现代测试技术 第四章 常用传感器2

1、第第4章章常用传感器常用传感器n学习目标学习目标1.了解传感器的分类；2.了解传感器的选用原则；3.掌握电阻式传感器的原理及其应用；4.掌握电感式传感器的原理及其应用；5.掌握压电式传感器的原理及其应用；6.掌握磁电式传感器的原理及其应用；7.掌握光电式传感器的原理及其应用；学习难点学习难点各类传感器的工作原理各类传感器的工作原理。内容概述内容概述 本章首先说明传感器的分类和选用原则，然本章首先说明传感器的分类和选用原则，然后分别介绍电阻式、电感式、电容式、压电式、后分别介绍电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式和光电式传感器的原理、特性和应用。磁电式和光电式传感器的原理、特性和应用。4. 1

2、 概论概论4.1.1传感器的定义与组成传感器的定义与组成1、传感器（、传感器（Transducer或或Sensor）定义：）定义：国家标准国家标准GB766587对传感器下的定义是对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件组成”。传感器有时也叫换能器、变换器、变送器或探测器。从定义中可看出传感器有两个功能：既敏感敏感和变换。变换。传感技术传感技术：是以研究传感器的材料、传感器的设计、是以研究传感器的材料、传感器的设计、传感器的制作、传感器的应用为主要内容的一门应传感器的制作、传感器的应用为主要内容的一门应用技术。它是以传感器敏感材料的电、

3、磁、光、声、用技术。它是以传感器敏感材料的电、磁、光、声、热、力等物理热、力等物理“效应效应”、“现象现象”、化学中的各种、化学中的各种“反应反应”以及生物学中的各种以及生物学中的各种“机理机理”作为理论基作为理论基础；并综合了物理学、微电子学、光学、化学、生础；并综合了物理学、微电子学、光学、化学、生物工程、材料科学、精密机械、微细加工、试验测物工程、材料科学、精密机械、微细加工、试验测量等方面的知识和技术而形成的一门综合性学科。量等方面的知识和技术而形成的一门综合性学科。它是检测（传感原理）、材料科学、工艺加工等三它是检测（传感原理）、材料科学、工艺加工等三个要素的最佳结合。个要素的最佳结

4、合。 2、传感器的组成、传感器的组成传感器通常由敏感元件、转换元件二部分组成，有时也将测量电路及传感器通常由敏感元件、转换元件二部分组成，有时也将测量电路及辅助电源作为传感器的组成部分。辅助电源作为传感器的组成部分。n敏感元件：敏感元件： 直接感受被测量直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。输出与被测量成确定关系。 n转换元件：转换元件： 敏感元件的输出就是转换元件的输入敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成它把输入转换成电电 量参量量参量 。 n转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信

5、号的电路。录或控制的有用的电信号的电路。其组成如图所示。其组成如图所示。 转换元件转换元件敏感元件敏感元件测量电路测量电路 辅辅 助助 电电 源源被测量电量4.1.2 4.1.2 传感器的分类及对它的一般要求传感器的分类及对它的一般要求1、传感器的分类传感器的分类传感器的品种繁多，原理各异，检传感器的品种繁多，原理各异，检测对象门类也很多，有的传感器可以用测对象门类也很多，有的传感器可以用于测量多种参数于测量多种参数,而有时对于一种物理量而有时对于一种物理量又可用多种不同类型的传感器测量。因又可用多种不同类型的传感器测量。因此，对传感器分类就有很多方法。此，对传感器分类就有很多方法。 传感器的

6、分类传感器的分类1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .2)2)按工

7、作的物理基础分类按工作的物理基础分类: :能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .4)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质

8、的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .表表4-1 传感器的分类传感器的分类分类方法传感器的种类说明按输入量分类位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器、流量传感器、湿度传感器等传感器以被测物理量命名。（易根据被测对象选择传感器，给使用者提供了方便。）按工作原理分类应变式、电容式、电感式、压电式、热电式、电涡流式等等传感器以工作原理命名按物理现象分类结构型传感器：

9、电容式、电感式、电阻式传感器依赖其结构参数变化引起“场”的变化，实现信息转换。物性型传感器：压电式、光电式等传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换。按能量关系分类能量转换型传感器：传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量能量控制型传感器：由外部供给传感器能量，而由被测量控制输出的能量。按输出信号分类模拟式传感器：输出量为模拟量数字式传感器：光栅数字传感器、脉冲盘式角度数字传感器等输出为数字量，便于与计算机联用，抗干扰力较强4.1.3 传感器的性能要求传感器的性能要求无论何种传感器，尽管它们的原理、结构不同，使用环境、无论何种传感器，尽管它们的原理、结构不同，使用环境、条件、目的不同，

10、其技术指标也不尽相同，但有基本要求却是相条件、目的不同，其技术指标也不尽相同，但有基本要求却是相同的。这就是：同的。这就是： 灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系； 噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；噪声小，并且具有抗外部噪声的性能； 滞后、漂移误差小；滞后、漂移误差小； 动态特性良好；动态特性良好； 在接入测量系统时，对被测量不产生影响；在接入测量系统时，对被测量不产生影响； 功耗小，复现性好，有互换性；功耗小，复现性好，有互换性； 防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用； 结构简单，容易维修和校正；结构简单，

11、容易维修和校正； 低成本、通用性强；低成本、通用性强；4.1.4 4.1.4 传感器的发展趋势传感器的发展趋势 传感器技术的主要发展动向：一是开展基础研究，发传感器技术的主要发展动向：一是开展基础研究，发现和应用新现象，开发传感器的新材料、新工艺；二现和应用新现象，开发传感器的新材料、新工艺；二是实现传感器的集成化和智能化。是实现传感器的集成化和智能化。 采用新原理、开发新型传感器；采用新原理、开发新型传感器； 大力开发物性型传感器大力开发物性型传感器(因为靠结构型有些满足不了要求因为靠结构型有些满足不了要求)； 传感器的集成化；传感器的集成化； 传感器的多功能化；传感器的多功能化； 传感器的

12、智能化；传感器的智能化； 研究生物感官，开发仿生传感器。研究生物感官，开发仿生传感器。 4.2 4.2 传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。的问题。 1 1、灵敏度、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题； b)b)量程范围。量程范围。 c)c)交叉灵敏度问题。交

13、叉灵敏度问题。传感器的灵敏度传感器的灵敏度n传感器的灵敏度越高，可以感知越小的变化量，即传感器的灵敏度越高，可以感知越小的变化量，即被测量稍有微小变化时，传感器即有较大的输出。但被测量稍有微小变化时，传感器即有较大的输出。但灵敏度越高，与测量信号无关的外界噪声也容易混入，灵敏度越高，与测量信号无关的外界噪声也容易混入，并且噪声也会被放大。因此，对传感器往往要求有较并且噪声也会被放大。因此，对传感器往往要求有较大的信噪比。大的信噪比。 n 传感器的量程范围是和灵敏度紧密相关的一个参数。传感器的量程范围是和灵敏度紧密相关的一个参数。当输入量增大时，除非有专门的非线性校正措施，传当输入量增大时，除非

14、有专门的非线性校正措施，传感器不应在非线性区域工作，更不能在饱和区域内工感器不应在非线性区域工作，更不能在饱和区域内工作。有些需在较强的噪声干扰下进行的测试工作，被作。有些需在较强的噪声干扰下进行的测试工作，被测信号叠加干扰信号后也不应迸入非线性区。因此，测信号叠加干扰信号后也不应迸入非线性区。因此，过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。 n 如被测量是一个向量时，则传感器在被测量方向的如被测量是一个向量时，则传感器在被测量方向的灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好；如果被测灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好；如果被测量是二维或三维向量，那么对传感器还应要求

15、交叉灵量是二维或三维向量，那么对传感器还应要求交叉灵敏度愈小愈好。敏度愈小愈好。传感器的线性范围传感器的线性范围n任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。线性范围愈宽，则表明传感器的工与输入成比例关系。线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。作量程愈大。n 为了保证测量的精确度，传感器必须在线性区域内工为了保证测量的精确度，传感器必须在线性区域内工作。例如，机械式传感器的弹性元件，其材料的弹性极作。例如，机械式传感器的弹性元件，其材料的弹性极限是决定测量量程的基本因素。当超过弹性极限时，将限是决定测量量程的基本因素。当超过

16、弹性极限时，将产生非线性误差。产生非线性误差。 n 然而任何传感器都不容易保证其绝对线性，在某些然而任何传感器都不容易保证其绝对线性，在某些情况下，在许可限度内，也可以在其近似线性区域应用。情况下，在许可限度内，也可以在其近似线性区域应用。例如，变极距型电容、电感传感器，均采用在初始间隙例如，变极距型电容、电感传感器，均采用在初始间隙附近的近似线性区内工作。选用时必须考虑被测物理量附近的近似线性区内工作。选用时必须考虑被测物理量的变化范围、令其非线性误差在允许范围以内。的变化范围、令其非线性误差在允许范围以内。传感器的响应特性传感器的响应特性n传感器的响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不传感

17、器的响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。但实际传感器的响应总有一迟延，但迟延时间失真。但实际传感器的响应总有一迟延，但迟延时间越短越好。越短越好。 n 一般光电效应、压电效应等物性型传感器，响应一般光电效应、压电效应等物性型传感器，响应时间小，可工作频率范围宽。而结构型，如电感、电时间小，可工作频率范围宽。而结构型，如电感、电容、磁电式传感器等，由于受到结构特性的影响，往容、磁电式传感器等，由于受到结构特性的影响，往往由于机械系统惯性的限制，其固有频率低。往由于机械系统惯性的限制，其固有频率低。n 在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接

18、影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变直接影响，在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点化特点(如稳态、瞬变、随机等如稳态、瞬变、随机等)。 传感器的稳定性传感器的稳定性n传感器的稳定性是经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的传感器的稳定性是经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境传感器稳定性的因素是时间与环境。 n 为了保证稳定性，在选用传感器之前，应对使用环境进行调查，为了保证稳定性，在选用传感器之前，应对使用环境进行调查，以选择合适的传感器类型。例如电阻应变式传感器，湿度会影响其以选择合适的传感器类型。例如电阻应变式传感器，湿度会

19、影响其绝缘性，温度会影响其零漂，长期使用会产生蠕变现象。又如，对绝缘性，温度会影响其零漂，长期使用会产生蠕变现象。又如，对于变极距型电容传感器，环境湿度或油剂浸人间隙时，会改变电容于变极距型电容传感器，环境湿度或油剂浸人间隙时，会改变电容器介质。光电传感器的感光表面有灰尘或水泡时，会改变感光性质。器介质。光电传感器的感光表面有灰尘或水泡时，会改变感光性质。对于磁电式传感器或霍尔效应元件等，当在电场、磁场中工作时，对于磁电式传感器或霍尔效应元件等，当在电场、磁场中工作时，亦会带来测量误差。滑线电阻式传感器表面有灰尘时，将会引入噪亦会带来测量误差。滑线电阻式传感器表面有灰尘时，将会引入噪声。声。

20、n 在有些机械自动化系统中或自动检测装置中，所用的传感器往在有些机械自动化系统中或自动检测装置中，所用的传感器往往是在比较恶劣的环境下工作，其灰尘、油剂、温度、振动等干扰往是在比较恶劣的环境下工作，其灰尘、油剂、温度、振动等干扰是很严重的。这时传感器的选用，必须是很严重的。这时传感器的选用，必须优先优先考虑稳定性因素。考虑稳定性因素。传感器的精确度传感器的精确度n传感器的精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。因为传传感器的精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。因为传感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，感器处于测试系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量，对

21、整个测试系统具有直接影响。对整个测试系统具有直接影响。 n 然而，传感器的精确度也并非愈高愈好，因为还要考虑到经济然而，传感器的精确度也并非愈高愈好，因为还要考虑到经济性。传感器精确度愈高，价格越昂贵，因此应从实际出发来选择。性。传感器精确度愈高，价格越昂贵，因此应从实际出发来选择。n 首先应了解测试目的，是定性分析还是定量分析。如果属于相首先应了解测试目的，是定性分析还是定量分析。如果属于相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么对传感器的对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么对传感器的精确度要求可低些。然而对于定量分析，为了必须获得精确量值，精确度要求可低些。然而对于定量

22、分析，为了必须获得精确量值，因而要求传感器应有足够高的精确度。因而要求传感器应有足够高的精确度。传感器其它选用原则传感器其它选用原则 n传感器在实际测试条件下的工作方式，也是选用传感器时应考虑传感器在实际测试条件下的工作方式，也是选用传感器时应考虑的重要因素。因为测量条件不同对传感器要求也不同。的重要因素。因为测量条件不同对传感器要求也不同。n 在机械系统中，运动部件的被测参数在机械系统中，运动部件的被测参数 (例如回转轴的转速、振动、例如回转轴的转速、振动、扭矩扭矩)，往往需要非接触式测量。因为对部件的接触式测量不仅造成，往往需要非接触式测量。因为对部件的接触式测量不仅造成对被测系统的影响，

23、且有许多实际困难，如测量头的磨损、接触状对被测系统的影响，且有许多实际困难，如测量头的磨损、接触状态的变动，信号采集等都不易妥善解决，也易于造成测量误差。采态的变动，信号采集等都不易妥善解决，也易于造成测量误差。采用电容式、涡流式等非接触式传感器，会有很大方便。若选用电阻用电容式、涡流式等非接触式传感器，会有很大方便。若选用电阻应变计时，则还需配用遥测应变仪。应变计时，则还需配用遥测应变仪。 n 另外，为实现自动化过程的控制与检测系统，往往要求真实性另外，为实现自动化过程的控制与检测系统，往往要求真实性与可靠性。因此必须在现场实际条件下才能达到检测要求，因而对与可靠性。因此必须在现场实际条件下

24、才能达到检测要求，因而对传感器及测试系统都有一定特殊要求。例如，在加工过程中，若要传感器及测试系统都有一定特殊要求。例如，在加工过程中，若要实现表面粗糙度的检测，以往的干涉法、触针式轮廓检测法等都不实现表面粗糙度的检测，以往的干涉法、触针式轮廓检测法等都不能应用，而代之以激光检测法。能应用，而代之以激光检测法。 4.3 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器种类繁多，应用广泛，其基本原理就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。 按工作的原理可分为按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏变阻器式、电阻应变式、

25、热敏式、光敏式、电敏式式、光敏式、电敏式.4.3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。n应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。n应变式传感器特点应变式传感器特点应变式传感器特点精度高，测量范围广；精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，体积小，重量轻；结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；态测量；价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。价格低廉，品种多样，便于选择和大量使

26、用。第二节第二节 电阻式传感器的变换原理电阻式传感器的变换原理电阻式传感器是将被测量转换成电阻变化的传感器电阻式传感器是将被测量转换成电阻变化的传感器。由物理学知：由物理学知：R = 式中：式中： 电阻率；电阻率；l导线的长度；导线的长度；A截面面积。截面面积。 被测量可通过改变上式中的被测量可通过改变上式中的l、A、 中的参数，使导线电阻中的参数，使导线电阻R发生变化，进而引起电路输出的变化。发生变化，进而引起电路输出的变化。 改变长度改变长度l，则可形成滑动触点式变阻器或电位计；，则可形成滑动触点式变阻器或电位计； 改变改变l、A和和则可做成电阻应变片；则可做成电阻应变片；改变改变，则可形

27、成热敏电阻、光导性光检测器、压阻应变，则可形成热敏电阻、光导性光检测器、压阻应变片、以及电阻式温度检测器。片、以及电阻式温度检测器。 Al一、一、电阻应变式（电阻应变片）传感器电阻应变式（电阻应变片）传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片受力产生电阻应变式传感器是利用电阻应变片受力产生应变而使电阻值发生变化的原理来测量被测参量的应变而使电阻值发生变化的原理来测量被测参量的大小。大小。 电阻应变式传感器可用于测量应变、力、加速电阻应变式传感器可用于测量应变、力、加速度、扭矩等参数。如拉压传感器、转矩传感器、应度、扭矩等参数。如拉压传感器、转矩传感器、应变式加速度传感器等。变式加速度传感器等。

28、电阻应变式传感器利用电阻应变式传感器利用电阻应变效应电阻应变效应的原理来的原理来进行测量。进行测量。 1.电阻应变效应电阻应变效应 即金属导线的电阻值随其自身的变形（伸长和即金属导线的电阻值随其自身的变形（伸长和缩短）而改变的一种物理现象：缩短）而改变的一种物理现象：（1）从物理学知：细长导线在外力作用下，导体将）从物理学知：细长导线在外力作用下，导体将产生伸长变形，其电阻值将发生变化，未变形时：产生伸长变形，其电阻值将发生变化，未变形时： 式中：式中：A= A= ； D D导体直径；导体直径； 导电率导电率。 AlR4/2D 当承受拉力变形时，其长度增加、截面减小，电阻率也当承受拉力变形时，

29、其长度增加、截面减小，电阻率也因内部晶格变形而发生变化，计算其电阻的变化增量应为：因内部晶格变形而发生变化，计算其电阻的变化增量应为： 其相对变化为其相对变化为 dAldAAldlAdRdAARdllRdR2dAdAldlRdRrdrldlddldldldlldlldlRdR2AA AAAAAAA2对金属材料，对金属材料，金属丝应变片：金属丝应变片：)21 ( RdRd)21 (2.2.电阻应变片的基本结构和测量原理电阻应变片的基本结构和测量原理 1)1) 应变片的构造应变片的构造 敏感栅：感受应变，并将其转换敏感栅：感受应变，并将其转换 为电阻变化。为电阻变化。 基底和覆盖层：固定和保护敏感

30、基底和覆盖层：固定和保护敏感 栅，使敏感栅与试件绝栅，使敏感栅与试件绝 缘，并传递试件变形给缘，并传递试件变形给 敏感栅。敏感栅。 引出线：将敏感栅的电阻变化引引出线：将敏感栅的电阻变化引 入到测量电路中。入到测量电路中。 l 称为栅长称为栅长(标距标距)，b 称为栅宽称为栅宽(基宽基宽)， bl 称为应变片的使用面积。应变称为应变片的使用面积。应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如 320mm2，120。2) 2) 电阻应变式传感器测量原理电阻应变式传感器测量原理 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即

31、金属导体在外力作用下发生机械变形时，其应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而发的变化而发生变化象。生变化象。 3）电阻应变片的分类及材料）电阻应变片的分类及材料常用应变片常用应变片金属电阻应变片分为丝式、箔式、金属膜式和半金属电阻应变片分为丝式、箔式、金属膜式和半导体式（压阻式）导体式（压阻式）。应变片的分类表应变片的分类表大类大类分类方法分类方法应应 变变 片片 名名 称称 金金 属属应应 变变片片敏感栅结敏感栅结构构单轴应变片；多轴应变片（应变花）单轴应变片；多轴应变片（应变花）基底材料基底材料纸基应

32、变片；胶基应变片；金属基应变片；浸纸基应变片；胶基应变片；金属基应变片；浸胶基应变片胶基应变片制栅工艺制栅工艺丝绕式应变片；短接式应变片；箔式应变片；丝绕式应变片；短接式应变片；箔式应变片；薄膜式应变片薄膜式应变片使用温度使用温度低温应变片（低温应变片（-30以下）；常温应变片（以下）；常温应变片（-30+60）；中温应变片（）；中温应变片（+60+350）；）；高温应变片（高温应变片（+350以上）以上）安装方式安装方式粘贴式应变片；焊接式应变片；喷涂式应变片；粘贴式应变片；焊接式应变片；喷涂式应变片；埋入式应变片埋入式应变片用途用途一般用途应变片；特殊用途应变片（水下、疲一般用途应变片；特

33、殊用途应变片（水下、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等）劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等）半导半导体应体应变片变片制造工艺制造工艺体型半导体应变片；扩散（含外延）型半导体体型半导体应变片；扩散（含外延）型半导体应变片；薄膜型半导体应变片；应变片；薄膜型半导体应变片；N-P元件半导元件半导体型应变片体型应变片金属丝式应变片金属丝式应变片n金属丝式应变片是用金属丝式应变片是用0.010.05mm的金属丝做成敏的金属丝做成敏感栅，有回线式和短接式两种。它制作简单、性能稳感栅，有回线式和短接式两种。它制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴，但因圆弧部分参与变形，横向定、成本低、易粘贴，但因圆弧部分参与变形，横向效

34、应较大。图效应较大。图4.2b为短接式应变片，它的敏感栅平行为短接式应变片，它的敏感栅平行排列，两端用直径比栅线直径大排列，两端用直径比栅线直径大510倍的镀银丝短倍的镀银丝短接而成，其优点是克服了横向效应。丝式应变片敏感接而成，其优点是克服了横向效应。丝式应变片敏感栅常用的材料有栅常用的材料有:康铜、镍铬合金、镍铬铝合金，以及康铜、镍铬合金、镍铬铝合金，以及铂、铂钨合金等。铂、铂钨合金等。金属箔式应变片金属箔式应变片n这类应变片是利用照相制版或光刻腐蚀的工艺方法，在绝缘基底这类应变片是利用照相制版或光刻腐蚀的工艺方法，在绝缘基底上制成各种图形的很薄的金属箔栅，箔材厚度一般在上制成各种图形的很

35、薄的金属箔栅，箔材厚度一般在0.0010.010mm，利用光刻技术，可以支持适用各种需要的、形，利用光刻技术，可以支持适用各种需要的、形状美观的应变花，他的主要优点是：状美观的应变花，他的主要优点是：n制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以制造技术能保证敏感栅尺寸准确、线条均匀，可以制成任意形状以适应不同的测量要求，阻值一致性好，适合大批量生产；适应不同的测量要求，阻值一致性好，适合大批量生产；n敏感栅截面为矩形，其表面积对截面积之比远比圆断面的为大，故敏感栅截面为矩形，其表面积对截面积之比远比圆断面的为大，故粘合面积大；粘合面积大；n敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变

36、性能好；敏感栅薄而宽，粘结情况好，传递试件应变性能好；n散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号；散热性能好，允许通过较大的工作电流，从而增大输出信号；n敏感栅弯头横向效应可以忽略；敏感栅弯头横向效应可以忽略；n蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。蠕变、机械滞后较小，疲劳寿命高。n基于以上这些优点，它在测试中得到广泛的应用，在常温条件下，基于以上这些优点，它在测试中得到广泛的应用，在常温条件下，以基本取代线绕式应变片。以基本取代线绕式应变片。薄膜应变片薄膜应变片薄膜应变片是薄膜技术发展的产物，它是采用真空薄膜应变片是薄膜技术发展的产物，它是采用真空蒸发和真空沉积（真空蒸镀技术）等方法，

37、在薄的绝缘基蒸发和真空沉积（真空蒸镀技术）等方法，在薄的绝缘基片上蒸镀金属电阻材料薄膜（其厚度在片上蒸镀金属电阻材料薄膜（其厚度在0.1 以下），最以下），最后加上保护层制成的。（将电阻材料在基底上制成一层各后加上保护层制成的。（将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片，）这种应变片灵敏系数高，种形式敏感栅而形成应变片，）这种应变片灵敏系数高，不用粘结剂，易实现工业化生产，是一种很有前途的应变不用粘结剂，易实现工业化生产，是一种很有前途的应变片。目前实际使用中的主要问题，是尚片。目前实际使用中的主要问题，是尚难控制难控制其其电阻对温电阻对温度和时间的变化关系度和时间的变化关系。m半

38、导体应变片半导体应变片(压阻式传感器压阻式传感器)半导体应变片的工作原理是基于半导体材半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓料的电阻率随作用应力而变化的所谓“压阻效压阻效应应”。所有材料在某种程度上都呈现压阻效应，。所有材料在某种程度上都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。微小的应变。 常见的半导体应变片是用锗和硅等半导体材料常见的半导体应变片是用锗和硅等半导体材料作为敏感栅，根据压阻效应，半导体和金属丝一作为敏感栅，根据压阻效应，半导体和金属丝一样可以把应变转换成电阻的变化。样可以把应变转

39、换成电阻的变化。压阻式传感器结构压阻式传感器结构电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料。对电阻应变效应的分析公式也适用于半导体电阻材料。对于金属材料来说，于金属材料来说， 比较小，但对于半导体材比较小，但对于半导体材料，料， ，即因机械变形引起的电阻变化可，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由以忽略，电阻的变化率主要是由 引起的，即引起的，即式中，式中，纵向压阻系数纵向压阻系数 ；E材料的弹性模量。材料的弹性模量。实验表明，实验表明， 大近百倍，故大近百倍，故 可以忽略不计，可以忽略不计，因而因而EERRK)21 (比E21dRdRE最常用的半导体电阻材料有最常用的半

40、导体电阻材料有硅和锗硅和锗，掺入杂质可形成，掺入杂质可形成P型或型或N型半导体。由于半导体型半导体。由于半导体(如单晶硅如单晶硅)是各向异性材料，因此它的压是各向异性材料，因此它的压阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关阻效应不仅与掺杂浓度、温度和材料类型有关，还与晶向有关(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。 半导体应变片的半导体应变片的优点优点是是尺寸、横向效应、机械滞后都很小尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵敏度非常高灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；有时传感器的输出不需放大可直接用于

41、测量；分分辨率高辨率高，例如测量压力时可测出，例如测量压力时可测出1020Pa的微压；测量元件的的微压；测量元件的有效面积可做得很小，故有效面积可做得很小，故频率响应高频率响应高；可测量低频加速度和直线；可测量低频加速度和直线加速度。它的加速度。它的缺点缺点是是电阻值和灵敏系数的温度稳定性差电阻值和灵敏系数的温度稳定性差,需温度补需温度补偿或恒温条件下使用偿或恒温条件下使用 ；测量较大应变时非线性严重测量较大应变时非线性严重（线性范围（线性范围小）；小）；灵敏系数随受拉或受压而变，且分散度大灵敏系数随受拉或受压而变，且分散度大；一般在（；一般在（35）%之间，因而是测量结果有（之间，因而是测量

42、结果有（35）%的误差。的误差。 应变计的主要参数有：应变计的主要参数有：（1）几何参数：标距）几何参数：标距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用，制造厂常用bL表表示。示。 （2）电阻值：应变计的原始电阻值。即应变片在没有）电阻值：应变计的原始电阻值。即应变片在没有粘贴没有变形前，在室温下测定的电阻值。应变片电阻粘贴没有变形前，在室温下测定的电阻值。应变片电阻值有一定的系列，如值有一定的系列，如60、120、250、350、600、1000等。其中以等。其中以120为最常用，阻值的大为最常用，阻值的大小应与测量电路相配合。小应与测量电路相配合。 （3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。

43、）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 （4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等。电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 1.1.目测电阻应变片有无折痕目测电阻应变片有无折痕. .断丝等断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.2.用数字万用表测量应变片电阻值大用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5欧姆欧姆. .3.3.试件表面处理

44、：贴片处置用细纱纸打磨干净，用试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.4.应变片粘贴应变片粘贴: :在应变片基底上挤一小滴在应变片基底上挤一小滴502502胶水，胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。5.5.焊线焊线: :用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于大于500M500M欧。欧。7.7.应变片保护：用应变片保护：用704

45、704硅橡胶覆于应变片上，防止硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。受潮。3、电阻应变式传感器的应用举例、电阻应变式传感器的应用举例1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑力或应变。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用等某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等。构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等。2）应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元

46、件一起构成应变）应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。变化后输出。 电阻应变式传感器的应用举例电阻应变式传感器的应用举例: 测构件的拉、压应力测构件的拉、压应力 电阻应变式传感器的应用举例电阻应变式传感器的应用举例: 测量位移、加速度物理参数测量位移、加速度物理参数当被测物体产生位移时，悬臂梁当被测物体

47、产生位移时，悬臂梁随之产生于位移相等的挠度，因随之产生于位移相等的挠度，因而应变片产生相应的应变。在小而应变片产生相应的应变。在小挠度情况下，挠度与应变情况成挠度情况下，挠度与应变情况成正比。将应变片接入桥路，输出正比。将应变片接入桥路，输出与位移成正比的电压信号。与位移成正比的电压信号。 测量时，基座固定在振动体上。振测量时，基座固定在振动体上。振动加速度使质量块产生惯性力，悬动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在惯性力的作用下产生弯曲变形。在惯性力的作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动

48、体的加速度成正比。内与振动体的加速度成正比。 标准产品标准产品案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量案例：冲床生产记数案例：冲床生产记数 和生产过程监测和生产过程监测案例：案例：电子称电子称原理原理将物品重量通过悬臂梁转将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片化结构变形再通过应变片转化为电量输出。转化为电量输出。（1）应变片的灵敏度系数）应变片的灵敏度系数K K= 式中：式中： 为电阻相对变化率；为电阻相对变化率； 为应变片的轴向应变值。为应变片的轴向应变值。 应变片的灵敏度系数应变片的灵敏度系数K0小于电阻丝的灵敏度系小于电阻丝的灵敏度系数数K0值。应变片的灵敏度系数是由生产厂家对应批

49、值。应变片的灵敏度系数是由生产厂家对应批号的应变片，其测定的条件有统一的规定，号的应变片，其测定的条件有统一的规定，K2.1左右左右。 xRR/RR/x3)应变片的灵敏度系数和横向效应应变片的灵敏度系数和横向效应 应变片的横向效应是指应变片对垂直于自身应变片的横向效应是指应变片对垂直于自身轴线方向的横向应变的反应。轴线方向的横向应变的反应。 它的大小除它的大小除与应变片敏感栅的几何形状、材与应变片敏感栅的几何形状、材料有关外料有关外，还与应变片所处的应变场有关。应变，还与应变片所处的应变场有关。应变片的灵敏度系数片的灵敏度系数K K中也已包括了测定中也已包括了测定K K值特定条件值特定条件下的

50、横向效应。当应变状态与特定测量条件不符下的横向效应。当应变状态与特定测量条件不符时时( (即横向应变与纵向应变之比即横向应变与纵向应变之比),),横向效应的影响横向效应的影响也就不同，测量结果就会出现误差。所以也就不同，测量结果就会出现误差。所以粘贴应粘贴应变片时还应注意其轴线方向与试件的主应力方向变片时还应注意其轴线方向与试件的主应力方向一致。一致。（2）应变片的横向效应）应变片的横向效应（3）应变片的温度效应）应变片的温度效应 应变片的温度效应应变片的温度效应是指当应变片工作时，周是指当应变片工作时，周围环境和自身温度发生变化，由于电阻温度效应围环境和自身温度发生变化，由于电阻温度效应使敏

51、感栅电阻发生变化，或由于敏感栅与被测试使敏感栅电阻发生变化，或由于敏感栅与被测试件的热变形不同使敏感栅受到附加的拉伸件的热变形不同使敏感栅受到附加的拉伸(或压缩或压缩)而造成电阻变化的现象而造成电阻变化的现象。 显然，该电阻变化并非试件受力后引起的应显然，该电阻变化并非试件受力后引起的应变，属于虚假的应变信号。严重时，温度每升高变，属于虚假的应变信号。严重时，温度每升高11，可造成几十微应变的虚假输出。，可造成几十微应变的虚假输出。4.3.3 变阻式传感器变阻式传感器1) 变阻式传感器的结构及分类变阻式传感器的结构及分类 变阻式传感器又称为电位器式传感器。它们是变阻式传感器又称为电位器式传感器

52、。它们是由电阻元件及电刷由电阻元件及电刷(活动触点活动触点)两个基本部分组成。两个基本部分组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。与其成一定函数关系的电阻或电压输出。 利用电位器作为传感元件可制成各种电位器利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器，除可以测量线位移或角位移外，还可以式传感器，除可以测量线位移或角位移外，还可以测量一切可以转换为位移的其它物理量参数，如压测量一切可以转换为位移的其它物理量参数，如压力

53、、加速度等。力、加速度等。 变阻式传感器按其结构形式不同，可分为变阻式传感器按其结构形式不同，可分为线绕式、薄膜式、光电式等，在线绕电位器线绕式、薄膜式、光电式等，在线绕电位器中又有单圈式和多圈式两种；按其特性曲线中又有单圈式和多圈式两种；按其特性曲线不同，则可分为线性电位器和非线性不同，则可分为线性电位器和非线性(函数函数)电位器。电位器。2) 变阻式传感器的原理与特性变阻式传感器的原理与特性 由式由式(4.1)可知，如果电阻丝直径与材质一可知，如果电阻丝直径与材质一定时，则电阻定时，则电阻R随导线长度随导线长度L而变化。变阻式而变化。变阻式传感器就是根据这种原理制成的。传感器就是根据这种原

54、理制成的。(2) (2) 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数: : 1) 1)线性线性( (或曲线的一致性或曲线的一致性); 4); 4)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围; ; 2) 2) 分辨率分辨率; 5); 5)电阻温度系数电阻温度系数; ; 3) 3)整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差; 6); 6)寿命寿命; ;(3)(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类按测量类型：按测量类型：单圈电位器单圈电位器多圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器直线滑动式电位器 =常数ACLRRxK xL 等效电路分析等效电路分析: :xLL-L-变阻器总长变阻器总长; ;x-x-电刷移

55、动量电刷移动量. .R-R-总电阻总电阻; ; R Rx x-x-x段电阻段电阻; ;R=K*LL=R/KUU0Lx=RRx=UU0 x=L*U0 / Ux=L*U0 / U= K*U00 LUU0 xUU0V VRLRxR-Rx1UU0 xLRLR Lx()-当当 时，电压输出时，电压输出U0为为LR 0UUxKxL由式可以看到：当电位器输出由式可以看到：当电位器输出端接有输出电阻时，输出电压端接有输出电阻时，输出电压与电刷位移并不是完全的线性与电刷位移并不是完全的线性关系。只有关系。只有 时，时， K 为为常数，输出电压与电刷位移成常数，输出电压与电刷位移成直线关系，线性电位器的理想直线关

56、系，线性电位器的理想空载特性曲线是一条严格的直空载特性曲线是一条严格的直线。线。 回转型变阻器式传感器，其电回转型变阻器式传感器，其电阻值随转角而变化，故为角位阻值随转角而变化，故为角位移型。传感器的灵敏度为：移型。传感器的灵敏度为： 式中式中 单位弧度对应的电阻值，单位弧度对应的电阻值，当导线材质分布均匀时当导线材质分布均匀时， =常数常数； 转角（转角（ rad）。输出电阻输出电阻(或电压或电压)与电刷位移与电刷位移(包括线位移或角位移包括线位移或角位移)之之间具有非线性函数关系的一种电位器间具有非线性函数关系的一种电位器 变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品案例：案例：重量的自动检测重量

57、的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧-力力-位移位移 -电位器电位器-电阻电阻案例：案例：玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理：电机原理：电机-转角转角 -电位器电位器 -电阻电阻4.4电感式传感器电感式传感器电感式传感器的工作原理：电感式传感器的工作原理：它是利用电磁感应原理，把它是利用电磁感应原理，把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。用途及特点：用途及特点：常用来测量位移、振动、压力、应变、流常用来测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等物理量参数。量、比重等物理量参数。优点

58、：优点：具有结构简单、工作可靠、寿命长、使用范围广具有结构简单、工作可靠、寿命长、使用范围广缺点：缺点：存在交流零位信号，不适宜高频动态测量。存在交流零位信号，不适宜高频动态测量。分类：分类：电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型4.4.1 自感型传感器自感型传感器 1. 可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器 由电工学可知，线圈自感量由电工学可知，线圈自感量L为：为： 式中，式中， W 线圈匝数；线圈匝数； 磁路总磁阻。磁路总磁阻。 当空气隙当空气隙较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路较小，而且不考虑磁路的铁损时，则磁路 总磁阻为：总磁阻为：式中：式中：

59、导磁体导磁体 (铁芯铁芯)的长度的长度(m)； 铁芯导磁率铁芯导磁率(H/m)； s铁芯导磁横截面积铁芯导磁横截面积(m2)， ； 空气隙长度空气隙长度(m); 空气导磁率；空气导磁率； 空气隙导磁横截面积空气隙导磁横截面积(m2)；因为因为 ， 所以所以 因此，自感因此，自感L可写为：可写为： 自感自感L与气隙与气隙成反比，而与气隙导磁截面积成反比，而与气隙导磁截面积S0 成正比。成正比。 S0固定不变，固定不变，变化时变化时L 与与呈非线性（双曲线）关系。传感器的灵敏度为呈非线性（双曲线）关系。传感器的灵敏度为: 灵敏度灵敏度S与气隙长度与气隙长度的平方成反比，的平方成反比，愈小，灵敏度愈

60、小，灵敏度S愈高。为愈高。为了减小非线性误差，在了减小非线性误差，在实际应用中，一般取实际应用中，一般取 这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.0011 mm。固定不变，固定不变，S0 变化时变化时自感自感L与与S0 呈线性关系。这种传感器灵敏度较低。呈线性关系。这种传感器灵敏度较低。几种常用可变磁阻式传感器的典型结构几种常用可变磁阻式传感器的典型结构差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线差动型，当衔铁有位移时，可以使两个线圈的间隙按圈的间隙按 变化。变化。一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小。将两线圈接于电桥的