传感与测试技术-常用的传感器与敏感元

1、.,1,第三章 常用的传感器与敏感元件,学习要求 了解传感器的分类 掌握常用传感器测量原理 了解传感器测量电路,.,2,概述,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。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,.,3,传感器的构成,传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。 敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。 辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便

2、于后续仪表接入。,.,4,第一节 常用传感器分类,1)按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩,.,5,应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等。,2)按工作原理分类:,.,6,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,.,7,4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,能量转换型:直接由被测对象输入能量

3、使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.,.,8,第二节 机械式传感器及仪器,机械式传感器原理 优点：结构简单、可靠、使用方便等 缺点：受间隙影响、惯性大、固有频率低，只宜测量缓变或静态被测量。,.,9,水表：叶轮所处的位置正好在套管下层孔所形成的旋转流里，水流冲击轮周的叶片，产生转矩，使叶轮旋转起来。龙头开得越大，水流越急，叶轮就转得越快。,典型的机械式传感器,.,10,弹性式压力测量元件,测压原理：是利用弹性元件在被测压力作用下产生弹性变形的原理来度量被测压力的 。 当弹性元件受压力作用时会产生变形，

4、于是输出位移或力。 弹性元件的特点：构造简单，价格便宜，测压范围宽，被测压力低至几帕，高达数百兆帕都可使用，测量精度也较高，在目前的测压仪表中占有统治地位。,.,11,典型的机械式传感器,弹簧秤 原理：弹簧秤测力原理是根据胡克定律F=kx，其中F为弹簧弹力，k为弹簧劲度系数，x为弹簧的形变量，由于弹簧伸长度与弹簧弹力之间是成正比关系，所以弹簧秤的刻度是均匀的。,.,12,单圈弹簧管,测量元件是一个弯成圆弧形的空心管子。 一般弹簧管压力计的测压范围为-105+109 Pa；精确度最高可达0.1。,.,13,膜盒型压力计,测量介质的压力作用在膜盒腔内侧，由此所产生的变形可用来间接测量介质的压力。,

5、膜盒敏感元件由两块连接在一起的显圆形波浪的膜片组成。,.,14,空速管,原理：总压=静压+动压，即 P(t)=P(s)+*V2 /2 总压：就是当气流被迎面阻挡，流速降为零时的压强。 静压：空气静止时的压力，同飞机飞行高度有关的。,.,15,空速管结构,总压管：飞行时保持总压管和飞行方向同向。 在空速管的后部设有一个静压室，在侧壁开设一通孔和外界相联，并保持和飞行方向的垂直，此时静压室内的压强就是大气静压了。,.,16,高度表,高度表：高度表壳密封,空气静压力P由传压管送入高度表内腔。高度增加表内压力减小,置于表壳内的真空膜盒(内腔抽真空后密封)随之膨胀而产生变形,膜盒中心的位移经传动机构传送

6、, 指示出与气压P相对应的高度数值。,.,17,升降速度表,测量飞机高度变化快慢。膜盒内腔经一个粗的传压管与空气静压相通，而膜盒的外部（即仪表内腔）通过一毛细管也与空气静压相连。这样,当飞机上升或下降时,膜盒内腔压力基本上随高度的变化而变化,但膜盒外部即表壳内的气压因受毛细管的阻滞作用,变化缓慢,产生压力差。,.,18,重要性,飞机在停场时进行了清洗工作，由于洗完飞机后没有及时将为了防止空速管进水而封堵的胶布拆除，在凌晨执行航班前又没有被检查出来，飞机起飞离港后由于气压高度指示出现问题，时高时低，飞行员无法正确判断飞机高度，最终飞机坠入到大海里，导致机毁人亡！,.,19,重要性,二战中日本海军

7、发生的一次大丢颜面的“海军乙事件”（甲事件，就是著名的山本五十六事件）：1944年3月31日，日本联合舰队参谋长福留繁中将等11人乘坐一架水上飞机从帛硫群岛出发。由于起飞仓促，机长竟忘记打开空速管的盖子。于是一行人就在没有空速和高度数据的情况下飞行，途中因台风迫降，由于没有准确的高度数据导致飞机坠毁。 1995年美国的X-31验证机作第292次飞行，在7000米上完成了规定动作后发现飞机速度表的速度显示有问题。起先以为是结冰所致，飞行员打开加热和除冰装置，但毫无效果。在各种操作都没有反应时，飞行员被迫弃机。,.,20,措施,结冰：空速管内部都设有电加热元件。 雷击：突出的空速管通常会成为雷电电

8、流的主要通道，在雷击造成的强大电流和热能，会严重损坏空速管。因此空速管必须通过雷电防护测验。,.,21,第三节 电阻、电容与电感式传感器,一、电阻式传感器：是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按工作原理分为 变阻器式 电阻应变式,.,22,一、电阻式传感器,1.变阻器式传感器：通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻的变化。 工作原理,.,23,一、电阻式传感器,直线位移型 角位移型,.,24,一、电阻式传感器,非线性型:根据所要求的输出电阻(或电压)与电刷位移(包括线位移或角位移)之间的非线性函数关系,.,25,一、电阻式传感器,电阻分压电路,.,26,应用,节气门开度传感器,.,27

9、,汽油表系统,工作过程如下：当油箱内没油时，由于浮漂有一定重量，它会在油箱的最底部，这时汽油表指示为0，随着汽油的加入，油面越来高，浮漂随着油面也越来越高，杠杠臂在滑动电阻一端也逐渐向另一端滑动，电阻的阻值也越来越小，通过油量表的电流也越来越大，表针也由0逐渐上升到一定数值。表盘上的刻度是按油量刻度的，所以指示出了剩余油量了。,.,28,水池水位自动控制系统,希望水位高度由电位器触头A设定。由浮子带动的电位计触头B的位置反映实际水位高度。A、B两点的电位差反映希望水位的偏差。,.,29,变阻器式传感器的特点,优点：结构简单，性能稳定，使用方便。 缺点： 受电阻丝直径的限制，分辨力不高。分辨力很

10、难优于20m。 噪声较大。 被测量：线位移，角位移。,.,30,一、电阻式传感器,2.电阻应变式传感器 工作原理：在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,.,31,工作原理,设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为的电阻，它的电阻值R可表示为 、r、l的变化，都会导致电阻值R发生变化。,.,32,工作原理,各可变因素引起的电阻的相对变化 应变 各可变因素与应变的关系,.,33,工作原理,金属电阻应变片 半导体电阻应变片,前者利用导体形变引起电阻变化；后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化,.,34,金属应变片灵敏度,电阻应变片的应变或灵

11、敏度一般用Sg表征 金属应变片的灵敏度 金属应变片的电阻丝灵敏度多在1.7-3.6之间,.,35,半导体应变片灵敏度,半导体应变片的灵敏度： 半导体应变片的灵敏度比金属丝的大50-70倍,.,36,半导体应变片特点,优点：灵敏度高、横向效应小、机械滞后小和体积小等优点。 缺点：温度稳定性差、灵敏度分散度大以及在较大应变作用下，非线性误差大。,.,37,电阻应变片应用,将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,.,38,电阻应变片应用,将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。,.,39,人体秤,.

12、,40,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,.,41,电阻应变式传感器的注意事项,必须被粘在试件或弹性元件上才能工作，黏合剂和粘合技术对测量结果有直接影响。 用于动态测量时应考虑应变片本身的动态响应特性。测量频率受应变片影响不能太高。 温度的变化会引起电阻值的变化，从而需要采取温度补偿措施。,.,42,3.固态压阻式传感器,利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。,.,43,3.固态压阻式传感器,与半导体应变片的区别是： 半导体应变片由单晶半导体材料构成的，是利用半导体电阻做成的粘贴式敏感

13、元件。 压阻式固态压力传感器是由在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻。这种元件以单晶硅为基底材料，按一定晶向将P型杂质扩散到N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层。,.,44,投入式液位计外形,.,45,投入式液位计液位的计算,h=h0+h1 =h0+p1 /(g),.,46,固态压阻式加速度传感器,当梁的自由端的质量块受到加速度作用时，在梁上受到弯矩和应力，使电阻值发生变化。电阻相对变化与加速度成正比。,.,47,固态压阻式加速度传感器,在汽车防盗系统中的应用：现代汽车的防盗系统通常采用对车体的冲击、振动监测的方式防盗预警。另外，拖车或整车搬运的方法也是目前窃贼盗窃汽车常用的手段

14、。加速度传感器可以对车体微小振动和整车的倾斜角度同时进行监测。,.,48,二、电容式传感器,1. 原理：将被测量的变化转化为电容量变化 两平行极板组成的电容器,它的电容量为: 当被测量、A或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,.,49,2.电容式传感器分类,极距变化型 灵敏度 灵敏度与极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高，极距的变化将引起非线性误差。通常取极距变化范围为,.,50,2.电容式传感器分类,面积变化型 平面线位移型 灵敏度,.,51,2.电容式传感器分类,角位移型 灵敏度,.,52,2.电容式传

15、感器分类,圆柱体线位移型 面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。,.,53,2.电容式传感器分类,介质变化型 变介电常数型电容传感器由于存在边缘效应,仍然有非线性,.,54,3.测量电路,电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。,.,55,3.测量电路,电桥型电路：将电容的变化转化为电压的输出,.,56,3.测量电路,调频电路：将电容的变化转化为频率的变化,.,57,3.测量电路,运算放大器电路：使极距的变化与电容的变化量间成线性关系

16、,.,58,4.电容传感器的应用,电容式加速度传感器,.,59,4.电容传感器的应用,在汽车悬挂系统中的应用,.,60,4.电容传感器的应用,在汽车气囊系统中的应用：当汽车发生碰撞事故时，汽车和障碍物之间碰撞的结果导致汽车速度急剧下降，速度从35km/h降到零的时间约150ms左右。,.,61,三、电感式传感器,电感式传感器把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。 分类:,.,62,1.自感型,自感:当线圈中有电流通过时，线圈的周围就会产生磁场。当线圈中电流发生变化时，其周围的磁场也产生相应的变化，此变化的磁场可使线圈自身产生感应电动势，此感应电势相当于一个“新电源”。电感线圈中的自感电动势总是阻碍线圈中的电流变化。,.,63,1.自感型,自感量 灵敏度,.,64,1.自感型,可变导磁面积性,.,65,2.互感型,互感：两个电感线圈相互靠近时，一个电感线圈的磁场变化将影响另一个电感线圈，这种影响就是互感。 利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。,.,66,2.互感型,互感电动势 M称为互感，其大小与两线圈相对位置及周围介质