被测量的获取课件.pptxVIP

被测量的获取;3.1 被测量获取的基本概念;传感器处于测试与检测装置的输入端，传感器性能的优劣直接影响整个测试装置的工作特性。 线性传感器： 若传感器的输入量及其输出量之间的特性曲线是一条直线，则称该传感器是线性传感器，即y=x0+kx。式中x、y分别为传感器的输入与输出，x0为初始值，常数k 称传感系数、转换比、灵敏度或斜率。 非线性传感器：特性曲线不是一条直线的传感器。;传感器产生误差的原因： 实际特性曲线与设定特性曲线之间存在偏差 ； 传感器的不可逆变化 。 引起不可逆变化的原因：老化、零件接触点状况变化、热的或机械的过载、以及化学变化等 。 消除传感器误差的方法 合理的结构设计。 例如：力传感器的结构设计中设法避免横向敏感力的产生。 对影响传感器的干扰量进行补偿。 稳定传感器的工作环境条件、合理传感器的安装方法。 对传感器的定期维护和校准 。;3.2 传感器的分类;根据传感器与被测对象之间的能量转换关系分类： 能量转换型传感器（亦称无源传感器）：直接由被测对象输入能量来使传感器工作的。如热电偶温度计、弹性压力计等等。 能量控制型传感器（亦称有源传感器）：依靠外部提供辅助能源来工作，由被测量来控制该能量的变化。如电桥电阻应变仪。 ;3.3 电阻式传感器;二、滑动触点式变阻器 直线位移型： R=ktx kt为单位长度中的电阻 。 其灵敏度： 角位移型 灵敏度： α－触点转角(rad)； kr－单位弧度对应的电阻值。 ;变阻器的分辨率 取决于电阻元件的结构型式。 为在小范围空间中得到足够高的电阻值，常采用线绕式电阻元件 。 当滑臂触点从一圈导线移动至下一圈时，电阻值的变化是台阶形的，由此则限制了器件的分辨率。 实际中能做到绕线间的密度为25圈/mm，对直线移动式装置来说，分辨率最小为40μm，而对一个单线圈5cm直径的转动式电位计来说，其最好的角分辨率为约0.1o。 为改善分辨率，也可采用碳膜或导电塑料电阻元件。 ;三、电阻应变传感器 当金属电阻丝受拉或受压时，电阻丝的长度和横截面积将发生变化，且电阻丝的电阻率也发生变化（这一现象称为压阻效应），因此导线的电阻值发生变化。 对式（3.1）进行微分可得： 设A=πr2，r为电阻丝半径，代入上式得 ; 式中， dl/l=ε为单位应变； dr/r为电阻丝径向相对变化，它与dl/l之间的关系为 式中ν－电阻丝材料的泊松比。 dρ/ρ反映了电阻丝的电阻率的相对变化，它与电阻丝纵向所受的应力σ有关： 式中，π1－纵向压阻系数 ； E－材料的弹性模量。 ; 将式（3.8）和（3.9）代入式（3.7）中，可得 分析： 影响电阻值变化的因素： 电阻丝长度的变化 ； 电阻丝面积的变化 ； 压阻效应的作用 。 电阻值的相对变化与应变成正比，因此通过测量应变dl/l=ε便可测量电阻变化dR/R，这便是应变片的原理。若用无量纲因子Sg表征两者的关系，则 Sg为应变片系数或灵敏度,金属电阻丝的灵敏度常在1.7~4.0之中，常用的金属材料有银、铬镍合金、或铁镍合金等。 ;应变片的分类： 非粘贴式 ：几乎都被用于传感器应用。 图3.3示出一种非粘贴式应变仪，它采用一组连接成电桥形式的预加载电阻丝。 其中电桥的每根电桥臂的电阻值约为120～1000Ω，最大激励电压为5～10V，满量程输出为20～50mV。 ;粘贴式 ： 粘贴式金属丝应变片可用于应力分析，也可用作为传感器。由于可测的电阻值变化要求导线长度很长，因而要将导线按一定的形状（通常为栅状）曲折地贴在由浸渍过绝缘材料地纸衬或合成树脂组成地载体上。 ;金属箔式应变片： ;四、半导体应变片 工作原理：半导体材料的压阻效应 。 压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率ρ随之发生变化。从半导体物理可知，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律会发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度产生变化，从而引起电阻率的变化。 分类： P型应变片：在施加有效应变时会增加其电阻值； N型应变片：在施加有效应变时会减少其阻值。 特点：具有很高的应变片系数，一般可高达150左右。 ;半导体应变片的电阻变化主要由公式（3.10）右边的(1+2υ)ε项决定； 缺点： 温度灵敏度高； 非线性； 安装困难。 半导体膜片式绝对压力传感器 ：;五、应变片的误差及其补偿 温度是影响应变片精度的主要因素 温度变化引起应变片本身电阻的变化 式中ΔRT－温度变化引起的电阻变化值； γf－金属应变片电阻温度系数 ； ΔT－温度变化度数。 由该电阻值的变化折算成应变值为 ;金属丝与衬底材料的线膨胀系数不同，从而在温度变化时引起附