测试与传感技术（ 2 ）

测试与传感技术（2） 孙裕晶 2011.10.10

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第2章常用传感器原理与应用 分类 • 用途：位移传感器、压力传感器、温度传感器、… • 工作原理：电阻应变式、电感式、电容式、压电式、… • 被测量的转换特征：结构型和物性型 • 能量传递方式：能量控制型传感器和能量转换型传感器

主要内容 • 电位器式式传感器 • 电阻应变式传感器 • 电感式传感器 • 电容式传感器 • 压电式传感器 • 磁敏传感器 • 光电式传感器 • 集成传感器

电位器式位移测量传感器 光电式电位器结构图 1-光电导体 2-基体 3-电阻薄膜 4-窄光束5-导电带线绕电位器的阶梯输出特性

电阻应变式传感器 • 原理：利用电阻应变片将应变转换为电阻变化 • 功能：测量应变、力、扭矩、位移、加速度等 • 特点：灵敏度高、测量精确、动态响应快、技术成熟金属电阻应变片电阻应变片半导体应变片

电阻应变片式传感器 • 结构 1-敏感栅 2-基片 3-覆盖层 4-引线 l——应变片的基长，b——基宽 • 材料直径为0.025mm左右的康铜(wCu为57％、wNi为43％)或镍铬合金丝(wNi为80％、wCr为20％) 阻值系列：60Ω、120Ω、350Ω、600Ω、1000Ω，以120Ω为最常用。

电阻应变片式传感器工作原理 • 电阻应变效应当金属丝在外力作用下产生机械变形时，其电阻值发生变化。纵向应变微分电阻相对变化整理

电阻应变片式传感器工作原理 应变系数或灵敏度金属电阻应变系数金属电阻丝的灵敏度一般在1.7～3.6左右。

二、半导体应变片 • 压阻效应半导体单晶材料在沿某一方向受到外力作用时，电阻率会发生相应变化的现象称为压阻效应。 (1+2μ)ε很小 λ压阻系数 1-基片 2-半导体 3-导线 4-接线片 5-引出线 • 优点： • 灵敏度高，比金属应变片要高50～70倍，P型硅的灵敏度可达175。 • 还有横向效应和机械滞后小、体积小等特点。灵敏度体型半导体应变片 • 类型薄膜型半导体应变片扩散型半导体应变片

半导体应变片 局限性 • 电阻值温度稳定性差因附加变形产生的电阻变化大 • 灵敏系数温度稳定性差 • 受拉应变和压应变时的K不一致 • 输出量较大时，非线性严重 600-1000με时非线性开始明显； 1000με以上时非线性较大。 • 半导体应变片灵敏度系数离散度大 3%-5%

应变片主要参数和工作特性 • 应变片尺寸 • 阻值 • 灵敏度系数K • 零点飘移 • 热输出最小尺寸：丝式：3-5mm 箔式：0.2-0.5mm 选片原则：试件测量部位大小；应变梯度；动态测试中栅长< 特定条件：单向应力；轴线应力；材料一定，μ不变对已安装的应变片，在环境温度恒定，但无机械应变条件下，应变片指示应变随时间的变化。安装在线膨胀系数试件上，试件可以自由膨胀并不受外力作用，缓慢升（或降）温的均匀温度场内，温度变化引起的应变片指示应变。

应变片主要参数和工作特性 • 蠕变 • 机械滞后 • 应变极限 • 横向效应系数 • 绝缘电阻 • 疲劳寿命 • 最大工作电流标准：应变片承受应变为1000με时，经一小时应变片指示应变的变化量。对已安装的应变片，在环境温度恒定，加载和减载过程中同一载荷下应变片指示应变量大差值。

电阻应变片式传感器应用 • 位移传感器应变片式位移传感器 1-测量头 2-悬臂梁 3-弹簧 4-外壳 5-测量杆 6-调整螺母 7-应变片悬臂梁式位移传感器

电阻应变片式传感器应用 • 直接把应变片贴在试件上: 安装方便适用于电子吊秤配料秤．机改电等悬挂称重系统适用于电子汽车衡、轨道衡和测力系统机器人

实验1：应变片的粘贴工艺 直流电阻电桥 • 表面清理 • 划线 • 应变片粘贴 • 粘接层固化 • 粘贴质量检验测量通断应变片和实践通断引线和试件间的绝缘电阻 • 安装连接线连接端子、连接线 • 检查 • 应变片防护万用表兆欧表 502胶无水乙醇

如何评价应变片粘贴工艺 • 对粘接剂要求强度固化过程变形小固化后不吸潮绝缘阻值高蠕变和滞后小工艺性能长期储存 • 粘贴质量要求粘贴牢固胶层薄而均匀绝缘性好蠕变小

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