敏感元件和粘貼在彈性敏感元件上的應(yīng)變片。a柱形彈性元件b圓環(huán)形彈性元件c兩端固支梁彈性元件d等強(qiáng)度懸臂梁 彈性元件圖中給出應(yīng)變式壓力傳感器的彈性敏感元件和粘貼在彈性敏感元件上的應(yīng)變片。應(yīng)變式壓力傳感器原理a平膜片式彈性元件b 圓筒形彈性元件c膜片-圓筒形式彈性元件12345 應(yīng)變式傳感器測(cè)量電路應(yīng)變式傳感器彈性元件上粘貼的應(yīng)變片絕大多數(shù)都是金屬應(yīng)變片，由于它的靈敏度系數(shù)很小（k2），即使彈性元件受力后產(chǎn)生的應(yīng)變達(dá)到1000u,此時(shí)應(yīng)變片電阻值的相對(duì)