测控技术与仪器专业导论第三章传感器

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1、第3章 测控系统中的常用传感器,3.1.1传感器（Transducer/Sensor)的定义 我国国家标准（GB7665-87）中对传感器的定义是：“能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。这一定义包含了以下几方面的意思： 1、传感器是测量装置，能完成检测任务。 2、它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。 3、它的输出量是某种物理量，要便于传输、转换、处理，主要是电、气、光。 4、输入输出有对应关系，且能保证一定的精度。,敏感元件：它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件：把敏感元件的输出转换成电路参量。

2、转换电路：将上述电路参量转换成电量输出。 有些传感器的敏感元件和转换元件合二为一，有些传感器则将上述三个环节合为一体。,3.1.2传感器的组成 传感器一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成。,如图是一种气体压力传感器的示意图。 膜盒是敏感元件，其外部通大气压力pa，内部感受被测压力p，当p 变化时引起膜盒上半部移动，即输出相应的位移量。转换元件是可变电感线圈3，它把位移量转换成电感量的变化，接入转换电路便可转换成电量输出。,膜盒2的下部与壳体1固接，上部通过连杆与磁芯4相连，磁芯4置于两个电感线圈3中，后者接入转换电路5。,3.1.3传感器的分类 由于被测量内容广泛、传感器的工作原理各不

3、相同，有不同角度的分类法。 .按被测量分类：位移、压力、流量、温度、速度等。 .按工作原理分类：热电式、电感式、电容式、光电式、压电式、应变式等。 .按敏感机理分类：结构型（敏感元件的结构在被测量作用下发生形变）；物性型（敏感元件的固有性质在被测量作用下发生变化） 。 .按能量关系分类：能量控制型（传感器输出能量由外源供给，但受被测量控制）；能量转换型（不需外源）。 .按输出信号分类：模拟式、数字式。,3.1.4传感器的一般指标 各种传感器的使用环境、条件、目的不同，但基本要求却是共同的。传感器的一般指标包括： （1）精度 （2）线性度 （3）灵敏度 （4）稳定性 （5）反应速度 （6）抗干扰

4、能力 （7）可靠性,3.1.5传感器的选用原则 如何根据具体的测量目的、测量对象以及测量环境合理地选用传感器，是在进行某个量的测量时首先要解决的问题。选用传感器时要考虑： （1）传感器的类型 （2）量程范围 （3）精度 （4）灵敏度 （5）反应时间 （6）稳定性,3.2 常见传感器的转换原理,传感器种类繁多，传感器技术融合了多学科的知识。在此按工作原理来简单介绍工业中常用传感器的转换原理。,3.2.1电阻式传感器 电阻式传感器通过形变把被测量的变化转换为电阻值的变化。电阻传感器常用于测量物体的位移、受力、机械变形等参数。 1.滑线式变阻器 滑线式变阻器又称电位器。这种传感器可以用来测量线性位移

5、，在输入量变化时，其输出电阻可以在很大的区间内变化，属于大电阻变化式传感器。,2.电阻应变式传感器 电阻应变式传感器属于微电阻变化式传感器。就是将弹性金属材料做成应变片，当其受力而产生变形时电阻值发生变化，通过电路测出其电阻值变化，从而可以测量力、压力、扭矩、位移、加速度等多种物理量。 金属应变片有金属丝和或金属箔两类。,R=L/S,金属电阻应变原理： 当金属应变片产生纵向拉伸变形时，L变大、S变小，其阻值增加；当应变片产生纵向压缩变形时，S 变大、 L变小，其阻值减小。,金属应变片的应用 金属应变片使用时要紧贴在应变物上，如贴在梁上测其受力。,案例：桥梁固有频率测量,应变片1、2、3、4、5

6、、6、7,案例：电子秤 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。,案例：冲床生产记数和生产过程监测,若没有应变物，则要专门制作，如测气体的压力要借助于应变筒。,应变片r1轴向贴压缩阻值变小,应变片r2径向贴拉伸阻值变大,1-应变筒 2-外壳,3-膜片 P-被测压力,应变片电阻的变化可用电桥测出。 r1和r2的变化，使桥路失去平衡，有不平衡电压U输出。,3.2.2电容式传感器 电容式传感器是将被测量（如位移、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。其本质就是一个可变电容器。 平行板电容器的电容为：,-极板间距离 A-极板遮盖面积 -电介质介电常数,3.2.2电容式传

7、感器 电容式传感器是将被测量（如位移、压力等）的变化转换成电容变化量的一种传感器。其本质就是一个可变电容器。 平行板电容器的电容为：,-极板间距离 A-极板遮盖面积 -电介质介电常数,电容式传感器可以用于测量部件的位移、振动、厚度等机械量，以及测量压力、荷重、液位；还可根据电容极板间介质的介电常数随温度、湿度改变而改变来测量温度、湿度；甚至还可以转换声音、辨别指纹。 1.电容式位移传感器,2）直线位移传感器,1）角位移传感器,通过改变电容极板的遮盖面积从而改变电容量，又称面积型传感器。,通过改变电容极板的遮盖面积从而改变电容量，又称面积型传感器。,3）测厚传感器 极板间介质板的厚度变化也可以改

8、变电容极板间的介电常数从而改变电容量。如图所示，轧制金属板时，让板材通过电容式测厚仪的传感电容的两极板之间，监测电容的变化，就可以实现板材厚度的在线监测。,2.电容式压力传感器 电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可以测量压力、压差、荷重等参数。如： 1）压力传感器 改变不同参数，可做成不同类型的电容式传感器。如改变极板间距离()的极距型传感器：,2.电容式压力传感器 电容式压力传感器属于极距变化型电容式传感器，可以测量压力、压差、荷重等参数。如： 1）压力传感器 改变不同参数，可做成不同类型的电容式传感器。如改变极板间距离()的极距型传感器：,2）荷重传感器 单电容式压力传感电容可以

9、用于重负载的称重，如地磅秤。荷重传感电容由受力弹簧（可动电极）与固定电极构成，等距离分布在称重台内，如图所示。受力弹簧在重力F的作用下变形，使传感电容极板间距离d发生变化，引起电容C的变化，就可以知道F的值。,3）差压传感器 电容式差压传感器是将弹性金属膜片作为动电极夹在两个固定电极之间，构成一对差动电容。在两边被测压力PL、PH的作用下，两个电容的电容量一个增大，一个减小，通过引出线将这两个电容引出，测出电容的变化便可知道差压的数值。,4）电容式传声器 传声器（Microphone）俗称话筒，是一种声/电换能器件，也是传感器，大多数是靠电容量变化而起换能作用的。,4）电容式传声器 如图，话筒

10、表面的振膜（动电极）和里面的背极（固定电极）构成可变电容，声音产生的压力使膜片振动，使电容两极板间的距离随振动而变化，电容量也随之变化。后级电路将电容量变化信号检出，送到放大器放大后，再通过喇叭还原成声音。,3.电容式振动传感器 电容式振动传感器也属于极距变化型电容式传感器，可以测量振动加速度、振幅等参数。如：,1）振动加速度传感器,2）振动振幅传感器,4.电容式物位传感器 电容式物位传感器是利用改变电容极板的遮盖面积从而改变电容量，或者利用改变电容极板间的介电常数从而改变电容量。可以测量液位、料位、界位参数等。如：,4.电容式物位传感器 电容式物位传感器是利用改变电容极板的遮盖面积从而改变电

11、容量，或者利用改变电容极板间的介电常数从而改变电容量。可以测量液位、料位、界位参数等。如：,1）导电液位传感器 2）非导电液位传感器,4.电容式物位传感器 电容式物位传感器是利用改变电容极板的遮盖面积从而改变电容量，或者利用改变电容极板间的介电常数从而改变电容量。可以测量液位、料位、界位参数等。如：,3）容器为金属 4）容器为非金属导,5.电容式湿度传感器 电容极板间介质的相对湿度变化可以改变介质介电常数从而改变电容量。利用这一机理可以测量环境空气的相对湿度，还可以测量谷物的含水量。,6.电容式指纹传感器 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。,IBMThinkpad

12、T42/T43 的指纹识别传感器,指纹识别所用的电容传感器是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。,电容点阵的电容信号可复原成指纹成像图。经过图像处理后可清晰地展现指纹图，用来和存储的指纹图比对。,经过处理后的指纹成像图,触摸屏,体与导体之间会产生寄生电容，而当手指导体接近不同电压的感测导体时，也会产生感应电容变化。电容感测效应便是如何在较大的寄生电容值（30 pF）下，侦测到0。12个pF单位微小的感应电容变化。电容触控技术较为

13、稳定、可靠度高，藉由人体该身就是一个 电容体的特性，在接触触控面板时所产生的电容变化达到感测触控效果。,3.2.3电感式传感器 电感式传感器建立在电磁感应基础上，利用线圈电感或互感的改变来实现对非电量的测量，可以进行位移、振动、压力、流量、比重等参数的测量。 电感传感器的主要特征是具有电感绕组。利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量变化这一物理现象来实现测量。 电感式传感器又分为自感式和互感式两大类。,1. 自感式传感器 原理简介：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磁阻发生变化，导致线圈电感量的变化。 线圈的电感可用下式表示：,式中： N线圈匝数

14、 Rm 磁路总磁阻,测量时空气隙有不同的变化方式。,1） 变间隙型 结构示意图如右图所示。被测物体的位移使空气隙的长度变化，引起气隙磁阻的变化，导致线圈电感量的变化。 2）变面积型 如右图所示，被测物体的位移使铁心与衔铁之间相对覆盖面积变化，引起气隙磁阻的变化，导致线圈的电感量发生变化。,3） 螺管型 如右图所示，线圈中放入圆柱形衔铁，被测物体的位移使衔铁左右位移，自感量将相应变化。,下图所示是一个测量位移用的轴向自感式传感器,2.互感式传感器 互感式传感器把被测物理量如力、位移等转换为传感器互感系数的变化，本质上是一个互感系数可变的变压器，当一次线圈接入激励电压后，二次线圈将产生感应电压，互

15、感变化时，感应电压将相应变化。很多互感式传感器设置两个二次线圈，以差动方式接线，故也可以称作是变压器式传感器。,差动式传感器,轴向式差动变压器式传感器,总行程： 100mm 线性度：0.15%,总行程： 2 7mm 测量力：0.91.2N 示值变动性：0.5m,旁向式差动变压器式传感器,总行程： 1.5mm 测量力：0.40.7N 示值变动性：0.2m,轴向式差动变压器式传感器,总行程： 3mm 测量力：0.450.65N 示值变动性：0.03m,总行程：1.5mm 测量力：0.120.18N 示值变动性：0.05m,案例：板的厚度测量,3.电涡流式传感器 把成块的金属放在变化着的磁场中，或者

16、在固定的磁场中运动，金属体内就会产生感应电流，此电流的流线在金属体内是闭合的，呈漩涡状，被称为涡流。这种现象称为涡流效应。 涡流效应的本质是互感作用。可实现对位移、厚度、振动、表面温度、速度、温度、应力、电解质浓度等参数的测量。,反射式涡流传感器 当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2及磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分H1磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。,若将被测导体上形成的电涡流等效成一个短路环，就可得到如图b的电感等效电路。 当其它条件一定时，线圈的阻抗是被测距离H的单值函数。即通过线圈的交变电流I1一定时，测线圈两端电压U1即得被测距离M。 此方法可测位移、振幅、转速及无损探伤等。,b)电涡流传感器等效电路图,a)电涡流传感器原理图,涡流传感器应用案例：,测量旋转轴振幅,零件计数,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