第四章 常见传感器

1、第四章 常见传感器第一节第一节 传感器概述传感器概述第二节第二节 机械式传感器机械式传感器第三节第三节 电阻传感器电阻传感器第四节第四节 电容传感器电容传感器第五节第五节 电感传感器电感传感器第六节第六节 压电传感器压电传感器第一节第一节 传感器概述传感器概述1.传感器的作用: 工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。作用：把被测量，如力、位移、温度等，转换为易测信 号(电信号），传送给测量系统的信号调理环节。 传感器是人类感官的延伸a视觉与光传感器；b听觉与声压传感器;c触觉与温度、压力传感器；d嗅觉与气敏传感器； 是现代测控系统的关键环节。

2、传感器的作用类似于人的感觉器官，又是人的感官的延伸，它的作用是扩展人的信息功能。因此，从广义讲，传感器是一个感知系统，是为了从外部感知信息而工作的系统。 传感技术是信息科学中的一个重要组成部分，在现代被称之为信息探测工程学，是研究物质的物理效应、化学效应及生物效应，作为信息探测实际应用的一门科学，它对科学技术发展的作用和意义，已日益显得重要和突出。 借助于传感器人们可以去探索那些无法用感官直接测量的事物，从微观世界到宏观世界、太空探索，从人体（CT)到自然界(海水深度、海底探测）都离不开传感器。 传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。敏感元件敏感元件转换元件转换

3、元件基本转换电路基本转换电路被测量被测量电量电量R L C输入输入P大气压大气压壳体膜盒电感线圈磁芯基本转换电路敏感元件敏感元件转换元件转换元件2 2传感器的基本组成传感器的基本组成：例：压力传感器：例：压力传感器： 结构型：（电容、电感传感器）物性型： （压电、半导体传感器）能量转换型（无源传感器）：（压电、磁电、光电）能量控制型（有源传感器）：（电阻、电容、电感）位移速度加速度 力温度.1.2.3.3 3传感器的分类：传感器的分类：传感器的命名传感器的命名按用途按原理综合命名4传感器的发展动向：1、发现新现象2、开发新材料3、采用微细加工技术4、研究多功能集成传感器 “Intelligen

4、t Sensor”5、智能化传感器 “Smart Sensor”，6、仿生传感器第二节第二节 机械式传感器机械式传感器敏感元件敏感元件（弹性体）（弹性体）机械放大机械放大指示系统指示系统输入量输入量输出量输出量弹性变形弹性变形输出输出力力压力压力温度温度.1组成：组成： 弹性敏感元件在传感器中因为直接参与变换和测弹性敏感元件在传感器中因为直接参与变换和测量，所以对它有一定的要求。量，所以对它有一定的要求。2弹性敏感元件的材料：弹性敏感元件的材料：1）弹性滞后和弹性后效要小）弹性滞后和弹性后效要小2）弹性模数的温度系数要小）弹性模数的温度系数要小机械式指机械式指针仪表针仪表3典型应用典型应用:3

5、）线膨胀系数要小且稳定）线膨胀系数要小且稳定4）弹性极限和强度极限要高）弹性极限和强度极限要高5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性）具有良好的稳定性和耐腐蚀性6）具有良好的机械加工性和热处理性）具有良好的机械加工性和热处理性 机械式放大，指示系统使其惯性大，固有频率低，机械式放大，指示系统使其惯性大，固有频率低， 故多用于静态量或低频变化量的测量。故多用于静态量或低频变化量的测量。 弹性元件的蠕变，弹性后效现象会影响输入、输弹性元件的蠕变，弹性后效现象会影响输入、输 出的关系。出的关系。5.改进：改进： 为提高测量的频率范围为提高测量的频率范围,常把机械传感器与其它传常把机械传感器与其它传感器结合起

6、来感器结合起来,即先用弹性元件把被测量转换成位移量即先用弹性元件把被测量转换成位移量,再用其它类型的传感器再用其它类型的传感器(电阻、电容、电涡流式等）把电阻、电容、电涡流式等）把位移转换成电信号输出。位移转换成电信号输出。 结构简单，使用方便；价格低廉，读数直观。结构简单，使用方便；价格低廉，读数直观。4特点：特点：第三节 电阻式传感器AlR ),(lAfR)(lfR 变阻器式传感器金属电阻应变式电阻应变式传感器半导体应变式基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化。基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化。一变阻器式传感器：1工作原理：即 。 当电阻丝直径A与材质一定时， 的单值

7、函数。2直线位移型变阻器式传感器：设电位计触头移动x，其相应电阻值变化R，则：（常量）传感器的灵敏度：AtbaxRS)(2txbaAAlR)(21成线性关系。与输入（位移）传感器的输出（电阻）常量）(2AtrxRS)(xfRx3角位移型角位移型 同理，可得：4非线性电位计非线性电位计： 5电阻分压电路电阻分压电路：xxuuRRxxRRxxuupypLpLppy00)1 (时：当6特点特点：结构简单，性能稳定，使用方便。结构简单，性能稳定，使用方便。分辨力低，噪声大。分辨力低，噪声大。二电阻应变式传感器二电阻应变式传感器 金属电阻应变式半导体应变式AlR1电阻应变效应：电阻应变效应：电阻应变效应

8、是指电阻丝在外力的作用下发生变形，其电阻值发生变化的现象。 设一根电阻丝，未受力时的原始电阻值：drdrldlRdRdrdrldlRdrldrrldlrdRrA2)2(22322当受到外力F作用，其R的变化：dRdAARdllRdR（纵向应变）ldl为泊松系数）（横向应变rdr 变引起的。是由电阻丝电阻率的改改变引的；是由电阻丝几何尺寸的其中，（E)21常量21)21 (RdRSRdR为材料弹性摸量。）为正应力；为压阻系数；（EEdERdR22金属电阻应变片：金属电阻应变片：工作原理： 结构：丝式箔式a丝式： 四个基本部分组成：敏感栅（电阻丝）基片覆盖层引出线b箔式： 特点：光刻技术，应变花；

9、横向效应小；散热条件好；疲劳寿命长；生产率高。 ERdRSERdR材料： 见表3-2。3半导体应变片：半导体应变片：工作原理：“压阻效应压阻效应 ” ：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。特点：（1）灵敏度高；机械滞后小，横向效应小；（2）温度稳定性差；灵敏度离散度大； 在较大应力作用下，非线性误差大等。为材料的压阻系数 胶膜衬底半导体敏感栅内引线焊接端外引线结构：材料： 见表3-3。 P型硅单晶ttRRt1)(;)(0tll丝试灵敏度系数； 横向效应；机械滞后；温度效应； 虚假应变虚假应变a由敏感栅材料的电阻温度系数 引起的；b由敏感栅材料和试件材料的膨胀系数不

10、同引起的；;)1(;)1(0201tlltll丝试;0201tlltll丝试tll)(0丝试4电阻应变片的主要特性：ttkkRRtt)()(丝试总的虚假应变：;)(2kRR21)()(RRRRRR零漂及蠕变：应变极限；疲劳寿命；最大工作电流；绝缘电阻；动态响应特性。k为应变片的灵敏度应用：u0uyR1R2R3R4)(4)(4,43210443322110gyySuuRRRRRRRRuuRR则：若：)(4;021043gySuu实验应力分析电桥电路：相邻两臂R1，R2为性能相同的应变计；其余两臂为平衡电阻。043214231)(uRRRRRRRRuy43214321,RRRRRRRRR四个桥臂电

11、阻的变化为若： )(4;031042gySuupggySuSuu002141总相对两臂R1，R3为应变计，其余两臂为平衡电阻。应变片的布置和接桥方法：; 0; 0;43332111MpMp；总4321pppMM2;3131总又 )1 (214100pggySuSuu总)(;112111MpMp);(;334333MpMp；总4321pppMM)1 (2;3131总又 电阻应变传感器应用示例电阻应变传感器应用示例 立柱应力 桥梁应力 柱式测力传感器位移传感器 加速度传感器 筒式压力传感器第四节第四节 电感式传感器电感式传感器 被测量的变化被测量的变化 线圈自感或互感的变化线圈自感或互感的变化 位

12、移位移振动振动压力压力 利用磁场作为媒介利用磁场作为媒介或铁磁体的某些现象或铁磁体的某些现象主要特征：具有线圈绕组。主要特征：具有线圈绕组。分类：分类： 电感式电感式 自感式自感式互感式互感式- 差动变压器式差动变压器式可变磁阻式（气隙型、截面型、螺管型）可变磁阻式（气隙型、截面型、螺管型）涡电流式涡电流式一自感型：（一）可变磁阻式：（一）可变磁阻式：基本组成：基本组成：线圈线圈 铁心铁心衔铁衔铁基本工作原理基本工作原理：磁路总磁阻。线圈匝数；mmRWRWL/2002AuuAlRm，则：假设气隙磁场是均匀的0002AuRuum),(,200002AfLuWAuWL为常数，当动画演示类型类型（变

13、量）灵敏度：2002200222AuWSdAuWdLL0L0021S单线圈变气隙型：单线圈变气隙型：10LA一定，当特点：特点：a , ，非线性关系。取较小的初始间隙，非线性关系。取较小的初始间隙0可获得可获得 高的灵敏度；高的灵敏度；b,由于非线性，工作范围受限。只能对微小的位移进行测量。由于非线性，工作范围受限。只能对微小的位移进行测量。（/00.1 ,：0.0011mm)差动变气隙型：差动变气隙型：a.结构特点结构特点：两个完全相同的单线圈电感两个完全相同的单线圈电感传感器共用一个活动衔铁。传感器共用一个活动衔铁。（电气参数、几何尺寸均相同）（电气参数、几何尺寸均相同）)(2)(2000

14、2000221AuWAuWLLL差)(122222000002220002AuWAuW)(122000L单差差SAuWLLS22220200200)(122000 L0002, 1LL差有当b.与单线圈相比，有下列优点：与单线圈相比，有下列优点：（常量）一定时，当20200uWALSAL线圈1线圈2磁芯x线性得到改善；线性得到改善；灵敏度提高一倍。灵敏度提高一倍。变截面型：变截面型：差动螺管型：差动螺管型：动画演示涡电流型涡电流型涡电流效应12工作原理：工作原理：),u,(fZ12金属板金属板的电阻率金属板的电阻率金属板的磁导率金属板的磁导率距离距离线圈激励电流的圆频率线圈激励电流的圆频率线圈

15、阻抗：线圈阻抗：测量电路测量电路fee0e1e2f0f1f2=12e12e2e1阻抗分压式调幅电路：阻抗分压式调幅电路：LCf210调频电路调频电路eeffLL00涡流传感器的应用：涡流传感器的应用：主要用于动态非接触测量；主要用于动态非接触测量； 金属导体。金属导体。测位移；测位移；测轴的振动；测轴的振动；测转速；测转速；分）转速（转齿数/)(60NZHzfZfN测厚度测厚度；探伤探伤.二二. .互感式互感式-差动变压器式电感传感器差动变压器式电感传感器dtidMe112工作原理：工作原理：把被测量的变化转化成互感系数把被测量的变化转化成互感系数M的变化。的变化。M-互感系数（互感系数（H）

16、表示两线圈之间的耦合程度。表示两线圈之间的耦合程度。其大小与两线圈相对位置及其大小与两线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素周围介质的导磁能力等因素 有关。有关。 i1-一次侧线圈的励磁电流。一次侧线圈的励磁电流。e12-二次侧线圈的感应电动势二次侧线圈的感应电动势。相当于一个互感系数可变的变压器相当于一个互感系数可变的变压器差动结构差动结构：e1e2e0 xe0输出特性输出特性：测量电路：测量电路：差动相敏检波电路补偿零点残余电压-可调电位器R；分辨铁心移动方向（极性判别）-相敏检波电路。各点信号波形。第五节第五节 电容式传感器电容式传感器）。极板面积（）；极板间距离（）（空气极间介质相对介

17、电常数真空介电常数（212001)/1085. 8mAmmFACrrr),(AfC 一工作原理：一工作原理：将被测量的变化转换成电容的变化。将被测量的变化转换成电容的变化。平行平板电容器平行平板电容器：）。（介质变化型）；（面积变化型）；（极距变化型fCAfCfC极距变化型极距变化型（常量）时，仅当2001ASrCACr0dAdCr20两边微分：（变量）灵敏度：20AddCSr差动式差动式00单差动SSCAACCCrrba2.)(1 220000000常数）(222020rddCSrCrr常数）(00bdxdCSbxCrr常数）()/ln(2)/ln(200dDdxdCSdDxCrr面积变化型

18、：面积变化型：角位移型角位移型 线位移型线位移型圆柱体线位移型圆柱体线位移型如图3-23特点：特点：输入输出成线性关系；输入输出成线性关系；灵敏度相对较小灵敏度相对较小；适用于较大直线位移及角位移的测量。适用于较大直线位移及角位移的测量。121212)/ln()(2)/ln(2KhACrRKrRhA；令介质变化型：介质变化型：如图3-24液位测量液位测量。)/ln()(2)/ln(221222rRhhrRhC气体介质间的电容量：)/ln(2111rRhC液体介质间的电容量：)/ln()(2)/ln(2211221rRhrRhCCC介质温度，湿度或介质温度，湿度或厚度测量；厚度测量；二电容传感器

19、的测量电路二电容传感器的测量电路dtdAREdtdCREuRtiutidtdCEdtdQCEQryy200000)()(测量时：稳态时：交流电桥直流极化电路谐振电路调频电路运算放大器电路三电容传感器的特点优点优点：温度稳定性好；温度稳定性好； 结构简单，适应性强；结构简单，适应性强；动态响应好；动态响应好；可以实现非接触测量，具有平均效应。可以实现非接触测量，具有平均效应。缺点：缺点：输出阻抗高，负载能力差；输出阻抗高，负载能力差；寄生电容大；寄生电容大；措施：措施：驱动电缆技术驱动电缆技术；缩短距离，集成技术；缩短距离，集成技术。输出的非线性。输出的非线性。四、影响电容传感器精度的因素四、影

20、响电容传感器精度的因素1、温度、温度2、漏电阻的影响、漏电阻的影响3、边缘效应与寄生参量的影响、边缘效应与寄生参量的影响五、应用举例五、应用举例电容测厚仪电容测厚仪轧辊轧辊工作极板工作极板被测带材被测带材第六节第六节 压电式传感器压电式传感器能量转换型传感器能量转换型传感器一压电效应：一压电效应：正向压电效应：机正向压电效应：机 电电逆向压电效应：电逆向压电效应：电 机机可逆过程可逆过程二压电材料：二压电材料：单晶单晶石英晶体石英晶体铌酸锂，钽酸锂铌酸锂，钽酸锂多晶多晶- 压电陶瓷（钛酸钡，锆钛酸铅压电陶瓷（钛酸钡，锆钛酸铅PZT）新型材料新型材料石英晶体石英晶体xzy光轴光轴机械轴机械轴xF

21、Dq11电轴电轴石英晶体并不是在任何方石英晶体并不是在任何方 向都存在压电效应。向都存在压电效应。压电效应模型：压电效应模型：纵向效应纵向效应：yFDq22FDq33横向效应横向效应：切向效应：切向效应：特点：特点：温度稳定好；机械强度高；温度稳定好；机械强度高；可用来测量大量程的力和加速度。可用来测量大量程的力和加速度。ACra0aCqU0三压电式传感器及其等效电路：三压电式传感器及其等效电路： 等效电路：等效电路：具有一定电容的电荷源具有一定电容的电荷源等效电容：等效电容：开路电压开路电压：等效电路等效电路： )()()(0sQssIsICR两边取拉氏变换：等效电路等效电路aiicaRRR

22、CCCC/0idtCuq式：根据电荷平衡建立方程qidtiCRRui00:则又)(1)()(0sHCsRssQsI压电元件常用结构形式压电元件常用结构形式C=2C u=u q=2q时间常数大，动态响应差，适合于慢变时间常数大，动态响应差，适合于慢变信号的测量。以电荷量输出的场合。信号的测量。以电荷量输出的场合。C=C/2 u=2u q=q时间常数小，动态响应好，适合于快变时间常数小，动态响应好，适合于快变信号的测量。以电压作为输出的场合。信号的测量。以电压作为输出的场合。并联：并联：串联：串联：四测量电路四测量电路 压电传感器对测量电路的要求：压电传感器对测量电路的要求：压电传感器内阻很高，且信号微弱，因此，一般不能直接显示压电传感器内阻很高，且信号微弱，因此，一般不能直接显示和记录，而需经过二次仪表进行阻抗变换和信号放大。和记录，而需经过二次仪表进