武汉理工大学检测技术5课件

第五章常用传感器5.1概述5.2电阻传感器

5.3电容传感器5.4电感传感器5.5磁电传感器5.6压电传感器5.7磁敏传感器5.8传感器选用原则▼▼▼▼▼▼▼▼5.1概述1.传感器(Sensor)定义

传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。狭义上，非电信号电信号。在非电量电测系统中的作用敏感作用：感受并拾取被测对象的信号变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。获得传感器信号的两种方法直接获得电信号的变化（开关传感器）；3.传感器的性能要求工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力与检测系统匹配性好，转换灵敏度高精度适当，稳定性高反应速度快，工作可靠性高适应性和适用性强4.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,压力,真空度,力矩,风速,流速,

流量;声:

声压,噪声.磁:

磁通,磁场.温度:

温度,热量,比热.光：亮度，色彩▲电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。按工作的原理可分为:热敏式电阻应变式变阻器式光敏式湿敏式5.2电阻式传感器2.应变式电阻传感器丝式应变片

箔式应变片

(1).应变效应导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。应变片受力

应变

比例关系

比例关系

应变片电阻的变化

(2).工作原理式中，ρ——导线的电阻率，又称为电阻系数金属导线的应变电阻效应：当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。<1>金属应变片（不变）金属应变计<2>

半导体应变片（变化）半导体应变计(3).应变片的主要参数

1)几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2)电阻值：应变计的原始电阻值。

3)灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4)其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。

(4).金属应变计金属应变计有:

1、丝式

2、箔式

3、薄膜式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.应变计立柱应力

桥梁应力

(6).应变式电阻传感器的应用

德国HBM电阻应变式传感器

质量传感器

位移传感器

加速度计

压力传感器

压力传感器

转矩传感器

(2).热敏电阻传感器

圆形热敏电阻柱形热敏电阻珠形热敏电阻热敏电阻在电路中的符号非线性元件:它的温度-电阻关系是指数关系

温度为-50℃～＋350℃

(3).光敏电阻传感器

(4).湿敏电阻传感器

▲5.3电容式传感器

1.变换原理

将被测物理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:+++A

当被测量δ、A或ε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。3.灵敏度

a)极距变化型传感器的灵敏度近似为：变极距电容传感器

平板电容器传感器灵敏度b)面积变化型a)直线位移型

直线位移型b)角位移型

传感器灵敏度角位移型c)介质变化型介质常数变化型电容式传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。电容式氢液高度传感器

纱条均匀度测试仪

▲5.4电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型1.可变磁阻式(自感型)原理:电磁感应W:线圈匝数；L1:软铁长度；μ1：软铁磁导率；μ0：空气磁导率A1：铁芯导磁截面A0：空气导磁截面可变磁阻式传感器基本原理1．线圈2.铁芯3.衔铁(1).间隙变化型间隙变化型可变磁阻式传感器结构

当μ0、A0固定不变，改变δ时，L与δ呈非线形（双曲线）关系，L与δ的双曲线关系

传感器灵敏度：(2).面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构当μ0、δ

固定不变，改变A0时，L与A0呈线形关系，传感器灵敏度L与A0的线形关系=常数(3).螺线管型当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而产生电感的变化。(4).差动型变间隙型差动变压器输出特性传感器灵敏度2.涡流式电感传感器

当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。涡流式电感传感器可分为1）高频反射式2）低频投射式原线圈的等效阻抗Z变化：(1).高频反射式（集肤效应）高频反射式涡流传感器δ(2).低频透射式（互感原理）低频透射式涡流传感器e2随材料厚度增加变化的规律4.涡流式传感器的应用案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量径向振动的测量构件振幅的测量构件振型的测量轴心轨迹的测量其中，n为转轴的转速；f为脉冲频率；z为转轴上的槽数或齿数。案例:转速的测量案例：测厚案例：零件计数案例：连续油管的椭圆度测量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测3.变压器式--差动变压器工作原理:互感现象.应用:厚度,角度,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：板的厚度测量~案例：张力测量▲5.5磁电传感器

1.变换原理

磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势e为

磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。

2.分类

磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3.动圈式传感器

l:每匝线圈的平均长度；B:线圈所在磁场的磁感应强度；A:每匝线圈的截面积；θ:线圈运动方向与磁场方向的夹角；k:传感器的结构系数。4.磁阻式传感器

5.磁电传感器的应用测速电机磁电式测速传感器测频数测转速偏心测量振动测量▲5.6压电传感器

1.变换原理

某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。压电效应式中，q为电荷[量]；D为压电常数，与材质及切片方向有关；F为作用力。q=DFea：开路电压；q:压电晶片表面上的电荷；Ca为压电晶片的电容。2.测量电路

等效电荷源

Cc:分布电容；Ri:输入电阻；Ra:漏电阻；Ci:输入电容压电式传感器输出电荷q很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：(1)放大微弱的压电信号(2)进行阻抗匹配

电压放大器电荷放大器(1).主要作用放大器的输入电压：系统的输出电压为：

系统的灵敏度为：当电缆长度变化时，Cc变化，ei变化，系统的灵敏度发生变化，此时测试比较困难(2).电压放大器q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

ei=(q+eyCf)/(C+Cf)推导(3).电荷放大器3.压电传感器的应用压力变送器加速度计，力传感器

压电式压力传感

压电式压力传感器特性

阻抗头的结构原理图

阻抗头的安装结构

▲5.7磁敏传感器1.半导体霍尔元件霍尔效应

当半导体中流过一个电流时，若在与该电流垂直的方向上外加一个磁场，则在与电流及磁场分别成直角的方向上会产生一个电压。这种现象也称为霍尔效应

。霍尔效应原理图

半导体霍尔元件的结构

半导体磁敏电阻

半导体磁敏电阻的结构(蛇形元件)利用磁场造成的电流偏转使元件阻抗增加这种特点制成的双端磁敏传感器。磁性体磁敏电阻

利用强磁材料的磁场异向性制成的磁敏元件。磁性体磁敏电阻的结构电磁感应型磁敏传感器原理：范围：法拉第电磁感应定律只能检测交流磁场，不能检测直流磁场

电磁感应型磁敏传感器

2.磁敏传感器的应用

电流计磁感应开关磁敏电位器霍尔电动机纸币及预付卡识别设卡形电流计的结构

霍尔电动机的结构示意图

霍尔电动机等效电路

▲5.8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、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。

1.灵敏度一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。

3响应特性传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。2线性范围任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。4稳定性稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5精确度传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。6测量方式传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。▲应变片受力后，电阻的变化dR

则两边同除以R，同时R=ρL/A，则dL/L=ε——金属导线长度的相对变化，称纵向应变。dρ/ρ——导线电阻率的相对变化。dA/A——导线截面积的相对变化，称为称横向应变。

(2).工作原理对于圆形截面积的导线，若其直径为D，则横向应变dD/D和纵向应变dL/L之比称为泊桑比，即故E为导线材料的弹性模量，λ为压阻系数，与材料有关。则已知当导体材料确定后，μ、λ、E均为常数，则(1+2μ+λE)为常数。灵敏度为：应变片电阻的相对变化率dR/R与应变ε之间是线形关系S由两部分组成：前一部分(1+2μ)单由金属导线的几何尺寸变化引起的；后一部分λE是电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。返回当略去传感器的漏电阻Ra时qt≈ei(Ca+Cc+Ci)当略去电荷放大器的输入电阻Ri的影响时qf≈(ei-ey)Cf

则整个电路中的电荷为：q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

式中，ei