常用传感器和敏感元件-基础知识

常用传感器和敏感元件-基础知识第三章常用的传感器与敏感元件§3.1常用传感器分类§3.2机械式传感器及仪器§3.3电阻、电容与电感式传感器§3.4磁电、压电与电热式传感器§3.5光电式传感器§3.6光纤式传感器§3.7半导体传感器§3.8红外测试系统

§3.10传动器的选用原则§3.9激光测试传感器常用传感器和敏感元件-基础知识§3.1常用传感器的分类一传感器的作用二传感器的分类常用传感器和敏感元件-基础知识（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)。（一）传感器的作用常用传感器和敏感元件-基础知识也可以这样定义

传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。

物理量电量目前,传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲,传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。常用传感器和敏感元件-基础知识传感器在非电量电测系统中的作用:一是敏感作用:感受并拾取被测对象的信号二是变换作用:被测信号转换成易于检测和处理的电信号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）；将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。（2）作用常用传感器和敏感元件-基础知识可转换的信号机械信号电信号辐射信号（光波超声波红外波）流体信号常用传感器和敏感元件-基础知识（3）传感器的性能要求足够的容量匹配性好,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常用传感器和敏感元件-基础知识2.传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量,并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配,以便于后续仪表接入。dV常用传感器和敏感元件-基础知识3.传感器的分类1)按被测物理量分类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，色彩常用传感器和敏感元件-基础知识机械式,电气式,光学式,流体式等.2)按工作的物理基础分类:常用传感器和敏感元件-基础知识能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征: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.常用传感器和敏感元件-基础知识4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: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.常用传感器和敏感元件-基础知识§3.2机械式传感器及仪器一工作原理常用传感器和敏感元件-基础知识

.

几何量机测机械量

变形电量

电测

弹性元件

机械放大

指示传感元件

中间变换记录

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二、常见实例

弹簧秤指针式弹簧秤握力器1）测力计常用传感器和敏感元件-基础知识

·机测法:力经滚珠（保证点接触测力，垂直输入），再经弹簧实现机械衰减,最后经压力表读数

·电测法:在框架弹簧上贴应变片以弹簧应变来折算力的大小

弹簧秤指针式弹簧秤握力器常用传感器和敏感元件-基础知识弹性元件弹性元件弹性元件常用传感器和敏感元件-基础知识弹性元件弹性元件常用传感器和敏感元件-基础知识具有导磁性常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识§3.3电阻式、电容与电感式传感器一电阻式传感器二电阻应变式传感器三电容式传感器常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识（1）工作原理所以R=k1x（2）性能特点*灵敏度为线性P74图3-6电阻分压电路常用传感器和敏感元件-基础知识测量时受环境影响小稳定性好,寿命长操作方便线性度好常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识线性特征常用传感器和敏感元件-基础知识线性特征常用传感器和敏感元件-基础知识上海科技馆的“通过CT了解人体结构”展项中,人体移动的位移测量采用电阻式传感器我们的研究生在现场调试中常用传感器和敏感元件-基础知识变灵敏度=非线性常用传感器和敏感元件-基础知识

分类比较金属式半导体式丝式p74图3-7箔式图3-8S半=（50~70）S金2.电阻应变式传感器结构

常用传感器和敏感元件-基础知识非常非常细,不要误解为很粗常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识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)的变化而发生变化的现象。夸张放大常用传感器和敏感元件-基础知识可以理解为一种电阻式传感器,但长度的变化是因变形所致,所以应变片主要用于测量应变常用传感器和敏感元件-基础知识上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求微分由于金属应变片的电阻R为代入c.灵敏度同除R常用传感器和敏感元件-基础知识有:金属丝：金属丝体积不变:P75式（3-5）常用传感器和敏感元件-基础知识有:对金属材料，导电率不变:金属丝应变片:常用传感器和敏感元件-基础知识金属应变计常用传感器和敏感元件-基础知识（2）半导体应变片a.工作原理可以近似为:优点:灵敏度大;体积小;缺点:温度稳定性和可重复性不如金属应变片。P76式（3-11）对于某些半导体非常大常用传感器和敏感元件-基础知识电阻应变片的选择、粘贴技术

a).目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷,有缺陷的应变片不能粘贴。b).用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.c).试件表面处理:贴片处用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。d).应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水,轻轻涂抹均匀,立即放在应变贴片位置。（3）电阻应变片的选择与使用方法常用传感器和敏感元件-基础知识e).焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。f).用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘阻值,应大于500M欧。g).应变片保护:用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。常用传感器和敏感元件-基础知识（3）电阻应变式传感器的应用实例常用传感器和敏感元件-基础知识案例:桥梁固有频率测量常用传感器和敏感元件-基础知识案例:电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。

常用传感器和敏感元件-基础知识案例:机器人握力测量常用传感器和敏感元件-基础知识案例:振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范,挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识二、电容式传感器

1变换原理:将被测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

变化图形P79图3-12δ、A或ε发生变化时,都会引起电容的变化。常用传感器和敏感元件-基础知识在分母导致非线性线性关系线性关系线性关系2)不同类型的电容传感器常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识（1）极距变化型（3-13）的微分++++++常用传感器和敏感元件-基础知识（2）面积变化型角位移型+++

常用传感器和敏感元件-基础知识平面线位移型常用传感器和敏感元件-基础知识柱面线位移型.常用传感器和敏感元件-基础知识（3）介质变化型常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识电源部分常用传感器和敏感元件-基础知识应用常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识三、电感式传感器常用传感器和敏感元件-基础知识

自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。一、自感式电感传感器的工作原理

（一）变间隙型电感传感器变间隙型电感传感器的结构示意图如图5-1所示。

自感式电感传感器常用传感器和敏感元件-基础知识变间隙式电感传感器常用传感器和敏感元件-基础知识传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下式表示:

式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。(5-1)常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为:

由上式可以看出传感器的电感值随气隙的增大而减小。为了避免非线性，气隙的相对变化量要很小，但过小又将影响测量范围，所以要兼顾考虑两个方面。常用传感器和敏感元件-基础知识（二）变面积型电感传感器由变气隙型电感传感器可知,气隙长度不变,铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化而改变,从而导致线圈的电感量发生变化,这种形式称之为变面积型电感传感器,其结构示意图见下图。常用传感器和敏感元件-基础知识线圈电感量L与气隙厚度是非线性的,但与磁通截面积A却是成正比,是一种线性关系。常用传感器和敏感元件-基础知识（三）螺管型电感式传感器下图为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动,线圈磁力线路径上的磁阻发生变化,线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。

常用传感器和敏感元件-基础知识设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为µm,则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为(5-5)常用传感器和敏感元件-基础知识以上三种形式的电感式传感器有如下特点:●变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难.●变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛.●螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器.常用传感器和敏感元件-基础知识如图所示,一个扁平线圈置于金属导体附近,当线圈中通有交变电流I1时,线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2,电涡流也将产生一个新磁场H2,H2与H1方向相反,因而抵消部分原磁场,使通电线圈的有效阻抗发生变化。(2)涡流式(1)涡流式传感器原理

常用传感器和敏感元件-基础知识二、高频反射式电涡流传感器(测距离）这种传感器的结构很简单,主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部,也可以绕在框架端部的槽内。图5-17为某种型号的高频反射式电涡流传感器。常用传感器和敏感元件-基础知识高频不穿透常用传感器和敏感元件-基础知识三、低频透射式电涡流传感器（测厚度）这种传感器采用低频激励,因而有较大的贯穿深度,适合于测量金属材料的厚度。图为这种传感器的原理图和输出特性。常用传感器和敏感元件-基础知识4)涡流式传感器的应用

涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量,它可实现非线性测量。下图是用涡流式传感器测厚和用涡流式传感器进行零件计数的例子。常用传感器和敏感元件-基础知识常用传感器和敏感元件-基础知识2.互