常用传感器与敏感元件

1、常用传感器与敏感元件赵汗青机电教研室学习重点学习重点1）获取被测量的基本方法，传感器的分类及）获取被测量的基本方法，传感器的分类及依据的原理；依据的原理；2）参量型（电阻、电容、电感）传感器的作）参量型（电阻、电容、电感）传感器的作用原理、测量电路和典型应用；用原理、测量电路和典型应用；3）传感器的选用原则）传感器的选用原则可转换的信号机械信号电信号辐射信号（光波超声波红外波）流体信号传感器的作用传感器：工程测量中通常把直接作用于被测量，并能按一定方式将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。按被测物理量按工作原理机械式电子式光学式流体式按能量变换关系能量转换型 能量控制型物性型结构型集

2、成化传感器多环节集成多参量集成模拟式数字式按信号变换特征按输出信号分位移传感器力传感器温度传感器等3. 传感器的性能要求传感器的性能要求1 1）足够的容量）足够的容量2 2）匹配性好，转换灵敏度高）匹配性好，转换灵敏度高3 3）精度适当，稳定性高）精度适当，稳定性高4 4）反应速度快，工作可靠性高）反应速度快，工作可靠性高5 5）适应性和适用性强）适应性和适用性强一一、电阻式传感器、电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感是把被测量转换为电阻变化的一种传感器器按工作的原理可分为按工作的原理可分为:F热敏式热敏式F电阻应变式电阻应变式F变阻器式变阻器式F光敏式光敏式F电敏式电敏式AlR3.

3、2 电阻式传感器电阻式传感器二、变阻器式传感器二、变阻器式传感器 直线位移型：直线位移型：R=ktxkt为单位长度中的电阻为单位长度中的电阻 。其灵敏度：其灵敏度： 角位移型角位移型 灵敏度：灵敏度：触点转角触点转角(rad)；kr单位弧度对应的电阻值。单位弧度对应的电阻值。 变阻器式传感器 tdxdRksrkddRs 变阻器的分辨率变阻器的分辨率 取决于电阻元件的结构型式。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，电阻当滑臂触点从一圈导线移动至下一圈时，电阻

4、值的变化是台阶形的，由此则限制了器件的分值的变化是台阶形的，由此则限制了器件的分辨率。辨率。 实际中能做到绕线间的密度为实际中能做到绕线间的密度为25圈圈/mm，对直，对直线移动式装置来说，分辨率最小为线移动式装置来说，分辨率最小为40m，而对，而对一个单线圈一个单线圈5cm直径的转动式电位计来说，其直径的转动式电位计来说，其最好的角分辨率为约最好的角分辨率为约0.1o。为改善分辨率，也可采用为改善分辨率，也可采用碳膜碳膜或或导电塑料导电塑料电阻电阻元件。元件。 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变

5、应变效应效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电，即金属导体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阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变的变化而发生变化的现象。化的现象。 电电阻阻式式传传感感器器1) 工作原理工作原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R为为AlR2ddRdldrRlr电电阻阻式式传传感感器器RRRlAdRdlddA22ArdArdr,ddrlrlE (12)dRRE(1)(1) 金属应变片（金属应变片（ 不变）不变）(12 )1.73.6dRRS 金属应变计金属应变计(2) (2) 半导体应变片（半导体应变片（ 变化）变化）6017

6、0dRERS 半导体应变计半导体应变计电电阻阻式式传传感感器器2) 金属应变计金属应变计金属应变计有金属应变计有:丝式和丝式和箔式箔式优点优点:稳定性和温度稳定性和温度特性好特性好.缺点缺点:灵敏度系数小灵敏度系数小.应变计电电阻阻式式传传感感器器3) 半导体应变计半导体应变计优点：优点：应变灵敏度大应变灵敏度大;体积小体积小;能制成具有一定应变电阻的能制成具有一定应变电阻的元件元件.缺点：缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片温度稳定性和可重复性不如金属应变片。 应变计电电阻阻式式传传感感器器 体型体型 薄膜型薄膜型 扩散型扩散型 案例：案例：4) 应用应用电电阻阻式式传传感感器器案例：案

7、例：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。德国HBM电阻应变式传感器 电电阻阻式式传传感感器器2.金属应变片的主要参数： 基长l：又称标距，即敏感栅的纵向长度。 基宽b：敏感栅的横向宽度。 电阻值R：指应变片未经安装也不受外力情况下于室温时所测定的电阻值。有60，120，200，350，1000几种规格，最常用的为120。 灵敏度S：即单位应变引起的电阻相对变化，是应变片的重要技术参数，通常S=2。 允许电流：允许通过应变片的最大工作电流。三、应变片的粘贴三、应变片的粘贴 常用的粘接剂：环氧树脂、酚醛树脂等；常用的粘接剂：环氧树脂、酚醛树脂等； 高温下：专

8、用陶瓷粉末等无机粘接剂。高温下：专用陶瓷粉末等无机粘接剂。 对粘接剂的要求：保证粘接面有足够的对粘接剂的要求：保证粘接面有足够的强度、绝缘性能、抗蠕变、以及温度变化强度、绝缘性能、抗蠕变、以及温度变化范围等。范围等。 使用粘接方法的温度范围：使用粘接方法的温度范围：-249816 对超高温度来说，常要采用焊接技术来进对超高温度来说，常要采用焊接技术来进行连接。行连接。 四、应变片的应用四、应变片的应用 结构的应力和应变分结构的应力和应变分析析 ； 用于制成力、位移、用于制成力、位移、压力、力矩和加速度压力、力矩和加速度等测量传感器。等测量传感器。 图4.10 粘贴应变计的力和力矩传感器（a）拉

9、力杆 （b）压力杆（c）弯曲悬臂 （d）扭矩轴 3.3 电容式传感器电容式传感器 1.变换原理变换原理: 将被测量的变化转化为电容量变化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两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它的电容量为: :AC+A 当被测量当被测量、A或或发生变化时，都会引起电容的变化。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，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。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。第第三三章章常常用用传传感感器器2 分类分类 a) a) 极距变化型极距变化

10、型; ;+c) c) 介质变化型介质变化型0SA电电容容式式传传感感器器 b)b)面积变化型面积变化型: :角位移型角位移型, ,平面线位移型平面线位移型, ,柱面线位移型柱面线位移型. .一、间隙变化型一、间隙变化型 这种类型的传感器常常固这种类型的传感器常常固定一块极板（图中极板定一块极板（图中极板2）而）而使另一块极板移动（图中极板使另一块极板移动（图中极板1），从而来改变间隙），从而来改变间隙以引起以引起电容的变化。设间隙有一改变电容的变化。设间隙有一改变量量，将上式按泰勒级数展开为：将上式按泰勒级数展开为： AC01(4.38) 20200111AAAC(4.39)变间隙式电容传感器

11、 当当为小值时，当为小值时，当/ =0.1时，可得电时，可得电容变化量容变化量电容传感器的灵敏度电容传感器的灵敏度 实际应用中为提高传感器的灵敏度，常采实际应用中为提高传感器的灵敏度，常采用差动式结构。用差动式结构。由此可得灵敏度由此可得灵敏度 201ACCC20ACs20212ACCC202ACs二、面积变化型二、面积变化型 采用改变电容器极板面积是另一种获取电容传感采用改变电容器极板面积是另一种获取电容传感器输出变化的方法。器输出变化的方法。 面积变化型电容传感器 图中图中(b)为通过线性位移改为通过线性位移改变电容器极板面积的型式。当变电容器极板面积的型式。当动电极在动电极在x方向有位移

12、方向有位移x时，时，极板面积的改变量将是极板面积的改变量将是电容的改变量将是电容的改变量将是 其灵敏度其灵敏度 可见该灵敏度为一常数，因此可见该灵敏度为一常数，因此输入、输出关系为线性。输入、输出关系为线性。 xbAxbC0bxCs0图中图中(a)为转角型结构，当改为转角型结构，当改变两极板间的相对转角时，两极变两极板间的相对转角时，两极板的相对公共面积发生变化。由板的相对公共面积发生变化。由图可知，该公共覆盖面积图可知，该公共覆盖面积 -公共覆盖面积对应的中心角；公共覆盖面积对应的中心角；r-半圆形极板半径。半圆形极板半径。因此当有转角变化因此当有转角变化时，电容时，电容量改变量改变 同样得

13、这种情况下电容器的灵敏同样得这种情况下电容器的灵敏度度 22rA2221rC2221rCs该灵敏度为一常数，输入与输出仍为线性关系。 图中（图中（c）为圆柱体线位移）为圆柱体线位移型结构，其中圆周为固定，圆型结构，其中圆周为固定，圆柱在其中移动。利用高斯积分柱在其中移动。利用高斯积分可得该电容器的电容量可得该电容器的电容量式中式中D圆周内径；圆周内径；d圆柱外径。圆柱外径。两者覆盖长度两者覆盖长度x的变化为的变化为x时，时，电容变化量电容变化量 其灵敏度其灵敏度 dDCln20 xdDCln20dDxCsln20 也可将变面积型传感器做成差动型的。也可将变面积型传感器做成差动型的。中间电极移动

14、式电容传感器（a）板式 （b）柱式 （c）柱式差动型 三、介质变化型三、介质变化型 介质变化型传感器的分类介质变化型传感器的分类 极板上覆盖有介质；极板上覆盖有介质； 介质可移动。介质可移动。图4.47 介质变化型传感器（a）极板上覆盖有介质 （b）介质可移动 极板上覆盖有介质极板上覆盖有介质如图所示，该电容器具有两不同如图所示，该电容器具有两不同的电介质，其介电常数分别为的电介质，其介电常数分别为r1和和r2，其介质厚度分别为，其介质厚度分别为a1和和a2，且，且a1+a2=a0。整个装置可视为由两电。整个装置可视为由两电容器串联而成，其总电容量容器串联而成，其总电容量C由两由两电容器的电容

15、电容器的电容C1和和C2所确定，由所确定，由此得此得 22110211111rraaACCC(4.53)极板上覆盖有介质22110rraaAC(4.54)为分析简单起见，设介质1为空气，即r1=1，则(4.54)式变为： 221002210rraaaAaaAC(4.55)此方法可用来对不同材料如纸、塑料膜、合成纤维等的厚度进行测定。 介质可移动介质可移动 这种结构相当于将两电容器作这种结构相当于将两电容器作并联。此时的总电容由两部分组并联。此时的总电容由两部分组成：电容成：电容C1(介电常数介电常数r1，极板，极板面积面积b0(l0-l)和电容和电容C2(介电常数介电常数r2，极板面积，极板面

16、积b0l)。由此得：。由此得：设介质设介质1为空气，因此为空气，因此r1 =1，又设介质全部为空气的电容器的又设介质全部为空气的电容器的电容为电容为C0，则，则C0=0b0l0/a0。由于。由于介质介质2的插入所引起的电容的插入所引起的电容C的相的相对变化对变化C/C0则正比于插入深度则正比于插入深度l： lllabalballbCCCrrrr10100000200001021 这一原理常用于对非这一原理常用于对非导电液体和松散物料导电液体和松散物料的液位或堆积高度的的液位或堆积高度的测量。测量。 lllllllCCCCCrr02020000011(4.57)图4.48 测量非导电液或松散物料

17、填充高度的电容传感器 电容式传感器所测出的电电容式传感器所测出的电容及电容变化量均很小，因容及电容变化量均很小，因此必须后接适当的放大电路此必须后接适当的放大电路将它们转换成电压、电流或将它们转换成电压、电流或频率等输出量。频率等输出量。1. 运算放大器电路运算放大器电路 将公式（将公式（4.37）代入上式可得）代入上式可得 式中式中ei信号源电压；信号源电压；eo运放输出电压；运放输出电压；co固定电容；固定电容；cx传感器等效电容。传感器等效电容。xiCCee00ACeeio00运算放大器式电路 v输出电压eo与电容传感器间隙成正比关系。 2. 电桥测量电路电桥测量电路 根据电桥平衡公式有

18、：根据电桥平衡公式有：其中实部有：其中实部有：上式可通过调节可调电阻上式可通过调节可调电阻R1来满来满足，对虚部则有：足，对虚部则有：同样可通过调节可调电容器同样可通过调节可调电容器C1来来实现。当电容传感器实现。当电容传感器C2有变化时，有变化时，则电桥相应地有输出。则电桥相应地有输出。 111113222211RCjRCjRRCjRCjR242141132132CRRRjRRCRRRjRR1342RRRR1342CRRC(4.60)(4.61)(4.62)(4.63)图4.51 文氏式电容测量电桥 3. 调频电路调频电路 电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡电容传感器作为振荡器谐振

19、回路一部分，调频振荡器的谐振频率器的谐振频率f为：为：式中式中L振荡回路电感。振荡回路电感。 当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化。其输出经限幅、鉴频和放大后变成电压输出。生变化。其输出经限幅、鉴频和放大后变成电压输出。 LCf21(4.66)图4.53 调频电路工作原理 电容传感器的最大缺点：易电容传感器的最大缺点：易受连接电缆线形成的寄生电受连接电缆线形成的寄生电容的影响。容的影响。 消除寄生电容的方法：消除寄生电容的方法： 将后续电路的前级放置在紧靠将后续电路的前级放置在紧靠电容传感器的地方，以尽量减电容传感器的地方，以尽量减少电

20、缆长度及位置变化带来的少电缆长度及位置变化带来的影响。影响。 采用等电位传输（亦称驱动电采用等电位传输（亦称驱动电缆）技术缆）技术 。 图4.54 驱动电缆工作原理 3 应用应用1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度2.位移，移动，位置，膨胀3.挠度，变形，波动，倾斜4.尺寸，公差，分选，零件识别5.冲击，应变，轴向振动6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心电电容容式式传传感感器器 3.4 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。转化为电感量的一种装置。分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁

21、阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型第第三三章章常常用用传传感感器器1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式2002ANL a)变间隙型原理原理:电磁感应电磁感应电电感感式式传传感感器器20022WAdLLSd b)变面积型c）螺线管型电电感感式式传传感感器器2002WdLSdAd)差动型电电感感式式传传感感器器2 涡流式涡流式原理原理:涡流效应涡流效应原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：),(ZZ 电电感感式式传传感感器器a)高频反射式：（高频反射式：（集肤效应）集肤效应）( )Zf x电电感感式式传传感感器器b)低频透射式：（互感原理）低频透射式：（互感原理）应用应用: 厚度,角

22、度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度; 压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩, 应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量电电感感式式传传感感器器案例：案例： 无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测电电感感式式传传感感器器案例：案例： 测厚测厚案例：案例： 零件计数零件计数电电感感式式传传感感器器3 变压器式变压器式-差动变压器差动变压器工作原理工作原理:互感现象互感现象.电电感感式式传传感感器器3.7传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。 1、灵敏度、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确