傳感器與檢測(cè)技術(shù)2

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2023/4/191傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(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Δ＝Ax－A0修正值CC=－Δ當(dāng)Ax＞A0時(shí)，為正誤差；反之為負(fù)誤差。A0

＝Ax+C2023/4/192傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)（2）相對(duì)誤差①實(shí)際相對(duì)誤差②示值(標(biāo)稱)相對(duì)誤差③滿度（引用）相對(duì)誤差2023/4/193傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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%。2023/4/194傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)本節(jié)主要內(nèi)容:2023/4/195傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)第一節(jié)電阻應(yīng)變式傳感器

2023/4/196傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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。2023/4/197傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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R

R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2023/4/198傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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?，使其線脹系數(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。2023/4/199傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)箔式應(yīng)變片的外形2023/4/1910傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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)2023/4/1911傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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？

2023/4/1912傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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。

2023/4/1913傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)

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。2023/4/1914傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)3.測(cè)量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測(cè)量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。2023/4/1915傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)

4.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

2023/4/1916傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)

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。

2023/4/1917傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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。

2023/4/1918傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)三、測(cè)量轉(zhuǎn)換電路——不平衡電橋

2023/4/1919傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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。

2023/4/1920傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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。2023/4/1921傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)

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1~2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。2023/4/1922傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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R1~

R4產(chǎn)生的電阻增量（或感受到的應(yīng)變1~4）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。2023/4/1923傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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。2023/4/1924傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)2023/4/1925傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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。

2023/4/1926傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)應(yīng)變式力傳感器

應(yīng)變式力傳感器

FFFF2023/4/1927傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)各種懸臂梁

FF固定點(diǎn)固定點(diǎn)電纜2023/4/1928傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2R4傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置（續(xù)）FF傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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)。

傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)汽車衡稱重系統(tǒng)傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)電子天平電子天平的精度可達(dá)十萬分之一傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)人體秤

傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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2~500N.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。傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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。

2023/4/1936傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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2023/4/1937傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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2023/4/1938傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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。

2023/4/1939傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)

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。

2023/4/1940傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)電阻應(yīng)變儀下圖所示的靜態(tài)應(yīng)變儀測(cè)量范圍：±19999με；分辨率：1με；電橋電壓：直流2.5V；

應(yīng)變片：120Ω或其他阻值；測(cè)量點(diǎn)數(shù)：8/16點(diǎn)；2023/4/1941傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)與計(jì)算機(jī)接口的多路電阻應(yīng)變測(cè)量模塊

2023/4/1942傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)材料應(yīng)變的測(cè)量斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測(cè)試

2023/4/1943傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)第三節(jié)測(cè)溫?zé)犭娮鑲鞲衅?/p>

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。2023/4/1944傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)

取一只100W/220V燈泡，用萬用表測(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

。

2023/4/1945傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)易提純、復(fù)現(xiàn)性好的金屬材料才可用于制作熱電阻

2023/4/1946傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)表2-2熱電阻的主要技術(shù)性能

2023/4/1947傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)薄膜型及普通型鉑熱電阻

2023/4/1948傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)小型鉑熱電阻

2023/4/1949傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)防爆型鉑熱電阻

2023/4/1950傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)汽車用水溫傳感器及水溫表

銅熱電阻2023/4/1951傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)學(xué)習(xí)查“鉑熱電阻分度表”附錄鉑熱電阻分度表

2023/4/1952傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)2023/4/1953傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)鉑電阻溫度顯示、變送器2023/4/1954傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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)2023/4/1955傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)2023/4/1956傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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。2023/4/1957傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)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

2023/4/1958傳感器與檢測(cè)技術(shù)2(2)下圖所示的五根曲線分別為哪一