63传感器

2.属于传感器动态特性指标的是()A.迟滞B.过冲量C.稳定性D.线性度1．属于传感器静态特性指标的是（）A．重复性B．线性度C．灵敏度D．固有频率4.运算100%是计算传感器（）的公式。minmaxmaxyyLLA、B、CB3.传感器能感知的输入变化量越小，表示传感器的()A.线性度越好B.迟滞越小C.重复性越好D.分辨力越高D线性度5、传感器的（）能力是指传感器在不致引起规定性能指标永久改变的条件下，允许超过测量范围的能力。6、测量系统的静态特性指标主要有(),(),(),()等。7、传感器的基本特性一般用()和()来描述。8、某线性位移测量仪，当被测位移由4.5mm变到5.0mm时，位移测量仪的输出电压由3.5V减至2.5V，求该仪器的灵敏度。过载灵敏度精度测量范围分辨力静态特性动态特性25.40.55.35.2k第二章电阻式传感器电阻式传感器是一种能把非电物理量（如位移、力、加速度、扭矩等）转换成与之有确定对应关系的电阻值，再经过测量电桥转换成便于传送和记录的电压（电流）信号的一种装置。它在非电量检测中应用十分广泛。电阻式传感器的特点：具有结构简单、输出精度较高、线性和稳定性好等特点。电阻式传感器种类较多。主要有变阻器（电位器）式、电阻应变式和固态压阻式传感器等三种类型。第一节电阻应变式传感器电阻应变式传感器广泛被用于测量力、力矩、加速度、质量等参数。它是基于电阻应变效应制造的一种测量微小机械变量的传感器。两端梁悬臂梁扭矩传感器压力传感器位移传感器压力传感器认识应变式力传感器认识应变式力传感器应变式荷重传感器外形认识应变式力传感器应变式力传感器认识应变式传感器认识应变式力传感器电阻应变式传感器目前市场上的力传感器大都是应变式力传感器。它可将拉力、压力、扭矩、加速度、振动、频率等非电量转换成电量。在应变式传感器中敏感元件一般为各种弹性元件，传感元件就是应变片，其非线性可以在0.05%以内。如果与其配用的电子测量仪表也具有相当高的精度和稳定性，则总的测量精度可达±0.1%以内。一、电阻应变片的结构与组成电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片。根据电阻应变片的材料的不同，可分为金属应变片和半导体应变片。金属应变片又分为金属丝式和金属箔式。其结构主要由敏感栅、基底和面胶、胶黏剂及引出线四部分组成。1.敏感栅①金属丝式：金属丝直径在之间,最常见。阻值一般在之间，常用的阻值120Ω最大工作电流为mmmm05.0~02.0mm025.01000~50mAmA50~10②金属箔式：金属箔片是通过光刻腐蚀工艺制成。它的表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大，灵敏系数高，测量范围大，刚度大，可制成各种需要的形状，便于小型化和大批量生产。由于上述优点，有逐渐取代丝式应变片的趋势。箔栅厚度为。材料为康铜、镍铬合金。mmmm01.0~003.0③半导体式：•半导体电阻应变片最突出的优点是体积小、灵敏度高、频率响应范围宽、输出幅值大、不需要放大器，可直接与记录仪连接使用，使测量系统简单。•但它具有温度系数大、非线性比较严重的缺点。•国产的半导体应变片大都采用P型和N型硅材料制成，•其结构有体型、薄膜型、扩散型和外延型。2.基底和面胶（覆盖层）基底作用：将传感器弹性体的应变传递到敏感栅上的中间介质，并起到电阻丝和弹性体间的绝缘作用。面胶作用：起着保护电阻丝的作用。基底有纸基、胶基、纸浸胶基和金属基等。3.胶黏剂：它将电阻丝与基底粘贴在一起；4.引出线：作为连接测量导线之用，引线直经为0.15~0.3mm的镀银或镀锡铜丝或铜线。二、电阻应变效应二、电阻应变效应金属导体或半导体在受到外力作用时,会产生相应的应变。其电阻也将随之发生变化。这种物理现象称为“电阻应变效应”。用来产生应变效应的导体或半导体称为应变片（敏感栅）。以金属丝式为例。金属丝长度为，截面为，材料的电阻率为，这段导线的电阻值为LAR2rLALR式中—导体半径。r1.金属应变效应当导体受力作用时，其长度、截面，电阻率相应变化为、、因而引起电阻变化。L2rdL)(2rdddR2rLALRdRdrrRdLLRdR)(2)2(2232drdrLdLRdrLdrrLdLrdRdrdrLdLRdR22rLALR对式（2-1）全微分，则电阻的相对变化为(2-2)drdrLdLRdR2式中，电阻丝轴向应变，；电阻丝径向应变，。电阻率相对变化量。LdLLLdLrdrrrdrdLrdrdrLdLRdR2dRdRL)21(根据材料力学原理，在弹性限度范围内电阻丝轴向应变与径向应变存在如下关系负号表示二者变化方向相反。式中—材料的泊松系数，。5.0~0dRdRL)21(L）（21d式（2-6）说明应变片电阻变化两项的综合结果。(2-6)一是几何效应项二是压阻效应项对于金属应变片，由于,故dL)21(LRdR)21(21LRdRk（2-7）即金属应变片的电阻变化率取决于材料的几何形状变化。其灵敏度系数为当力作用到用金属材料制作的应变片上时，应变片即发生相应的压缩应变（为负）或拉伸应变（为正）。由应变效应可知，应变片电阻发生变化，其电阻相对变化与电阻丝轴向应变成正比关系。（2-8）练习1、电阻应变片的结构形式各异，但其结构大体相同，一般由（）、（）、（）和（）组成。2、金属电阻的（）是金属电阻应变片工作的物理基础。3、金属电阻应变片有（）和（）等结构形式。敏感栅基底和面胶胶粘剂引出线电阻应变效应金属丝式金属箔式2.半导体应变效应半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指单晶半导体材料（如P-Si,N-Si）沿某方向受到外力作用时，其电阻率发生变化，导致电阻值变化的现象。当在半导体（例如：单晶体）的晶体结构上加上外力时，会暂时改变晶体结构的对称性，表现为它的电阻率的变化。因此，对于半导体应变片，，故Ld)21(dRdRdRdRL)21(根据半导体材料的压阻效应，电阻率相对变化与电阻轴向所受的正应力有关，则dRdR式中—材料的压阻系数；应变片直接感受的是应变或应力。测量时将应变片粘贴在弹性元件（试件）上，当外力作用到弹性元件（试件）上时，弹性元件被压缩（或拉伸），即产生微小的机械变形，粘贴在弹性元件上的应变片感受到应力的作用，根据虎克定律，应力与应变成正比，E应变片的应变与电阻值的相对变化成正比，所以实现了对微小机械变量的测量。RdREdRdRERdRk其灵敏系数为E—材料的弹性模数。三、电阻应变片的主要特性在使用电阻应变片的过程中，只有正确了解它的特性和参数，才不会出现错误，否则会产生较大的测量误差，甚至得不到所需的测量结果。1.灵敏系数灵敏系数的物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。ERdRk应变片的灵敏系数一般由实验方法求得。实验证明，灵敏系数在被测应变片的很大范围内能保持常数。21LRdRk必须指出，应变片的灵敏系数K并不等于其敏感栅整长应变丝的灵敏系数K0，一般情况下，K＜K0。因此，K值通常采用从批量生产中每批抽样，在规定条件下通过实测确定——即应变片的标定；故K又称标定灵敏系数。这是因为，在单向应力产生双向应变的情况下，K除受到敏感栅结构形状、成型工艺、粘结剂和基底性能的影响外，尤其受到栅端圆弧部分横向效应的影响。应变片的灵敏系数直接关系到应变测量的精度。金属导体应变片的灵敏度系数约为2左右，但不超过；半导体应变片的灵敏系数约为。5~4200~100上述规定条件是：①试件材料取泊松比μ0=0.285的钢；②试件单向受力；③应变片轴向与主应力可见，半导体应变片的灵敏度系数值比金属导体的灵敏度系数值大几十倍。此外，根据选用的材料或掺杂多少的不同，半导体应变片的灵敏度系数可以做成正值或负值，即拉伸时应变片电阻值增加（K为正值）或降低（K为负值）。2.横向效应沿应变片轴向的应变必然引起应变片电阻的相对变化，而沿垂直于应变片轴向的横向应变，也会引起其电阻的相对变化，这种现象的产生和影响与应变片结构有关。敏感栅的丝绕应变片内横向效应较为严重。金属应变片的敏感栅通常都呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成，如图a所示。由于试件承受单向应力σ时，其表面处于平面应变状态中，即轴向拉伸εx和横向收缩εy。粘贴在试件表面上的应变片，其纵栅和横栅各自主要分别敏感εx和εy〔如图b，从而引起总的电阻相对变化为：xxyyxxaHKKKRR)1(式中:Kx——Ky——横向灵敏系数，————双向应变灵敏系数比。xya/xyKKH/xxxkHKRR)1(/00/xya)1(0HKkx在标定条件下，有上式为一般情况下应变-电阻转换公式。它表明：阻值的相对变化是由纵向和横向两部分的应变引起的。由式可见，在单位应力、双向应变情况下，横向应变总是起着抵消纵向应变的作用。应变片这种既敏感纵向应变，又同时受横向应变影响而使灵敏系数及相对电阻比都减小的现象，称为横向效应。其大小用横向效应系数H(百分数)来表示，即：%100xyKKHxxxkHKRR)1(/0由此可见，要消减横向效应产生的误差，有效的办法是减小横向效应系数H。理论分析和实验表明：对丝绕式应变片，纵栅L0愈长，横栅r愈小，则H愈小。因此，采用短接式或直角式横栅〔见图2.3(b)、(d)〕，可有效地克服横向效应的影响。应变片a、c回绕式b、d短接式金属箔式应变片•箔式应变片(花)就是据此设计的。3.机械滞后、零漂及蠕变1）机械滞后应变片安装在试件上以后，在一定温度下，在零和某一指定应变之间作出应变片电阻相对变化，（即指示应变）与试件机械应变之间加载和卸载的特性曲线。iRR/R实验发现：这两条曲线并不重合，在同一机械应变下，卸载时应变片电阻相对变化高于加载时，这种现象称为应变片的机械滞后，ii加载和卸载特性曲线之间的最大差值称为应变片的滞后值。m2）零漂已粘贴的应变片，在温度保持恒定、试件上没有应变的情况下，应变片的指示应变会随时间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点漂移，简称零漂。3）蠕变已粘贴的应变片，在温度保持恒定时，承受某一恒定的机械应变长时间的作用，应变片的指示应变会随时间而变化，这种现象称为蠕变。引起蠕变的主要原因是，制作应变片内部产生的内应力和工作中出现的剪应力，使丝栅、基底，尤其是胶层之间产生的“滑移”所致。选用弹性模量较大的粘结剂和基底材料，适当减薄胶层和基底，并使之充分固化，有利于蠕变性能的改善。在应变片工作时，零漂和蠕变是同时存在的，在蠕变值中包含着同一时间内的零漂值。这两项指标都是用来衡量应变片特性对时间的稳定性，在长时间测量时其意义更为突出。4.应变极限(εlim)应当知道，应变片的线性(灵敏系数为常数)特性，只有在一定的应变限度范围内才能保持。当试件输入的真实应变超过某一限值时，应变片的输出特性将出现非线性。在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值，称为应变极限εlim。应变极限是衡量应变片测量范围和过载能力的指标。影响εlim的主要因素及改善措施，与蠕变基本相同。5.温度效应粘贴在试件上的电阻应变片，除感受机械应变而产生电阻相对变化外，环境温度变化也会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应。6.绝缘电阻和最大工作电流应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值，一般应大于10MΩ；应变片最大工作电流是指对已安装的应变片，允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流。7.标准电阻值（R0）标准电阻值指的是在无应变（即无应力）的情况下的电阻值，电阻单位为Ω，主要