传感器与检测技术完整版课件

上节回顾:1.检测技术的基本概念及方法

2.传感器的发展3.传感器的分类和基本特性7/30/20231.上节回顾:7/28/20231.1.4.2误差的表示方法

绝对误差和修正值的量纲必须与示值量纲相同。绝对误差可表示测量值偏离实际值的程度，但不能表示测量的准确程度。（1）绝对误差Δ＝Ax－A0修正值CC=－Δ当Ax＞A0时，为正误差；反之为负误差。A0

＝Ax+C7/30/20232.1.4.2误差的表示方法绝对误差和修正值的量纲必须（2）相对误差①实际相对误差②示值(标称)相对误差③满度（引用）相对误差7/30/20233.（2）相对误差①实际相对误差②示值(标称)相对误差③满度（引1.4.3准确度传感器和测量仪表的误差是以准确度表示的。准确度常用最大引用误差来定义它表示传感器的最大相对误差为±S%。仪表引起的最大测量相对误差为如压力传感器的准确度等级分别为0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0等；我国电工仪表的准确度等级分别为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。某0.1级压力传感器的量程为100MPa，测量50MPa压力时，传感器引起的最大相对误差为±0.2%。7/30/20234.1.4.3准确度传感器和测量仪表的误差是以准确度表示的。本节主要内容:7/30/20235.本节主要内容:7/28/20235.第一节电阻应变式传感器

7/30/20236.第一节电阻应变式传感器7/28/20236一、工作原理应变片的工作原理

金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。7/30/20237.一、工作原理应变片的工作原理金属丝受拉时，l变长、r变小，导二、应变片的工作原理

设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为

当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量R

R与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即

K—电阻应变片的灵敏度7/30/20238.二、应变片的工作原理设有一长度为二、应变片的种类与结构应变片可分为金属应变片及半导体应变片两大类。前者可分成金属丝式、箔式、薄膜式三种。目前箔式应变片应用较多。金属丝式应变片使用最早，有纸基、胶基之分。由于金属丝式应变片蠕变较大，金属丝易脱胶，有逐渐被箔式所取代的趋势。但其价格便宜，多用于应变、应力的大批量、一次性试验。箔式应变片中的箔栅是金属箔通过光刻、腐蚀等工艺制成的。箔的材料多为电阻率高、热稳定性好的铜镍合金。箔式应变片与片基的接触面积大得多，散热条件较好，在长时间测量时的蠕变较小，一致性较好，适合于大批量生产。还可以对金属箔式应变片进行适当的热处理，使其线胀系数、电阻温度系数以及被粘贴的试件的线胀系数三者相互抵消，从而将温度影响减小到最小的程度，目前广泛用于各种应变式传感器中。7/30/20239.二、应变片的种类与结构应变片可分为金属应变片及半箔式应变片的外形7/30/202310.箔式应变片的外形7/28/202310.半导体应变片及金属丝式应变片的结构半导体应变片外形金属丝式应变片的内部结构7/30/202311.半导体应变片及金属丝式应变片的结构半导体应变片外形金属丝式应应变片主要性能指标举例上表中，哪几个型号是半导体应变片？依据是什么？

7/30/202312.应变片主要性能指标举例上表中，哪几个型号是半导体应变片的粘贴：

1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。

7/30/202313.应变片的粘贴：

1.去污：采用手持砂轮工具

2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。7/30/202314.

2.贴片：在应变片的表面和处理过3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。7/30/202315.3.测量：从分开的端子处，预先用万

4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。

7/30/202316.4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注

5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。

7/30/202317.5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在三、测量转换电路——不平衡电桥

金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R/R转换为输出电压Uo的。

7/30/202318.三、测量转换电路——不平衡电桥金属应变片的电阻变化三、测量转换电路——不平衡电桥

7/30/202319.三、测量转换电路——不平衡电桥7/28/202319.电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3

调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。

7/30/202320.电桥平衡的条件：R1/R2=R4/R3

单臂电桥全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。7/30/202321.单臂电桥全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半双臂电桥

R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变1~2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。7/30/202322.双臂电桥R1、R2为应变片四臂全桥

全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1~

R4产生的电阻增量（或感受到的应变1~4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。7/30/202323.四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力全桥的温度补偿原理

当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。7/30/202324.全桥的温度补偿原理当环境温度升高时，桥臂上的7/30/202325.7/28/202325.四、应变效应的应用

应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。

7/30/202326.四、应变效应的应用应变效应的应用十应变式力传感器

应变式力传感器

FFFF7/30/202327.应变式力传感器应变式力传感器FFFF7/28/2023各种悬臂梁

FF固定点固定点电缆7/30/202328.各种悬臂梁FF固定点固定点电缆7/28/202328.应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R47/30/202329.应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R4应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF7/30/202330.应变式荷重传感器外形及受力位置（续）FF7/28/20233荷重传感器原理演示荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。

7/30/202331.荷重传感器原理演示荷重传感器上的应变汽车衡称重系统7/30/202332.汽车衡称重系统7/28/202332.电子天平电子天平的精度可达十万分之一7/30/202333.电子天平电子天平的精度可达十万分之一7/28/202333.人体秤

7/30/202334.人体秤7/28/202334.应变式数显扭矩扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2~500N.m，耗电量≤10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。7/30/202335.应变式数显扭矩扳手可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、第二节压阻式固态压力传感器

利用半导体材料的压阻效应和集成电路扩散工艺制作的，四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好，灵敏度相等，漂移抵消，迟滞、蠕变非常小，动态响应快。

7/30/202336.第二节压阻式固态压力传感器

利用半压阻式固态压力传感器内部结构信号处理电路7/30/202337.压阻式固态压力传感器内部结构信号小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器7/30/202338.小型压阻式固态压力传感器高压进气口低压进气口绝对压力传感器7投入式液位计

压阻式固态压力传感器用于投入式液位计：p1的进气孔用柔性不锈钢隔离膜片隔离，并用硅油传导压力而与液体相通。

7/30/202339.投入式液位计压阻式固态压力传感器用于投入式液位

投入式液位传感器

投入式液位传感器安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。

7/30/202340.

投入式液位传感器

投入式液位传感器安装方电阻应变仪下图所示的静态应变仪测量范围：±19999με；分辨率：1με；电桥电压：直流2.5V；

应变片：120Ω或其他阻值；测量点数：8/16点；7/30/202341.电阻应变仪下图所示的静态应变仪测量范围：±19999με；7与计算机接口的多路电阻应变测量模块

7/30/202342.与计算机接口的多路电阻应变测量模块7/28/202342.材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试

7/30/202343.材料应变的测量斜拉桥上的斜拉绳应变测试7/28/202343第三节测温热电阻传感器

一、金属热电阻

温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。7/30/202344.第三节测温热电阻传感器一、金属热电阻

取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484。

7/30/202345.取一只100W/220V灯泡，用万用表易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻

7/30/202346.易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻7/28/202表2-2热电阻的主要技术性能

7/30/202347.表2-2热电阻的主要技术性能7/28/202347.薄膜型及普通型铂热电阻

7/30/202348.薄膜型及普通型铂热电阻7/28/202348.小型铂热电阻

7/30/202349.小型铂热电阻7/28/202349.防爆型铂热电阻

7/30/202350.防爆型铂热电阻7/28/202350.汽车用水温传感器及水温表

铜热电阻7/30/202351.汽车用水温传感器及水温表铜热电阻7/28/202351.学习查“铂热电阻分度表”附录铂热电阻分度表

7/30/202352.学习查“铂热电阻分度表”附录铂热电阻分度表7/27/30/202353.7/28/202353.铂电阻温度显示、变送器7/30/202354.铂电阻温度显示、变送器7/28/202354.可设定温度的温度控制箱

旋转式机械设定开关拨码式设定开关7/30/202355.可设定温度的温度控制箱旋转式机械设定开关拨码7/30/202356.7/28/202356.热敏电阻

热敏电阻有负温度系数（NTC）和正温度系数（PTC）之分。NTC又可分为两大类：第一类用于测量温度，它的电阻值与温度之间呈严格的负指数关系；第二类为突变型（CTR）。当温度上升到某临界点时，其电阻值突然下降。7/30/202357.热敏电阻热敏电阻有负温度系数（NTC热敏电阻的外形、结构及符号

a）圆片型热敏电阻b）柱型热敏电阻c）珠型热敏电阻d）铠装型e）厚膜型f）图形符号1—热敏电阻2—玻璃外壳3—引出线4—紫铜外壳5—传热安装孔

7/30/202358.热敏电阻的外形、结构及符号a）圆片型热敏电阻b）柱型热下图所示的五根曲线分别为哪一种热敏电阻？123457/30/202359.下图所示的五根曲线分别为哪一