传感器与检测技术第四章传感器技术概论

1、传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论第一篇第一篇 工程测试技术基础工程测试技术基础1.1.掌握传感器的基本概念掌握传感器的基本概念 2.2.了解常用的弹性敏感元件及其特性了解常用的弹性敏感元件及其特性3.3.了解传感器的应用及发展趋势了解传感器的应用及发展趋势第第4章章 传感器技术概论传感器技术概论传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论4.1 传感器的基本概念传感器的基本概念 1.1.传感器的定义及组成传感器的定义及组成定义：传感器是能够定义：传感器是能够感受规定的被测量感受规定的被测量并并按一定规按一定规律律转换成转换成可用输出信号可用输出信号的器件或装置。的器件或装置。物

2、理量物理量电量电量传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论组成：敏感元件、变换元件、辅助元件等。组成：敏感元件、变换元件、辅助元件等。敏感元件敏感元件：被测非电量：被测非电量其他形式信号（易其他形式信号（易于转换成电量于转换成电量: :形变形变）；）；变换元件变换元件：非电量：非电量电量（电阻、电感、电电量（电阻、电感、电容等容等) )辅助元件辅助元件：信号调节与转换等。：信号调节与转换等。传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论传感器组成实例传感器组成实例温度传感器温度传感器传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论2.2.传感器的分类传感器的分类1)1)按被测量分类按被测量

3、分类常见的被测物理量包括：常见的被测物理量包括：机械量：位移、力、速度、加速度机械量：位移、力、速度、加速度热工量：温度热工量：温度、流量、热量、比热、压力流量、热量、比热、压力( (差差) ) 物性参量：浓度、比重、真空度、酸碱度物性参量：浓度、比重、真空度、酸碱度状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损状态参量：裂纹、缺陷、泄漏、磨损 传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式等电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式等2)2)按工作原理分类按工作原理分类结构型和物性型结构型和物性型. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :物性型物性型: :依靠敏感元

4、件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论4)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量

5、控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .按传感器的输出量：按传感器的输出量： 模拟式传感器和数字式传感器模拟式传感器和数字式传感器 按传感器的测量方式：按传感器的测量方式： 接触式传感器和非接触式传感器接触式传感器和非接触式传感器传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论3.3.传感器常用的技术性能指标传感器常用的技术性能指标机电学院机电学院传感器技术概论传感器技术概论传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论传感器性能的基本要求：传感器性能的基本要求：1)高灵敏度、线性、抗

6、干扰的稳定性高灵敏度、线性、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感对噪声不敏感)、 容易调节容易调节(校准简易校准简易) 2)高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐用性耐用性) 3)高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响(热、热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力的能力 4)选择性、安全性选择性、安全性(传感器应是无污染的传感器应是无污染的) 、互换性、互换性、低成本低成本 5)宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围范围 传感器与测试

7、技术机电学院第4章 传感器技术概论4.2 弹性敏感元件弹性敏感元件 利用利用弹性变形弹性变形进行变换和测量的元件。在机械进行变换和测量的元件。在机械量（力、压力、位移、速度等）测量常用的弹性敏量（力、压力、位移、速度等）测量常用的弹性敏感元件有感元件有弹性梁、柱及筒、膜片、膜盒、弹簧管、弹性梁、柱及筒、膜片、膜盒、弹簧管、波纹管波纹管等。等。传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论1 1、弹性敏感元件的基本特性、弹性敏感元件的基本特性刚度刚度：引起单位变形所需要的外力。：引起单位变形所需要的外力。dxdFk 1 1）弹性特性）弹性特性灵敏度灵敏度：单位外力作用下产生变形的大小。：单位外力

8、作用下产生变形的大小。dFdxkS1传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论2 2）弹性滞后弹性滞后 在弹性变形范围内，加载、卸载正反行程曲线在弹性变形范围内，加载、卸载正反行程曲线不重合的现象不重合的现象引起传感器回差的原因。引起传感器回差的原因。3 3）弹性后效弹性后效 当弹性元件所加载荷改变时，不能立即完成相当弹性元件所加载荷改变时，不能立即完成相应变形，而是经一定时间间隔逐渐完成变形的现应变形，而是经一定时间间隔逐渐完成变形的现象象引起传感器的测量误差。引起传感器的测量误差。4 4）温度特性温度特性弹性敏感元件的几何尺寸和弹性模量随温度变化弹性敏感元件的几何尺寸和弹性模量随温度变

9、化 传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论5 5）固有频率固有频率 固有频率决定其动态特性。一般来说，固有频率固有频率决定其动态特性。一般来说，固有频率越高，其动态特性越好越高，其动态特性越好与灵敏度相矛盾与灵敏度相矛盾。 emkf216 6）机械品质因素机械品质因素定义：每个振动周期存储的能量与由阻尼等消耗的能定义：每个振动周期存储的能量与由阻尼等消耗的能量之比，反映了弹性元件消耗能量的程度。量之比，反映了弹性元件消耗能量的程度。 CSEEQ 传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论 对于小阻尼系统对于小阻尼系统(1)(1)，机械品质因数就等于其谐，机械品质因数就等于其谐振状态

10、下的振幅比，即振状态下的振幅比，即 210AAQ 越小，机械品质因数越小，机械品质因数Q Q值越大，这时弹性敏感值越大，这时弹性敏感元件消耗的能量越少，系统的储能效率就越高；同元件消耗的能量越少，系统的储能效率就越高；同时系统的幅频特性越陡峭，工作频带变窄。时系统的幅频特性越陡峭，工作频带变窄。 弹性敏感元件的机械品质因数高，谐振元件选弹性敏感元件的机械品质因数高，谐振元件选频愈强，谐振频率愈稳定，这对设计谐振式传感器频愈强，谐振频率愈稳定，这对设计谐振式传感器有实际意义。有实际意义。传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论2 2、弹性敏感元件的材料、弹性敏感元件的材料 弹性敏感元件的材

11、料主要有弹性敏感元件的材料主要有金属金属和和非金属非金属两大类，两大类，金属材料以结构合金钢为主金属材料以结构合金钢为主 ；非金属材料包括半导体、；非金属材料包括半导体、石英、陶瓷、高分子材料等。石英、陶瓷、高分子材料等。P90表表4.2.1弹性敏感元件材料的基本要求弹性敏感元件材料的基本要求:（1）弹性极限和强度高；）弹性极限和强度高；（2）弹性滞后和弹性后效小；）弹性滞后和弹性后效小；（3）弹性模量的温度系数要小且稳定；）弹性模量的温度系数要小且稳定；（4）线膨胀系数要小且稳定；）线膨胀系数要小且稳定；（5）具有良好的机械加工和热处理性能；）具有良好的机械加工和热处理性能；（6）具有高的抗

12、氧化性、耐腐蚀性、绝缘等性能。）具有高的抗氧化性、耐腐蚀性、绝缘等性能。传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论3 3、弹性敏感元件的结构及力学特性、弹性敏感元件的结构及力学特性1 1）柱式弹性敏感元件）柱式弹性敏感元件结构简单，可承受很大载荷；结构简单，可承受很大载荷；但产生的位移很小，所以往往但产生的位移很小，所以往往以以应变应变作为输出量。作为输出量。 AEFx纵向应变纵向应变 AEFxy横向应变横向应变 灵敏度高、有灵敏度高、有效减小偏心等效减小偏心等固有频率固有频率 Elf249. 00传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论2 2）梁式弹性敏感元件）梁式弹性敏感元件 结

13、构简单，灵敏度高，多用于较小力的测量。结构简单，灵敏度高，多用于较小力的测量。以以应变或自由端的位移应变或自由端的位移作为输出量。作为输出量。传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论等截面梁：等截面梁：在距离梁的固定端在距离梁的固定端x x处的应变为处的应变为 2)(6EbhxlFx在梁的根部（在梁的根部（x x=0=0），应变最大，在），应变最大，在x x= =l l处应变为零；处应变为零；梁的上下表面应变性质相反。梁的上下表面应变性质相反。 固有频率为：固有频率为： Elhf20162. 0自由端的位移为：自由端的位移为： FEbhly334传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术

14、概论等强度梁：等强度梁：等应变性等应变性应变应变206hEbFlx固有频率固有频率 Elhf20316. 0注意注意：作用力：作用力F F必须施加在梁的两斜边的交汇点；必须施加在梁的两斜边的交汇点； 梁的自由端的最小宽度要求梁的自由端的最小宽度要求切应力计算。切应力计算。 变形梁：实际应用变形梁：实际应用（电子称）（电子称）自由端的位移为：自由端的位移为： FhEbly3036传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论3 3）环式弹性敏感元件）环式弹性敏感元件灵敏度高灵敏度高 园环外、内表面上与水平面成园环外、内表面上与水平面成角处角处所产生的所产生的应变为应变为( (环内外应变性质不同环

15、内外应变性质不同) ) FEbhr)cos391. 1 (20当当/2时，应变最大时，应变最大 当当50.5时，时， 0，固有频率固有频率 Erhf200123. 0传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论4 4）扭转轴）扭转轴测量扭矩测量扭矩在扭矩在扭矩T的作用下，其表面产生的最大剪应力为的作用下，其表面产生的最大剪应力为 nWTmax剪应变是角应变，不能直接测剪应变是角应变，不能直接测量，实际测量应变量，实际测量应变 。 maxmaxnEWTEmaxmax主应力和轴线分别主应力和轴线分别成成45和和135 传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论5 5）平面膜片）平面膜片压力测

16、量压力测量pxrEhpxrEhtr)(1 (83)3)(1 (832202222022径向应变径向应变切向应变切向应变pEhrtr)1 (832220膜片中心膜片中心膜片边缘膜片边缘pEhrr)1 (432220应变节点应变节点058. 00rrx固有频率固有频率 Erhf200492. 0传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论6 6）薄壁圆筒）薄壁圆筒壁厚和筒径之比壁厚和筒径之比1/201/20轴向应变轴向应变周向应变周向应变pEhrpEhryx)2(2)21(200 结构简单，刚度好，较大压力测量多用。结构简单，刚度好，较大压力测量多用。固有频率固有频率 Ellrf2002232.

17、 0周向应变大于（约周向应变大于（约4倍）轴向应变。倍）轴向应变。传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论7 7）弹簧管和波纹管）弹簧管和波纹管自由端的位移与管内自由端的位移与管内压力成压力成线性关系线性关系。将管内压力或轴向力波纹将管内压力或轴向力波纹管的形变管的形变(拉伸或压缩拉伸或压缩)。传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论8 8）弹性敏感元件的组合）弹性敏感元件的组合 可获得较高的灵敏度，但固有频率低，不宜动可获得较高的灵敏度，但固有频率低，不宜动态测量。态测量。传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论4.3 传感器的应用及发展趋势传感器的应用及发展趋势 目前，传

18、感器技术的主要发展动向：目前，传感器技术的主要发展动向：一是不断提高和改善现有传感器的性能；一是不断提高和改善现有传感器的性能； 二是开展基础研究，发掘新效应，重点研究传感二是开展基础研究，发掘新效应，重点研究传感器的新材料和新工艺；器的新材料和新工艺；三是实现传感器的集成化、多功能化与智能化。三是实现传感器的集成化、多功能化与智能化。 传感器作为信息的源头，广泛应用于各个领传感器作为信息的源头，广泛应用于各个领域域科技进步的推动力。科技进步的推动力。传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论改善传感器性能的技术途径改善传感器性能的技术途径 ：1)1)差动技术差动技术 提高灵敏度、改善非线

19、性误差、减提高灵敏度、改善非线性误差、减小外界干扰小外界干扰( (温度、电源、噪声等温度、电源、噪声等) )影响影响。2)2)平均技术平均技术若干个传感单元同时感受被测量，若干个传感单元同时感受被测量，输出为平均值，有效减小误差，提高灵敏度。输出为平均值，有效减小误差，提高灵敏度。3)3)补偿与修正技术补偿与修正技术软件或硬件等。软件或硬件等。4)4)屏蔽、隔离与干扰抑制屏蔽、隔离与干扰抑制5)5)稳定性处理稳定性处理传感器是长期测量或反复使用的传感器是长期测量或反复使用的器件。器件。 传感器与测试技术机电学院第4章 传感器技术概论发现并利用新现象、新材料、新工艺发现并利用新现象、新材料、新工

20、艺 ：1)利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原利用物理现象、化学反应、生物效应作为传感器原理，是研究开发新型传感器的基础。如理，是研究开发新型传感器的基础。如磁成像技术磁成像技术。2)传感器材料是传感器技术的重要基础，开发新材料传感器材料是传感器技术的重要基础，开发新材料 的趋势包括的趋势包括从单晶体到多晶体、非晶体；从单晶体到多晶体、非晶体；从单一从单一型到复合材料；型到复合材料；原子（分子）型材料的人工合成。原子（分子）型材料的人工合成。如如半导体、陶瓷、高分子材料、磁性、智能材料等半导体、陶瓷、高分子材料、磁性、智能材料等。3)随着集成电路工艺发展起来的随着集成电路工艺发展起来的微机械加工技术微机械加工技术是开是开发新型传感器的