第二章:检测转换原理 如前所述,测试系统的首要环节是担负将被测物理量转换成电量 的传感!由于被转换的被测非电量干差万别,因此起转换作用的 传感器种类繁多甚至是“日新月异”,其检测转换原理涉及多种学科 物理学、化学、材料学甚至生物学不一而足目前,传感器技术是 非常活跃的新兴技术 为了研究与应用传感器,常把传感器按照不同目的进行相应的分 类
第二章：检测转换原理 如前所述，测试系统的首要环节是担负将被测物理量转换成电量 的传感器! 由于被转换的被测非电量千差万别，因此起转换作用的 传感器种类繁多甚至是“日新月异”，其检测转换原理涉及多种学科： 物理学、化学、材料学甚至生物学不一而足.目前,传感器技术是一门 非常活跃的新兴技术. 为了研究与应用传感器，常把传感器按照不同目的进行相应的分 类
检测转换原理 協球 (1)按转换原理所属的学科分类: 物理型:利用物理效应 化学型利用化学反应 生物型利用生物效应和机体部分组织及微生物 (2)按传感的构成原理分类 结构型:由被测量的作用使传感器的结构参数发生变化而造成其输岀变化 物性型:由构成传感的材料物性随被测量变化而造成其输出变化 (3)按转换结果量值性质分类: 模拟量 数字量 (4)按传感器的用途与被转换量属性分类 过程量 温度、流体压力、流体流量等 机械量: 尺寸、位移、速度、加速度、力、转矩、振动等 物性和成分量: 密度、比重、酸硷度、浓度、黏度等 太昌 颜色、透明度、粗糙度等 (5)按转换输出的电量类型分类 电路参数:如电阻、电容、电感等 电参数 如电荷、电流、电压、电势等
检测转换原理 概述 (1)按转换原理所属的学科分类: 物理型:利用物理效应 化学型:利用化学反应 生物型:利用生物效应和机体部分组织及微生物 (2)按传感的构成原理分类: 结构型:由被测量的作用使传感器的结构参数发生变化而造成其输出变化 物性型:由构成传感器的材料物性随被测量变化而造成其输出变化 (3)按转换结果量值性质分类: 模拟量 数字量 (4)按传感器的用途与被转换量属性分类: 过程量: 温度、流体压力、流体流量等 机械量: 尺寸、位移、速度、加速度、力、转矩、振动等 物性和成分量: 密度、比重、酸硷度、浓度、黏度等 状态量: 颜色、透明度、粗糙度等 (5)按转换输出的电量类型分类: 电路参数: 如电阻、电容、电感等 电参数: 如电荷、电流、电压、电势等
检测转换原理 協球 上述分类方法的考察角度不同,前3种是从传感器设计角度出发第 4种面向传感器的选用而第5种分类方法则傾于学习 本章按照传感器转换输出的电量类型依次介绍: 电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 电势型传感器
检测转换原理 概述 上述分类方法的考察角度不同,前3种是从传感器设计角度出发,第 4种面向传感器的选用,而第5种分类方法则便于学习. 本章按照传感器转换输出的电量类型依次介绍: 电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 电势型传感器
21电阻型传感器 2.1.2概述 电阻型传感器将被测非电量转换成电路参数电阻R,转换机理: 1.导体电阻,由R=尸。,被测非电量只要能使导体的长度,截面、 电阻率随其而变,那么依椐此式即可转换成电量R 例如 滑线变阻器(变长度 碳堆电阻(变截面 热敏电阻(变电阻率 应变电阻 者都变) 2.利用材料 半导体材料)的某些特殊物理特性,可以直接将被测物理量 的变化转换为材料电阻变化 例如: 磁阻效应 磁敏电阻 光电导效应 光敏电阻 等等 本节内容只介绍应变式电阻传感器,其他待后续章节讨论
2.1 电阻型传感器 ２.１.2 概述 电阻型传感器将被测非电量转换成电路参数电阻R，转换机理: 1．导体电阻, 由 ，被测非电量只要能使导体的长度 ，截面、 电阻率 随其而变，那么依椐此式即可转换成电量R。 例如: 滑线变阻器 (变长度） 碳堆电阻 (变截面） 热敏电阻 (变电阻率） 应变电阻 (三者都变） ２．利用材料（特别是半导体材料）的某些特殊物理特性，可以直接将被测物理量 的变化转换为材料电阻变化. 例如： 磁阻效应 磁敏电阻 光电导效应 光敏电阻 等等 本节内容只介绍应变式电阻传感器，其他待后续章节讨论 S l R =
2.1.2应变式电阻传感器 应变式电阻传感餐俗称”应变片,依其所用材料不同分为金属导体 代两类 1.工作原理: 1).金属导体式应变电阻的工作原理 由R=p全微分有 dr dR/R为电限距对变化 R 对直径为D的圆形截面金属导线,其截面面积mD2 将dS=代 有 dr dl dd dp D 其中:2=,纵向应变 金属导线发生应变时几何形状变化 A)向应变 a阻率相对变化因压阻效应所致源于自由电子的 活动能力和数量变
２.１.2应变式电阻传感器 应变式电阻传感器俗称”应变片” ,依其所用材料不同分为金属导体 式和半导体式两类。 1. 工作原理: 1）. 金属导体式应变电阻的工作原理： 由 ,取全微分有: dR/R为电阻相对变化 对直径为D的圆形截面金属导线，其截面面积 将 代入 有: 其中： —纵向应变 金属导线发生应变时几何形状变化 —横向应变 —电阻率相对变化, 因压阻效应所致，源于自由电子的 活动能力和数量变化 S l R = d S dS l dl R dR = − + 4 2 D S = D dD dS = 2 d D dD l dl R dR = − 2 + l dl ε x = D dD y = ρ dρ
21电阻型传感器 应变式 由材料力学可知 dD 横向应变与其纵向应变的比值称为材料的泊松系数 (轴向伸长必定伴随径向缩小 代入上式有: dR dl dl dp 此式即为“应变效应”的表达式K称为灵敏度系数,给出了导体长度 变化(输入)与电阻变化(输出)之间的关系 又因: o为电阻丝受力后内部产生的应力 E E为材料的杨氏模量 有 d 1+2+ E=1+2+丌,E (3-10) 对于金属导体,压阻系数可忽略不计,故灵敏度系数K为常数,数值范 围在12~14之间,一般为1.,7~3.6(多为2.0左右)
2.1 电阻型传感器 应变式 由材料力学可知: 横向应变与其纵向应变的比值称为材料的泊松系数 (轴向伸长必定伴随径向缩小) 代入上式有: 此式即为“应变效应”的表达式, K0称为灵敏度系数，给出了导体长度 变化（输入）与电阻变化（输出）之间的关系 又因： σ为电阻丝受力后内部产生的应力 E为材料的杨氏模量 有 （3-10） 对于金属导体，压阻系数可忽略不计，故灵敏度系数K0为常数，数值范 围在-12~14之间，一般为1.7~3.6(多为2.0左右)。 l dl D dD x y = − = − ( ) l dl K l dl l dl ρ dρ μ ρ dρ l dl μ l dl R dR 0 2 1 2 = = + + = + + l E dl x = = E E d l dl d K L 0 = 1+ 2 + = 1+ 2 + = 1+ 2 +
21电阻型传感器 应变式 2)半导体应变电阻的工作原理 半导体的压阻系数远高于金属导体,由沿一定的晶轴方向切割出的半导体材 料所构成的电阻,具有明显的压阻效应 半导体的电阻率:P= 其中载流子数N平均迁移率m在电阻内部产生应力后发生很大变化 因此,半导体应变电阻的灵敏度系数K值常为金属导体应变电阻的的 5070倍,通常可达1502L0 由于<在不同晶轴方向取值不同,因此其大小与受力后产生的应力方 向有关,直随应变大小呈非线性变亻 此外,半导体应变电阻的特性易受温度影 般K的温度系数约为 (0.001~0.00 金属导体的灵敏度系数K。则是受温度影响很小 的常数)。而且具有较大的分散性使用时必须进行标定 由以上推演的结果 R=K07=可见应变电阻传感器 IR 实现了将应变量口电阻变化量
2.1 电阻型传感器 应变式 ２）半导体应变电阻的工作原理： 半导体的压阻系数远高于金属导体，由沿一定的晶轴方向切割出的半导体材 料所构成的电阻，具有明显的压阻效应． 半导体的电阻率： 其中载流子数 平均迁移率 在电阻内部产生应力后发生很大变化。 因此，半导体应变电阻的灵敏度系数Kp值常为金属导体应变电阻的的 50~70倍，通常可达150~210。 由于Kp在不同晶轴方向取值不同，因此其大小与受力后产生的应力方 向有关，且随应变大小呈非线性变化。 此外，半导体应变电阻的特性易受温度影响，一般Kp的温度系数约为 （0.001~0.004）/℃。（金属导体的灵敏度系数K０则是受温度影响很小 的常数）。而且具有较大的分散性,使用时必须进行标定. 由以上推演的结果 可见,应变电阻传感器 实现了将应变量 电阻变化量 i ar eN 1 = Ni μar x ε l dl K R dR = 0 =
21电阻型传感器 应变式 2.应变式电阻传感器的结构型式 (a) 图3-10金属电阻应变片结构形状 (a)绕线式(U);(b)短接式(H);(c)W式;(d)箔式;(e)直线式 金属或半导体应变电阻大都做成尺寸较小的片状,故简称“应变片 敏感栅:「金属—丝式、箔式和薄膜式 半导体一体型、扩散型和薄膜型 基底:绝缘纸或有机树脂薄膜,0.02~0.04mm.敏感栅粘附其上成为应变片 应变胶:将应变片粘接在被策物体或弹性元件上 弹性元件:完成F=(),即受力变
2.1 电阻型传感器 应变式 2. 应变式电阻传感器的结构型式： 金属或半导体应变电阻大都做成尺寸较小的片状，故简称“应变片” 。 敏感栅: 金属— 丝式、箔式和薄膜式 半导体— 体型、扩散型和薄膜型 基底: 绝缘纸或有机树脂薄膜, 0.02~0.04mm.敏感栅粘附其上成为应变片 应变胶: 将应变片粘接在被策物体或弹性元件上 弹性元件:完成 F=f(ε) ,即 受力 应变
21电阻型传感器 应变式 3.应变式电阻传感器的基本特性 指与应用相关的一些工作特性如:温度特性;动态特性;横向效应等 1)温度特性: 主要讨论环境温度变化对传感器工作产生的影响 应变式电阻传感器的工作温度范围: 高温片:350℃以上 金属片 中温片:80~350°C取决于敏感栅,基底,应变胶等材料 常温片:-40~80°C 半导体片≤100°C (1)温度对灵敏度影响 金属片:K。随温度升高稍有下降,但在100°C内,大多数K基本不变 半导体片:K具负温系数,如P型硅:(1.4~4.0)×10-3/°℃ N型硅:-(1.1~4.5)×10-3/° (2)热输出ε(又称虚假应变) 在使用中,由于应变电阻敏感栅材料的线胀系数与弹性元件线胀系数不同, 当环境温度变化时敏感栅被强迫拉伸(或压缩)而产生的附加应变量为 α—敏感栅材料的温度系数 a△+(B3-B)p敏感栅材料的线胀系数 β。弹性元件的线胀系数
2.1 电阻型传感器 应变式 3. 应变式电阻传感器的基本特性 指与应用相关的一些工作特性,如:温度特性;动态特性;横向效应等 1) 温度特性: 主要讨论环境温度变化对传感器工作产生的影响 应变式电阻传感器的工作温度范围: 高温片:350℃以上 金属片 中温片:80~350℃ 取决于敏感栅，基底，应变胶等材料 常温片:-40~80℃ 半导体片 ≤100℃ (1) 温度对灵敏度影响: 金属片: Ko随温度升高稍有下降，但在100℃内，大多数 Ko基本不变 半导体片 : Kp具负温系数，如 P型硅：-（1.4~4.0）╳10-3／℃ ， N型硅：-（1.1~4.5）╳10-3 ／℃。 (2) 热输出εt(又称虚假应变)： 在使用中,由于应变电阻敏感栅材料的线胀系数与弹性元件线胀系数不同， 当环境温度变化 时敏感栅被强迫拉伸（或压缩）而产生的附加应变量为: — 敏感栅材料的温度系数 f— 敏感栅材料的线胀系数 s— 弹性元件的线胀系数 α t (β β ) t K εt Δ S f Δ 1 0 = + −
21电阻型传感器 应变式电阻传感器的基本特性 2)温度补偿: 一般金属应变片在弹性元件发生最大应变时输出的电阻相对变化 仅约为5%,若应变片R=12092(国标),则 的AR值仅有约0.692 说明在实际应用中必须采用补偿办法克服由于温度变化产生的附加电 阻变化△Rt 常用温度补偿方法 电路补偿法: 在测量电路中设计硬件环节如在不平衡桥路中加入”补偿 利用电桥的”和差特性”抵消△Rt 应变片自身补偿法:使用特制的应变片(自补偿片 选择式自补偿片:线栅与弹性元件匹配满足+K(βs阝=0 组合式自补偿片:线栅由两种温度系数相反的金属丝串联而成 满足:△RA=-△RB 温度修正法 用测得的热输出Et一t曲线,对应变片相同条件下的实 际测量值进行数值校正
2.1 电阻型传感器 应变式电阻传感器的基本特性 2) 温度补偿： 一般金属应变片在弹性元件发生最大应变时输出的电阻相对变化 仅约为5%，若应变片R=120Ω（国标）,则产生的ΔR值仅有约0.6Ω. 说明在实际应用中必须采用补偿办法克服由于温度变化产生的附加电 阻变化ΔRt。 常用温度补偿方法: 电路补偿法: 在测量电路中设计硬件环节,如在不平衡桥路中加入”补偿 片” 利用电桥的”和差特性”抵消ΔRt 应变片自身补偿法: 使用特制的应变片(自补偿片) 选择式自补偿片: 线栅与弹性元件匹配,满足+K(s - f )=0 组合式自补偿片: 线栅由两种温度系数相反的金属丝串联而成 满足: ΔRtA=- ΔRtB 温度修正法: 利用测得的热输出εt — t 曲线，对应变片相同条件下的实 际测量值进行数值校正