傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用 課件 第四章 常用傳感器剖析

現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書

ModernintelligentcontrolpracticaltechnogySeries傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用簡介

《現(xiàn)代智能控制實(shí)用技術(shù)叢書》共分為四本，其內(nèi)容按照信號(hào)傳輸?shù)逆湕l編寫：

傳感器

調(diào)制與解調(diào)

傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用

智能控制技術(shù)的應(yīng)用

本書系統(tǒng)地對信息傳輸與現(xiàn)代通信技術(shù)的密切關(guān)系、通信技術(shù)的發(fā)展簡史，現(xiàn)代通信技術(shù)的特點(diǎn)和發(fā)展趨勢進(jìn)行了介紹；

簡述了世界通用的有線通信的載波技術(shù)、無線通信的微波接力通信的基本概念、基本原理，以及各類通信系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)、優(yōu)勢、不足及適用領(lǐng)域。傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用簡介

本書還對現(xiàn)代通信技術(shù)的“高速公路”，即光導(dǎo)纖維通信、５Ｇ通信、衛(wèi)星通信系統(tǒng)技術(shù)，以及近距離小容量的通信手段———無線保真（ＷｉＦｉ）、藍(lán)牙和可見光通信技術(shù)進(jìn)行原理、功能及應(yīng)用的闡述。

對未來的通信技術(shù)，即量子通信技術(shù)的概況進(jìn)行介紹，并預(yù)測量子通信技術(shù)將在計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信傳輸技術(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)等方面應(yīng)用的可期待前景。

本書可作為大專院?；蚋叩仍盒Ｖ悄芸刂祁愊嚓P(guān)專業(yè)的參考書籍，也可供從事智能控制信息的傳輸方面的設(shè)計(jì)、制造、應(yīng)用領(lǐng)域工作的工程技術(shù)人員作為參考資料。

傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用叢書序

自動(dòng)控制、智能控制、智慧控制是相對ＡＩ控制技術(shù)的普遍話題。在當(dāng)今的生產(chǎn)、生活和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中具有重要的作用。

在控制技術(shù)中離不開將甲地的信息傳送到乙地，以便遠(yuǎn)程監(jiān)測（遙測）、視頻顯示和數(shù)據(jù)記錄（遙信）、狀況或數(shù)據(jù)調(diào)節(jié)（遙調(diào)）和智能控制（遙控），統(tǒng)稱為智能控制的四遙工程。

信息是物理現(xiàn)象、過程或系統(tǒng)所固有的。信息本身不是物質(zhì)，不具有能量，但信息的傳輸卻依靠物質(zhì)和能量。

而信號(hào)則是信息的某種表現(xiàn)形式，是傳輸信息的載體。信號(hào)是物理性的，并且隨時(shí)間而變化，這是信號(hào)的本質(zhì)所在。

在無線電通信中，電磁波信號(hào)承載著各種各樣的信息。所以信號(hào)是有能量的物質(zhì)，它描述了物理量的變化過程，在數(shù)學(xué)上，信號(hào)可以表示為關(guān)于一個(gè)或幾個(gè)獨(dú)立變量的函數(shù)，也可以表示隨時(shí)間或空間變化的圖形。

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實(shí)際的信號(hào)中往往包含著多種信息成分，其中有些是我們關(guān)心的有用信息，有些是我們不關(guān)心的噪聲或冗余信息。傳感器的作用就是把未知的被測信息轉(zhuǎn)化為可觀察的信號(hào)，提取所研究對象的有關(guān)信息，將原始信息轉(zhuǎn)換成信號(hào)。將有效信息轉(zhuǎn)換成便于傳輸?shù)男盘?hào)，或?qū)⑿盘?hào)放大，或?qū)⑤^低頻率的原始信息“調(diào)制”到較高頻率的信號(hào)；滿足遠(yuǎn)距離傳輸?shù)囊?，或?qū)⒃寄M信息處理為數(shù)字信號(hào)等。這就是智能控制發(fā)送部分的“職責(zé)”———信息的收集與調(diào)制。然后，將調(diào)制后的信號(hào)置于所選取的傳輸通道上進(jìn)行傳輸，使調(diào)制后的信號(hào)傳輸至信宿端———乙地在乙地接收到經(jīng)傳輸線路傳送來的信號(hào)后，然后進(jìn)行調(diào)制器的反向操作“解調(diào)”。即將高頻信號(hào)或數(shù)字信號(hào)還原成原始信息。

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原始信息通過揚(yáng)聲器器（還原的音Ⅳ頻信號(hào)）、顯示器（還原的圖像或視頻信號(hào)）、打（還原的計(jì)算結(jié)果）或進(jìn)行力學(xué)、電磁學(xué)、光學(xué)、聲學(xué)等轉(zhuǎn)換，對原始信息控制目的物進(jìn)行作用，從而達(dá)到智能控制的目的。本套叢書就是對智能控制系統(tǒng)中各個(gè)環(huán)節(jié)的一些關(guān)鍵技術(shù)的原理、特性、基本計(jì)算公式和方法、基本結(jié)構(gòu)的組成、各個(gè)部分參數(shù)的選取，以及主要應(yīng)用場合及其優(yōu)勢和不足等問題進(jìn)行討論和分析。本套叢書則沿著“有效信息的取得”、“有效信息的調(diào)制”、“調(diào)制信號(hào)的傳輸“、“調(diào)制信號(hào)的解調(diào)”以及“智能控制系統(tǒng)的舉例應(yīng)用”這一線索展開，對比較典型的智能控制系統(tǒng)，應(yīng)用于實(shí)踐的設(shè)計(jì)計(jì)算及控制的邏輯關(guān)系進(jìn)行舉例論述。本套叢書雖然經(jīng)歷了十多年的知識(shí)積累，但仍然覺得時(shí)間倉促，加之水平有限，錯(cuò)誤與疏漏之處在所難免，懇請讀者批評指正。編撰者

蘇遵惠

傳感技術(shù)及智能傳感器的應(yīng)用

叢書序

前言第一章傳感器概述第一節(jié)定義與作用第二節(jié)傳感器的工作原理第二章傳感器的發(fā)展歷史

第一節(jié)概述

第二節(jié)傳感器發(fā)展的四個(gè)階段

第三節(jié)

傳感器的發(fā)展

第四節(jié)

傳感器的發(fā)展趨勢第三章傳感器的分類第一節(jié)敏感元件的分類

第二節(jié)

傳感器從不同角度分類

第三節(jié)

通用傳感器簡介

第四節(jié)

傳感器的主要特性技術(shù)特點(diǎn)及選擇

第四章常用傳感器剖析第一節(jié)電阻式傳感器

第二節(jié)

電阻應(yīng)變式傳感器第三節(jié)

半導(dǎo)體壓阻式傳感器第四節(jié)

電阻式應(yīng)變柵傳感器第五節(jié)

常用傳感器應(yīng)用實(shí)操

第六節(jié)

常用傳感器中的應(yīng)變片第五章傳感器的典型應(yīng)用

第一節(jié)光敏傳感器的應(yīng)用

第二節(jié)熱敏傳感器的應(yīng)用第六章傳感器在電動(dòng)汽車上的應(yīng)用

第一節(jié)防撞系統(tǒng)

第二節(jié)安全氣囊傳感器第三節(jié)

汽車雨量傳感器第四節(jié)

智能胎壓監(jiān)測系統(tǒng)第五節(jié)

純電動(dòng)汽車遠(yuǎn)程監(jiān)管和控制技術(shù)附錄附錄Ａ名詞術(shù)語及解釋附錄Ｂ相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)參考文獻(xiàn)重點(diǎn)目錄

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第四章

常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器一、電阻式傳感器概述

（一）定義

將被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器稱為電阻式傳感器。是一種能量控制型傳感器。

（二）

特點(diǎn)

結(jié)構(gòu)簡單、易于制造、價(jià)格便宜、性能穩(wěn)定、輸出功率大，應(yīng)用廣泛。其組成結(jié)構(gòu)圖如圖4-1所示。圖4-1電阻式傳感器的組成結(jié)構(gòu)圖

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常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器二、電阻式傳感器工作原理

根據(jù)電工理論，導(dǎo)體的阻值由三個(gè)參數(shù)——電阻率（ρ）、長度（l）和截面積（A）,并按照以下公式變化。

電阻式傳感器又分為“電位器式傳感器”和“電阻應(yīng)變式傳感器”。

三、電阻式傳感器的特點(diǎn)

（一）優(yōu)點(diǎn)

（1）

結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、應(yīng)用范圍廣；

（2）性能穩(wěn)定、輸出信號(hào)大、線性度較好。

（二）缺點(diǎn)

（1）大應(yīng)變情況存在較大的非線性，輸出信號(hào)相對較弱；

（2）隨著時(shí)間和環(huán)境的變化，材料和器件性能發(fā)生變化，不適于長期監(jiān)測，時(shí)漂、溫漂較大，長期監(jiān)測可能無法取得真實(shí)有效的數(shù)據(jù)。

（3）易受到電場、磁場、振動(dòng)、輻射、氣壓、聲壓、氣流等的影響。

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常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器。

三、電阻式傳感器的特點(diǎn)

（三）電位器式傳感器1、工作原理

電位器式傳感器又稱變阻式傳感器。為繞線式電位器如圖4-2所示。

在結(jié)構(gòu)組成上有：直線位移型、角位移型和非線性型。

根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，又分為繞線式、薄膜式、光電式等。

以繞線式變阻式傳感器為例，當(dāng)滑臂觸點(diǎn)從一圈導(dǎo)線移動(dòng)移動(dòng)至下一圈時(shí)，電阻值的變化是臺(tái)階式的，使分辨率下降，故其分辨率決定于繞線間的密度。a)直線位移型b)角位移型

c)非線性型圖4-2電位器式傳感器

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常用傳感器剖析第一節(jié)

電阻式傳感器。

（三）電位器式傳感器2、電位器式傳感器的特點(diǎn)

優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、工作穩(wěn)定、輸出信號(hào)大。

缺點(diǎn)：

①

因受到電阻絲直徑的限制，分辨率不高；

②

輸出電阻值為非連續(xù)數(shù)值，會(huì)產(chǎn)生一定誤差；

③

因電刷與電阻元件間接觸面的變動(dòng)和摩擦磨損、塵埃及雜

物

的附著，會(huì)使電阻值發(fā)生不規(guī)則地變化，產(chǎn)生噪聲；

④

動(dòng)態(tài)響應(yīng)較差，適合于測量變換較慢的被測量。3、電位器式傳感器的測量電路

電位器式傳感器的測量

電路圖如圖4-3所示.圖4-3電位器式傳感器的測量電路圖e0——輸入信號(hào)電壓ey——輸出信號(hào)電壓Rρ——電位器總阻值Rx——電位器取值部分阻值RL——負(fù)載電阻阻值

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電阻式傳感器

（三）電位器式傳感器4、電位器式傳感器的應(yīng)用

煤氣包存儲(chǔ)量檢測的應(yīng)用

鋼絲繩即為一電阻，置于彈性繩盤中，

繩盤即為一電位器。當(dāng)鋼絲繩收于繩盤時(shí)，繩盤中的計(jì)數(shù)器記錄收線

圈數(shù)，

即由置于煤氣包中的空余量，

可計(jì)算出煤氣的存儲(chǔ)量。

檢測原理圖如圖4-5所示。圖4-5煤氣包存儲(chǔ)量的檢測原理圖

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電阻式傳感器。

（四）壓阻式傳感器

有些固體材料在軸向受到外力作用，除產(chǎn)生變形，其電阻率ρ也發(fā)生變化。因應(yīng)力作用而使材料電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為壓阻效應(yīng)。半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)特強(qiáng)。利用壓阻效應(yīng)制成的傳感器稱為壓阻式傳感器。

特點(diǎn)

靈敏系數(shù)大，分辨率高，頻率響應(yīng)好，體積小。

應(yīng)用

測量壓力、加速度和載荷等參數(shù)。1、壓阻式傳感器的分類

（1）半導(dǎo)體型壓阻傳感器

其結(jié)構(gòu)如圖4-6所示。

（2）薄膜型壓阻傳感器

其結(jié)構(gòu)如圖4-7所示。

（3）擴(kuò)散型壓阻傳感器

其結(jié)構(gòu)如圖4-8所示。圖4-6半導(dǎo)體型壓阻傳感器

的半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖

圖4-7薄膜型半導(dǎo)體

應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖

圖4-8擴(kuò)散型半導(dǎo)體

應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖

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電阻式傳感器

（四）壓阻式傳感器2、壓阻式傳感器的工作原理

工作原理

基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)，當(dāng)半導(dǎo)體應(yīng)變片受軸向力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化。電阻相對變化如下式所示。

3、溫度誤差及溫度補(bǔ)償

溫度誤差

半導(dǎo)體材料對溫度很敏感，壓阻式傳感器的電阻值及靈敏度系數(shù)隨溫度變化而發(fā)生變化，引起的溫度誤差分別為零漂和靈敏度溫漂。

溫度補(bǔ)償

壓阻式傳感器一般在半導(dǎo)體基片上擴(kuò)散四個(gè)電阻，當(dāng)四個(gè)擴(kuò)散電阻的阻值相等或相差不大、電阻溫度系數(shù)也相同時(shí)，其零漂和靈敏度溫漂都會(huì)很小，工藝上難以實(shí)現(xiàn)。由于溫度誤差大，故要進(jìn)行溫度補(bǔ)償。

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電阻式傳感器

（四）壓阻式傳感器4、壓阻式傳感器的應(yīng)用

壓阻式傳感器體積小、結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)好、長期穩(wěn)定性好、滯后和蠕變小、頻率響應(yīng)高、便于生產(chǎn)、成本低，

因此它在測量壓力、壓差、

液位、

物位、

加速度和流量等方面得到了普遍應(yīng)用，可設(shè)計(jì)成多種類型的壓阻式傳感器。

（1）壓力測量：硅壓阻式壓力傳感器由外殼、硅膜片（硅杯）和引線等組成。結(jié)構(gòu)示意圖見圖4-9所示。圖4-9壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

a)結(jié)構(gòu)圖b)硅環(huán)c)電阻分布

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電阻式傳感器

4、壓阻式傳感器的應(yīng)用

（2）液位測量：

根據(jù)液面高度與液壓成比例的原理工作的。

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、混有大量污物、雜質(zhì)的水或其他液體的液位測量。其結(jié)構(gòu)圖見圖4-10所示。

（3）加速度測量：其示意圖見圖4-11所示。其懸臂梁用單晶硅制成，在其根部擴(kuò)散四個(gè)阻值相同的電阻構(gòu)成差動(dòng)全橋。在梁的自由端裝一質(zhì)量塊，傳感器受到加速度作用時(shí)，質(zhì)量塊由于慣性使懸臂梁發(fā)生形變而產(chǎn)生應(yīng)力，擴(kuò)散電阻的阻值發(fā)生變化，電橋的輸出信號(hào)即加速度的大小。圖4-10投入式液位傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖4-11壓阻式加速度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

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電阻式傳感器四、常用金屬電阻絲材料的性能

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電阻式傳感器四、常用金屬電阻絲材料的性能

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電阻應(yīng)變式傳感器一、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)

電阻應(yīng)變片又稱電阻應(yīng)變計(jì)，其結(jié)構(gòu)形式較多，但主要組成部分基本相同：由基底、敏感柵和覆蓋層等組成。其示意圖如圖4-12所示。

（一）敏感柵

實(shí)現(xiàn)應(yīng)變到電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。通常由直徑為

0.015～0.05mm的金屬絲繞成柵狀或用金屬箔腐蝕成柵狀。

（二）基底

為敏感柵固定的基板，由紙質(zhì)或膠質(zhì)組成必須很薄，一般為0.02～0.04mm。

（三）引線

起敏感柵與測量電路之間的連接和引導(dǎo)作用。

（四）蓋層

用紙、膠作成覆蓋在敏感柵上的防潮、防蝕、防損保護(hù)層作用。

（五）粘結(jié)劑

用于基底與其它部件粘貼的作用。圖4-12金屬電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖

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電阻應(yīng)變式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器組成

電阻應(yīng)變式傳感器組成結(jié)構(gòu)圖如圖4-13所示.

組成

由應(yīng)變膜片、敏感元件、應(yīng)變電阻變化轉(zhuǎn)變器、轉(zhuǎn)換元件組成。

按應(yīng)變材料分為金屬電阻應(yīng)變片式與半導(dǎo)體應(yīng)變片式。均為壓阻式圖4-13電阻應(yīng)變式傳感器組成結(jié)構(gòu)圖

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電阻應(yīng)變式傳感器三、傳感器對電阻應(yīng)變片的的要求

1、應(yīng)變靈敏度高，且線性范圍寬；2、電阻率大；電阻穩(wěn)定性好，溫度系數(shù)?。?/p>

3、易于焊接，對引線材料的接觸電勢??；抗氧化能力高，耐腐蝕，耐疲勞、機(jī)械強(qiáng)度高，具有優(yōu)良的機(jī)械加工性能。四、電阻應(yīng)變片的分類

1、金屬絲式電阻應(yīng)變片：其結(jié)構(gòu)如圖4-14所示.

2、金屬箔式電阻應(yīng)變片：其結(jié)構(gòu)如圖4-15所示.

3、金屬薄膜式電阻應(yīng)變片：其結(jié)構(gòu)如圖4-16所示.

圖4-16電阻應(yīng)變式傳感器組成結(jié)構(gòu)圖圖4-15金屬箔式電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖圖4-14金屬絲式電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)圖

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電阻應(yīng)變式傳感器五、金屬電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理

（四）敏感元件

敏感元件

一般是采用光刻腐蝕等工藝制成的很薄的金屬箔柵。如圖

4-18所示。

優(yōu)點(diǎn)

金屬箔很薄，感受的應(yīng)力狀態(tài)與被測件表面應(yīng)力狀態(tài)更接近；

金屬箔柵的箔材表面積大散熱條件好，可以通過較大的電流，輸出較大的信號(hào)，提高了測量靈敏度；

光刻腐蝕方法制作的箔柵尺寸準(zhǔn)確、均勻，且可制成任意形狀的箔柵，擴(kuò)大了應(yīng)變片的使用范圍。

缺點(diǎn)

箔柵制作工藝復(fù)雜，其引出線的焊點(diǎn)熔點(diǎn)低，不適用高溫環(huán)境下的測量。圖4-18箔柵式應(yīng)變片圖

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電阻應(yīng)變式傳感器五、金屬電阻應(yīng)變式傳感器的工作原理

金屬電阻應(yīng)變式傳感器工作原理計(jì)算推導(dǎo)如圖4-17所示。式中可見其工作原理基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力的作用下發(fā)生機(jī)械形變時(shí)，其電阻值隨著受機(jī)械變形而伸長或縮短的變化而變化的現(xiàn)象。圖4-17金屬電阻應(yīng)變式傳感器工作原理計(jì)算推導(dǎo)

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電阻應(yīng)變式傳感器六、金屬電阻應(yīng)變片的主要特征參數(shù)

（一）靈敏度系數(shù)

金屬應(yīng)變片（絲）的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變力之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)S表示。1、金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變?chǔ)?/p>

在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。式中S為金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)。2、應(yīng)變片靈敏度系數(shù)S恒小于線材的靈敏度系數(shù)KS。

（二）橫向效應(yīng)

如圖4-19所示，金屬應(yīng)變片的核心部分是敏感柵。敏感箔柵的兩端為半圓弧形的橫柵。應(yīng)變片既受軸向應(yīng)變的影響，又受橫向應(yīng)變影響，其靈敏系數(shù)K較整長電阻絲的靈敏系數(shù)K0小，而引起電阻變化。該現(xiàn)象稱為橫向效應(yīng)。

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電阻應(yīng)變式傳感器六、金屬電阻應(yīng)變片的主要特征參數(shù)

（二）橫向效應(yīng)

應(yīng)變片的橫向效應(yīng)產(chǎn)生原理圖如圖4-19所示，應(yīng)變片的橫向效應(yīng)應(yīng)力圖如圖4-20所示圖4-19

應(yīng)變片的橫向效應(yīng)產(chǎn)生原理圖圖4-20

應(yīng)變片的橫向效應(yīng)應(yīng)力圖

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應(yīng)變式傳感器六、金屬電阻應(yīng)變片的主要特征參數(shù)

（三）機(jī)械滯后性

應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時(shí)，其加載特性與卸載特性是不重合的，這種現(xiàn)象稱為機(jī)械滯后性。其特性曲線見圖4-21

所示。

產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生“殘余變形”，使敏感柵電阻發(fā)生少量的不可逆變化。

機(jī)械滯后性還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時(shí)的機(jī)械應(yīng)變量越大，卸載時(shí)的滯后也越大。圖4-21機(jī)械滯后性示意圖

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應(yīng)變式傳感器七、電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路

電阻應(yīng)變式傳感器的測量電路，分為直流電源測量電路和交流電源測量電路。

（一）電阻應(yīng)變式傳感器測量電路種類

1、直流電橋電路

其電阻可全部或部分是應(yīng)變片。電路圖如圖4-22所示。2、交流電橋電路

應(yīng)變電橋輸出電壓很小，要加放大器，而直流放大器易于產(chǎn)生零漂，

因此應(yīng)變電橋多采用交流電橋。電路圖如圖4-23所示.圖4-22直流電橋電路圖圖4-23交流電橋電路圖a）應(yīng)變式電橋電路b)電容式電橋電路

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應(yīng)變式傳感器

3、電橋的平衡調(diào)節(jié)

在應(yīng)變片工作之前，

必須對電橋進(jìn)行平衡調(diào)節(jié)。對于直流電橋，

可采用串聯(lián)或并聯(lián)電位器法，

常用的電橋平衡調(diào)節(jié)電路圖如圖2-24所示。

圖4-24常用的電橋平衡

調(diào)節(jié)電路圖a）串聯(lián)電阻調(diào)平衡法

電橋電路圖

b)并聯(lián)電阻調(diào)平衡法

電橋電路圖c)差動(dòng)電容調(diào)平衡法

電橋電路圖

d)阻容調(diào)平衡法電橋

電路圖

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應(yīng)變式傳感器

（二）應(yīng)變片的選用

1、類型選擇

決定于使用目的、要求、對象、環(huán)境等因素綜合考慮。

2、材料選擇

決定于使用溫度、時(shí)間、最大應(yīng)變量及精度等因素。

3、阻值選擇

根據(jù)測量電路和儀器選定標(biāo)稱電阻值。

4、尺寸考慮

根據(jù)試件表面形狀、應(yīng)力分布坐標(biāo)、可粘貼面積大小，決定選取應(yīng)變片尺寸大小。

5、

其他考慮

是否用于特殊用途、惡劣環(huán)境、高精度要求等因素。

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應(yīng)變式傳感器

（二）電阻應(yīng)變式傳感器的粘貼

應(yīng)變片用粘結(jié)劑粘貼到被測件上，粘結(jié)劑的膠層必須準(zhǔn)確迅速地將被測件應(yīng)變傳遞到敏感柵上。選擇粘結(jié)劑必須考慮應(yīng)變片材料和被測件材料性能，要求粘接力強(qiáng)，機(jī)械性能可靠，粘合層有足夠大的剪切彈性模量，良好的電絕緣性，蠕變和滯后小，耐濕，耐油，耐老化，動(dòng)態(tài)應(yīng)力測量時(shí)耐疲勞等。

應(yīng)變片的粘貼步驟：①

應(yīng)變片的檢查與選擇；

②

試件的表面處理；③

底層處理；

④

貼片；⑤

固化；

⑥

粘貼質(zhì)量檢查；⑦

引線焊接與組橋連線。

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應(yīng)變式傳感器八、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

電阻應(yīng)變片的應(yīng)用有兩個(gè)方面：

一是，作為敏感元件，可直接用于被測試件的應(yīng)變測量；

二是，作為轉(zhuǎn)換元件，通過彈性元件構(gòu)成傳感器，可用于對任何能轉(zhuǎn)換成彈性元件應(yīng)變的其他物理量的間接測量。

(一)應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用的特點(diǎn)選擇

適用范圍：其測量范圍必須于待測的實(shí)際范圍。

分辨率和靈敏度：其分辨率和靈敏度應(yīng)高于測量要求指標(biāo)。

結(jié)構(gòu)：根據(jù)試件的結(jié)構(gòu)選擇應(yīng)變片輕小，對試件影響小，環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，頻率響應(yīng)好的應(yīng)變片式傳感器。

標(biāo)準(zhǔn)化：為適應(yīng)大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能的應(yīng)用，所選用的應(yīng)變片式傳感器應(yīng)是商品化、具有技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品。且便于遠(yuǎn)距離、自動(dòng)化測量和具有自動(dòng)記錄、智能存儲(chǔ)、智能控制接口的產(chǎn)品。

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應(yīng)變式傳感器八、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

(二)應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用的型式選擇1、測力傳感器

應(yīng)變片式測力傳感器結(jié)構(gòu)和測量電路圖如圖4-25所示。圖4-25應(yīng)變片式測力傳感器結(jié)構(gòu)和測量電路圖a）柱式

b)環(huán)式c)梁式d)測量電路

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應(yīng)變式傳感器八、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

(二)應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用的型式選擇2、壓力傳感器筒式應(yīng)變壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-26所示。圖4-26筒式應(yīng)變壓力傳感器結(jié)構(gòu)示意圖a）結(jié)構(gòu)示意圖

b)筒式彈性元件

示意圖c)應(yīng)變計(jì)布片

示意圖

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應(yīng)變式傳感器八、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

(二)應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用的型式選擇3、應(yīng)變式位移傳感器

應(yīng)變片式位移傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)變成彈性元件的變形和應(yīng)變，再通過應(yīng)變計(jì)和應(yīng)變電橋輸出正比于被測位移的電量，組合式應(yīng)變式位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-27所示。圖4-27

組合式應(yīng)變式位移傳感器結(jié)構(gòu)示意圖a）傳感器

結(jié)構(gòu)示意圖

b)工作原理圖

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常用傳感器剖析第二節(jié)

電阻應(yīng)變式傳感器八、電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用

(二)應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用的型式選擇4、應(yīng)變式加速度傳感器

應(yīng)變片式加速度傳感器是圖4-28所示。圖4-28電阻應(yīng)變式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖

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常用傳感器剖析第三節(jié)

半導(dǎo)體壓阻式應(yīng)變片一、半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理

半導(dǎo)體應(yīng)變片是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。

其結(jié)構(gòu)原理圖見圖4-29所示。

半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)：某些半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。

圖4-29半導(dǎo)體應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖a）體型b)薄膜型c)擴(kuò)散型

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常用傳感器剖析第三節(jié)

半導(dǎo)體壓阻式應(yīng)變片二、半導(dǎo)體應(yīng)變片的主要類型

（一）體型

利用半導(dǎo)體材料的體電阻制成粘貼式的應(yīng)變片。

（二）薄膜型

利用真空沉積技術(shù)將半導(dǎo)體材料沉積在帶有絕緣層的基板上而成

的應(yīng)變片

（三）擴(kuò)散型

在半導(dǎo)體材料的基片上采用集成電路工藝制成的擴(kuò)散電阻，作為

測量用的壓阻元件。

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常用傳感器剖析第三節(jié)

半導(dǎo)體壓阻式應(yīng)變片三、半導(dǎo)體應(yīng)變片的特征

靈敏度：

電阻的相對變化：

優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，機(jī)械滯后性小，頻率響應(yīng)高，橫向效應(yīng)小，

元件尺寸小。

缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差，靈敏度的非線性誤差大。

使用：目前，國產(chǎn)半導(dǎo)體應(yīng)變片主要采用P型硅單晶（P-Si）制成。

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常用傳感器剖析第三節(jié)

半導(dǎo)體壓阻式應(yīng)變片四、電阻應(yīng)變式傳感器溫度誤差及其補(bǔ)償

（一）溫度誤差的產(chǎn)生：環(huán)境溫度變化引起電阻變化的主要因素：1、應(yīng)變片的電阻絲（敏感柵）的溫度系數(shù)α1

對電阻值的影響。

2、電阻絲材料的線膨脹系數(shù)βR

與測試材料的線膨脹系數(shù)βM

不同，所引起的應(yīng)變?yōu)椋?/p>

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常用傳感器剖析第三節(jié)

半導(dǎo)體壓阻式應(yīng)變片四、電阻應(yīng)變式傳感器溫度誤差及其補(bǔ)償

（二）溫度補(bǔ)償：溫度補(bǔ)償?shù)姆椒òㄗ匝a(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法。

1、單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片

要消除溫度變化引起的誤差必須使：

即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。該方法結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用方便。但必須在一定的線膨脹系數(shù)材料的試件上使用。2、雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片：

由兩種不同電阻溫度系數(shù)（一正一負(fù)）的材料串聯(lián)組成，兩種敏感柵隨溫度變化產(chǎn)生的電阻增量大小相等，符號(hào)相反，以在一定溫度范圍內(nèi)、在試件上實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。如圖4-30所示。圖4-30雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片示意圖

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常用傳感器剖析第三節(jié)

半導(dǎo)體壓阻式應(yīng)變片四、電阻應(yīng)變式傳感器溫度誤差及其補(bǔ)償

（二）溫度補(bǔ)償：溫度補(bǔ)償?shù)姆椒òㄗ匝a(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法。

3、電路補(bǔ)償

采用電橋電路進(jìn)行補(bǔ)償是敏感柵常用的方法之一。如圖4-31所示。

（1）R1和R2必須屬同一批號(hào)的產(chǎn)品，即它們的電阻溫度系數(shù)α、線膨脹系數(shù)β、應(yīng)變靈敏系數(shù)K均相同。初始電阻值也要求相同；

（2）用于粘貼補(bǔ)償片的構(gòu)件和粘貼工作片的試件材料必須相同，即二者的線膨脹系數(shù)相等；

（3）整個(gè)工作期間，兩個(gè)應(yīng)變片必須處于同一溫度環(huán)境中。可將補(bǔ)償片粘貼在被測件上，既起到溫度補(bǔ)償，又提高輸出的靈敏度。如圖4-32所示.圖4-30雙絲組合式自補(bǔ)償應(yīng)變片示意圖

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常用傳感器剖析第三節(jié)

半導(dǎo)體壓阻式應(yīng)變片四、電阻應(yīng)變式傳感器溫度誤差及其補(bǔ)償

（二）溫度補(bǔ)償：溫度補(bǔ)償?shù)姆椒òㄗ匝a(bǔ)償法和線路補(bǔ)償法。

3、電路補(bǔ)償圖4-31電橋電路補(bǔ)償法示意圖圖4-32補(bǔ)償片安裝在被測試件的應(yīng)力狀態(tài)圖a)構(gòu)件受彎曲應(yīng)力b)構(gòu)件受單向應(yīng)力

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常用傳感器剖析第四節(jié)

電阻式應(yīng)變柵傳感器一、測量類型

1、直接測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力：研究某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的受力、變形狀況，可利用不同形狀的應(yīng)變片粘貼在構(gòu)件的選定部位，測試構(gòu)件的拉力應(yīng)力、壓力應(yīng)力或彎曲應(yīng)力、彎矩等參數(shù)。2、用以測量物理參數(shù)：將應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，作為測量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。

3、測量應(yīng)用注意事項(xiàng)：在以上應(yīng)用中，電阻應(yīng)變片必須被粘貼在試件或彈性單元上才能工作。粘合劑和粘合技術(shù)對測量結(jié)果有直接影響。

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常用傳感器剖析第四節(jié)

電阻式應(yīng)變柵傳感器二、應(yīng)用場合和應(yīng)用分類

應(yīng)用場合：沖床生產(chǎn)計(jì)數(shù)和生產(chǎn)過程監(jiān)測；電子秤的廣泛應(yīng)用；機(jī)械手握力測量。

應(yīng)用分類：柱力式傳感器、梁力式傳感器、應(yīng)變式壓力傳感器、應(yīng)變式加速度傳感器、壓阻式壓力傳感器等。

應(yīng)變式傳感器包括兩個(gè)部分：一是彈性敏感元件，利用彈性敏感元件將被測物理量轉(zhuǎn)換為彈性體的應(yīng)變值；二是應(yīng)變片作為轉(zhuǎn)換元件，將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。

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常用傳感器剖析第五節(jié)

常用傳感器應(yīng)用實(shí)操一、應(yīng)變式位移傳感器

應(yīng)變式位移傳感器是稱重設(shè)備中的關(guān)鍵部件。為差動(dòng)電桿結(jié)構(gòu)，由穩(wěn)幅激勵(lì)信號(hào)源、檢測電路和濾波放大電路組成。其工作原理圖和某產(chǎn)品的外觀圖如圖4-33所示；其工作原理圖和結(jié)構(gòu)示意圖如圖4-34所示。a)工作原理圖b)產(chǎn)品外觀圖圖4-33應(yīng)變式位移傳感器

工作原理和產(chǎn)品外觀圖a)工作原理圖b)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖圖4-34組合應(yīng)變式位移傳感器

的工作原理和結(jié)構(gòu)示意圖

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常用傳感器剖析第五節(jié)

常用傳感器應(yīng)用實(shí)操二、柱力式傳感器

柱力式傳感器中的彈性元件分為實(shí)心和空心兩種，如圖4-35所示.實(shí)心圓柱可承受較大負(fù)荷，空心圓筒橫向剛度大、

穩(wěn)定性好。a)實(shí)心圓柱彈性元件

b)空心圓柱彈性元件圖4-35柱力式傳感器示意圖

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常用傳感器剖析第五節(jié)

常用傳感器應(yīng)用實(shí)操三、梁式傳感器

等強(qiáng)度梁彈性元件

是一種特殊形式的懸臂梁。

特點(diǎn)

其截圖面積按一定的規(guī)律變化，當(dāng)集中力作用在自由端時(shí)，距作用力任何距離的截面上應(yīng)力相等。

如圖4-36所示。圖4-36

梁式傳感器示意圖

傳感技術(shù)與智能傳感器的應(yīng)用正文第四章

常用傳感器剖析第五節(jié)

常用傳感器應(yīng)用實(shí)操四、應(yīng)變式壓力傳感器

測量液體或氣體壓力的薄板式傳感器

如圖4-37所示。