第三章常用传感器课件-002

第三章常用传感器定义：传感器是指感受规定的被测量，并按一定方式将其转换成同种或别种量值输出的器件。传感器是人类感官的延伸。

传感器是测量仪器与被测事物之间的接口。

传感器处于测试装置的输入端，其性能直接影响

整个测试系统的工作质量。第一节常用传感器的分类第二节机械式传感器常以弹性体作为敏感元件进行变换和测量的传感器。输入量可以为力、压力、温度、位移、速度等，输出量则为弹性体本身的弹性变形，这种变形常转变成其他形式的变量。常用的弹性元件有弹性梁、柱及筒、模片、模盒、弹簧管、波纹管等。机械式传感器的优缺点：1）结构简单、可靠、使用方便、价格低、读数直观等。2）弹性变形不宜大，以减小线性误差。3）易受间隙影响，且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。4）弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象，影响输入输出线性关系。第三节电阻、电容与电感式传感器一.电阻式传感器把被测量转换为电阻变化的一种传感器。按工作原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式。1.变阻式传感器（电位计式传感器）通过改变电位器触头的位置，实现将位移转换为电阻R的变化，其表达式为：如果电阻丝的直径和材质一定，则电阻值随导线长度变化。常用的变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。a).直线位移型变阻器式传感器若触头B移动x，则A、B间电阻值为:R=k1x传感器灵敏度为:S=dR/dx=k1

k1－单位长度电阻值当导线分布均匀时，k1为常数，传感器输出R与输入x成线性关系。

2).角位移型变阻器式传感器

其阻值随电刷转角而变化，灵敏度S=Kα（α为电刷转角；kα为单位弧度对应的电阻值）。3).非线性变阻器式传感器（函数电位器）其骨架形状根据所要求的输出f(x)决定。例如：输出f(x)=kx2变阻器骨架应作成直角三角形。AxB变阻器式传感器的后接电路采用分压电路，如图3-6，传感器的输出电压由下式计算：uexpxu0RL图3－6电阻分压电路Rp上式表明：只有当Rp/RL趋于零，

输出电压u0才与位移成线性关系。变阻器式传感器特点：结构简单，性能稳定，使用方便。但由于受到电阻丝直径的限制，分辨力很难小于20μm，噪音较大，电刷与电阻元件之间接触面易磨损。uexpxu0RL图3－6电阻分压电路Rp案例：重量的自动检测--配料设备

比较重量设定原材料原理：弹簧->力->位移

->电位器->电阻案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理：电机->转角

->电位器

->电阻2.电阻应变式传感器电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。应变片用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数，具有体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便等优点，在航空、船舶、机械、建筑等行业应用广泛。可分为金属电阻应变片与半导体应变片。（1）金属电阻应变片（丝式、箔式）

将应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面，在外力作用下，电阻丝随同物体一起变形，其电阻值发生相应的变化，由此将被测量的变化转化为电阻变化。箔式应变片电阻丝的长度l、截面积A、电阻率ρ与电阻值的关系为：阻值增量为：电阻相对变化式中：电阻丝半径为r计dl/l＝ε表示电阻丝轴向相对变形，或称为纵向变形。dr/r电阻丝径向相对变形，或称横向应变。ldr

当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小，两者之间的关系为：电阻丝材料的泊松比

电阻丝电阻率相对变化dρ/ρ与电阻丝轴向所受正应力σ关系为：材料弹性模量；压阻系数是由电阻丝的电阻率随应变的改变引起的。由电阻丝几何尺寸改变引起的，对于同一种材料，是常数。简化为：表明电阻相对变化率与应变成正比。灵敏度：一般电阻应变片的标准阻值有60、120、350、600和1000Ω。(2)半导体应变片工作原理：基于半导体材料的压阻效应。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ρ发生变化的现象。金属丝电阻应变片利用导体变形引起电阻变化；半导体应变片利用半导体电阻率变化引起电阻变化。半导体应变片最突出的优点是：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小及本身体积小。其缺点：温度稳定性差，灵敏度离散性大，以及在较大应变作用下，非线性误差大等。（3）电阻应变片的典型应用案例1：桥梁固有频率测量a.直接用来测定结构的应变或应力为了研究机械结构、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用不同形状的应变片，粘贴在构件的预定部位，测得构件的拉压应力、扭矩及弯矩等。b.将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。例如：悬臂梁式加速度传感器由悬臂量、质量块、基座组成。测量时，基座固定在振动体上，悬臂梁相当于系统的”弹簧”。工作时，梁的应变与质量块相对于基座的位移成正比，贴在梁上的应变片把应变转换为电阻的变化，再通过电桥转换为电压输出。注意：电阻应变片测出的是构件或弹性元件上某处的应变，不是该处的应力、力或位移，只有通过换算才能得到相应的力。粘合剂和粘合技术对测量结果的影响。用于动态测量时，应考虑应变片本身的动态响应特性.温度所引起的电阻值变化与应变引起阻值变化具有同等数量级。3固态压阻式传感器（扩散型半导体应变片）该传感器中的敏感元件是在半导体材料的基体上用集成电路工艺制成的扩散电阻。主要用于测量力和加速度。

测量力时，有效面积可做得极小(零点几毫米)，频响高，可测量几十千赫的脉动压力。测量加速度时，可测量低频和直线加速度。

注意：压阻式传感器的温度误差较大，需采取温度补偿措施。

4.动态电阻应变仪二、电容式传感器1.变换原理电容式传感器是将被测量的变化转化为电容量变化的装置。两个平行极板组成的电容器的电容量C（F）：+++A当被测量使δ、ε、A发生变化时，都会引起电容C的变化。根据引起电容变化的参数不同，电容器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型。（a）极距变化型+++++++++A当电容器两极板相互覆盖面积A和极间介质ε不变，则电容C与极距δ成非线性关系。当极距有一微小变化量dδ时，引起的电容变化量dC为传感器的灵敏度为：灵敏度S与极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高。极距变化型电容传感器特点：可进行动态非接触式测量，适宜于较小位移(0.01μm～数百微米)的测量。（b）面积变化型覆盖面积电容量灵敏度角位移型线位移型角位移型平面线位移型电容量灵敏度柱面体线位移型.电容量灵敏度面积变化型电容传感器的特点：输入输出成线性关系，但与极距变化型传感器型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。(c)介质变化型可用来测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度。2测量电路电容传感器将被测量转换为电容量的变化后，由后续电路转换为电压、电流或频率信号。常用的电路有：

（1）电桥型电路将电容传感器作为桥路的一部分，由电容变化转换为电桥的电压输出。如下图是一种电感、电容组成的桥路。放大相敏解调滤波L1L2C1C2（2）直流极化电路（静压电容传感器电路）多用于电容传声器或压电传感器。如图3－16弹簧模片在外力（气压、液压）作用下发生位移，使电容量发生变化。电容器接于具有直流极化电压E0的电路中，电容的变化由高阻值电阻R转换的电压变化，由图可知，电压输出为：可知，输出电压与膜片位移速度成正比，因此这种传感器可以测量气流（或液流）的振动速度，进而得到压力。ug3电容集成压力传感器运用集成电路工艺可以把电容敏感元件与测量电路制作在一起，构成电容集成压力传感器，其核心部件为一个对压力敏感的电容器。振荡电路被测物体感应电极被测电容三、电感式传感器把被测量，如力、位移等转换为电感量变化的一种装置。变换原理基于电磁感应原理。按照变换方式的不同，可分为自感型（可变磁阻式和涡流式）与互感型（差动变压器）。

1.自感型

可变磁阻式

结构组成：铁心2、线圈1、衔铁3

由电工学知，线圈自感为：线圈匝数磁路总磁阻如果空气气隙较小，而且不考虑磁路损失时，则总磁阻因为铁心磁阻与空气气隙的磁阻相比很小，可以忽略，故线圈自感L为上式表明：自感L与气隙δ成反比，而与气隙导磁截面积A0成正比。当固定A0，变化δ时，L与δ呈非线性关系。空气气隙的磁阻铁心磁阻传感器的灵敏度为：灵敏度S与气隙长度δ的平方成反比，δ愈小，灵敏度愈高。由于S不是常数，会出现非线性误差，取Δδ/δ0≤0.1。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001~1mm。涡流式利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应，如图3－24分析表明：影响高频线圈阻抗Z的因素，除了线圈与金属板间的距离δ以外，还有金属板的电阻率ρ，磁导率μ以及线圈激磁圆频率ω等。例：变化δ，可作位移、振动测量；变化ρ和μ，可作材质鉴别或探伤。涡流传感器的测量电路一般有：阻抗分压式调幅电路及调频电路。传感器线圈L与电容C组成并联谐振回路，谐振频率f为：涡流传感器可用于动态非接触测量，测量范围视传感器结构尺寸、线圈匝数和励磁频率而定。一般±（1~10）mm不等，最高分辨率可达0.1μm。具有使用方便，不受油污等介质影响等优点，涡流式位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测、探伤仪等。原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。油管检测下图给出了涡流传感器的工程应用实例2.互感型－－差动变压器式电感传感器利用了电磁感应中的互感现象。感应电动势e1大小与电流i1变化率成正比，即式中M称为互感（H），其大小与线圈相对位置及周围介质的导磁能力等因素有关，表明两线圈之间的耦合程度互感型传感器将被测位移量转换成线圈互感的变化，其实质是一变压器。由于其二次侧线圈组成差动式，故称为差动变压器式传感器。 当一次侧线圈w加上交流电压时，二次侧线圈w1及w2分别产生感应电势e1和e2，其大小与铁心位置有关。当铁心在中心位置时，e1=e2，输出电压e0=0；铁心向上运动时，e1>e2；向下运动时，e1<e2；随着铁心偏离中心位置，e0逐渐增大，其输出特性如图(c)差动变压器式传感器的后接电路形式，需要采用既能反映铁心位移方向性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。如下图，在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。差动变压器式传感器具有精确度高（最高分辨力可达0.1μm），线性范围大（可扩展到±100mm），稳