中国石油大学常用传感器

1、第四章第四章 常见传感器常见传感器主要内容：主要内容：传感器的概念、作用及分类传感器的概念、作用及分类 电阻传感器、电感传感器及其测量电路电阻传感器、电感传感器及其测量电路 电容传感器、压电传感器及其测量电路电容传感器、压电传感器及其测量电路 磁电传感器及其传感器的选用原则磁电传感器及其传感器的选用原则4.14.1 传感器概述传感器概述1.1.传感器的作用传感器的作用: : 工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将工程上通常把直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。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

2、为易作用：把被测量，如力、位移、温度等，转换为易测信号测信号( (电信号），传送给测量系统的信号调理环节。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传感器是人类感官的延伸a a视觉与光传感器；视觉与光传感器；b b听觉与声压传感器听觉与声压传感器; ;c c触觉与温度、压力传感器；触觉与温度、压力传感器；d d嗅觉与气敏传感器；嗅觉与气敏传感器； 是现代测控系统的关键环节是现代测控系统的关键环节 传感器的作用类似于人的感觉器官，又是人的感官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，从广义的延伸，它的作用是扩展人的信息功能。因此，

3、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。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，在现代被称之为代被称之为信息探测工程学信息探测工程学，是研究物质的物理效应、，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。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借助于传感器人们可以去探索那些无法

4、用感官直接测量的事物，从微观世界到宏观世界、太空探索，从人测量的事物，从微观世界到宏观世界、太空探索，从人体（体（CT)CT)到自然界到自然界( (海水深度、海底探测）都离不开传感海水深度、海底探测）都离不开传感器。器。 传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响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。着整个测试装置的工作质量。输入输入P P大气压大气压壳体壳体膜盒膜盒电感线圈电感线圈磁芯磁芯基本转基本转换电路换电路敏感元件敏感元件转换元件转换元件敏感元件敏感元件转换元件转换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 CR L C2 2传感器的基本组

5、成：传感器的基本组成：例：压力传感器：例：压力传感器：物性型：物性型：（压电、半导体传感器）（压电、半导体传感器）结构型：结构型：（电容、电感传感器）（电容、电感传感器）1.1.能量控制型能量控制型( (有源传感器有源传感器):():(电阻温度计、电容式电阻温度计、电容式测振仪测振仪) )能量转换型能量转换型( (无源传感器无源传感器):():(热电偶、弹性压力计热电偶、弹性压力计) )2.2.4. 4. 位移、速度、加速度、力、温度位移、速度、加速度、力、温度. .3 3传感器的分类：传感器的分类：3. 3. 激励型：超声波探伤仪、激励型：超声波探伤仪、r r射线测厚仪、射线测厚仪、X X射

6、线衍射射线衍射 仪等。仪等。4 4传感器的发展动向：传感器的发展动向：1 1、发现新现象、发现新现象2 2、开发新材料、开发新材料3 3、采用微细加工技术、采用微细加工技术4 4、研究多功能集成传感器、研究多功能集成传感器 “ “ Intelligent Sensor ”Intelligent Sensor ”5 5、智能化传感器、智能化传感器 “ “ Smart Sensor ”Smart Sensor ”6 6、仿生传感器、仿生传感器第二节第二节 机械式传感器机械式传感器1 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量，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

7、有一定的要求。所以对它有一定的要求。2 2弹性敏感元件的材料：弹性敏感元件的材料：1 1）弹性滞后和弹性后效要小）弹性滞后和弹性后效要小2 2）弹性模数的温度系数要小）弹性模数的温度系数要小敏感元件敏感元件（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.机械式指机械式指针仪表针仪表3 3典型应用典型应用: :3 3）线膨胀系数要小且稳定）线膨胀系数要小且稳定4 4）弹性极限和强度极限要高）弹性极限和强度极限要高5 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 6）具有良好的机械加工性和热处理性）具有良好的

8、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、弹性元件的蠕变，弹性后效现象会影响输入、输出的关系。输出的关系。5.5.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感常把机械传感器与其它传感器结合起来器结合起来, ,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, ,再再用其它类型的传感器用其它类型的传感器( (电阻、电容、电涡流式等）把位移电阻、电容、电涡流式等

9、）把位移转换成电信号输出。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 4特点：特点：AlR 1 1工作原理：工作原理：第三节第三节 电阻式传感器电阻式传感器变阻器式传感器变阻器式传感器金属电阻应变式金属电阻应变式电阻应变式传感器电阻应变式传感器半导体应变式半导体应变式基本原理：基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化。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：一变阻器式传感器：),(lAfR)(lfR 即即 。当电阻丝直径。当电阻丝直径A A与材质与材质一定时，一定时， 的单值函数。的单值函数。2 2直线位移型变阻

10、器式传感器直线位移型变阻器式传感器：设电位计触头移动设电位计触头移动xx，其相应电阻值变化，其相应电阻值变化RR，则：，则：（常常量量）传传感感器器的的灵灵敏敏度度：AtbaxRS)(2 txbaAAlR )(21成成线线性性关关系系。与与输输入入（位位移移）传传感感器器的的输输出出（电电阻阻）常量）常量）(2AtrxRS 3 3角位移型角位移型 同理，可得：同理，可得：)(xfRx4 4非线性电位计非线性电位计： 5 5电阻分压电路电阻分压电路：xxuuRRxxRRxxuupypLpLppy00)1( 时：时：当当6 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

11、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 金属电阻应变式金属电阻应变式半导体应变式半导体应变式1 1电阻应变效应：电阻应变效应： 电阻应变效应是指电阻丝在外力的作用下发生变形，电阻应变效应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。其电阻值发生变化的现象。 AlR 设一根电阻丝，未受力时的原始电阻值：设一根电阻丝，未受力时的原始电阻值：drdrldlRdRdrdrldlRdrldrrldlrdRrA2)2(22322当受到外力当受到外力F F作用，其作用，其R R的变化：的变化：dRdAARdllRdR（纵纵向向应应变变） ldl为为泊泊松松系系数数

12、）（横横向向应应变变 rdr 变变引引起起的的。是是由由电电阻阻丝丝电电阻阻率率的的改改改改变变引引的的；是是由由电电阻阻丝丝几几何何尺尺寸寸的的其其中中，（ E)21为为材材料料弹弹性性模模量量）为为正正应应力力；为为压压阻阻系系数数；（EEd ERdR22 2金属电阻应变片：金属电阻应变片：灵灵敏敏度度常常量量很很小小，可可忽忽略略S 21RdRSE)21(RdR工作原理：工作原理： RRSg 结构：结构：丝式丝式箔式箔式a.a.丝式：丝式：四个基本部分组成：四个基本部分组成：敏感栅（电阻丝）敏感栅（电阻丝）基片基片覆盖层覆盖层引出线引出线b.b.箔式：箔式： 特点：特点：光刻技术；光刻技

13、术；横向效应小；横向效应小；散热条件好；散热条件好；疲劳寿命长；疲劳寿命长；生产率高。生产率高。 材料：材料： 见表见表3-23-2。3 3半导体应变片：半导体应变片：工作原理：工作原理：“压阻效应压阻效应 ”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：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。时，其电阻率发生变化的现象。ERdRSERdR g为材料的压阻系数为材料的压阻系数S Sg g比金属丝电阻应变片大比金属丝电阻应变片大50-7050-70倍。倍。胶膜衬底胶膜衬底半导体敏感栅半导体敏感栅内引线内引线焊接端焊接端外引线外引线结构：结构：材料：材料：

14、见表见表3-33-3。 P P型硅单晶型硅单晶特点：特点：（1 1）灵敏度高；机械滞后小，横向效应小；）灵敏度高；机械滞后小，横向效应小；（2 2）温度稳定性差；灵敏度离散度大；在较大应力作）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。用下，非线性误差大等。tRRt 1)(灵敏度系数高；灵敏度系数高；横向效应小；横向效应小；机械滞后；机械滞后；温度效应明显；温度效应明显； 虚假应变虚假应变ta a由敏感栅材料的电阻温度系数由敏感栅材料的电阻温度系数 引起的；引起的；b b由敏感栅材料和试件材料的膨胀系数不同引起的；由敏感栅材料和试件材料的膨胀系数不同引起的；;)1(;)1(

15、0201tlltll 丝丝试试4 4电阻应变片的主要特性：电阻应变片的主要特性：;0201tlltll 丝丝试试ttkkRRtt )()(丝丝试试总总的的虚虚假假应应变变：21)()(RRRRRR 零漂及蠕变：零漂及蠕变：应变极限；应变极限；疲劳寿命；疲劳寿命；最大工作电流；最大工作电流；绝缘电阻绝缘电阻；动态响应特性。动态响应特性。 kRR2)(k k为应变片的灵敏度为应变片的灵敏度;)(0tll 丝丝试试tll )(0丝丝试试应用应用：u0u0uyuyR1R1R2R2R3R3R4R4)(4)(4,43210443322110 gyySuuRRRRRRRRuuRR则则：若若：)(4;0210

16、43 gySuu实验应力分析实验应力分析电桥电路：电桥电路： 相邻两臂相邻两臂R1R1，R2R2为性为性能相同的应变计；其余两臂能相同的应变计；其余两臂为平衡电阻。为平衡电阻。043214231)(uRRRRRRRRuy 43214321,RRRRRRRRR 四四个个桥桥臂臂电电阻阻的的变变化化为为若若：)(4;031042 gySuupggySuSuu 002141总总 相对两臂相对两臂R1R1，R3R3为应变计，其余两臂为为应变计，其余两臂为平衡电阻。平衡电阻。应变片的布置和接桥方法：应变片的布置和接桥方法：; 0; 0;43332111 MpMp；总总4321 pppMM 2;3131总

17、总又又 )1 (214100 pggySuSuu总总)(;112111MpMp );(;334333MpMp ；总总4321 pppMM )1(2;3131总总又又 电阻应变传感器应用示例电阻应变传感器应用示例 立柱应力立柱应力桥梁应力桥梁应力柱式测力传感器柱式测力传感器位移传感器位移传感器 加速度传感器加速度传感器 筒式压力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

18、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）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：磁磁路路总总磁磁阻阻。线线圈圈匝匝数数； mmRWRWL/2002AuuAlRm ，则则：假假设设气气隙隙磁磁场场是是均均匀匀的的0002AuRuum 一、自感式一、自感式l l：铁心导磁长度：铁心导磁长度：铁心磁导率：铁心磁导率A A：铁心磁导截面积：铁心磁导截面积：气隙长度：气隙长度0：空气磁导率：空气磁导率A0：空

19、气气隙导磁截面：空气气隙导磁截面积积),(,200002AfLuWAuWL 为为常常数数，当当动画演示动画演示类型类型（变变量量）灵灵敏敏度度：2002200222 AuWSdAuWdLL L0 0L L0 00 0单线圈变气隙型：单线圈变气隙型： 10LA一一定定，当当特点：特点：21 Sa: 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 0可获得可获得高的灵敏度；高的灵敏度；b: 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。 （/0 00.1 ,0.1 ,：0.0010.0011mm)1mm)差动变气

20、隙型：差动变气隙型：a.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)(20002000221 AuWAuWLLL差差)(122222000002220002 AuWAuW单单差差差差SAuWLLS22220200200 )(122000 L0002,1 LL差差有有当当)(122000 Lb.b.与单线圈相比，有下列优点：与单线圈相比，有下列优点：（常常量量）一一定定时时，当当 20200uWALSAL线圈线圈1 1线圈线圈2 2磁芯磁芯x x线性得到改

21、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：动画演示动画演示(二二) 涡电流型涡电流型涡电流效应涡电流效应12工作原理：工作原理：12金属板),u,(fZ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2.2.线圈阻抗：线圈阻抗：测量电路测量电路fee0e1e2f0f1f2=12阻抗分压式阻抗分压式调幅电路调幅电路：LCf210e12e2e1调频电路调频电路eeffLL 00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

22、位移；测轴的振动；测轴的振动；测转速；测转速；分分）转转速速（转转齿齿数数/)(60 NZHzfZfN测厚度测厚度；探伤探伤. .二、互感式二、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 M 的变化。的变化。M-M-互感系数（互感系数（H H）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。i i1 1- - 一次侧线圈的励磁电流。一次侧线圈的励磁电流。e e1212- - 二

23、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：e1e1e2e2e0e0 x xe e0 0输出特性输出特性：测量电路：测量电路：差动相敏检波电路差动相敏检波电路补偿零点残余电压补偿零点残余电压-可调电位器可调电位器R R；分辨铁心移动方向（极性判别）分辨铁心移动方向（极性判别）-相敏检波电路。相敏检波电路。各点信号波形。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（极板面积（）；）；极板间距离（极板间距离（）（空气（空气极间介质相对介电常数极间介质相对介电常数真空介电常数（真空介电常数（2120

24、01)/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： ）。（介介质质变变化化型型）；（面面积积变变化化型型）；（极极距距变变化化型型fCAfCfC极距变化型极距变化型（常量）时，仅当2001ASrC CACr0dAdCr20两边微分：（变量）灵敏度：20AddCSr差动式差动式00单单差差动动SSCAACCCrrba2.)(1220000000 常常数数）(222020 rddCSrCrr常常数数）(00 bdxdCSbxCrr常常数数）()/ln(2)/ln(200dD

25、dxdCSdDxCrr 面积变化型：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 ；令令介质变化型：介质变化型：如图如图3-143-14液位测量液位测量。)/ln()(2)/ln(221222rRhhrRhC 气气体体介介质质间间的的电电容容量量：)/ln(2111rRhC 液液体体介介质质间间的的电电容容量量：)/ln()(2)/ln(2211221r

26、RhrRhCCC 介质温度，湿度或介质温度，湿度或厚度测量；厚度测量；二电容传感器的测量电路二电容传感器的测量电路dtdAREdtdCREuRtiutidtdCEdtdQCEQryy 200000)()(测测量量时时：稳稳态态时时：交流电桥交流电桥直流极化电路直流极化电路谐振电路谐振电路调频电路调频电路运算放大器电路运算放大器电路三电容传感器的特点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

27、；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。应用举例：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PZTPZT）新型材料新型材料石英晶体石英晶体xFDq11

28、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：x xz zy y光轴光轴机械轴机械轴电轴电轴yFDq22 FDq33横向效应横向效应：切向效应切向效应：特点：温度稳定好；机械强度高；特点：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。 ACra0aCqU 0三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 两两边边取取拉拉

29、氏氏变变换换：等效电路等效电路aiicaRRRCCCC/0 idtCuq式：式：根据电荷平衡建立方程根据电荷平衡建立方程 qidtiCRRui00:则则又又 )(1)()(0sHCsRssQsI 传感器传感器 电缆电缆 外部设备外部设备 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=2qC=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=qC=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