本章學習要求：1.掌握傳感器的基本概念，組成，傳感器的分類2.掌握電阻式傳感器的工作原理和性能特點3.掌握測量電路及其補償方法4.了解電阻式傳感器的應用第1頁/共96頁

4.1傳感器概述一、什么是傳感器？1、什么是傳感器？是能夠感受規定的被測量，并按照一定的規律轉換成可用的輸出信號的器件或裝置。2、傳感器的功能：有二：1）、對規定的被測量的敏感作用，以完成對被測量的拾取；2）、變換作用：將被測量轉換成與之有嚴格（一、一）對應關系的，容易檢測，傳輸或處理的電信號。3、應用廣泛傳感器的作用類似人的五官（感覺器官）：視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺。人類依靠五種感官從外界獲取信息。又是五官的延伸。主要用于檢測機電一體化系統①自身、②作業對象、③作業環境的狀態，為有效地控制機電一體化系統的運動狀態提供信息。應用極為廣泛，無論是經典的閉環控制，還是今天的CNC（數控機床）、MC(加工中心）、CIMS（計算機集成制造技術）FMS(柔性制造）。科學研究，軍事、航空、航天、航海、工業、農業（溫度、濕度，土壤成分的監測與控制，設施農業……）、醫療衛生，環保、資源普查，地質、采礦、……人們的生活……。機器人，頭腦尚較發達，感官遲鈍……第2頁/共96頁二、傳感器的組成：一般由：敏感元件，轉換元件，及基本轉換電路三部分組成。作用：1、敏感元件：直接感受被測物理量，并以確定（一、一對應）關系輸出轉換元件敏感的另一物理量；2、轉換元件：將敏感元件輸出的非電量轉換成電路參數（R.L,C)，或電壓，電流，頻率等電信號；開環3、基本轉換電路：把轉換元件輸出的電信號規范化，放大到一定的功率，或轉換成便于傳輸，處理的電量。一次、二次傳感器……開環，閉環……基本轉換電路一般不與敏感元件狀在一個殼體內，由于空間限制和技術等原因……一次傳感器：熱電偶壓電F→Q(V）磁電v→E電容位移→⊿C二次傳感器第3頁/共96頁差動電感式傳感器第4頁/共96頁第5頁/共96頁三、傳感器的分類：由于實際的需要，新材料，新理論，新工藝及CPU,傳感器的種類、數量與日俱增，因此應對其進行合理分類；按被測量對象內部信息傳感器：用于檢測機電一體化系統內部的位置，速度，加速度，M,n……外部信息傳感器：環境狀態：非接觸式視覺聽覺接近覺味覺接觸式觸覺力傳感器接觸覺壓覺滑動覺重量覺軟硬覺1、第6頁/共96頁2、按工作機理分類（機理，機制：某些自然現象的物理、化學規律）1）、物性型：是利用某些物質（材料）的某些物理性質隨被測參數的變化而變化的原理制成的。主要是以半導體（ρ），電介質（ε）、磁性體（μ）、熱電、壓電材料。以光電、熱電、壓磁、壓電效應為基礎。2）、結構型：利用傳感器本身的結構或參數變化來實現對被測量的檢測或轉換。如滑線電阻，電感，電容式、光柵，磁柵，感應同步器等傳感器。有運動部件。3、按被測物理量分類：此方法明確地表明了傳感器的用途，便于使用者選擇。如：機械參數：力、力矩、位置、位移、速度，加速度，長度，厚度、角度；

熱工參數：壓力，壓差，流量、流速，溫度，液位……；

物理、化學量：密度，濕度，粘度，濃度，比重，鹽度，PH值……；生物醫學量：血壓，眼壓，腦壓，血液，……4、按工作原理：此法清楚地表示了傳感器的工作原理，有利于傳感器的設計和使用。表1—1，列出了28種工作原理：第7頁/共96頁第8頁/共96頁第9頁/共96頁第10頁/共96頁5、按傳感器的能量源分類：1）、無源型：不需要外加電源、而是將被測量的相關能量轉換為電量（電壓，電流，電荷）輸出，故又稱為能量轉換型，發電型。光電，熱電、壓電、磁電。2）、有源型：需外接電源才能輸出電量，故又稱為能量控制型、參量型。如：電阻，電感，電容等6、按輸出信號的性質分類開關型（二值型）接觸型（如微動開關、行程開關……有觸點的開關非接觸型：（光電開關、聲控開關、接近開關、磁控開關……）模擬型電阻型（電位器，電阻應變片，濕敏電阻）電壓，電流型（熱電偶，光電池）電感、電容型（電感、電容式位置傳感器等）數字型計數型（脈沖或方波信號+計數器）代碼型（增量碼盤、絕對碼盤二進制碼盤格雷碼盤第11頁/共96頁按能量源無源型、發電型有源型、能量控制型第12頁/共96頁1）、開關型：輸出只有ON或OFF(“1”或“0”）兩種狀態，非此及彼，兩者必居其一；可直接送入微機進行處理，使用方便：如：壓力、溫度、流量、速度……繼電器類。２）、模擬型傳感器傳感器的輸出是與輸入相對應的連續變化量線性非線性３）、數字型①、計數型：輸出的脈沖數與輸入量成正比，加上計數器，即可對輸入量進行計數。如：增量碼盤：脈沖數與轉角成正比：光電檢測輸送帶上的產品個數……②、代碼型（數字編碼器）：如絕對碼盤，直接輸出數字代碼，如二進制碼、格雷碼（循環碼）各碼道隨輸入量變化，如４碼道第13頁/共96頁4.2電阻式傳感器電阻式傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器,按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應變式、熱敏式、光敏式、氣敏式.磁敏式例：變阻器式傳感器基本工作原理大電阻傳感器第14頁/共96頁第15頁/共96頁1.電阻應變式傳感器--應變片

電阻應變片工作原理是基于金屬導體的應變效應，即金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發生變化象。第16頁/共96頁1)工作原理上述任何一個參數變換均會引起電阻變化,求導數金屬應變片的電阻R為代入或兩邊相除第17頁/共96頁有：將代入，得：材料的壓阻系數由上式由兩部分組成（1+2μ）ε，由幾何尺寸變化引起的，稱為幾何效應πLEε,是由電阻率ρ變化引起的，稱為力阻效應、壓阻效應、物理效應。第18頁/共96頁對金屬材料，導電率不變：金屬絲應變片：主要是幾何效應的貢獻半導體應變片=πLEε主要是壓阻效應的貢獻優點：靈敏度大;體積小;缺點：溫度穩定性和可重復性不如金屬應變片。第19頁/共96頁第20頁/共96頁2)電阻應變片的種類與材料第21頁/共96頁2)電阻應變片的種類與材料第22頁/共96頁2)電阻應變片的種類與材料第23頁/共96頁關于電阻應變片的橫向效應：如上，粘貼在試樣表面上的應變片，當試樣表面變形時，必然引起應變片電阻值產生相對變化。但這種改變不僅是沿應變片軸線（即縱向）變形引起的，而且也由應變柵彎曲部分承受橫向變形引起的［因試樣若縱向伸長，必然引起試樣橫向收縮（體積不變原理）］，而橫向收縮作用引起電阻值的減小量對于軸向伸長作用引起的電阻值增加量起著抵消作用，它使所測應變值偏小，或者說使應變靈敏度系數減小，這種現象稱為橫向效應，它對測量帶來誤差。在實際測量時，彎曲半徑越大，橫向效應也越大。第24頁/共96頁2)電阻應變片的種類與材料第25頁/共96頁2)電阻應變片的種類與材料金屬箔很薄，因而所感受的應力狀態更接近于試樣表面的應力狀態第26頁/共96頁2)電阻應變片的種類與材料第27頁/共96頁是金屬電阻應變片的50~70倍第28頁/共96頁金屬與半導體電阻應變片性能比較1、工作原理：幾何效應壓阻效應2、靈敏度：較小、一般為2

但穩定較大，是金屬的50~70倍

分散3、溫度系數：較小較大4、線性、好非線性5、橫向效應有橫向效應小6、器件參數、一致性好分散第29頁/共96頁把試件表面的應變準確地傳遞給敏感柵教材P30、表3—1抗濕、抗熱酚醛樹脂、環氧樹脂、聚脂……第30頁/共96頁3)電阻應變片的性能參數第31頁/共96頁4.3測量電路及溫度補償ε及△R/R都比較小，難以直接測量簡單直接動態響應好精度靈敏度都較高第32頁/共96頁對邊電阻乘積相等第33頁/共96頁直流電橋的連接方式第34頁/共96頁1）、電橋的特性

傳感器與應變儀配套才能進行力的測量。電橋輸出電壓：電橋的四個臂R1、R2、R3、R4所產生的變化用⊿R1、⊿R2、⊿R3、、⊿R4表示。若初始狀態電橋平衡、且滿足最大靈敏度條件，對上式進行全微分，得：若各橋臂的應變靈敏度系數K都相同，則：電橋根據工作的橋臂數，可分為：單臂、雙臂、和全橋，其輸出電壓見表3—22、電橋的和差特性石來德、袁禮平，機械參數電測技術P23,自考講義P27背面第35頁/共96頁第36頁/共96頁第37頁/共96頁第38頁/共96頁第39頁/共96頁電橋的和差特性1、若相鄰兩橋臂應變極性相同（同為拉、壓）時，電橋輸出電壓正比于兩應變之差；若極性相反，輸出電壓正比于兩應變之和；2、相對兩橋臂應變極性相同，輸出電壓正比于兩應變之和；若相反，輸出電壓正比于兩應變之差。第40頁/共96頁2)電橋的和差特性（結論）④、減小非線性第41頁/共96頁2)電橋的和差特性（例）溫度把R1、R3布置在電橋相對兩邊，輸出電壓正比于兩應變之和第42頁/共96頁3、溫度誤差及補償對t微分第43頁/共96頁K：由溫度變化所引起的電阻變化為;第44頁/共96頁①②選擇：α+S(β1-β2）=0第45頁/共96頁t↑→S↓→U0↓t↑→Rt↓→Ui↑→U0↑第46頁/共96頁4、電橋的非線性王光銓：P130起始電橋平衡R1R3=R2R4，滿足最大靈敏度條件R1=R2=R3=R41)、單臂電橋：當R1→R1+△R1分子、分母同除因分母中包含自變量△R!/R1，故具有非線性誤差。第47頁/共96頁忽略△R1/R1小量，并考慮R2/R1=R3/R4=1則：2）差動半橋：R1→R1+△R1R2→R2+△R2則：第48頁/共96頁2）差動半橋：R1→R1+△R1R2→R2+△R2則：分母中不含△R項，只要相鄰橋臂△R大小相等，極性相反，就可消除非線性。第49頁/共96頁3）、差動全橋相鄰橋臂電阻變化大小相等，極性相反；可見①在全等臂電橋時，K=②、采用差動電橋可減小或消除非線性誤差第50頁/共96頁4、減小或消除非線性①②③④減小或消除非線性第51頁/共96頁4、應變片的布置和接橋方式第52頁/共96頁4、應變片的布置和接橋方式第53頁/共96頁4.4電阻式傳感器的應用第54頁/共96頁4.4電阻式傳感器的應用：測力第55頁/共96頁一、電阻應變式測力傳感器1、基本工作原理力彈性敏感元件產生應變應變片、⊿R電橋、U放大kU2、彈性敏感元件及計算公式1）、柱形彈性元件F：NE:Pa(N/m2)S:m22)簿壁圓環形彈性元件第56頁/共96頁第57頁/共96頁第58頁/共96頁Φ:斷面坐標角，B處為0，A處為900M:坐標角為Φ處的彎矩R0:環的平均半徑（m）；F:拉力或壓力在A、B斷面處出現最大彎矩：MA=0.318FR0

MB=-0.182FR0兩處的應變值分別為：式中：b為簿壁環的寬度；h為厚度;E為材料的楊氏模量Pa八角形測力環：第59頁/共96頁由于圓環不易固定，實際常用八角環代替他。當八角環的h/R較小時（h—環的寬度，R—環的平均半徑），零應變點在50.50.隨著h/R的增大，此角度下降；當h/R=0.4時，零應變點在450FxFy零應變處在與Fx成900的B處BB第60頁/共96頁第61頁/共96頁各種彈性元件產生的應變ε與外力F成正比，完成了Fε的轉變第62頁/共96頁第63頁/共96頁第64頁/共96頁案例：