第三章 常用传感器与敏感元件

第三章常用传感器与敏感元件第一页，共81页。第三章常用传感器3.1概述3.2机械传感器3.3电阻传感器

3.4电容传感器3.5电感传感器3.6磁电传感器3.7压电传感器3.8磁敏传感器3.9传感器选用原则第二页，共81页。3.1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第三页，共81页。2.传感器的分类(1)按被测物理量分类

位移传感器,力传感器,温度传感器等.(2)按传感器的工作原理分类

机械式,电气式,光学式,流体式等.(3)按敏感元件与被测对象之间的能量关系能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.

例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.

例如:电阻应变片.第四页，共81页。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)按信号变换特征分类物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.3.传感器的性能要求第五页，共81页。▲

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，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，色彩第六页，共81页。机械式传感器一类传感器的统称，指只含有机械的转换方式。把机械量转换为另一种机械量的传感器。（常常以弹性体作为传感器的敏感元件）优点：结构简单，使用方便，价格低廉。缺点：固有频率低，可测频带窄，适用于测量缓慢变化或者静态被测量。（为了提高频带，常与其它形式的传感器联合运用）3.2机械式传感器第七页，共81页。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:

♠变阻器式♠电阻应变式

♠热敏式

♠光敏式

♠湿敏式

3.3电阻式传感器第八页，共81页。R—总电阻;Rx—电刷电阻;1.变阻器式传感器第九页，共81页。2.应变式电阻传感器丝式应变片箔式应变片

半导体应变片金属应变片丝式、箔式半导体应变片第十页，共81页。比例关系

应变片受力

应变

比例关系

应变片电阻的变化

(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。第十一页，共81页。(2)工作原理式中，r—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。第十二页，共81页。应变片受力后，电阻的变化dR

则两边同除以R，同时R=rl/A，则dl/l=e

——金属导线长度的相对变化，称纵向应变。

dr/r——导线电阻率的相对变化。

dA/A——导线截面积的相对变化，称为横向应变。

第十三页，共81页。对于圆形截面积的导线，若半径为r，则横向应变dr/r和纵向应变dl/l之比称为泊松比，即故

第十四页，共81页。E为导线材料的弹性模量，l为压阻系数，与材料有关。则已知当导体材料确定后，m、l、E均为常数，则(1+2m+lE)为常数。灵敏度为：应变片电阻的相对变化率dR/R与应变e之间是线形关系第十五页，共81页。S由两部分组成：

前一部分(1+2m)单由金属导线的几何尺寸变化引起的；后一部分lE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。

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第十六页，共81页。<1>金属应变片（不变）金属应变计<2>

半导体应变片（变化）半导体应变计第十七页，共81页。(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）。第十八页，共81页。(4)金属应变计金属应变计有:

1、丝式

2、箔式

优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.第十九页，共81页。体型薄膜型扩散型(5)半导体应变计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。第二十页，共81页。立柱应力

桥梁应力

德国HBM电阻应变式传感器

(6).应变式电阻传感器的应用第二十一页，共81页。压力传感器

质量传感器

位移传感器

加速度计

第二十二页，共81页。压力传感器

扭矩传感器

第二十三页，共81页。案例：冲床生产记数和生产过程监测第二十四页，共81页。温度(热量)的变化电阻的变化温度检测:-200℃～+500℃3.其他电阻传感器(1).热电阻传感器

利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。第二十五页，共81页。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(2).热敏电阻传感器非线性元件:它的温度-电阻关系是指数关系

温度为-50℃～＋350℃第二十六页，共81页。▲

(3)光敏电阻传感器

(4)湿敏电阻传感器

第二十七页，共81页。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:当被测量d、A或

e

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。+++

A

3.4电容式传感器第二十八页，共81页。2.分类

c)介质变化型a)极距变化型+++

b)面积变化型:平面线位移型,角位移型,柱面线位移型第二十九页，共81页。3.灵敏度

a)极距变化型传感器的灵敏度近似为：平板电容器第三十页，共81页。一般取极距变化范围为极距减小当极距增加第三十一页，共81页。变极距型电容传感器（差动结构）实际应用中，常把电容传感器作成差动结构，如图所示。则上半部间隙变为下半部间隙变为

相应地电容变化为

总的电容变化量差动结构的电容传感器灵敏度提高一倍，而非线性度显著降低。第三十二页，共81页。振动测量

旋转轴的偏心量的测量

变极距型电容传感器的应用第三十三页，共81页。第三十四页，共81页。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第三十五页，共81页。电容量当覆盖长度变化时，电容量发生变化，其灵敏度常数圆柱体线位移型第三十六页，共81页。介质常数变化型电容式传感器c)介质变化型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。第三十七页，共81页。变介电常数型电容传感器（电容式液位计）电容器总电容等于气体介质中的电容与液体介质中的电容之和。其灵敏度第三十八页，共81页。电感式传感器自感型

可变磁阻型

涡流式互感型3.5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变化的一种装置。分类:第三十九页，共81页。1.可变磁阻式(自感型)原理:电磁感应W：线圈匝数；

l：软铁长度；m：软铁磁导率；m0：空气磁导率A：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.衔铁第四十页，共81页。(1).间隙变化型间隙变化型可变磁阻式传感器结构

当m0

、A0固定不变，改变d时，L与d呈非线形（双曲线）关系.

L与d的双曲线关系

传感器灵敏度：第四十一页，共81页。测量范围允许在0.001mm~1mm之间。lδ衔铁Δδ第四章常用传感器第四十二页，共81页。差动式电感传感器图4-12变气隙差动式电感传感器第四章常用传感器第四十三页，共81页。(2).面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构

当m0

、d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=常数第四十四页，共81页。(3).螺线管型

当其它参数不变，仅改变l，使Rm变化，从而产生电感的变化。

第四十五页，共81页。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r、磁导率m、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）低频透射式2.涡流式电感传感器第四十六页，共81页。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第四十七页，共81页。(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第四十八页，共81页。3.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第四十九页，共81页。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:转速的测量第五十页，共81页。案例：测厚案例：零件计数第五十一页，共81页。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第五十二页，共81页。3.变压器式--差动变压器工作原理：互感现象.第五十三页，共81页。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

~第五十四页，共81页。3.6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。

第五十五页，共81页。2.分类

磁电式

动圈式

磁阻式

线速度型角速度型

N

第五十六页，共81页。3.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；q:线圈运动方向与磁场方向的夹角；k:传感器的结构系数；w:角速度。第五十七页，共81页。4.磁阻式传感器

第五十八页，共81页。5.磁电传感器的应用

测速电机

磁电式测速传感器

第五十九页，共81页。测频数测转速偏心测量振动测量▲

第六十页，共81页。3.7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。第六十一页，共81页。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=DF晶片电荷极性与受力方向关系第六十二页，共81页。ea：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:输入电容第六十三页，共81页。压电式传感器突出的特点是固有频率高，可测频带宽，此外，还具有体积小、重量轻、精确度与灵敏度高等优点。在测量加速度和动态力等方面得到了广泛地应用。在用作加速度和力传感器时，可测频率范围从0.1Hz～20kHz，可测振动加速度值达（10-2～105）ms-2。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：放大微弱的压电信号电压放大器电荷放大器(1).主要作用第六十四页，共81页。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).电压放大器第六十五页，共81页。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为放大器的输入端电压；ey为放大器输出端电压；Cf为电荷放大器的反馈电容。(3).电荷放大器第六十六页，共81页。ey=-Kei

其中，K为放大器的开环放大倍数q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

所以开环增益K足够大系统的灵敏度为：在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关；系统输出灵敏度取决于反馈电容，所以可以通过调节反馈电容ei=(q+eyCf)/(C+Cf)返回第六十七页，共81页。3.压电传感器的应用压力变送器加速度计，力传感器

第六十八页，共81页。压电式压力传感

压电式压力传感器特性

第六十九页，共81页。阻抗头的结构原理图

阻抗头的安装结构

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第七十页，共81页。3.8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

第七十一页，共81页。半导体霍尔元件的结构

第七十二页，共81页。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。第七十三页，共81页。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。