第四章 常用传感器技术

第4章常用传感器技术

本章学习要求，了解电阻应变式传感器、电感式、电容式、压电式、磁电式、热电式和超声波传感器的基本原理和主要技术特性。4.1电阻应变式传感器4.1.1电阻应变式传感器概述一、电阻应变式传感器可用来测量哪些参数？力、力矩、位移、加速度等4.1.1

电阻应变式传感器概述二、电阻应变测试技术有何独特的优点？1.结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；2.易于实现测试过程自动化，多点同步测量及远距离测量；3.灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；三、电阻应变式传感器的构成弹性敏感元件+电阻应变片四、基本原理被测量的变化→电阻应变片阻值变化→电信号输出4.1.2

电阻应变片一、材料的应变效应含义：导体材料在外力的作用下发生机械变形，其电阻值也相应地发生变化原阻值一、材料的应变效应金属材料的应变电阻效应半导体材料的应变电阻效应两种材料应变效应的异同：相同点：其l、A和ρ在外力作用下均发生变化不同点：金属材料的应变效应主要体现在几何尺寸变化所致；而半导体材料则体现在电阻率变化带来的应变效应4.1.2

电阻应变片4.1.2电阻应变片二、电阻应变片的结构4.1.2电阻应变片三、应变片的种类、材料及参数4.1.2电阻应变片三、应变片的种类、材料及参数4.1.2电阻应变片三、应变片的种类、材料及参数金属薄膜应变片半导体应变片基于压阻效应即半导体材料的电阻率随作用力变化而变化的效应。4.1.2电阻应变片四、电阻应变片的主要特性静态特性（1）灵敏系数（K）由得灵敏系数其中，为应变片轴向应变4.1.2电阻应变片四、电阻应变片的主要特性静态特性（2）机械滞后（Zj)4.1.2电阻应变片四、电阻应变片的主要特性静态特性（3）蠕变和零漂（4）应变极限4.1.2电阻应变片四、电阻应变片的主要特性动态特性（1）对正弦应变波的响应4.1.2电阻应变片四、电阻应变片的主要特性动态特性（2）对阶跃应变波的响应（3）疲劳寿命4.2电感式传感器4.2.1电感式传感器概述一、电感式传感器是怎样的一种传感器？如何分类？利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感量L或互感量M的变化，再由测量电路转换为电量输出的传感器。分类：按工作原理分，可分为变磁阻式、变压器式和电涡流式传感器4.2.1电感式传感器概述二、电感式传感器有何优缺点？优点:工作可靠，寿命长；灵敏度高，分辨率高；测量精度高，线性好；性能稳定，重复性好。缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约，存在交流零位信号，传感器自身频率响应低，不适用于高频动态测量。三、主要应用位移测量及可转换为位移变化的机械量测量4.2.2变磁阻式传感器一、工作原理（4-2）（4-1）4.2.2变磁阻式传感器一、工作原理（4-3）4.2.2变磁阻式传感器一、工作原理（4-3）（4-4）（4-5）4.2.2变磁阻式传感器二、输出特性4.2.2变磁阻式传感器二、输出特性4.2.2变磁阻式传感器三、应用4.2.2变磁阻式传感器三、应用4.2.3差动变压器式传感器一、工作原理螺线管式差动变压器结构线圈排列方式4.2.3差动变压器式传感器一、工作原理4.2.3差动变压器式传感器二、基本特性次级开路时：4.2.3差动变压器式传感器二、基本特性输出电压有效值：分析：3.活动衔铁处于向下移动时，4.3电容式传感器4.3.1概述一、电容式传感器是怎样的一种传感器？如何分类？将被测量如尺寸、位移、压力等非电量的变化转换成电容量的变化，再由测量电路转换为电量输出的传感器。分类：按工作原理分，可分为变极距式（变间隙型）、变面积式和变介质式传感器4.3.1概述二、电容式传感器有何优点？优点:

结构简单，体积小，分辨率高；可实现非接触测量；动态响应好；温度稳定性好；能在高温辐射和强振动等恶劣环境下工作。缺点：电容量小；功率小，输出阻抗高，负载能力差。三、主要应用位移、振动、角度、加速度以及压力、液面、成分含量等4.3.1概述四、基本原理4.3.2电容式传感器工作原理和结构一、变极距型电容传感器1.基本原理2.

测量范围

25～200μm，广泛应用于微位移测量中4.3.2电容式传感器工作原理和结构二、变面积型电容传感器1.直线位移电容式传感器基本原理4.3.2电容式传感器工作原理和结构二、变面积型电容传感器2.角位移电容式传感器基本原理4.3.2电容式传感器工作原理和结构三、变介质型电容传感器1.无介质插入时初始电容2.有介质插入时4.3.2电容式传感器工作原理和结构三、变介质型电容传感器3.电容式液位检测器原理

电容量大小计算：4.3.3电容式传感器的灵敏度及非线性灵敏度及非线性度表达式（变极距型电容传感器）灵敏度：非线性度：4.3.3电容式传感器的灵敏度及非线性灵敏度及非线性度表达式（变极距型电容传感器）存在的问题：

灵敏度的提高与非线性度的减小不可兼得

解决问题：采用差动平板电容传感器差动平板电容传感器的优势：

1.提高灵敏度两倍

2.大大降低了非线性度4.4压电式传感器4.4.1压电式传感器工作原理一、压电式传感器是怎样的一种传感器？利用某些电介质（如石英晶体、压电陶瓷、高分子材料）的压电效应工作。4.4.1压电式传感器工作原理二、何为压电效应4.4.1压电式传感器工作原理三、压电材料分类：压电晶体（单晶）压电陶瓷（多晶半导瓷）新型压电材料（包括压电半导体及有机高分子压电材料）主要特性参数压电常数、弹性常数、介电常数、机械耦合系数、电阻、居里点4.4.1压电式传感器工作原理三、压电材料1.压电晶体4.4.1压电式传感器工作原理三、压电材料1.压电晶体4.4.1压电式传感器工作原理三、压电材料1.压电晶体压电效应机理4.4.1压电式传感器工作原理三、压电材料2.压电陶瓷压电陶瓷的极化4.4.2压电式传感器结构及特点一、基本结构超声波美容仪器用压电陶瓷晶片4.4.2压电式传感器结构及特点二、应用特点1.灵敏度及分辨率高；2.线性范围大；3.结构简单、牢固，可靠性好，寿命长；4.体积小，重量轻，刚度、强度承载能力大；5.动态响应频带宽，动态响应好；6.易于量产化，使用方便；7.适用于近测、遥测。4.5磁电式传感器4.5.1概述一、磁电式传感器是怎样的一种传感器？通过磁电作用将被测量转换成感应电动势的传感器。4.5.1概述二、特点及用途优点：不需要外部电源电路简单，性能稳定，输出阻抗小具有较宽的频率范围:10~1000Hz缺点：体积与重量较大用途：用于测量振动、转速、扭矩等4.5.1概述三、分类磁电感应式传感器恒定磁通式，又称动圈式传感器变磁通式，又称磁阻式传感器霍尔式传感器4.5.2磁电感应式传感器一、工作原理1.电势的表达式4.5.2磁电感应式传感器一、工作原理2.变磁通式磁电传感器结构4.5.2磁电感应式传感器一、工作原理3.恒磁通式磁电传感器结构4.5.2磁电感应式传感器二、基本特性1.测量电路与参数4.5.2磁电感应式传感器二、基本特性2.测量误差（1）非线性误差传感器线圈运动速度增大时，产生较大的感应电动势和感应电流，由此产生的附加磁场方向与工作磁场方向相反，减弱了工作磁场的作用，使传感器的灵敏度随着被测速度的增大而降低。（2）温度误差4.5.3霍尔式传感器一、霍尔效应4.5.3霍尔式传感器二、霍尔元件基本结构4.5.3霍尔式传感器三、霍尔元件基本特性1.激励电流2.输入电阻及输出电阻3.不等位电势和不等位电阻4.寄生直流电势5.霍尔电势温度系数不等位电阻：4.6热电式传感器4.6.1课题导入一、热电式传感器概述二、热电偶的特点及应用4.6.2热电偶一、基本原理二、类型及结构4.6.3热电阻一、金属热电阻二、半导体热敏电阻4.6.1课题导入一、热电式传感器概述概念利用敏感元件的电磁参数随温度变化而变化的特性来测量温度的装置。分类热电偶温度传感器电阻式温度传感器：金属热电式传感器（热电阻）、半导体式传感器（热敏电阻）4.6.1课题导入二、热电偶的特点及应用特点性能稳定、结构简单、制造方便测温范围宽热惯性小、准确度高输出信号便于远距离传输应用工业、科研领域4.6.2热电偶一、基本原理热电效应发现者：德国物理学家（T.J.Seebeck）内容：将两种不同性质的导体组成闭合回路，若两个连接处的温度不同，两导体之间将产生一个电势，回路中将形成一定大小的电流。4.6.2热电偶一、基本原理热电效应接触电势温差电势4.6.2热电偶一、基本原理热电效应接触电势温差电势4.6.2热电偶一、基本原理热电偶基本定律中间导体定律当三个结点温度均为T0时：当A、B结点温度为T，其余结点温度为T0时：4.6.2热电偶一、基本原理热电偶基本定律连接导体定律与中间温度定律4.6.2热电偶一、基本原理热电偶基本定律标准电极定律EAB（T,T0）＝EAC（T,T0）－EBC（T,T0）4.6.2热电偶二、类型与结构类型标准热电偶非标准热电偶结构普通热电偶铠装热电偶4.6.3热电阻一、金属热电阻热电阻测温原理热电阻材料的特点利用导体的阻值随温度的变化而变化进行测温。热电阻公式：4.6.3热电阻二、半导体热敏电阻PTC热敏电阻NTC热敏电阻CTR热敏电阻有机高分子PTC热敏电阻71热敏电阻外形

MF12型NTC热敏电阻聚脂塑料封装热敏电阻玻璃封装NTC热敏电阻MF58型热敏电阻4.7超声波传感器1.超声波及其物理性质2.超声波换能器及耦合技术3.超声波检测技术的应用

4.7.1超声波及其物理性质一、声波、超声波及应用声波频率可闻声波：20~20kHz次声波：低于20Hz超声波：高于20kHz超声波的物理特性穿透能力强反射、折射、波形变换超声波的应用测距、测厚、测流量、无损探伤、超声成像等4.7.1超声波及其物理性质二、超声波的波型、声速、波长、指向性1.波型由于声源在介质中施力方向与波在介质中传播方向的不同，超声波的波型也不同，通常有三种形式：

①纵波。质点振动方向与传播方向一致的波为纵波。它能在固体、液体或气体中传播。②横波。质点振动方向垂直于传播方向的波称为横波，它只能在固体中传播。4.7.1超声波及其物理性质

③表面波。质点振动介于纵波和横波之间，如图所示。沿着固体表面传播，振幅随深度增加而迅速衰减，实际上在距表面一个波长以上的地方，振动己近消失。工业应用中主要采用纵波。4.7.1超声波及其物理性质二、超声波的波型、声速、波长、指向性2.声速

超声波的传播速度与介质的密度和弹性特性有关。介质的弹性性能越好，密度越小，则介质的声速越大。由于液体和气体的剪切弹性模量几乎为零，所以超声波在液体和气体中没有横波。气体中的声速为344m/s、液体中声速在900~1900m/s；在固体中纵波、横波、表面波三者的声速有一定的关系，通常可认为横波声速为纵波的一半，表面波约为横波声速的90%。在钢材中（纵波）声速约5000m/s。4.7.1超声波及其物理性质

对于液体介质，只能传播纵波，以vL表示纵波声速,E表示介质的体积弹性模量，表示介质的密度，则对于无限固态介质，可以传播纵波和横波4.7.1超声波及其物理性质对于表面波，声速uＲ近似为

4.7.1超声波及其物理性质4.7.1超声波及其物理性质二、超声波的波型、声速、波长、指向性