[工学]4-1-2传感器类型及工作原理.ppt

第四章 传感器类型及工作原理 国家标准GB7665-87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，通常由敏感元件和转换元件组成”。 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 发展的特点与趋向：普遍采用电测仪表测定非电量。 电测法具有下述优点： 1)易于实现集中检测、控制和远距离测量。 2)由于电测仪表惯性小且无摩擦，故适于测量动态过程。 3)传感器提供被研究对象的测量、调节和控制设备之间最方便可靠的联系形式，使热能与动力机械测试的连续测量、自动记录、自动调节或控制成为可能。 4)测量的准确度和灵敏度高。由于电测仪表易于改变量程，故测量范围大。 5)不仅可对被测量进行测量，还可以进行数学运算，并能指示、记录和存储最后结果。 第二节 电阻式传感器 导体的电阻与导体的材料性能(电阻率)、导体的尺寸(如长度、横截面积)及导体的温度等因素有关。在匀质导体中，电阻与其长度、电阻率成正比（线性变化）。 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器 按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式 一、电位计式传感器 常见的旋转式变阻器和滑线式变阻器，可作为角位移和线位移测量的电阻式传感器。位移的变化通过机械机构改变电阻器滑臂的位置，从而改变了输出端的电阻值Rx。Rx的改变可以通过输出电压来反映。 只有当负载电阻无穷大时，两者间才能满足线性关系。在实际的测量系统中，负载电阻Rm不可能为无限大，这时存在非线性相对误差，负载电阻Rm越大，相对误差就越小。 增加传感器的供电电压U，可以提高传感器的灵敏度，但会使传感器因电流过大而发热。而金属导体的电阻率随导体温度的增加而变大，这样就产生了新的温度误差。 变阻式传感器的优点: (1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定； (2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小； (3)可以实现输出—输入间任意函数关系； (4)输出信号大，一般不需放大。 缺点: 因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨力较低；动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的量。 用应变片作为敏感元件测量构件的变形时，应变片的电阻变化与应变之间并非有单值函数关系。 温度变化引起的电阻变化造成电阻应变片的温度误差。 （1）应变片本身电阻随温度的变化 （2）应变丝线胀系数与基底线胀系数不一致，在温度变化时会引起附加应变。 为此使用时必须采取温度补偿措施，以消除由温度引起的零漂或虚假信号，以求出仅由载荷作用引起的真实应力。 A为由桥臂电阻和电源电压决定的常数。由上式可知， 当R3和R4为常数时，R1和RB对电桥输出电压Uo的作用方向相反。 利用这一基本关系可实现对温度的补偿。 A.选择式自补偿应变片：根据被测材料，选择合适的应变片材料 简便实用；局限性很大 B.组合式自补偿应变片：两种电阻温度系数不同材料构成，温度变化时，电阻变化相反，总电阻不变。 效果好；制作麻烦 如半导体硅， πL =(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011N/m2，则k0=πLE＝50～100。显然半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50～70倍。 　 最常用的半导体电阻材料有硅和锗，掺入杂质可形成P型或N型半导体。由于半导体(如单晶硅)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(即对晶体的不同方向上施加力时，其电阻的变化方式不同)。 图(a)为膜片式半导体压力传感器结构示意图。为接近固定边条件,硅膜片的边缘较厚,呈杯形,也称为硅杯。在硅膜片上的四个扩散电阻接成电桥。硅边的内腔与被测压力p相连,杯外与大气相通。若杯外与另一压力源相接,则可测压差。 图 (b)是一相似结构,不同的是为了减少封装产生的应力对传感器性能的影响,硅中间体经由进气管与表壳相连,而不直接连接表壳。 主要特点： 1. 灵敏度高 　　硅应变电阻的灵敏因子比金属应变片高50～100倍，故相应的传感器灵敏度很高，一般满量程输出为100mv左右。因此对接口电路无特殊要求，应用成本相应较低。由于它是一种非机械结构传感器，因而分辨率极高，硅压阻传感器在零点附近的低量程段无死区，且线性优良。 2. 精度高 　　由于固态压阻压力传感器的感受，敏感转换和检测三部分由同一个元件实现，没有中间转换环节，所以不重复性和迟滞误差极小。同时由于硅单晶本身刚度很大，形变很小，保证了良好的线性，因此综合静态精度