1、第四章第四章 被測量的獲取被測量的獲取清華大學清華大學儀器科學與技術研究所儀器科學與技術研究所第四章第四章 被測量的獲取被測量的獲取4.14.1被測量獲取的基本概念被測量獲取的基本概念 4.24.2傳感器的分類傳感器的分類 4.34.3電阻式傳感器電阻式傳感器 4.44.4電阻式溫度計電阻式溫度計 4.54.5熱敏電阻熱敏電阻4.64.6電感式傳感器電感式傳感器4.74.7電容式傳感器電容式傳感器4.84.8壓電傳感器壓電傳感器4.94.9磁電式傳感器磁電式傳感器 4.104.10 紅外輻射檢測紅外輻射檢測4.114.11 固態圖象傳感器固態圖象傳感器 4.124.12 霍爾傳感器霍爾傳感器

2、學習重點學習重點獲取被測量的基本方法，傳感器的分類及依獲取被測量的基本方法，傳感器的分類及依據的原理；據的原理；參量型（電阻、電容、電感）傳感器的作用參量型（電阻、電容、電感）傳感器的作用原理、測量電路和典型應用；原理、測量電路和典型應用；絕對速度、慣性加速度傳感器的頻率響應特絕對速度、慣性加速度傳感器的頻率響應特性曲線及其分析，系統特性參數（性曲線及其分析，系統特性參數（n，）的求法。的求法。4.14.1被測量獲取的基本概念被測量獲取的基本概念傳感：將被測的量或被觀察地量通過一個被傳感：將被測的量或被觀察地量通過一個被測量傳感器或敏感元件轉換成一個電的、液測量傳感器或敏感元件轉換成一個電的、

3、液壓的、氣動的、或其它形式的物理輸出量。壓的、氣動的、或其它形式的物理輸出量。用來完成這種轉換的裝置則稱為用來完成這種轉換的裝置則稱為傳感器傳感器或或敏敏感元件感元件。n敏感元件：直接感受被測物理量并對其進行轉換敏感元件：直接感受被測物理量并對其進行轉換的元件或單元。的元件或單元。n傳感器：敏感元件及其相關的輔助元件和電路組傳感器：敏感元件及其相關的輔助元件和電路組成的整個裝置。成的整個裝置。n敏感元件是傳感器的核心部件。敏感元件是傳感器的核心部件。 傳感器處于測試與檢測裝置的輸入端，傳感傳感器處于測試與檢測裝置的輸入端，傳感器性能的優劣直接影響整個測試裝置的工作器性能的優劣直接影響整個測試裝

4、置的工作特性。特性。 線性傳感器：線性傳感器：若傳感器的輸入量及其輸出量之間的特性曲線是若傳感器的輸入量及其輸出量之間的特性曲線是一條直線，則稱該傳感器是線性傳感器，即一條直線，則稱該傳感器是線性傳感器，即y=x0+kx。式中。式中x、y分別為傳感器的輸入與輸分別為傳感器的輸入與輸出，出，x0為初始值，常數為初始值，常數k 稱傳感系數、轉換比、稱傳感系數、轉換比、靈敏度或斜率。靈敏度或斜率。 非線性傳感器：特性曲線不是一條直線的傳非線性傳感器：特性曲線不是一條直線的傳感器。感器。傳感器產生誤差的原因：傳感器產生誤差的原因：n實際特性曲線與設定特性曲線之間存在偏差實際特性曲線與設定特性曲線之間存

5、在偏差 ；n傳感器的不可逆變化傳感器的不可逆變化 。w引起不可逆變化的原因：老化、零件接觸點狀況變化、引起不可逆變化的原因：老化、零件接觸點狀況變化、熱的或機械的過載、以及化學變化等熱的或機械的過載、以及化學變化等 。消除傳感器誤差的方法消除傳感器誤差的方法n合理的結構設計。合理的結構設計。w例如：力傳感器的結構設計中設法避免橫向敏感力的例如：力傳感器的結構設計中設法避免橫向敏感力的產生。產生。 n對影響傳感器的干擾量進行補償。對影響傳感器的干擾量進行補償。 n穩定傳感器的工作環境條件、合理傳感器的安穩定傳感器的工作環境條件、合理傳感器的安裝方法。裝方法。n對傳感器的定期維護和校準對傳感器的定

6、期維護和校準 。4.24.2傳感器的分類傳感器的分類按被測物理量進行分類按被測物理量進行分類 ：n力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等。力傳感器、速度傳感器、溫度傳感器等。按傳感器的工作原理或傳感過程中信號轉換按傳感器的工作原理或傳感過程中信號轉換的原理分類：的原理分類：n結構型傳感器：根據傳感器的結構變化來實現信結構型傳感器：根據傳感器的結構變化來實現信號的傳感，如電容傳感器。號的傳感，如電容傳感器。n物性型傳感器：根據傳感器敏感元件材料本身物物性型傳感器：根據傳感器敏感元件材料本身物理特性的變化來實現信號的轉換。如壓力加速度理特性的變化來實現信號的轉換。如壓力加速度計是利用了傳感器中石英晶體

7、的壓電效應；光敏計是利用了傳感器中石英晶體的壓電效應；光敏電阻則是利用材料在受光照作用下改變其電阻的電阻則是利用材料在受光照作用下改變其電阻的效應，等等。效應，等等。 根據傳感器與被測對象之間的能量轉換根據傳感器與被測對象之間的能量轉換關系分類：關系分類：n能量轉換型傳感器（亦稱無源傳感器）：直能量轉換型傳感器（亦稱無源傳感器）：直接由被測對象輸入能量來使傳感器工作的。接由被測對象輸入能量來使傳感器工作的。如熱電偶溫度計、彈性壓力計等等。如熱電偶溫度計、彈性壓力計等等。n能量控制型傳感器（亦稱有源傳感器）：依能量控制型傳感器（亦稱有源傳感器）：依靠外部提供輔助能源來工作，由被測量來控靠外部提供

8、輔助能源來工作，由被測量來控制該能量的變化。如電橋電阻應變儀。制該能量的變化。如電橋電阻應變儀。 4.34.3電阻式傳感器電阻式傳感器電阻式傳感器：將被測的量轉變為電阻變化的一種電阻式傳感器：將被測的量轉變為電阻變化的一種傳感器。傳感器。 一、工作原理：一、工作原理：一個電導體的電阻值：一個電導體的電阻值：式中：式中：R電阻（電阻（）；）；材料的電阻率（材料的電阻率（mm2/m）；）；l導體的長度（導體的長度（m）；）； A導體的截面積（導體的截面積（mm2）。）。 改變長度改變長度l，則可形成滑動觸點式變阻器或電位計；，則可形成滑動觸點式變阻器或電位計； 改變改變l、A和和則可做成電阻應變片

9、；則可做成電阻應變片；改變改變，則可形成熱敏電阻、光導性光檢測器、壓阻應變，則可形成熱敏電阻、光導性光檢測器、壓阻應變片、以及電阻式溫度檢測器。片、以及電阻式溫度檢測器。 )(AlR(4.1)二、滑動觸點式變阻器二、滑動觸點式變阻器 n直線位移型：直線位移型：R=ktxkt為單位長度中的電阻為單位長度中的電阻 。其靈敏度：其靈敏度：n角位移型角位移型 靈敏度：靈敏度：觸點轉角觸點轉角(rad)；kr單位弧度對應的電阻值。單位弧度對應的電阻值。 圖4.1 變阻器式傳感器 tdxdRks(4.3)rkddRs(4.4)(4.2)變阻器的分辨率變阻器的分辨率 取決于電阻元件的結構型式。取決于電阻元件

10、的結構型式。為在小范圍空間中得到足夠高的電阻值，常采為在小范圍空間中得到足夠高的電阻值，常采用線繞式電阻元件用線繞式電阻元件 。當滑臂觸點從一圈導線移動至下一圈時，電阻當滑臂觸點從一圈導線移動至下一圈時，電阻值的變化是臺階形的，由此則限制了器件的分值的變化是臺階形的，由此則限制了器件的分辨率。辨率。 實際中能做到繞線間的密度為實際中能做到繞線間的密度為25圈圈/mm，對直，對直線移動式裝置來說，分辨率最小為線移動式裝置來說，分辨率最小為40m，而，而對一個單線圈對一個單線圈5cm直徑的轉動式電位計來說，直徑的轉動式電位計來說，其最好的角分辨率為約其最好的角分辨率為約0.1o。為改善分辨率，也可

11、采用為改善分辨率，也可采用碳膜碳膜或或導電塑料導電塑料電阻電阻元件。元件。 三、電阻應變傳感器三、電阻應變傳感器 當金屬電阻絲受拉或受壓時，電阻絲的長度和當金屬電阻絲受拉或受壓時，電阻絲的長度和橫截面積將發生變化，且電阻絲的電阻率也發生橫截面積將發生變化，且電阻絲的電阻率也發生變化（這一現象稱為壓阻效應），因此導線的電變化（這一現象稱為壓阻效應），因此導線的電阻值發生變化。阻值發生變化。 對式（對式（4.1）進行微分可得：）進行微分可得：設設A=r2，r為電阻絲半徑，代入上式得為電阻絲半徑，代入上式得 2)(AldAlddlAdR(4.6)2(2322rdrdldlRdrrldrldlrdR式

12、中，式中， dl/l=為單位應變；為單位應變； dr/r為電阻絲徑向相對變化，它與為電阻絲徑向相對變化，它與dl/l之間之間的關系為的關系為 式中式中電阻絲材料的泊松比。電阻絲材料的泊松比。 d/反映了電阻絲的電阻率的相對變化，它與反映了電阻絲的電阻率的相對變化，它與電阻絲縱向所受的應力電阻絲縱向所受的應力有關：有關：式中，式中，1縱向壓阻系數縱向壓阻系數 ；E材料的彈性模量。材料的彈性模量。 ldlrdr(4.8)Ed11(4.9)(4.7)將式（將式（4.8）和（）和（4.9）代入式（）代入式（4.7）中，可得）中，可得 分析：分析：影響電阻值變化的因素：影響電阻值變化的因素：n電阻絲長度

13、的變化電阻絲長度的變化 ；n電阻絲面積的變化電阻絲面積的變化 ；n壓阻效應的作用壓阻效應的作用 。電阻值的相對變化與應變成正比，因此通過測量應電阻值的相對變化與應變成正比，因此通過測量應變變dl/l=便可測量電阻變化便可測量電阻變化dR/R，這便是應變片，這便是應變片的原理。若用無量綱因子的原理。若用無量綱因子Sg表征兩者的關系，則表征兩者的關系，則 Sg為應變片系數或靈敏度為應變片系數或靈敏度,金屬電阻絲的靈敏度常金屬電阻絲的靈敏度常在在1.74.0之中，常用的金屬材料有銀、鉻鎳合金、之中，常用的金屬材料有銀、鉻鎳合金、或鐵鎳合金等。或鐵鎳合金等。 )E21 (1RdR(4.10)EldlR

14、dRSg121(4.11)應變片的分類：應變片的分類：n非粘貼式非粘貼式 ：幾乎都被用于傳感器應用。：幾乎都被用于傳感器應用。 圖圖4.3示出一種非粘貼式應變儀，它采用一組連接成電示出一種非粘貼式應變儀，它采用一組連接成電橋形式的預加載電阻絲。橋形式的預加載電阻絲。其中電橋的每根電橋臂的電阻值約為其中電橋的每根電橋臂的電阻值約為1201000，最大激勵電壓為最大激勵電壓為510V，滿量程輸出為，滿量程輸出為2050mV。 圖4.3 非粘貼式應變儀 n粘貼式粘貼式 ：w粘貼式金屬絲應變片可用于應力分析，也可用作為傳粘貼式金屬絲應變片可用于應力分析，也可用作為傳感器。由于可測的電阻值變化要求導線長

15、度很長，因感器。由于可測的電阻值變化要求導線長度很長，因而要將導線按一定的形狀（通常為柵狀）曲折地貼在而要將導線按一定的形狀（通常為柵狀）曲折地貼在由浸漬過絕緣材料地紙襯或合成樹脂組成地載體上。由浸漬過絕緣材料地紙襯或合成樹脂組成地載體上。 圖4.4 金屬絲應變片 圖4.5 應變片結構縱截面情形 w金屬箔式應變片：金屬箔式應變片： a）、b）、c）敏感單方向上的應變d）膜片應變片e）三片式應變花，60箔式平面型f）雙片式應變花，90箔式疊合型g）三片式應變花，45電阻絲式疊合型h）雙片式應變花，90剪切式平面型圖4.6 不同的箔式應變片結構形式 金屬薄膜應變片 ： 采用汽相淀積法和離子濺射法直

16、接在襯底材料上形成，常用作傳感器。 薄膜應變片的阻值和應變片系數與粘貼式金屬箔應變片的相似，但其時間和溫度穩定性較好。 四、半導體應變片四、半導體應變片 n工作原理：半導體材料的壓阻效應工作原理：半導體材料的壓阻效應 。壓阻效應：單晶半導體材料在沿某一軸向受外力作用時，其電阻壓阻效應：單晶半導體材料在沿某一軸向受外力作用時，其電阻率率隨之發生變化。從半導體物理可知，單晶半導體在外力作用隨之發生變化。從半導體物理可知，單晶半導體在外力作用下，原子點陣排列規律會發生變化，導致載流子遷移率及載流子下，原子點陣排列規律會發生變化，導致載流子遷移率及載流子濃度產生變化，從而引起電阻率的變化。濃度產生變化

17、，從而引起電阻率的變化。n分類：分類：wP型應變片：在施加有效應變時會增加其電阻值；型應變片：在施加有效應變時會增加其電阻值；wN型應變片：在施加有效應變時會減少其阻值。型應變片：在施加有效應變時會減少其阻值。 n特點：具有很高的應變片系數，一般可高達特點：具有很高的應變片系數，一般可高達150左右。左右。 圖4.7 不同類型的半導體應變儀1硅棒 2引線帶 3塑料載體 4P型硅 5N型硅 n半導體應變片的電阻半導體應變片的電阻變化主要由公式變化主要由公式（4.10）右邊的）右邊的(1+2)項決定；項決定；n缺點：缺點：w溫度靈敏度高；溫度靈敏度高；w非線性；非線性；w安裝困難。安裝困難。 n半

18、導體膜片式絕對壓半導體膜片式絕對壓力傳感器力傳感器 ：圖4.8 半導體膜片式絕對壓力傳感器 五、應變片的誤差及其補償五、應變片的誤差及其補償 溫度是影響應變片精度的主要因素溫度是影響應變片精度的主要因素 溫度變化引起應變片本身電阻的變化溫度變化引起應變片本身電阻的變化 式中式中RT溫度變化引起的電阻變化值；溫度變化引起的電阻變化值； f金屬應變片電阻溫度系數金屬應變片電阻溫度系數 ； T溫度變化度數。溫度變化度數。由該電阻值的變化折算成應變值為由該電阻值的變化折算成應變值為 TRRfTgfgTTSTSRR1(4.12)金屬絲與襯底材料的線膨脹系數不同，從而在金屬絲與襯底材料的線膨脹系數不同，從

19、而在溫度變化時引起附加的應變。溫度變化時引起附加的應變。 金屬絲因溫度變化引起的應變：金屬絲因溫度變化引起的應變：襯底材料因溫度變化而引起的應變襯底材料因溫度變化而引起的應變 式中式中g和和s分別為金屬絲和襯底材料的線膨脹分別為金屬絲和襯底材料的線膨脹系數。當時系數。當時g s總附加應變則為總附加應變則為 3. 應變片的靈敏度系數隨溫度變化產生的變化較應變片的靈敏度系數隨溫度變化產生的變化較小，可以予以忽略。小，可以予以忽略。Tgg(4.13)Tss(4.14)Tsgsg)(4.15)TSTsggfta)(4.16)補償途徑：補償途徑：n應變片溫度補償應變片溫度補償 （如圖（如圖4.9所示）；所示）；n采用專門的、具有固有采用專門的、具有固有溫度補償功能的應變片。溫度補償功能的應變片。這種應變片采用特別的這種應變片采用特別的材料，這種