4-1-2传感器类型及工作原理

第四章传感器类型及工作原理国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。第一节概述传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。物理量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。发展的特点与趋向：普遍采用电测仪表测定非电量。电测法具有下述优点：1)易于实现集中检测、控制和远距离测量。2)由于电测仪表惯性小且无摩擦，故适于测量动态过程。3)传感器提供被研究对象的测量、调节和控制设备之间最方便可靠的联系形式，使热能与动力机械测试的连续测量、自动记录、自动调节或控制成为可能。4)测量的准确度和灵敏度高。由于电测仪表易于改变量程，故测量范围大。5)不仅可对被测量进行测量，还可以进行数学运算，并能指示、记录和存储最后结果。传感器的分类分类法型式说明按基本效应分类物理型化学型生物型采用物理效应进行转换采用化学效应进行转换采用生物效应进行转换按构成原理分类结构型物性型以转换元件结构参数变化实现信号转换以转换元件物理特性变化实现信号转换按能量关系分类能量转换型能量控制型传感器输出量直接由被测量能量转换而来传感器输出量能量由外部能源提供，但受输入量控制按工作原理分电阻式电容式电感式压电式磁电式热电式光电式光纤式利用电阻参数变化实现信号转换利用电容参数变化实现信号转换利用电感参数变化实现信号转换利用压电效应实现信号转换利用电磁感应原理实现信号转换利用热电效应实现信号转换利用光电效应实现信号转换利用光纤特性参数变化实现信号转换按输入量分类长度、角度、振动、位移、压力、温度、流量、距离、速度等以被测量命名（即按用途分类）按输出量分类模拟式数字式输出量为模拟信号（电压、电流、……）输出量为数字信号（脉冲、编码、……）第二节电阻式传感器导体的电阻与导体的材料性能(电阻率)、导体的尺寸(如长度、横截面积)及导体的温度等因素有关。在匀质导体中，电阻与其长度、电阻率成正比（线性变化）。电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式一、电位计式传感器常见的旋转式变阻器和滑线式变阻器，可作为角位移和线位移测量的电阻式传感器。位移的变化通过机械机构改变电阻器滑臂的位置，从而改变了输出端的电阻值Rx。Rx的改变可以通过输出电压来反映。Rbcabx•等效电路分析:xL•L-变阻器总长;•x-电刷移动量.•R-总电阻;•Rx电刷电阻;R=K*LK=R/LEE1Lx=RRx=EE1x=L*E1/E0LEE1x输出电压和位移呈线性关系EE1VRmRxR-Rx1EE1=xLRmR+Lx()-0LE00.10.20.30.40.50.60.70.80.910.10.20.30.40.50.60.70.80.91rYKL=∞电位器负载特性曲线RRRRRRRUUmxmxxi201+=LLKrKrrY21+=RRKRRrUUYmLxx===0电位器的相对输出电位器的电阻相对变化量电位器的负载系数令：结论：KL不能太小！只有当负载电阻无穷大时，两者间才能满足线性关系。在实际的测量系统中，负载电阻Rm不可能为无限大，这时存在非线性相对误差，负载电阻Rm越大，相对误差就越小。增加传感器的供电电压U，可以提高传感器的灵敏度，但会使传感器因电流过大而发热。而金属导体的电阻率随导体温度的增加而变大，这样就产生了新的温度误差。线绕式电位器的阶梯特性及其分辨率xU0⑴阶梯特性及产生原因阶梯特性阶梯特性是由滑动触点(电刷)在移动过程中,从一匝滑到另一匝时电阻值产生突变所引起的。其阶梯值ΔU为：iUNU1=N——绕线总匝数⑵分辨率及阶梯误差分辨率：iUNU1=阶梯误差：ieUNUU212==在理想情况下，工作曲线均匀穿过实际曲线的阶梯，此时的阶梯误差为：变阻式传感器的优点:(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出—输入间任意函数关系；(4)输出信号大，一般不需放大。缺点:因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。二、电阻应变式传感器--应变片电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。1、工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数金属应变片的电阻R为金属丝体积不变：金属丝应变片：对金属材料，导电率不变：受两个因素影响:一个是受力后材料的几何尺寸变化引起的，即另一个是受力后材料的电阻率变化所引起的。对于金属材料，电阻率变化小得多。在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即K0为常数K0=1+2μ=常数通常金属电阻丝的K0=1.7～3.6之间。2、应变片的结构粘合层1、3，基底2、盖片4，敏感栅5，引出线6制作金属应变片的材料有铜镍合金、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及某些贵金属铂和铂钨合金等。它们的灵敏度S在1.7~3.6之间，常用的灵敏度S为2.08。3、应变片测量电路V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变根据不同的要求，应变片在电桥中有不同的接法。4、电阻应变片的选择、粘贴技术1）.目测电阻应变片有无折痕、断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2）.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.3）.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4）.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。5）.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6）.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。7）.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。优点：①由于应变片的尺寸小，重量轻，因而具有良好的动态特性，而且应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布没有影响。适用于静态测量和动态测量。②测量应变的灵敏度和精确度高，可测1~2微应变，误差小于1％。③测量范围大，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形，变形范围从1％－20％。④能适应各种环境，可在高（低）温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。缺点：①大应变状态下具有较明显的非线性；②输出信号较弱。5、电阻应变式传感器的优缺点电阻应变式传感器的应用：测力案例：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。案例：冲床生产记数和生产过程监测用应变片作为敏感元件测量构件的变形时，应变片的电阻变化与应变之间并非有单值函数关系。温度变化引起的电阻变化造成电阻应变片的温度误差。（1）应变片本身电阻随温度的变化（2）应变丝线胀系数与基底线胀系数不一致，在温度变化时会引起附加应变。为此使用时必须采取温度补偿措施，以消除由温度引起的零漂或虚假信号，以求出仅由载荷作用引起的真实应力。6、应变片的温度误差及补偿1）.应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差，称为应变片的温度误差。产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。（1）电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系：Rt=R0(1+α0Δt)当温度变化Δt时，电阻丝电阻的变化值为：ΔRα=Rt-R0=R0α0Δt（2）试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时：环境温度变化不会产生附加变形。当试件与电阻丝材料的线膨胀系数不同时：环境温度变化，电阻丝会产生附加变形，从而产生附加电阻变化。设电阻丝和试件在温度为0℃时的长度均为l0,它们的线膨胀系数分别为βs和βg，若两者不粘贴，则它们的长度分别为ls=l0(1+βsΔt)lg=l0(1+βgΔt)当两者粘贴在一起时，电阻丝产生的附加变形Δl、附加应变εβ和附加电阻变化ΔRβ分别为由于温度变化而引起的应变片总电阻相对变化量为结论：因环境温度变化而引起的附加电阻的相对变化量，除了与环境温度有关外，还与应变片自身的性能参数（K0,α0,βs）以及被测试件线膨胀系数βg有关。2）电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。(1)线路补偿法电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。电桥补偿法A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知，当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。利用这一基本关系可实现对温度的补偿。测量应变时，工作应变片R1粘贴在被测试件表面上，补偿应变片RB粘贴在与被测试件材料完全相同的补偿块上，且仅工作应变片承受应变。当被测试件不承受应变时，R1和RB又处于同一环境温度为t的温度场中，调整电桥参数使之达到平衡，此时有工程上，一般按R1=RB=R3=R4选取桥臂电阻。温度补偿的实现：当温度升高或降低Δt=t-t0时，两个应变片因温度而引起的电阻变化量相等，电桥仍处于平衡状态，即应变的测量：被测试件有应变ε的作用，则工作应变片电阻R1又有新的增量ΔR1=R1Kε，而补偿片因不承受应变，故不产生新的增量，此时电桥输出电压为可见：电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变ε有关，而与环境温度无关。注意补偿条件：①在应变片工作过程中，保证R3=R4。②R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数α、线膨胀系数β、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。③粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。④两应变片应处于同一温度场。(2)应变片的自补偿法利用自身具有温度补偿作用的应变片来补偿的。要实现温度自补偿，必须有上式表明，当被测试件的线膨胀系数βg已知时，如果合理选择敏感栅材料，即其电阻温度系数α0、灵敏系数K0以及线膨胀系数βs，满足上式，则不论温度如何变化，均有ΔRt/R0=0，从而达到温度自补偿的目的。A.选择式自补偿应变片：根据被测材料，选择合适的应变片材料简便实用；局限性很大B.组合式自补偿应变片：两种电阻温度系数不同材料构成，温度变化时，电阻变化相反，总电阻不变。效果好；制作麻烦(3)热敏电阻法：由于应变片的灵敏度系数随温度的升高而减小，引起输出电压的减小。为了补偿温度引起的影响，在供桥电路中接入热敏电阻Rt，与应变片处于相同温度环境下。当温度升高时Rt的阻值减小，使得供桥电压随着温度上升而增大，从而使电桥的输出电压增大。合理选择分流电阻R0值，可使供桥电压随温度升高的速率与应变片灵敏度系数下降的速率相同，达到温度补偿的目的。三、半导体应变式传感器1、压阻效应：半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料，对于金属材料来说，电阻率变化比较小，但对于半导体材料，因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由电阻率变化引起的。式中πL—沿某晶向L的压阻系数；Eε—沿某晶向L的应力；E—半导体材料的弹性模量。则半导体材料的灵敏系数K0为：如半导体硅，πL=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011N/m2，则k0=πLE＝50～100。显然半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50～70倍。最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成P型或N型半导体。由于半导体(如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度