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1、第四章 常用传感器原理及应用,1.熟悉传感器的定义、作用和分类 2.了解传感器的选用原则 3.掌握电阻式、电感式、电容式、压电式等常用传感 器的原理、特点、应用。,本章学习要求：,一、传感器定义,传感器将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。,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。,4.1 传感器概述 (Introduction),二、传感器的作用,传感器类似于人的感觉器官，是人类感官的延伸。 作用：将被测量转换成电信号,传送给测试系统中的后续环节。,身体与机器人的对应关系,传感器由一次敏感元件、敏感器件与辅助器件组成
2、。 一次敏感元件的作用是将被测量转化为能引起敏感元件变化的机械量。 敏感器件的作用是感受被测量，并对信号进行转换输出。 辅助器件一般为信号传递元件。,四、分类 ：,五、传感器的发展趋势,（6）研究生物感官，开发仿生传感器。,（1）采用新原理、开发新型传感器；,（2）大力开发物性型传感器；,（3）传感器的集成化；,（4）传感器的多功能化；,（5）传感器的智能化(smart sensor)；,4.2 传感器选用原则 (Principle of Transducer Selection),1.灵敏度,传感器的灵敏度越高，可以感知的变化量越小。,传感器往往要求有较大的信噪比。,传感器的量程范围与灵敏度
3、密切相关。,过高的灵敏度会影响其适用的范围。,在测量过程中，传感器在被测量方向上的灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好；,对于二维或三维矢量的测量，传感器的交叉灵敏度愈小愈好。,2.线性范围,任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。,线性范围越宽，传感器的工作量程越大。,3.响应特性,传感器响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。,实际传感器的响应总有一定的延迟，但延迟时间越短越好。,4.稳定性,稳定性是指经过长期使用后，其输出特性不发生变化的性能。,影响传感器稳定性的因素是时间和环境。,5.精确度,精确度表示传感器输出与被测量的对应程度。,传感器的精确度并非越高越
4、好，选择时应从实际出发。,6.其他选用原则,如实际测试条件下的工作方式等因素。,一、变阻式传感器,1.结构：,4.3 电阻式传感器 (Resistance Transducer),2.测量电路：,不考虑外接电路影响时：,考虑外接电路影响时：,应用举例：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,3.特点：,(1)结构简单、使用简便、稳定性好。,(2)分辨力低，受电阻丝直径的限制。适合大位移的测量。,(3)噪声大。,二、金属电阻应变片,1.结构：丝式、箔式,2.工作原理：,电阻应变片工作原理是基于金属导体的电阻应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形(伸长或缩短)时，其电
5、阻值随着发生变化的现象。,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,有：,金属丝：,金属丝体积不变，径向与轴向应变间关系为：,所以有：,对金属材料，导电率不变：,金属应变计,3.应变片的主要参数,4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应变计的原始电阻值。,3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,4.特点：,金属应变片的灵敏度较低，但其温度稳定性好，可用于对精度要求较高的测量。,三、半导体应变片,1.原理：,灵敏度：,而：,所以有：,两种应变片在工作原理上的区别：,
6、金属应变片金属材料受力后几何变形电阻的相对变化,半导体应变片半导体材料受力后电阻率变化电阻的相对变化,2.特点：,优点：灵敏度高，分辨率高，横向效应，机械滞后小。,缺点：温度稳定性差，在较大应变下，非线性误差大。,3.类型：半导体应变式传感器、扩散型压阻式传感器,四、应变片的应用,1.直接测定结构的应变或应力。,2.作为传感器的测量参数。,电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕、断丝等缺陷。,2.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.,3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,4.应变
7、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。,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,应用：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。,应用：测力,五、转换电路,应变 电压或电流的变化,一、自感式传感器 可变磁阻式传感器,4.4 电感式传感器 (Inductance Transducer),线圈自感量为,当气隙较小，且不考虑磁路的铁损时，总磁阻,于是，,1.变气隙式：,灵敏度,特点：灵敏度高，线性
8、误差小，适于测小位移。,2.变面积式,灵敏度,特点：线性度好，量程大，但灵敏度较低。,3.螺管式,当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。,特点：灵敏度低，但测量范围大，适用于较大位移测量。,4.差动式,5.测量电路:交流电桥,二、差动变压器式传感器,原理：利用电磁感应中的互感现象。,1.互感现象,2.差动变压器式传感器,(2)原理,(3)特点：精度高，线性范围大，稳定性好。,三、电涡流式传感器,原理：利用金属体在交变磁场中的涡流效应。,1.高频反射式,可以作为位移、振动测量，也可进行材质鉴别或探伤、测温度等。,原线圈的等效阻抗Z变化：,2.低频透射式,适于测量金属材料的厚度。,
9、3.特点：结构简单，安装方便，灵敏度高，抗干扰能力强。,4.应用,差动变压器式电感测力传感器,电感式纸页厚度测量仪原理图,案例：板的厚度测量,一、工作原理,为真空介电常数，,4.5 电容式传感器 (Capacitance Transducer),1.极距变化型,C与 成反比关系。,灵敏度为,使用时，减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量C与极距呈非线性关系，,将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规定测量范围,特点：灵敏度高，有线性误差，适于小位移测量。,2.面积变化型,(1)直线位移型,若两极板间相互覆盖长为 ，宽为 ，覆盖面积为,则电容,灵敏度,(2) 角位移型,若覆盖面积对应的中心角为
10、，极板半径为r ，覆盖面积为,则电容,灵敏度,(3)圆柱体线位移型,动板左右移动时， ，,则电容,灵敏度,(4)差动圆柱体线位移型,动板左右移动时，左右两个电容量一增一减。,特点：线性关系好，量程大；与极距变化型相比，灵敏度 较低。适用于较大角位移及直线位移的测量。,3.介电常数变化型,介质层的温度、湿度、厚度变化时， 变化，从而引起 变。,(2)测液面高度,二、测量电路,被测量电容变化电压、电流、频率变化,1.交流电桥,2.运算放大器电路：可解决极距变化型电容传感器的非线性 问题。,三、电容传感器特点与应用,1.优点:,(1) 输入能量小而灵敏度高。,(2)信噪比大，稳定性好。,(3) 动态
11、特性好，可用于动态测量。,(4) 能量损耗小。,(5)结构简单，适应性好。,2.缺点:,(1)极距变化型，非线性大。,(2)电缆分布电容影响大。,解决办法：利用测量电路。,解决办法：利用集成电路；采用屏蔽电缆。,3.应用举例,(1)电容式测厚仪,(2)电容式转速传感器,4.4 压电式传感器,工作原理是以某些物质的压电效应为基础的。既可将机 械能电能，又可将电能机械能。,一、压电效应,1.压电效应：,2.逆压电效应（电致伸缩效应）：,二、压电材料及其特性,具有压电效应的敏感功能材料叫压电材料。,常用的压电材料：,压电单晶、压电陶瓷、新型压电材料,1.压电单晶体石英( ) 、铌酸锂( ),实验证明
12、，在极板上积聚的电荷量q与晶片所受的作用力F 成正比，即,2.压电陶瓷,钛酸钡、锆钛酸铅,特点：压电常数大，灵敏度高，价格低廉。,3.新型压电材料,(1)有机压电薄膜,(2)压电半导体,在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜， 因此就构成一个电容器。其电容量为,三、等效电路,电荷等效电路,电压等效电路,压电式传感器适合作动态测量。,四、压电元件常用的结构形式,串联 并联,适合以电压作为输出的场合。,适合测量缓变信号和以电荷量作为输出的场合。,五、应用,压电式压力传感器,压电式加速度传感器在安全气囊中的应用示意图,4.5 磁敏传感器,包括磁感应电式传感器、霍尔式传感器和磁敏电阻等。,一
13、、磁感应电式传感器(感应式传感器),根据法拉第电磁感应定律，线圈在磁场中运动切割磁力线 或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中会产生的感应电动势,恒定磁通式,变磁通式,根据改变参数的不同,1.恒定磁通式,2.变磁通式,原理：线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮1（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。 常用来测量旋转物体的角速度。,二、霍尔式传感器,金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直 于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔 效应。,1.原理：霍尔效应,霍尔电势:,2.霍尔元件,目前最常
14、用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、 砷化铟(InAs)等半导体材料。,3.应用,霍尔乘法器,4.特点,体积小，结构简单，使用方便，可用于非接触测量，但受温度影响较大。,三、磁阻元件,工作原理是利用半导体材料的磁阻效应 。,可用于位移、力、加速度等测量，也可用于磁场检测器等。,特点：灵敏度高，但受温度的影响比较大。,磁阻效应传感器,4.6 光电传感器,一、光电效应,工作原理：基于半导体材料的光电效应。,1.外光电效应金属中的自由电子吸收光能而逸出金属表面的 现象。如光电管，光电倍增管。,光电导效应半导体材料受到光照时会产生电子空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象称为内光电效应。,光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。,基于光电导效应的光电器件光敏电阻、光敏二极管、三极管,基于光生伏特效应的光电器件光电池,二、光电器件,1.光敏电阻,工作原理：光电导效应。,2.光电池,工作原理：光生伏特效应。,利用光电池检查零件表面的缺陷。,三、光敏晶体管,光敏二极管：,光敏三极管：,特点：灵敏度高，响应快，有良好的温度稳定性和低工作电 压的优点。,三、光电式传感器的形式,按接收状态,模拟式光电传感器,脉冲光电传感器,吸收式,反射式,遮光式,辐射式,
