傳感器與檢測技術(shù)第二版陳潔黃鴻電阻傳感器

1、第一節(jié) 概 述1. 傳感器定義傳感器（Sensor/Transducer）是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。2. 傳感器的構(gòu)成 傳感器一般由敏感元件與轉(zhuǎn)換元件組成。被測信息敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源信號調(diào)理電路輸出信息敏感元件(Sensing element) 是指傳感器中能直接感受被測量的部分轉(zhuǎn)換元件(Transition element) 是指傳感器中能將敏感元件輸出量轉(zhuǎn)換為適于傳輸和測量的電信號部分。敏感元件轉(zhuǎn)換元件 壓 力 作 用

2、膜片形變（應(yīng)變） 應(yīng)變片電阻改變 應(yīng)變式壓力傳感器結(jié)構(gòu)簡圖3. 傳感器的分類(1)按被測物理量分類:(2)按工作原理分類:(3)按信號變換特征:(4)按被測量與輸出電量之間的關(guān)系:(5)按輸出信號分:位移,力,溫度等.電阻式、電容式、磁電式等.物性型,結(jié)構(gòu)型.能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.開關(guān)型（二值型）、模擬型和數(shù)字型.A 物性型與結(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)的變化來實現(xiàn)信號變換. 例如:水銀溫度計,壓電測力計.結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(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（有源傳感器）:直接由被測對象輸入能量使其工作.

3、例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型（無源傳感器）:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化. 例如:電阻式、電容式、電感式.4. 傳感器的基本特性1）靈敏度2）線性度3）重復(fù)性4）穩(wěn)定性5）精確度6）動態(tài)特性7）環(huán)境參數(shù)電阻傳感器-電位器式電阻傳感器應(yīng)變片式電阻傳感器 第二節(jié) 電阻式傳感器 把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器，是一種能量控制型傳感器被測信息敏感元件轉(zhuǎn)換元件輔助電源信號調(diào)理電路輸出信息電阻元件電阻元件傳感元件為電阻元件 其結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、價格便宜、性能穩(wěn)定、輸出功率大，應(yīng)用廣泛。1 電位器式傳感器例題1：演示位移傳感器的工作原理如右圖示，物體M在導(dǎo)軌上平移時

4、，帶動滑動變阻器的金屬滑桿p，通過電壓表顯示的數(shù)據(jù)，來反映物體位移的大小x。假設(shè)電壓表是理想的，則下列說法正確的是( )A 物體M運動時，電源內(nèi)的電流會發(fā)生變化B 物體M運動時，電壓表的示數(shù)會發(fā)生變化C 物體M不動時，電路中沒有電流D 物體M不動時，電壓表沒有示數(shù)優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定，輸出信號大缺點： 分辨力不高。因受到電阻絲直徑的限制。 噪聲大。電刷和電阻元件之間接觸面的變動和磨損、 塵埃附著等，都會使電刷在滑動過程中的接觸電阻發(fā)生不規(guī)則變化，產(chǎn)生噪聲。 動態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變換較慢的量。重量設(shè)定原材料應(yīng)用：重量的自動檢測-配料設(shè)備原理用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移;再用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻

5、的變化煤氣包儲量檢測煤氣包鋼絲原理直接將代表煤氣包儲量的高度變化轉(zhuǎn)換為鋼絲的電阻變化鋼絲-收線圈數(shù) -電位器-電阻主要優(yōu)點：精度高，測量范圍廣、使用壽命長，性能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小，重量輕、頻率響應(yīng)特性好，響應(yīng)時間約為10-7秒、可在各種惡劣條件下工作、應(yīng)變片種類繁多，價格便宜斜拉橋上的斜拉繩應(yīng)變測試常用的應(yīng)變片可分為兩類: 金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片。其中金屬應(yīng)變片有絲式電阻應(yīng)變片和箔式應(yīng)變片。半導(dǎo)體應(yīng)變片使用半導(dǎo)體材料制成，其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。壓阻效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。半導(dǎo)體應(yīng)變片與金屬絲式應(yīng)變片的比較：優(yōu)點：靈敏系

6、數(shù)高，可比金屬絲高5080倍，頻率相應(yīng)范圍寬，橫向效應(yīng)小等。缺點：溫度系數(shù)大，應(yīng)變時非線性比較嚴重，應(yīng)用范圍有限。一、應(yīng)變式傳感器1、應(yīng)變片的工作原理-電阻的應(yīng)變效應(yīng) 我們可以做這樣一個較簡單的實驗：取一根細電阻絲，兩端接上一臺數(shù)字式歐姆表（分辨率為1/2000），記下其初始阻值（圖中為10.01）。當我們用力將該電阻絲拉長時，會發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加（增加到為10.05）。測量應(yīng)力、應(yīng)變、力的傳感器就是利用類似的原理制作的。電阻絲應(yīng)變效應(yīng)用應(yīng)變片測試應(yīng)變時，將應(yīng)變片粘貼在試件表面。當試件受力變形后，應(yīng)變片上的電阻絲也隨之變形，從而使應(yīng)變片電阻值發(fā)生變化，通過測量轉(zhuǎn)換電路最終轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化

7、。 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng), 即在導(dǎo)體產(chǎn)生機械變形時, 它的電阻值相應(yīng)發(fā)生變化。 一根金屬電阻絲, 在其未受力時, 原始電阻值為 R=式中: 電阻絲的電阻率; L電阻絲的長度; S電阻絲的截面積。 （3 -1）應(yīng)變效應(yīng)金屬應(yīng)變片由敏感柵、 基片、 覆蓋層和引線等部分組成, 如圖所示 箔式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵, 其厚度一般在0.0030.01mm。其優(yōu)點是散熱條件好, 允許通過的電流較大, 可制成各種所需的形狀, 便于批量生產(chǎn)。 敏感柵是應(yīng)變片的核心部分, 它粘貼在絕緣的基片上, 其上再粘貼起保護作用的覆蓋層, 兩端焊接引出導(dǎo)線。金屬電阻應(yīng)

8、變片的敏感柵有絲式、 箔式和薄膜式三種。 箔式應(yīng)變片是利用光刻、腐蝕等工藝制成的一種很薄的金屬箔柵, 其厚度一般在0.0030.01mm。其優(yōu)點是散熱條件好, 允許通過的電流較大, 可制成各種所需的形狀, 便于批量生產(chǎn)。 薄膜應(yīng)變片是采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1m以下的金屬電阻薄膜的敏感柵, 最后再加上保護層。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，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。2. 確定中心線3.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

9、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 。4.接引線引出導(dǎo)線要用柔軟、不易老化的膠合物適當?shù)丶右怨潭?，以防止?dǎo)線擺動時折斷應(yīng)變片的引線。然后在應(yīng)變片上涂一層柔軟的防護層，以防止大氣對應(yīng)變片的侵蝕，保證應(yīng)變片長期工作的穩(wěn)定性。懸臂梁實物 FF固定點固定點電纜測量電路由于機械應(yīng)變一般都很小, 要把微小應(yīng)變引起的微小電阻變化測量出來, 同時要把電阻相對變化R/ R轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。因此, 需要有專用測量電路用于測量應(yīng)變變化而引起電阻變化的測量電路, 通常采用直流電橋和交流電橋測量轉(zhuǎn)換電路（本節(jié)重點）測量電橋（直流電橋）單臂電橋試件雙臂電橋（差動半橋）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)生的電阻增量正負號相間，可以使輸出電壓Uo成倍地增大。試件巧妙的安裝應(yīng)變片被拉伸被壓縮應(yīng)變片試件全橋討論：單臂電橋、雙臂