传感器与机器视觉 课件 三章 压力检测传感器

传感器与机器视觉湖南铁道职业技术学院杨利第三章力传感器3.1概述 3.2电阻应变式传感器 3.3压电式传感器 3.4电感式传感器 3.5电容式传感器 目

录3.1概述 3.2电阻应变式传感器 3.3压电式传感器 3.4电感式传感器 3.5电容式传感器 目

录压强是垂直地作用在单位面积上的力。它的大小由两个因素，即受力面积和垂直作用力的大小决定。其表达式为压强的概念1.力及表示方法

压强的单位是“帕斯卡”，简称“帕”，符号为“Pa”。即1N的力垂直均匀作用在1m2的面积上所形成的压力值为1Pa。1.力及表示方法TIPS:在受力面积S不变的情况下，由于压力F和压强P成正比，因此在测量领域，压力传感器的量程经常用压强大小表示。比如某应变式压力传感器的量程为100Pa。常用单位工程大气压标准大气压约定毫米水柱约定毫米汞柱1.力及表示方法工程大气压

1.力及表示方法标准大气压单位符号为atm，是指在纬度45°的海平面上，0℃时的平均大气压力。1.力及表示方法约定毫米汞柱

1.力及表示方法约定毫米水柱

1.力及表示方法常用压力单位换算1.力及表示方法压力的常用表示方式绝对压力：以绝对真空作为基准所表示的压力。相对压力：以大气压力作为基准所表示的压力，由于大多数测压仪表所测得的压力都是相对压力，故相对压力也称表压力。真空度（负压）：当绝对压力小于大气压力时，可用容器内的绝对压力不足一个标准大气压的数值。绝对压力=大气压力十相对压力相对压力（表压）大气压力线负压绝对压力真空度10绝对压力绝对压力的零线11.力及表示方法电阻应变片式压力传感器电阻丝应变片电子称2.力传感器类型压电式压力传感器压电晶体压电式压力传感器2.力传感器类型电感式和电容式压力传感器电感式压力传感器2.力传感器类型电容式压力传感器2.力传感器类型压力传感器类型原理特点典型应用电阻应变式应变效应性能稳定重力测量压电式压电效应结构简单，但不能测量静态参数机床切削力测量电感式电感值变化测量精度高、稳定气体压力测量电容式电容值变化结构简单、抗干扰能力强液体或气体压力测量3.1概述 3.2电阻应变式传感器

3.3压电式传感器 3.4电感式传感器 3.5电容式传感器 目

录

组成：由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成，敏感栅是实现应变与电阻转换的敏感元件。2341bl栅长栅宽1.应变片结构及分类分类：金属丝式

将金属电阻丝粘贴在绝缘基片上，上面覆盖一层薄膜，使它们变成一个整体。蠕变较大，金属丝易脱胶；便宜；直径0.015~0.05mm。

1.应变片结构及分类分类：金属箔式利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。

散热条件较好；蠕变较小；直径0.001~0.01mm。

1.应变片结构及分类分类：金属薄膜式

采用真空蒸发或真空沉淀等方法在薄的绝缘基片上形成0.1μm以下的金属电阻薄膜的敏感栅,最后再加上保护层。

它的优点是应变灵敏度系数大,允许电流密度大,工作范围广。

1.应变片结构及分类分类：半导体应变片

基于半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。指半导体材料在某一轴向受外力作用时,其电阻率ρ发生变化的现象。体积小、灵敏度高、机械滞后小温度稳定性差、非线性严重

1.应变片结构及分类对比：

半导体应变片的灵敏度特别高，但是对温度敏感.电阻应变片半导体应变片1.应变片结构及分类（1）应变效应我们可以做这样一个较简单的实验：取一根细电阻丝，记下其初始阻值（图中为10.01

）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（增加到为10.05

）。1.应变片传感器原理（1）应变效应

设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为

的金属单丝，它的电阻值R可表示为

当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中

、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如（1）金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；（2）某些半导体受拉时,

将变大，导致R变大。1.应变片传感器原理（1）应变效应电阻丝及应变片的电阻相对变化量

R

R与材料力学中的轴向应变

x的关系在很大范围内是线性的，即K—电阻应变片的灵敏度

x—称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变。

x通常很小，在应变测量中，也常将之称为微应变。

弹性敏感元件电阻应变片F

x测量电桥u或i1.应变片传感器原理（1）应变效应原理：将被测量的变化转换为电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。电阻应变片传感器主要由电阻应变片和应变电桥等组成。弹性体应变电桥应变电桥A/D显示器补偿电路稳压电路指示器+被测力电阻应变传感器结构1.应变片传感器原理1.应变片传感器原理（2）.弹性敏感元件：物体在外力作用下改变原来尺寸或形状的现象称为变形。如果变形后的物体在外力去除后又恢复原来形状的变形称为弹性变形，具有弹性变形特性的物体称为弹性敏感元件。（4）应变电桥——惠斯通电桥电桥平衡：检测电阻的微小变化；电桥平衡条件：Uo=0；I2I11.应变片传感器原理（3）

应变电桥——惠斯特电桥单臂桥：

1.应变片传感器原理（3）应变电桥——惠斯特电桥双臂桥：

1.应变片传感器原理(3)应变电桥——惠斯特电桥全桥：

可见：电压输出是单臂电桥的4倍，比半桥也提高了一倍。环式力传感器1.应变片传感器原理(1)应用：重力测量2.应变片传感器应用(2)应用：筒式应变片压力传感器2.应变片传感器应用(3)应用：应变片测转矩2.应变片传感器应用(4)应用：应变片测液体重量2.应变片传感器应用3.1概述 3.2电阻应变式传感器 3.3压电式传感器

3.4电感式传感器 3.5电容式传感器 目

录

分正压电效应和逆压电效应。

正压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。1.压电效应逆压电效应：当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失；电场方向不同，形变方向不同。1.压电效应一种自发式传感器，以压电效应为基础，在外力的作用下，在电介质的表面产生电荷，实现力与电荷的转换；

测量力、加速度等；但不能用于静态参数的测量；

具有结构简单、质量轻、灵敏度高等特点；2.压电传感器压电晶体：以石英晶体SiO2为代表。特点：天然的单晶体、压电常数稳定、压电常数较小；应用：标准传感器、精密测量；3.压电材料压电晶体：以石英晶体SiO2为代表。石英晶体振荡器（晶振）3.压电材料

压电陶瓷：

人造多晶体

特点：压电灵敏度更高，但机械强度较低；成本低；

居里点：310摄氏度

3.压电材料

压电陶瓷：

人造多晶体

超声波美容仪器用压电陶瓷晶片医用B超换能器用晶片3.压电材料高分子压电材料:柔软，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB3.压电材料高分子压电薄膜制作的压电喇叭

（逆压电效应）

压电喇叭3.压电材料压电式压力传感器

引线壳体基座压电晶片受压膜片导电片p4.应用受压膜片会受到压力F作用，在压电晶片表面产生电荷：其中d为压电常数，S为受力面积。压力传感器的输出电压：C为传感器的电容量。当压电式压力传感器受到压强P时，压电式加速度传感器

4.应用当紧急碰撞时，速度突变，产生大的加速度a由于牛顿惯性定律，质量块受到惯性力F的冲击：由于压电效应，压电元件产生电荷：压电传感器的输出电压：压电式周界报警系统：埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行,对轮式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。4.应用压电式速度传感器

测量速度、重量和车型。4.应用3.1概述 3.2电阻应变式传感器 3.3压电式传感器 3.4电感式传感器 3.5电容式传感器 目

录1.外形非接触式位移传感器测厚传感器电感粗糙度仪接近式传感器2.概述概述：电感式传感器是一种机电转换装置，特别是在自动控制设备中广泛应用。能测量位移、振动、压力、应变、流量、比重等物理量。原理：电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量转换为电感或互感的变化。电感式传感器自感式传感器互感式传感器电涡流式传感器电磁感应被测非电量自感系数L互感系数M测量电路

U、I、f分类原理根据结构型式，分气隙型和螺管型3.优缺点优点：结构简单、可靠，测量力小：衔铁为(0.5～200)×10-4N时，磁吸力为(1~10)×10-4N；分辨力高：机械位移：0.1μm，甚至更小；角位移：0.1角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm。重复性好，线性度优良：在几十μm到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量。4.自感式线圈铁芯衔铁气隙型电感传感器线圈电感：N-线圈匝数如果S保持不变，则L为lδ的单值函数，构成变气隙式自感传感器。若保持lδ不变，使S随被测量（如位移）变化，则构成变截面式自感传感器。R1R2L2L1差动气隙型电感传感器在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁，构成差动式自感传感器4.自感式4.互感式L1R22L21M1M2L22R21R1～～～差动变压器的等效电路普通变压器差动变压器磁路闭合开互感常数随衔铁位移而变123螺管型差动变压器41：初级线圈

——>L12，3：次级线圈

——>L21，L224：衔接

——>M1M2e1/e21=N1/N21;e1/e22=N1/N22;E2=e21-e224.互感式～220V1接头2膜盒3底座4线路板5差动变压器6衔铁7罩壳V振荡器稳压电源差动变压器相敏检波电路1234567这种变送器可分档测量(–5×105～6×105)N/m2压力，输出信号电压为(0～50)mV，精度为1.5级。5.电涡流式原理：交变磁通在包围它的任何闭合导电回路中都将产生感应电流。当导体置于交变磁场或在磁场中运动时，导体上引起感生电流ie，此电流在导体内闭合，称为涡流。涡流的大小影响因素：导体电阻率ρ；磁导率μ；线圈激励电流的频率f

；线圈与被测体之间距离x；5.电涡流式某电感式接近开关的特性参数3.1概述 3.2电阻应变式传感器 3.3压电式传感器 3.4电感式传感器

3.5电容式传感器 目

录1.外形电容差压变送器电容式液位计智能化液位限位传感器2.优缺点工作原理：将被测量转化为电容量的变化实现测量。实质上相当于具有可变参数的电容器。应用范围:

位移、压力、加速度、液位、成份含量等测量。优点:1.温度稳定性好：电容值与电极材料无关，本身发热极小2.结构简单、适应性强：能够承受高压力、高冲击、过载等情况3.动态响应好4.可以实现非接触测量、具有平均效应缺点:1.输出阻抗高、负载能力差：必须采取屏蔽措施。2.寄生电容影响大64

S——极板相对覆盖面积；

δ

——极板间距离；

εr——相对介电常数；

ε0——真空介电常数，；

ε

——电容极板间介质的介电常数。δSε3.工作原理4.分类c)变介电常数型a)极距变化型;+++b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.++++++变极距(δ）型:(a)、(e)变面积型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数(ε

)型:（i）～(l)4.分类5.应用--电容式差压传感器67高压侧进气口低压侧进气口电子线路位置内部不锈钢膜片的位置P2玻璃盘镀金层金属膜片C2电极引线p1C1结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(0～0.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可利用电容差压变送器测量液体的液位

差压变送器施加在高压侧腔体内的压力与液位成正比：

p=

gh5.应用--电容式差压传感器5.应用--电容式加速度传感器231B面A面546C1C21、5－固定极板2－壳体3－簧片4－质量块6－绝缘体硅微加工加速度传感器微加工三轴加速度传感器5.应用--指纹识别

指纹识别目前最常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。它的优点是体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。5.应用--指纹识别

指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。5.应用--电容屏（自电容式）原理：每一个通道都是感应通道，感应通道跟地之间会形成寄生电容Cp，当人手触摸时，人手和地、感应通道也形成电容Cfinger，控制IC通过检测电容的增加判断是否有触摸。5.应用--电容屏（自电容式）原理：把感应通道做成三角形，多个三角形