1、2021/3/91上節回顧上節回顧:1.檢測技術的基本概念及方法檢測技術的基本概念及方法 2.傳感器的發展傳感器的發展3.傳感器的分類和基本特性傳感器的分類和基本特性2021/3/921.4.2 1.4.2 誤差的表示方法誤差的表示方法 絕對誤差和修正值的量綱必須與示值量綱相同。絕對誤差和修正值的量綱必須與示值量綱相同。 絕對誤差可表示測量值偏離實際值的程度，但不絕對誤差可表示測量值偏離實際值的程度，但不能表示測量的準確程度。能表示測量的準確程度。 （1 1）絕對誤差）絕對誤差A Ax xA A0 0修正值修正值C CC C= =當當A Ax xA A0 0時，為正誤差；反之為負誤差。時，為正

2、誤差；反之為負誤差。A A0 0 A Ax x+ +C C2021/3/93（2 2）相對誤差）相對誤差實際相對誤差實際相對誤差示值示值( (標稱標稱) )相對誤差相對誤差滿度（引用）相對誤差滿度（引用）相對誤差2021/3/941.4.3 1.4.3 準確度準確度傳感器和測量儀表的誤差是以準確度表示的。準確傳感器和測量儀表的誤差是以準確度表示的。準確度常用最大引用誤差來定義度常用最大引用誤差來定義它表示傳感器的最大相對誤差為它表示傳感器的最大相對誤差為S S% %。儀表引起的最大測量相對誤差為儀表引起的最大測量相對誤差為如壓力傳感器的準確度等級分別為如壓力傳感器的準確度等級分別為0.050.

3、05、0.10.1、0.20.2、0.30.3、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.02.0等；我國電工儀表的準確度等級分等；我國電工儀表的準確度等級分別為別為0.10.1、0.20.2、0.50.5、1.01.0、1.51.5、2.52.5、5.05.0。某某0.10.1級壓力傳感器的量程為級壓力傳感器的量程為100MPa100MPa，測量，測量50MPa50MPa壓力時，壓力時，傳感器引起的最大相對誤差為傳感器引起的最大相對誤差為0.2%。2021/3/95本節主要內容本節主要內容:2021/3/96第一節第一節 電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器 2021/3/97一、工作原理一

4、、工作原理應變應變片的工作原理的工作原理 2llRAr金屬絲受拉時，金屬絲受拉時，l變長、變長、r變小，導致變小，導致R變大變大 。2021/3/98二、應變片的工作原理二、應變片的工作原理 設有一長度為設有一長度為l 、截面積為、截面積為A、半徑為、半徑為r、電阻率、電阻率為為 的金屬單絲，它的電阻值的金屬單絲，它的電阻值R可表示為可表示為 當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中時，上式中 、r、l都將發生變化，從而導致電阻值都將發生變化，從而導致電阻值R發生變化。例如金屬絲受拉時，發生變化。例如金屬絲受拉時，l將變長、將變長、r變小，

5、變小，均導致均導致R變大；又如，某些半導體受拉時，變大；又如，某些半導體受拉時， 將變大將變大，導致，導致R變大。變大。 實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量實驗證明，電阻絲及應變片的電阻相對變化量 R R與材料力學中的軸向應變與材料力學中的軸向應變 x的關系在很大范圍內是的關系在很大范圍內是線性的，即線性的，即 2llRAr 2-1xRKRK電阻應變片的靈敏度電阻應變片的靈敏度2021/3/99二、應變片的種類與結構二、應變片的種類與結構 應變片可分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。前者應變片可分為金屬應變片及半導體應變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。目前箔式應變片應用可

6、分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。目前箔式應變片應用較多。金屬絲式應變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于較多。金屬絲式應變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所金屬絲式應變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但其價格便宜，多用于應變、應力的大批量、取代的趨勢。但其價格便宜，多用于應變、應力的大批量、一次性試驗。一次性試驗。 箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制箔式應變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩定性好的銅鎳合金。箔成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩定性好的銅鎳合金。箔式應變片與片

7、基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時式應變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產。還間測量時的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產。還可以對金屬箔式應變片進行適當的熱處理，使其線脹系數、可以對金屬箔式應變片進行適當的熱處理，使其線脹系數、電阻溫度系數以及被粘貼的試件的線脹系數三者相互抵消，電阻溫度系數以及被粘貼的試件的線脹系數三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應變從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應變式傳感器中。式傳感器中。2021/3/910箔式應變片的外形箔式應變片的外形2021/3/9

8、11半導體應變片半導體應變片及金屬及金屬絲式應變片的結構絲式應變片的結構半導體應變片半導體應變片外形外形金屬絲式應變片的金屬絲式應變片的內部結構內部結構2021/3/912應變片主要性能指標舉例應變片主要性能指標舉例 上表中，哪幾個型號是半導體應變片？上表中，哪幾個型號是半導體應變片？依據是什么？依據是什么？ 2021/3/913應變片的粘貼：應變片的粘貼： 1. 去污：采用去污：采用手持砂輪工具除去手持砂輪工具除去構件表面的油污、構件表面的油污、漆、銹斑等，并用漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼細紋以增加粘貼力力 ，用浸有酒精，用浸有酒精或丙酮的紗布片或或丙酮的紗

9、布片或脫脂棉球擦洗。脫脂棉球擦洗。 2021/3/914 2.2.貼片：在應變貼片：在應變片的表面和處理過的片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應變片放上用鑷子將應變片放上去，并調好位置，然去，并調好位置，然后蓋上塑料薄膜，用后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出手指揉和滾壓，排出下面的氣泡下面的氣泡 。2021/3/915 3.測量測量 ：從：從分開的端子處，分開的端子處，預先用萬用表測預先用萬用表測量應變片的電阻，量應變片的電阻，發現端子折斷和發現端子折斷和壞的應變片。壞的應變片。2021/3/916 4.焊接：焊接： 將引線和端子用

10、將引線和端子用烙鐵焊接起來，烙鐵焊接起來，注意不要把端子注意不要把端子扯斷。扯斷。 2021/3/917 5.固定：固定： 焊接后用膠焊接后用膠布將引線和布將引線和被測對象固被測對象固定在一起，定在一起，防止損壞引防止損壞引線和應變片。線和應變片。 2021/3/918三、測量轉換電路三、測量轉換電路不平衡電橋不平衡電橋 金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果直金屬應變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。且誤差很大。 例例如，如，有一金屬箔式應變片，標稱阻值有一金屬箔式應變片，標稱阻值R R0 0為為100100

11、，靈敏度，靈敏度K K=2=2，粘貼在橫截面積為，粘貼在橫截面積為9.8mm9.8mm2 2的鋼質圓柱體上，鋼的彈性模量的鋼質圓柱體上，鋼的彈性模量E E=2=2 10101111N/mN/m2 2，所受拉力所受拉力F F=0.2t=0.2t，受拉后應變片的阻值，受拉后應變片的阻值R R 的變的變化量僅為化量僅為0.20.2 ，所以必須使用不平衡電橋來測所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量。下面分析該橋式測量轉量這一微小的變化量。下面分析該橋式測量轉換電路是如何將換電路是如何將 R /R轉換為輸出電壓轉換為輸出電壓Uo的。的。 2021/3/919三、測量轉換電路三、測量轉換電路不平衡

12、電橋不平衡電橋 3i124o1234() 2-34RURRRURRRR2021/3/920電橋平衡的條件電橋平衡的條件 ：R1/R2=R4/R3 調節調節RPRP，最終可以，最終可以使使R R1 1 / /R R2 2 = =R R4 4/ /R R3 3（ R R1 1 、R R2 2 是是R R1 1、R R2 2并聯并聯RPRP后的后的等效電阻）等效電阻），電橋趨于，電橋趨于平衡，平衡，U Uo o被預調到零位，被預調到零位，這一過程稱為調零。圖這一過程稱為調零。圖中的中的R R5 5是用于減小調節是用于減小調節范圍的限流電阻。范圍的限流電阻。 2021/3/921單臂電橋單臂電橋 全橋

13、四臂工全橋四臂工作方式的靈敏作方式的靈敏度最高，雙臂度最高，雙臂半橋次之，單半橋次之，單臂半橋靈敏度臂半橋靈敏度最低。最低。2021/3/922 雙臂電橋雙臂電橋 R1、 R2為應變為應變片，片， R3、R4為固定為固定電阻電阻 。應變片。應變片R1 、R2 感受到的應變感受到的應變 1 2以及產生的電以及產生的電阻增量正負號相間，阻增量正負號相間，可以使輸出電壓可以使輸出電壓Uo成倍地增大。成倍地增大。2021/3/923四臂全橋四臂全橋 全橋的四個橋臂都為應變片，全橋的四個橋臂都為應變片，如果設法使試件受力后，應變如果設法使試件受力后，應變片片R1 R4產生的電阻增量（或產生的電阻增量（或

14、感受到的應變感受到的應變 1 4）正負號相）正負號相間，就可以使輸出電壓間，就可以使輸出電壓Uo成倍成倍地增大。上述三種工作方式中，地增大。上述三種工作方式中，全橋四臂工作方式的靈敏度最全橋四臂工作方式的靈敏度最高，雙臂半橋次之，單臂半橋高，雙臂半橋次之，單臂半橋靈敏度最低。采用全橋（或雙靈敏度最低。采用全橋（或雙臂半橋）還能實現溫度自補償。臂半橋）還能實現溫度自補償。2021/3/924全橋的溫度補償原理全橋的溫度補償原理 當環境溫度升高當環境溫度升高時，橋臂上的應變片時，橋臂上的應變片溫度同時升高，溫度溫度同時升高，溫度引起的電阻值漂移數引起的電阻值漂移數值一致，可以相互抵值一致，可以相互

15、抵消，所以全橋的溫漂消，所以全橋的溫漂較小；半橋也同樣能較小；半橋也同樣能克服溫漂。克服溫漂。 2021/3/9252021/3/926四、應變效應的應用四、應變效應的應用 應變效應的應用十分廣泛。它可以測量應應變效應的應用十分廣泛。它可以測量應變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。變應力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應變片的應用可分為兩大類：電阻應變片的應用可分為兩大類：第一類是將第一類是將應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量應變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉換電路，這樣就構成測量各種物理量的專用轉換電路，這樣就構成測量各種物理量的專用應變式傳感器。應變式傳感器。應

16、變式傳感器應變式傳感器中，敏感元件一中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應變片，測量般為各種彈性體，傳感元件就是應變片，測量轉換電路一般為橋路；轉換電路一般為橋路；第二類是將應變片貼于第二類是將應變片貼于被測試件上，然后將其接到應變儀上就可直接被測試件上，然后將其接到應變儀上就可直接從應變儀上讀取被測試件的應變量。從應變儀上讀取被測試件的應變量。 2021/3/927應變式力傳感器應變式力傳感器 應變式力傳感器應變式力傳感器 FFFF2021/3/928各種懸臂梁各種懸臂梁 FF固定點固定點固定點固定點電纜2021/3/929應變式荷重傳感器的外形及應變式荷重傳感器的外形及應變片的粘貼位

17、置應變片的粘貼位置FR1R2 R42021/3/930應變式荷重傳感器外形及受力位置（續）應變式荷重傳感器外形及受力位置（續）FF2021/3/931荷重傳感器原理演示荷重傳感器原理演示 荷重傳荷重傳感器上的應感器上的應變片在重力變片在重力作用下產生作用下產生變形。軸向變形。軸向變短，徑向變短，徑向變長。變長。 2021/3/932汽車衡汽車衡稱重系統稱重系統2021/3/933電子天平電子天平電子天平的精度電子天平的精度可達十萬分之一可達十萬分之一2021/3/934人體秤人體秤 2021/3/935應變式數顯扭矩扳手應變式數顯扭矩扳手 可用于汽車、摩托車、飛機、內燃機、機械可用于汽車、摩托

18、車、飛機、內燃機、機械制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的制造和家用電器等領域，準確控制緊固螺紋的裝配扭矩。量程裝配扭矩。量程2500N.m，耗電量，耗電量10mA，有公制有公制/英制單位轉換、峰值保持、自動斷電英制單位轉換、峰值保持、自動斷電等功能。等功能。2021/3/936第二節第二節 壓阻式固態壓力傳感器壓阻式固態壓力傳感器 利用半導體材料的壓阻效應和集成電利用半導體材料的壓阻效應和集成電路擴散工藝制作的，四個半導體應變電阻路擴散工藝制作的，四個半導體應變電阻處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度處于同一硅片上，工藝一致性好，靈敏度相等，漂移抵消，遲滯、蠕變非常小，動相等，漂移抵消，

19、遲滯、蠕變非常小，動態響應快。態響應快。 2021/3/937壓阻式固態壓阻式固態 壓力傳感器壓力傳感器 內部結構內部結構信號處理電路信號處理電路2021/3/938小型壓阻式固態壓力傳感器小型壓阻式固態壓力傳感器高壓進氣口高壓進氣口低壓進氣口低壓進氣口絕對壓力傳感器絕對壓力傳感器2021/3/939投入式液位計投入式液位計 壓阻式固態壓力傳感器用于投入式液位計：壓阻式固態壓力傳感器用于投入式液位計：p1的進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用的進氣孔用柔性不銹鋼隔離膜片隔離，并用硅油傳導壓力而與液體相通。硅油傳導壓力而與液體相通。 2021/3/940投入式液位傳感器投入式液位傳感器 投入式液

20、位傳感投入式液位傳感器安裝方便，適應于器安裝方便，適應于深度為深度為 幾米幾米 至至 幾十幾十米，且混有米，且混有 大大 量量 污污物、雜質的水或其他物、雜質的水或其他液體的液位測量。液體的液位測量。 2021/3/941電阻應變儀電阻應變儀下圖所示的靜態應變儀測量范圍：下圖所示的靜態應變儀測量范圍：19999；分辨率：分辨率： 1；電橋電壓：直流；電橋電壓：直流2.5V； 應變片：應變片：120或其他阻值；或其他阻值； 測量點數：測量點數：8/16點；點；2021/3/942與計算機接口的多路電阻應變測量模塊與計算機接口的多路電阻應變測量模塊 2021/3/943材料應變的測量材料應變的測量

21、斜拉橋上的斜拉繩斜拉橋上的斜拉繩應變測試應變測試 2021/3/944第三節第三節 測溫熱電阻傳感器測溫熱電阻傳感器 一、金屬熱電阻一、金屬熱電阻 溫度升高，金屬內部原子晶格的振動溫度升高，金屬內部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內部的自由電子通過金加劇，從而使金屬內部的自由電子通過金屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現出電阻屬導體時的阻礙增大，宏觀上表現出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。系數，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。 2021/3/945 取一只取一只 100W/220V 燈泡，用萬用表測量其電阻燈泡，用萬用表測量

22、其電阻值，可以發現其冷態阻值只有幾十歐姆，而計算得到值，可以發現其冷態阻值只有幾十歐姆，而計算得到的額定熱態電阻值應為的額定熱態電阻值應為484 。 2021/3/946易提純、復現性好的金屬材料才可用于制作熱電阻易提純、復現性好的金屬材料才可用于制作熱電阻 2021/3/947表表2-2 熱電阻的主要技術性能熱電阻的主要技術性能 2021/3/948薄膜型及普通型鉑熱電阻薄膜型及普通型鉑熱電阻 2021/3/949小型鉑熱電阻小型鉑熱電阻 2021/3/950防爆型鉑熱電阻防爆型鉑熱電阻 2021/3/951汽車用水溫傳感器及水溫表汽車用水溫傳感器及水溫表 銅熱電阻銅熱電阻2021/3/95

23、2學習查學習查“鉑熱電阻分度表鉑熱電阻分度表”附錄附錄 鉑熱電阻分度表鉑熱電阻分度表 2021/3/9532021/3/954鉑電阻溫度顯示、變送器鉑電阻溫度顯示、變送器2021/3/955可設定溫度的溫度控制箱可設定溫度的溫度控制箱 旋轉式機械旋轉式機械 設定開關設定開關 撥碼式撥碼式 設定開關設定開關2021/3/9562021/3/957熱敏電阻熱敏電阻 熱敏電阻有負溫度系數（熱敏電阻有負溫度系數（NTC）和正溫度）和正溫度系數（系數（PTC）之分。）之分。 NTC又可分為兩大類：又可分為兩大類： 第一類用于測量溫度，它的電阻值與溫度之第一類用于測量溫度，它的電阻值與溫度之間呈嚴格的負指數關系；間呈嚴格的負指數關系； 第二類為突變型（第二類為突變型（CTR）。當溫度上升到）。當溫度上升到某臨界點時，其電阻值突然下降某臨界點時，其電阻值突然下降 。202