机械工程测试技术基础

第三章常用传感器与敏感元件1.传感器的发展

人类为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。人类依靠这些器官接受来自外界的刺激,再通过大脑分析判断,发出命令而动作。随着科学技术的发展和人类社会的进步,人类为了进一步认识自然和改造自然,只靠这些感觉器官就显得很不够了。于是,一系列代替、补充、延伸人的感觉器官功能的各种手段就应运而生,从而出现了各种用途的传感器。传感器的历史可以追溯到远古时代,公元前1000年左右,中国的指南针已开始使用。埃及王朝时代开始使用的天平,一直延用到现在。利用液体膨胀进行温度测量在16世纪前后就已出现。19世纪建立了电磁学的基础,当时建立的物理法则直到现在作为各种传感器的工作原理仍在应用着。以电量作为输出的传感器，其发展历史最短,但是随着真空管和半导体等有源元件的可靠性的提高,这种传感器得到飞速发展。目前只要提到传感器,一般是指具有电输出的装置。由于集成电路技术和半导体应用技术的发展,研究开发了性能更好的传感器。随着电子设备水平不断提高以及功能不断加强,传感器也越来越显得重要。世界各国都将传感器技术列为重点发展的高新技术,传感器技术已成为高新技术竞争的核心技术之一,并且发展十分迅速。2．传感器作用：~直接作用于被测量，并把它转换成与之相应的、容易检测、传输或处理的信号的装置。①传感器是人类感官的延伸a．视觉与光传感器；b．听觉与声压传感器;c．触觉与温度和压力传感器；d．嗅觉与气敏传感器；②是现代测控系统的关键环节。敏感元件转换元件基本转换电路被测量电量RLC3．传感器的基本组成：输入P大气压壳体膜盒电感线圈磁芯基本转换电路敏感元件转换元件例：压力传感器：第一节常用传感器的分类

结构型：依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的（电容，电感传感器）物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化而实现信号转变的（压电，半导体传感器）能量转换型（无源传感器）：直接由被测对象输入能量使其工作的（压电，磁电，光电）能量控制型（有源传感器）：外部供给能量使传感器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。（电阻，电容，电感）位移速度加速度力温度…….1.2.3.第二节机械式传感器敏感元件（弹性体）机械放大指示系统输入量输出量弹性变形输出力压力温度…...组成典型应用及特点：图3-3图3-4①测力计;②压力计；③温度计。①结构简单，使用方便；价格低廉，读数直观。②机械式放大，指示系统使其惯性大，固有频率低，故多用于静态量或低频变化量的测量。③弹性元件的蠕变，弹性后效现象会影响输入，输出的关系。第三节电阻式传感器变阻器式传感器金属电阻应变式电阻应变式传感器半导体应变式(固态压阻式)基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化。一．变阻器式传感器：1．工作原理：即。当电阻丝直径A与材质ρ一定时，的单值函数。2．直线位移型变阻器式传感器：设电位计触头移动Δx，其相应电阻值变化ΔR，则：3．角位移型：同理，可得：4．非线性电位计：

5．电阻分压电路：6．特点：①结构简单，性能稳定，使用方便。②分辨力低，噪声大。二．电阻应变式传感器金属电阻应变式半导体应变式1．电阻应变效应：~电阻丝在外力的作用下发生变形，其电阻值发生变化的现象。当受到外力F作用，其R的变化：设一根电阻丝，未受力时的原始电阻值：

2．金属电阻应变片：①工作原理：电阻相对变化率与应变成正比

②结构：丝式箔式a．丝式：四个基本部分组成：敏感栅（电阻丝）基片覆盖层引出线b．箔式：特点：①光刻技术，应变花；②横向效应小；③散热条件好；④疲劳寿命长；⑤生产率高。

③材料：见表3--2。3．半导体应变片：①工作原理：“压阻效应”~：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。特点：（1）灵敏度高；机械滞后小，横向效应小；（2）温度稳定性差；灵敏度离散度大；在较大应力作用下，非线性误差大等。

胶膜衬底半导体敏感栅内引线焊接端外引线②结构：③材料：见表3--3。P型硅单晶4.应变计的灵敏度系数金属电阻丝的电阻相对变化与它所感受的应变之间具有线性关系,金属丝做成应变计后,由于基片、粘合剂以及敏感栅的横向效应,电阻应变特性与单根金属丝将有所不同,必须重新用实验来测定。实验是按规定的统一标准进行的。电阻应变计贴在一维力作用下的试件上,例如受轴向拉压的直杆、纯弯梁等。实验证明,电阻应变计的电阻相对变化ΔR/R与应变Δl/l=ε之间在很大范围内是线性的,即

式中,k为电阻应变计的灵敏度系数。因一般应变计粘贴到试件上后不能取下再用,只能在每批产品中提取一定百分比（如5%）的产品进行测定,取其平均值作为这一批产品的灵敏度系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏度系数,或称“标称灵敏度系数”。5.横向效应实验表明,应变计的灵敏度k恒小于金属线材的灵敏度系数k0。其原因除了粘合剂、基片传递变形失真外,主要是由于存在横向效应。敏感栅由许多直线及圆角组成,如下图所示。拉伸被测试件时,粘贴在试件上的应变计,被沿应变计长度方向拉伸,产生纵向拉伸应变εx,应变计直线段电阻将增加。但是在圆弧段上,沿各微段（圆弧的切向）的应变并不是εx,与直线段上同样长的微段所产生的电阻变化不同。最明显的是在θ=π/2垂直方向的微段,按泊松比关系产生压应变-εy。该微段电阻不仅不增加,反而减少。在圆弧的其他各微段上,感受的应变是由+εx变化到-εy的。这样,圆弧段的电阻变化,显然将小于同样长度沿x方向的直线段的电阻变化。因此,将同样长的金属线材做成敏感栅后,对同样应变,应变计敏感栅的电阻变化较小,灵敏度有所降低。这种现象称为应变计的横向效应。6.7.

电阻应变仪

电阻应变仪是最早应用的,以应变计作为传感元件的测量应力的专用仪器。电阻应变仪将电桥的微小输出电压放大、记录和处理,从而得到待测应变值。其种类和型号很多,但基本原理相似,通常包括测量电桥、读数电桥、放大器、相敏检波器、滤波器、显示器、稳压电源及振荡器等部分。其方框图如图（3-11）所示。

以阻值R＝120Ω，灵敏度S＝2的电阻应变片与阻值为120Ω的固定电阻组成电桥，供桥电压为3V，并假定负载无穷大，当应变片的应变为2με和2000με时，分别求出单臂和双臂电桥的输出电压，并比较两种情况下的灵敏度。

在材料为钢的实心圆柱试件上，沿轴线和圆周方向各贴一片电阻为120Ω的金属应变片