【正文】 第一章 引言 1 第一章 引言 ? 教學要求 1．掌握傳感器的基本概念。 2．掌握傳感器的組成框圖（ p2，圖 ）。 3．掌握傳感器的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。 4．了解傳感器的課程性質(zhì)和課程任務(wù)。 5．了解傳感器的分類和發(fā)展趨勢。 ? 教學內(nèi)容 傳感器的發(fā)展和作用 了解。 什么是傳感器 傳感器定義：能夠感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件和裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成。 顧名思義，傳感器的功能是一感二傳，即感受被測信息，并傳送出去。根據(jù)傳感器的功能要求，它一般應由三部分組成，即： 敏感 元件、轉(zhuǎn)換元件、轉(zhuǎn)換電路 。 傳感器的分類 1．根據(jù) 被測物理量 分類 速度傳感器、位移傳感器、加速度傳感 器、溫度傳感器、壓力傳感器等。 2．按 工作原理 分類 應變式、電壓式、電容式、渦流式、差動變壓器式等。 3．按 能量的傳遞方式 分類 第一章 引言 2 有源的和無源的傳感器。 傳感器的性能和評價 傳感器的靜態(tài)特性 傳感器的靜態(tài)特性是指傳感器的輸入信號不隨時間變化或變化非常緩慢時，所表現(xiàn)出來的輸出響應特性，稱靜態(tài)響應特性。通常用來描述靜態(tài)特性的指標有：測量范圍、精度、靈敏度、穩(wěn)定性、非線性度、重復性、靈 敏閾和分辨力、遲滯 。 ? 穩(wěn)定性 傳感器的穩(wěn)定性，一是指傳感器測量輸出值在一段時間內(nèi)的變化，即用所謂的穩(wěn)定度表示；二是指在傳感器外 部環(huán)境和工作條件變化時而引起輸出值的變化 ，即用影響 量來表示。 ? 靈敏度 傳感器靈敏度是表示傳感器的輸入增量與由它引起的輸出增量之間的函數(shù)關(guān)系。更確切地說，靈敏度 k等于傳感器輸出增量與被測量增量之比，是傳感器在穩(wěn)態(tài)輸出輸入特性曲線上各點的斜率 。用公式表示為： ? 靈敏閾與分辨力 靈敏閾是指傳感器能夠區(qū)分出的最小讀數(shù)變化量。 對模擬式儀表，當輸入量連續(xù)變化時，輸出量只做階梯變化 ，則分辨力就是輸出量的每個階梯所代表的輸入量的大小。對于數(shù)字式儀表，靈敏度閾就是分辨力，即儀表指示數(shù)字值的最后一位數(shù)字所代表的值。 從物理含義看，靈敏度是廣義的增益，而靈敏度閾則是死區(qū)或不靈敏度。 ? 遲滯 傳感器在正（輸入量增大）反（輸 入量減?。┬谐讨?— — 輸入特性曲線不重合的程度稱為遲滯。 ? 線性度 第一章 引言 3 傳感器的輸出 —— 輸入校準曲線與理論擬合直線之間的最大偏差與傳感器滿量程輸出之比，稱為該傳感器的“非線性誤差”或稱“線性度”，也稱“非線性度”。 傳感器的動態(tài)特性 動態(tài)特性是指傳感器對于隨時間變 化的輸入量的響應特性。只要輸入量是時間的函數(shù)，則其輸出量必將是時間的函數(shù)。研究動態(tài)特性的標準輸入形式有三種，即正弦、階躍和線性，而經(jīng)常使用的是前兩種 。 ? 零階傳感器動態(tài)特性指標 零階傳感器，其輸入量無論隨時間如何變化，其輸出量的幅值總是與輸入量成確定的比例關(guān)系，在時間上也不滯后，幅角 φ 等于零。所以零階傳感器的動態(tài)特性指標就是靜態(tài)特性指標。 ? 一階傳感器動態(tài)特性指標 一階傳感器動態(tài)特性指標有：靜態(tài)靈敏度和時間常數(shù) τ 。如果時間常數(shù) τ越小，系統(tǒng)的頻率特性就越好。在彈簧阻尼系統(tǒng)中，就要求系統(tǒng)的阻尼系數(shù)小，而彈簧 剛度要大。 ? 二 階傳感器動態(tài)特性指標 二階傳感器的傳遞函數(shù)： 頻率函數(shù) 為 ： 幅頻特性為 ： 第一章 引言 4 相頻特性為： 上面各式中： 0? —— 系統(tǒng)無阻尼時的固有振動角頻率 ； k —— 彈簧常數(shù)； m —— 質(zhì)量； ? —— 相對阻尼系數(shù) ； C —— 阻尼器阻尼系 數(shù)； K —— 靜態(tài)靈敏度。 由于大多數(shù)傳感器均為二階系統(tǒng) ， 所以我們要專門討論二階系統(tǒng)的階躍響應。根據(jù)二階系統(tǒng)相對阻尼系數(shù) ? 的大小，將其二階響應分成三種情況：既 1??時過阻尼； 1?? 時臨界阻 尼； 1?? 時欠阻尼。在一定的值下，欠阻尼系統(tǒng)比臨界阻尼系統(tǒng)更快地達到穩(wěn)態(tài)值；過 阻尼系統(tǒng)反應遲鈍，動作緩慢，所以一般傳感器都設(shè)計成欠阻尼 。 一般取值為 ~。 第二章 應變式傳感器 5 第二章 應變式傳感器 ? 教學要求 1．掌握電阻應變效應的基本概念。 2．掌握電橋原理與電阻應變計橋路。 3．掌握應變計的靜態(tài)性能和動態(tài)性能。 4. 掌握溫度誤差產(chǎn)生的原因及其補償方法。 4．了解應變計的分類和命名規(guī)則。 5．了解應變計的應用和發(fā)展現(xiàn)狀。 ? 教學內(nèi)容 電阻應變效應 電阻應變效應 定義： 導體或半導體材料 在 外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為 “應變效應 ”。 設(shè)有 一段長為 l，截面積為 A，電阻率為ρ 的導體 (如金屬絲 )，它具有的電阻為 ： lR A?? 式中： ρ —電阻絲的電阻率； l—電阻絲的長度； A—電阻絲的截面積。 應變計的分類 了解。 應變計型號命名 了解。 應變計的主要特性 第二章 應變式傳感器 6 應變計的靈敏度系數(shù) 當具有初始電阻值的應變計粘貼于試件表面時，試件受力引起的表面應 變 ，將傳遞給應變計的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對變化。實驗證明，在一 定的應變范圍內(nèi)，有下列關(guān)系： RRk??? 式中， k 為電阻應變計的靈敏度系數(shù)。 必須指出，應變計的靈敏系數(shù)并不等于其敏感柵 整長應變絲的靈敏度系數(shù)，一般情況下， 0kk? 。這是因為，在單向應力產(chǎn)生雙向應變的情況下， k 除受到敏感柵結(jié)構(gòu)形狀﹑成型工藝﹑粘結(jié)劑和基底性能的影響外，尤其受到柵端圓弧部分橫向效應的影響。應變計的靈敏度系數(shù)直接關(guān)系到應變測量的精度。因此，值通常采用從批量生產(chǎn)中 每批抽樣，在規(guī)定條件下通過實測確定，該值稱為“標稱靈敏度系數(shù)”。 橫向效應 定義： 在單位應力、雙向應變情況下，橫向應變總是起著抵消縱向應變的作用。應變計這種既敏感縱向應變，又同時受橫向應變影響而使靈敏系數(shù)及相對電阻比都減小的現(xiàn)象，稱為橫向效應。其大小用橫向效應系數(shù) H(百分數(shù) )來表示，即： xK 對軸向應變的靈敏度系數(shù)； yK 為對橫向應變的靈敏度系數(shù)。 減小橫向效應的方法： 采用 直角線柵式應變計 或 箔式應變計 。 應變計的動態(tài)特性 實驗表明，機械應變波是以相同于聲波的形式和速度在材料中傳播的。當它依次通過一定厚度的基底、膠層 (兩者都很薄，可忽略不計 )和柵長而為應變計所響應時，就會有時間的遲后。應變計的這種響應遲后對動態(tài) (高頻 )應變測量， 就第二章 應變式傳感器 7 會產(chǎn)生誤差。應變計的動態(tài)特性就是指其感受 隨時間變化的應變時之響應特性。 其它 特性參數(shù) 機械滯后 實用中，由于敏感柵基底和粘結(jié)劑材料性能，或使用中的過載，過熱，都會使應變計產(chǎn)生殘余變形，導致應變計輸出的不重合。這種不重合性用機械滯后 (Zj)來衡量。它是指粘貼在試件上的應變計，在恒溫條件下增 (加載 )、減 (卸載 )試件應變的過程中，對應同一機械應變所指示應變量 (輸出 )之差值，見圖 。通常在室溫條件下，要求機械滯后 Zj＜ 3～ 10με。實測中，可在測試前通過多次重復預加、卸載，來減小機械滯后產(chǎn)生的誤差。 圖 應變計的機 械滯后特性 圖 應變計的蠕變和零漂特性 蠕變和零漂 粘貼在試件上的應變計，在恒溫恒載條件下，指示應變量隨時間單向變化的特性稱為 蠕變 。如圖 中θ所示。 當試件初始空載時，應變計示值仍會隨時間變化的現(xiàn)象稱為 零漂 。如圖 中的 P0 所示。 蠕變 反映了應變計在長時間工作中對時間的穩(wěn)定性，通常要求θ＜ 3～ 15μ s。引起蠕變的主要原因是，制作應變計時內(nèi)部產(chǎn)生的內(nèi)應力和工作中出現(xiàn)的剪應力，使絲柵、基底，尤其是膠層之間產(chǎn)生的“滑移”所致。選用彈性模量較大的粘結(jié)劑和基底材料，適當減薄膠層和 基底，并使之充分固化，有利于蠕變性能的改善。 應變極限 應當知道，應變計的線性 (靈敏系數(shù)為常數(shù) )特性， 只有在一定的應變限度范圍內(nèi)才能保持。當試件輸入的真實應變超過某一限值時，應變計的輸出特性將出現(xiàn)非線性。在恒溫條件下，使非線性誤差達到 10%時的真實應變值，稱為應變極限。如圖 。 應變極限是衡量應變計測量范圍和過載能力的指標，通常要 求 lim 8000? ??? 。 影響 lim? 的主要因素及改善措施，與蠕變基本相同。第二章 應變式傳感器 8 圖 應變計的應變極限特性 應變計的粘貼 了解粘貼劑的選用要求，和常用粘合劑的選用原則：有機粘合劑通常用于低溫﹑常溫合中溫，無機粘合劑用于高溫。 電橋原理及電阻應變計橋路 直流電橋的特性方程及平衡條件 電橋 的 供橋電源電壓 為 ， R R R3和 R4為橋臂， RL為負載內(nèi)阻 ， 負載電流IL為 : 直流電橋 該方程為直流電橋的特性方程。 IL＝ 0 時電橋平衡，則平衡條件為： 第二章 應變式傳感器 9 這說明要使電橋平衡，其相鄰兩臂電阻的比值應相等或相對兩臂電阻的乘積相等。 直流電橋 的電壓靈敏度 應變片工作時，其電阻變化很小，電橋相應輸出電壓也很小。要推動記錄儀工作，須將輸出電壓放大，為此必須了解Δ R/R與電橋輸出電壓的關(guān)系。 電橋靈敏度定義為： 單臂工作應變片的電橋電壓靈敏度為： 式中， 21Rn R? 交流電橋的平衡條件和電壓輸出 Z Z Z Z4為復阻抗， U為交流電壓源，開路輸出電壓為 U 0，根據(jù)交流電路分析（和直流電路類似）可得平衡條件為： 設(shè) (i=1,2,3,4) 式中 、 —— 各橋臂電阻和電抗； ， —— 各橋臂復阻抗的模和幅角 。 因此，交流電橋的平衡條件必須同時滿足： 或 交流電橋 第二章 應變式傳感器 10 電橋的調(diào)平就是確保試件在未受載、無應變的初始條件下，應變電橋滿足平衡條件 (初始輸出為零 )。在實際的應變測量中，由于各橋臂應變計的性能參數(shù)不可能完全對稱，加之應變計引出導線的分布電容（其容抗與供橋電源頻率有關(guān)），嚴重影響著交流電橋的初始平衡和輸出特性。 因此，交流電橋平衡時，必須同時滿足電阻和電容平衡兩個條件。 1 3 2 4R R =R R 和 3 2 4 1R C =R C 1 2 3 4R =R =R =R 和 1 2 C=C 溫度誤差及其補償 溫度誤差產(chǎn)生的原因 用應變片測量時，希望其電阻只隨應變而變，而不受其它因素的影響。但實際上環(huán)境溫度變化時，也會引起電阻的相對變化，從而產(chǎn)生溫度誤差。 應變計的溫度效應及其熱輸出由兩部分組成： 前部分為熱阻效應所造成 ；后部分為敏感柵與試件熱膨脹失配所引起。 在工作溫度變化較大時，這種熱輸出干擾必須加以補償。 （ 1） 敏感柵金屬絲電阻本身隨溫度變化產(chǎn)生的溫度誤差 0 0 0(1 )tR R t R R t??? ? ? ? ? ? （ 2） 試件材料與應變絲材料的線膨脹系數(shù)不一，使應變 絲 產(chǎn)生附加形變而造成的電阻變化。 式中 t? —— K —— ,st??—— 分別為試件和敏感柵材料的線膨脹系數(shù)。 第二章 應變式傳感器 11 溫度補償方法 常采用溫度自補償法和橋路補償法。 溫度自補償法 這種方法是通過精心選配敏感柵材料與結(jié)構(gòu)參數(shù)來實現(xiàn)熱輸出補償?shù)摹? (1)單絲自補償應變計 由式 可知，欲使熱輸出 為 0 ， 只 要 滿 足 條件 (a)絲繞式 (b)短接式 雙絲自補償應變計 (2)雙絲自補償應變計 這種應變計的敏感柵是由電阻溫度系數(shù)為一正一負的兩種合金絲串接而成，如圖所示。應變計電阻 R由兩部分電阻 Ra和 Rb組成，即 R=Ra+Rb。當工作溫度變化時，若 Ra柵 產(chǎn)生正的熱輸出 ε at與 Rb柵產(chǎn)生負的熱輸出 ε bt，能大小相等或相近，就可達到自補償?shù)哪康?。 橋路補償法是利用電橋的和、差原理來達到補償?shù)哪康摹? (1)雙絲半橋式 這種應變計的結(jié)構(gòu)與雙絲自補償應變計雷同。不同的是，敏感柵是由同符號電阻溫度系數(shù)的兩種合金絲串接而成，而且柵的兩部分電阻 R1 和 R2分別接入電橋的相鄰兩臂上：工作柵 R1接入電橋工作臂，補償柵 R2外接串接電阻 RB(不敏感第二章 應變式傳感器 12 溫度影響 )后接入電橋補償臂；另兩臂照例接入平衡電阻 R3和 R4，如圖所示。當溫度變化時，只要電橋工作臂和補償臂的熱輸 出相等或相近，就能達到熱補償目的，即 : 雙絲半橋式熱補償應變計 (2)補償塊法 這種方法是用兩個參數(shù)相同的應變 計 R R2。 R1貼在試件上，接入電橋工作臂， R2貼在與試件同材料、同環(huán)境溫度，但不參與機械應變的補償塊上，接入電橋相鄰臂作補償臂 (R R4同