機械工程測試與控制技術第八章

常用傳感器8.1傳感器概念8.2電阻式傳感器8.3電感式傳感器8.4電容式傳感器8.5壓電式傳感器8.6磁電式傳感器8.7霍爾式傳感器8.8熱電偶傳感器8.9光電式傳感器8.1傳感器概念一、基本概念傳感器：一種能把特定的信息（物理、化學、生物）按一定規律轉換成某種可用信號輸出的器件和裝置。8.1傳感器概念感受規定的被測量并按一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置。敏感元件轉換元件轉換電路被測量電量敏感元件直接感受被測量轉換為有確定關系的易變成電量的其它量轉換元件將其它物理量直接轉換為有確定關系的電量的元件便于遠傳、接收的信號4～20mA、±5V服從一定的可復現的規律V＝f（p）、Q＝f（p）R＝f（σ）L＝f（x）規定的物理量壓力應變振動、位移二、組成68.1傳感器概念基本特性測試系統的一個基本單元，具有：靜態特性測量范圍、靈敏度、精度等動態特性帶寬頻響曲線8.1傳感器概念用途/輸入量:適合于用戶機械量：位移、力、速度、加速度、振動熱工量：溫度、壓力、流量、流速光學量：光強、光通量、輻射能輸出量性質：適合于研發電參數型/參數式：R、L、C工程參數→電參數基本類型:電阻、電感和電容式無源傳感器：本身沒有內在的能量轉換電量型/發電式：電壓、電流、電荷工程參數→電信號基本類型:壓電式、磁電式、光電式、霍爾式以及熱電式有源傳感器：本身就有內在的能量轉換8.1傳感器概念三、分類8.1傳感器概念8.2電阻式傳感器8.3電感式傳感器8.4電容式傳感器8.5壓電式傳感器8.6磁電式傳感器8.7霍爾式傳感器8.8熱電偶傳感器8.9光電式傳感器8.2電阻式傳感器定義將非電量變化轉換為電阻變化的傳感器。測量的物理量應變——應變片熱——熱敏電阻位移/距離——電位器轉換元件電阻R轉換電路直流電橋電阻R應變片式傳感器工作原理：應變效應應變片的電阻：l——長度A——截面、半徑rρ——電阻率微應變材料在軸向受力的作用，產生機械變形/結構變形——微應變Al8.2電阻式傳感器Al8.2電阻式傳感器

Al8.2電阻式傳感器

8.2電阻式傳感器應變片式傳感器應變片技術參數類型金屬應變片半導體應變片測量范圍με0.1～500000.001～3000靈敏系數1.8～4.550～200標稱阻值Ω120，350，600，…，50001000～5000電阻受溫度影響溫度系數是正值溫度系數是負值，0.15%/0C電阻容差0.1%～0.35%1%～2%有效柵長度/mm0.4～150標準值：3～101～58.2電阻式傳感器應變片式傳感器應變片技術參數(金屬)應變片材料康銅：常用的電阻絲材料卡瑪合金：適用于長時間靜態測量，比康銅具有更長的疲勞壽命和更寬的溫度范圍(NiCr20AlSi牌號：NiCr20AlSi鎳含量：74.5%雜質含量：1%)鉑鎢合金：具有極長的疲勞壽命絕緣電阻應變片絕緣電阻R是指已粘貼的應變片與被測試件之間的電阻值，一般要求R＞108Ω最大工作電流Imax已安裝的應變片敏感柵允許通過的不影響其工作特性的最大電流值。通常靜態測量取25mA左右，動態測量可取75～100mA8.2電阻式傳感器應變片式傳感器應變片結構金屬絲式金屬箔式半導體式50年代以前8.2電阻式傳感器應變片式傳感器應變片使用——敏感元件柱式膜片式（氣體、液體）梁式等截面梁雙孔梁S型拉力梁8.2電阻式傳感器應變片式傳感器溫度誤差溫度引起的測量誤差Rt、R0—應變片在溫度t、t0時電阻值α—應變片電阻絲的電阻溫度系數β—電阻絲材料和試件材料的線膨脹系數S—應變片靈敏系數Δt—溫度變化量必須采用一定的方法來補償電阻應變片輸出的溫度誤差，實用中常采用橋路補償方法電阻溫度效應熱膨脹效應8.2電阻式傳感器應變片式傳感器溫度補償溫度效應：阻值隨溫度變化被測體線脹：不同的線脹系數電橋連接差動：相鄰臂——提高靈敏度補償：相鄰臂8.2電阻式傳感器熱電阻式傳感器工作原理：金屬或半導體的電阻值是溫度的函數當溫度升高1℃時，大多數金屬的阻值要增加0.4~0.6%，而半導體的電阻值要減小3~6%一般純金屬在溫度變化范圍不大時，其電阻值與溫度的關系近似為某些半導體的電阻值與溫度的關系為B=2000~6000K8.2電阻式傳感器熱電阻式傳感器電阻—溫度特性曲線鉑、銅的電阻特性曲線比較理想半導體的電阻特性曲線8.2電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻材料選擇電阻溫度系數a要大，制成的溫度傳感器的靈敏度越高。電阻溫度系數與材料的純度有關，純度越高，a值就越大，且穩定；材料的電阻率要大，這樣可使熱電阻體積較小，熱慣性較小，對溫度變化的響應就比較快；在整個測量范圍內，物理化學性質穩定、線性、良好重復性；易于加工復制，價格便宜。幾種熱電阻材料特性8.2電阻式傳感器熱電阻式傳感器金屬電阻：工業中應用最多的是鉑和銅鉑電阻化學穩定性很高，容易提純，便于加工——最常用的材料用于13.81K～630℃范圍內的測溫、也是基準溫度計8.2電阻式傳感器熱電阻式傳感器金屬電阻：工業中應用最多的是鉑和銅銅電阻溫度系數a高于其它金屬的值，價格低廉，易于提純在-50～150℃范圍內近似呈線性關系缺點：電阻率小，體積較大，銅電阻絲細而長，故機械強度降低易氧化，只能用于無侵蝕性介質8.2電阻式傳感器熱電阻式傳感器半導體電阻具有負的電阻溫度系數：溫度降低時，其電阻值增加，靈敏度增大；具有靈敏度高、體積小、熱容量小的優點，可作為精密溫度測量；常用的測溫電阻有鍺電阻和熱敏電阻。鍺電阻電阻溫度關系很穩定，重復性很好——迄今所研究過的半導體中最理想的低溫測量元件標定一次可長期使用，而且它的測量精度可達到0.005K許多國家將鍺電阻溫度計作為8.2K~20K之間的標準測溫儀表8.2電阻式傳感器熱電阻式傳感器半導體電阻熱敏電阻：正、負、臨界溫度系數電阻溫度系數大，測量靈敏度較高；成本低、結構簡單、體積小（點溫度測量）；電阻率高，而且適合動態測量缺點是性能不穩定，互換性差，導致測量精度不高——空調系統的溫控元件a)圓片型b)柱型c)平板型d)結構組成e)符號8.2電阻式傳感器電阻式傳感器的直流電橋調理技術基本概念電橋是將電阻、電感、電容等電參數的變化變為電壓或電流輸出的一種轉換電路。四臂激勵電源輸出電壓：直接測量、進行放大特點：結構簡單，精確度和靈敏度高，易消除溫度及環境影響分類：按照所采用電源不同，分為直流電橋和交流電橋8.2電阻式傳感器電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋直流供電橋臂為電阻8.2電阻式傳感器實驗的第一步？電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋直流供電橋臂為電阻8.2電阻式傳感器調零平衡:電橋輸出為0平衡條件：對應臂乘積相等

電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋直流供電橋臂為電阻8.2電阻式傳感器調零平衡:電橋輸出為0電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋單臂橋應變測量：

8.2電阻式傳感器電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋單臂橋應變測量：

8.2電阻式傳感器電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋單臂橋應變測量：

8.2電阻式傳感器單臂橋電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋單臂橋應變測量(考慮溫度補償)：

8.2電阻式傳感器電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋單臂橋應變測量(考慮溫度補償)：

8.2電阻式傳感器電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋單臂橋應變測量(考慮溫度補償)：

8.2電阻式傳感器電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋8.2電阻式傳感器半橋應變測量：？電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋8.2電阻式傳感器半橋應變測量：變化相同------對臂電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋8.2電阻式傳感器半橋應變測量：？電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋8.2電阻式傳感器變化相反-----鄰臂（差動）半橋應變測量：電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋8.2電阻式傳感器全橋應變測量：全橋：在半橋基礎上，對應臂變化相同電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋單臂橋半橋全橋測量：放大異號放鄰臂同號放對臂補償：平衡鄰臂8.2電阻式傳感器電阻式傳感器的直流電橋調理技術直流電橋單臂橋半橋全橋測量：放大異號放鄰臂同號放對臂補償：平衡鄰臂8.2電阻式傳感器靈敏度：全橋測量時最大電阻式傳感器的直流電橋調理技術應用：懸臂梁純彎曲的力測量8.2電阻式傳感器幾種方法？溫度補償？電阻式傳感器的直流電橋調理技術應用：懸臂梁純彎曲的力測量R1、R2差動變化半橋應變片粘貼位置電橋連接方式8.2電阻式傳感器電阻式傳感器的直流電橋調理技術應用：懸臂梁純彎曲的力測量R1、R4相同；R2、R3相同；2組差動變化全橋應變片粘貼位置電橋連接方式8.2電阻式傳感器應用應變式力傳感器被測物理量：載荷或力特點：分辨率高，誤差較小，測量范圍大，靜、動態均可測，能在嚴酷環境工作8.2電阻式傳感器應用應變式力傳感器ZL110力傳感器額定載荷10～50（kg）激勵電壓9～12VDC靈敏度2.0±0.2%（mV/kg/V）非線性0.02%F.S重復度0.02%F.S蠕變0.02%F.S/30min允許使用范圍-20～+55℃溫度補嘗范圍-10～+40℃8.2電阻式傳感器與激勵電壓有關激勵電壓為10V時，滿載荷時的輸出是多少？8.2電阻式傳感器應用應變式力傳感器ZL110力傳感器額定載荷10～50（kg）激勵電壓9～12VDC靈敏度2.0±0