第三章 传感器检测及其接口技术(二)

1、第三节第三节 称重（测力）传感器称重（测力）传感器 目前广泛采用电阻应变片式称重传感器。 一、电阻应变效应：一、电阻应变效应：金属或半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而变化的现象。 slR式中：l导体长度； s截面积； 电阻率。二、应变式传感器的特点二、应变式传感器的特点n 1、结构简单，尺寸小，重量轻，使用方便，性能稳定可靠。n 2、分辨率高，能测出极微小的应变。n 3、灵敏度高，测量范围大，测量速度快，适合动静态测量。n 4、价格较便宜，工艺较成熟，可以测量多种物理量，如力、压力、位移、速度、加速度等。三、敏感元件应变片1、功能： 将弹性元件的变形转变成电阻的变化。 2、组成： （1

2、）敏感栅： 康铜或其它合金丝绕成 （2）覆盖层、基底： 绝缘材料，用于固定和保护敏感栅 （3）引线： 通常为镀银或锡的铜丝1 、敏感栅；2、覆盖层；3、引线；4、基底四、弹性元件四、弹性元件功能：将传感器所受的拉（压）力 机械变形 1、柱式弹性元件 柱式弹性元件有圆柱形、圆筒形等几种，如下图所示。这种弹性元件结构简单、承载能力大，主要用于中等载荷和大载荷（可达数兆牛顿）的拉(压)力传感器。n 2 2、悬臂梁式弹性元件、悬臂梁式弹性元件 其特点是结构简单、加工方便、应变片粘贴容易、灵敏度较高。主要用于小载荷、高精度的拉、压力传感器中。可测量0.01牛顿到几千牛顿的拉、压力。高精度悬臂梁传感器 3

3、、型弹性元件n 采用这种弹性元件的传感器称为型称重传感器，因其精度高、抗偏载能力强、量程范围宽等优点在称重测力场合用得最多。n 拌和设备上常用型称重传感器。五、测量（转换）电路五、测量（转换）电路n 在应变片的电测技术中，应用最广泛的测量电路是惠斯通电桥惠斯通电桥电路（又称单臂电桥）。测量电桥由于具有灵敏度高、测量范围宽、电路结构简单、精度高、容易实现温度补偿等优点，因此能很好地满足应变测量的要求。n 通过直流电桥将应变片的电阻变化转换为与受力成正比的电压输出。直流电桥的平衡条件（桥压USC0，U0=0）：n 温度补偿：应变片 六、称重传感器常用技术参数六、称重传感器常用技术参数n额定容量额定

4、容量 生产厂家给出的称量范围的上限值。n额定输出额定输出 加额定载荷时和无载荷时，传感器输出信号的差值。由于称重传感器的输出信号与所加的激励电压有关，所以额定输出的单位以mV/V来表示。并称之为灵敏度（系数）。 灵敏度（系数）：在额定负载下，单位供桥电压（V）所对应的输出电压mV，mV/V。n灵敏度允差灵敏度允差 传感器的实际稳定输出与对应的标称额定输出之差对该标称额定输出的百分比。例如，某称重传感器的实际额定输出为2.002mV/V，与之相适应的标准额定输出则为2mV/V，则其灵敏度允差为： （2.002-2.000）/2.000）*100% = 0.1%n非线性非线性 由空载荷的输出值和额

5、定载荷时输出值所决定的直线和增加负荷之实测曲线之间最大偏差对于额定输出值的百分比。 n滞后允差滞后允差 从无载荷逐渐加载到额定载荷然后再逐渐卸载。在同一载荷点上加载和卸载加载和卸载输出量的最大差值对额定输出值的百分比。n重复性误差重复性误差 在相同的环境条件下，对传感器反复加荷到额定载荷并卸载。加荷过程中同一负荷点上输出值的最大差值对额定输出的百分比。n蠕变蠕变 在负荷不变，其它测试条件也保持不变的情形下，称重传感器输出随时间的变化量对额定输出的百分比。n零点输出零点输出 在推荐电压激励下，未加载荷时传感器的输出值对额定输出的百分比。n绝缘阻抗绝缘阻抗 传感器的电路和弹性体之间的直流阻抗值。n

6、输入阻抗输入阻抗 信号输出端开路，传感器未加负荷时，从电源激励输入端测得的阻抗值。n输出阻抗输出阻抗 电源激励输入端短路，传感器未加载荷时，从信号输出端测得的阻抗。n温度补偿范围温度补偿范围 在此温度范围内，传感器的额定输出和零平衡均经过严密补偿，从而不会超出规定的范围。n零点温度影响零点温度影响 环境温度的变化引起的零平衡变化。一般以温度每变化10K时，引起的零平衡变化量对额定输出的百分比来表示。n额定输出温度影响额定输出温度影响 环境温度的变化引起的额定输出变化。一般以温度每变化10K引起额定定输出的变化量额定输出的百分比来表示。n使用温度范围使用温度范围 传感器在此温度范围内使用其任何性

7、能参数均不会产生永久性有害变化S型称重传感器性能参数：型称重传感器性能参数：型号：型号：KCT301 n用途用途: 适用于吊秤、配料秤、机改秤等电子测力称重系统。适用于吊秤、配料秤、机改秤等电子测力称重系统。n量程量程: 100, 150, 200, 250, 300, 500, 1000, 2000, 5000(kg)n综合误差综合误差: 0.03%F.S 绝缘电阻绝缘电阻: 5000M(100VDC)n灵敏度灵敏度: 20.02mV/V 激励电压激励电压: 912VDCn非线性非线性: 0.03%F.S 温度补偿范围温度补偿范围: -10+40n滞后滞后: 0.03%F.S 使用温度范围使

8、用温度范围: -20+55n重复性重复性: 0.02%F.S 零点温度影响零点温度影响: 0.03F.S/10n蠕变蠕变: 0.03%F.S/10min 灵敏度温度影响灵敏度温度影响: 0.03F.S/10n零点输出零点输出: 1%F.S 安全过载范围安全过载范围: 150%n输入阻抗输入阻抗: 3505 极限过载范围极限过载范围: 200%n输出阻抗输出阻抗: 3503 防护等级防护等级: IP66传感器的防护等级说明传感器的防护等级说明 IP66是防尘防水指标是防尘防水指标 IPxx防尘等级(第一个X表示) 0：没有保护 1：防止大的固体侵入 2：防止中等大小的固体侵入 3：防止小固体进入

9、侵入 4：防止大于1mm的固体进入 5：防止有害的粉尘堆积 6：完全防止粉尘进入 防水等级(第二个X表示) 0：没有保护 1：水滴滴入到外壳无影响 2：当外壳倾斜到15度时，水滴滴入到外壳无影响 3：水或雨水从60度角落到外壳上无影响 4：液体由任何方向泼到外壳没有伤害影响 5：用水冲洗无任何伤害 6：可用于船舱内的环境 7：可于短时间内耐浸水（1m） 8：于一定压力下长时间浸水 七、多个传感器的连接（组合）方式七、多个传感器的连接（组合）方式2、串联连接： 每个传感器使用独立电源单独供桥，而传感器的输出端串联连接。 1、单独连接： 每个传感器单独接线，线路复杂，系统成本高。 这种结构的优点是

10、传感器有相对较大的输出，适用于分辨力较低的称重系统。其缺点是输出阻抗大, 容易带来干扰，电源复杂。 目前, 国内电子秤中大部分仍采用这种连接方式, 但国外已很少采用, 几乎被淘汰。输出3、并联连接：n 各个传感器输入端并联, 使用一个公共电源供桥, 输出端也以并联的方式工作。n n 个传感器并联工作和一个传感器工作时的输出电压是相等的, 但并联后的输出电阻却减小为一个传感器的1/n 。这种连接方式的优点是只用一个电源供电, 系统简单、经济, 输出阻抗小。但对每只传感器要求较高, 即传感器灵敏度系数 S 的公差不能太大, 输出阻抗的平均偏差要小,以减小各个传感器参数不一致对总输出的影响。桥压输出

11、称重传感器网站推荐称重传感器网站推荐第四节 温度传感器n 一、温度传感器的发展历史 温度传感器的发展大致经历了以下三个阶段： 1 1、分立式温度传感器分立式温度传感器 如热电偶、热电阻、热敏电阻及半导体温度传感器等。传感器本身就是一个完整的、独立的感温元件，此类传感器通常需要配温度变送器。 主要缺点：外围电路较复杂，测量精度较低，分辨力不高，需进行温度校准等。 2、模拟集成温度传感器 采用硅半导体集成工艺制成，也称硅温度传感器或单片集成温度传感器。20世纪80年代问世，是将传感器集成在一个芯片上，可完成温度测量及模拟信号输出功能。 主要特点：测温误差小，价格低，响应速度快，传输距离远，体积小，

12、微功耗，不需进行非线性校准，外围电路简单等。 3、智能温度传感器 20世纪90年代中期问世，是微电子技术、计算机技术和自动测试技术的结晶。 内部包含：温度传感器、A/D转换器、寄存器和接口电路，有的还带CPU、RAM和ROM。二、热电阻温度传感器n 1、热电阻效应：物质的电阻率随温度而变化的现象。n 2、分类 按材料分：金属热电阻（一般称热电阻） 半导体热电阻（一般称热敏电阻）n 3、金属热电阻 对热电阻材料的要求：电阻温度系数要大；电阻率尽可能大；物理、化学性能稳定；提纯、复制等工艺性好，价格低。 铂热电阻：PT100 电阻与温度之间的近似线性关系： -200C 0C 0C 650C 4 4

13、、热敏电阻、热敏电阻 负温度系数半导体材料制成。 特点：特点：电阻温度系数大，灵敏度高，电阻率高，阻值大，体积小，重量轻，制作简单，寿命长。 缺点：非线性，互换性差，测温范围小。 应用举例：发动机水温传感器（感温塞）等。 PTC（Positive Temperature Coefficient）是指在某一温度下电阻急剧增加、具有正温度系数的热敏电阻现象或材料。PTC热敏电阻：三、热电偶( thermocouple) 1、热电偶工作原理（热电效应）： 如果两种不同成分的均质导体形成回路，直接测温端叫测量端，接线端子端叫参比端，当两端存在温差时，就会在回路中产生电流，那么两端之间就会存在热电势，这

14、一现象称为塞贝克效应。热电势的大小只与热电偶导体材质以及两端温差有关，与热电偶导体的长度、直径无关。 2、热电偶传感器特点：n 热电偶具有构造简单、适用温度范围广、使用方便、承受热、机械冲击能力强以及响应速度快等特点，常用于高温区域、振动冲击大等恶劣环境以及适合于微小结构测温场合；但其信号输出灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号和前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。n 按照热电偶的组成结构不同，分为热电偶测温导线、铠装热电偶、装配式热电偶。 （1）热电偶测温导线 用外带绝缘的热电偶丝材焊接而成，是测温产品里结构最为简单的一种，响应速度极快。3、热电偶结构的分类 （2） 铠装热

15、电偶n 铠装热电偶的结构原理是：由热电偶丝、高纯氧化镁和不锈钢保护管经多次复合一体拉制而成，具有能弯曲、耐高压、耐震动、热响应时间快和坚固耐用等许多优点，可以直接测量各种生产过程中0800范围内的液体、气体介质以及固体表面的温度。铠装热电偶的直径通常小于8mm。 （3 3）装配式热电偶）装配式热电偶 装配式热电偶主要由接线盒、保护管、绝缘套管、接线端子、热电极组成基本结构，并配以各种安装固定装置组成。 4、热电偶的分度 热电偶分度就是将热电偶的热端(测量端)置于若干个给定的温度下,热电偶的冷端(参考端)置于恒定温度或0的冰点瓶内,测定其热电势值。通过各温度点上测得的热电势值来确定被测电动势与其

16、对应的温度关系。 常用热电偶可分为标准热电偶和非标准热电偶两大类。标准热电偶是指国家标准规定了其热电势与温度的关系、允许误差、并有统一的标准分度表的热电偶，它有与其配套的显示仪表可供选用。非标准化热电偶一般没有统一的分度表，主要用于某些特殊场合的测量。标准化热电偶我国从1988年1月1日起，全部按IEC国际标准生产，并指定S、B、E、K、R、J、T七种标准化热电偶为我国统一设计型热电偶。其中S、R、B属于贵金属热电偶，K、E、J、T属于廉价金属热电偶。四、模拟集成温度传感器 1、产品分类 根据输出方式的不同，可划分成以下几类： （1）电流输出式 特点：输出电流与热力学温度（或摄氏温度）成正比，

17、电流温度系数KI的单位是A/K（或A/）。 典型产品有AD590、AD592、HTS1和TMP17。 （2）电压输出式 特点：输出电压V与K（或摄氏温度、华氏温度）成正比，电压温度系数KV的单位是mV/K（或mV/, mV/F ）。 典型产品有LM334、LM35、LM34A。 （3）周期输出式 特点：输出方波的周期与K成正比，周期温度系数KT的单位是S/K 。 典型产品有MAX6576。 （4）频率输出式 特点：输出方波的频率与K成正比，频率温度系数Kf的单位是Hz/K 。 典型产品有MAX6577。2、电流输出式精密集成温度传感器 AD590AD590(J/K/L/M)的主要特性参数如下：

18、工作电压：430V；工作温度：55150；保存温度：65155；灵敏度：1AK；响应时间：20S；最大非线性误差： 0.3（M） / 1.5（J） 精度：0.5/M AD590的特点：（1）体积小，微功耗，响应快；（2）使用简便，不需外接补偿电路；（3）线性度好，精度高，互换性好；（4）输出阻抗高，10M；（5）耐用：正向耐压：44V 反向耐压：20V（6）输出电流，可用于长距离传送。AD590的管脚定义及应用：精密电阻五、智能温度传感器n 1、特点：以数字的形式直接输出温度值；测温误差小，分辨力高，抗干扰能力强；可设定温度上、下限，具有越限自动报警功能；自带串行总线接口。n 2、分类：根据串行总线来划分，有单线总线、二线总线两种类型。3、DS18B20单线智能温度传感器n生产厂家：美国DALLAS半导体公司n封装及引脚排列：PIN DESCRIPTIONGN