常用的传感器

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1、04:00:37,第三章 常用的传感器,3.1 概述3.2 机械式传感器3.3 电阻式传感器3.4 电感式传感器3.5 电容式传感器3.6 压电式传感器3.7 磁电式传感器3.8 半导体式传感器3.9 光纤传感器3.10 传动器的选用原则,返回总目录,04:00:37,3.1 概述,传感器: 工程上通常把直接作用于被测量,能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件.,传感器的作用类似人的器官,他把被测量转换为易测信号,传送给测量系统的信号调理环节.,一 传感器的作用,返回章目录,04:00:37,3.1 概述,二 传感器的分类,按被测量分: 位移式传感器,力传感器,温度传感器等,按工作原理

2、分: 机械式,电气式,光学式,流体式等,按信号变换特征分: 物性型和结构型,按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型与能量控制型,按输出信号分: 模拟式和数字式,返回章目录,04:00:37,3.2 机械式传感器,原理：在测试技术中，以弹性体作为传感器的敏感元件，对力、压力、温度等物理量进行测量，而输出弹性元件本身的弹性变形，经放大后成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。,典型应用：用于测力或称重的环性测力计、弹簧称等；用于测量流体压力的波纹膜片、波纹管等；用于温度测量的双金属片等,返回章目录,04:00:37,3.2 机械式传感器,优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读

3、数直观等,缺点：弹性变形不宜大，以减小线形误差。,此外，由于放大和指针环节多为机械传动，不仅受间隙的影响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。,返回章目录,04:00:37,3.3 电阻式传感器,电阻式传感器是一种把被测量转化为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。,一、变阻器式传感器,原理：它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。根据下式,式中 电阻率 l 电阻丝长度 A 电阻丝截面积,返回章目录,04:00:37,3.3 电阻式传感器,如果电阻丝直径和材质一定时，则电阻值随导线长度而变化。式中电阻值的单位为常用变阻器式传感器有直线位移型、角

4、位移型和非线形型。,变阻器式传感器的后接电路，一般采用电阻分压电路，如动画（图3-6）所示,返回章目录,04:00:37,3.3 电阻式传感器,当电刷移动x距离后，传感器的输出电压 可用下式计算,式中,变阻器的总电阻 变阻器的总长度 后接电路的输入电阻,上式表明，为减小后接电路的影响，应使 。,变阻器式传感器的优点是结构简单，性能稳定，使用方便。缺点是分辨力不高。,返回章目录,04:00:37,3.3 电阻式传感器,二、电阻应变式传感器,优点：体积小、动态响应快测量精度高、使用简便,电阻应变式传感器分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类 .,（一）金属电阻应变片,常用的金属电阻应变片有丝式和

5、箔式两种。其工作原理都是基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。,把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上。在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其电阻值发生相应变化。由此，将被测量转化为电阻变化。,返回章目录,04:00:37,3.3 电阻式传感器,由于电阻值 R=l/A，其中长度l、截面积A、电阻率将随电阻丝的变形而变化。而l、A、的变化又将引起R的变化。故电阻增量为,式中A=r，r为电阻丝的半径，所以上式为,电阻的相对变化,（3-4）,（3-5）,返回章目录,04:00:37,3.3 电阻式传感器,当电阻丝沿轴向伸长时，必须沿径向缩小，两者之间的关系为,将6 、7

6、式带入 5 式 ，则有,（3-6）,（3-7）,（3-8）,返回章目录,04:00:37,3.3 电阻式传感器,其中（1+2）项是由电阻丝几何尺寸改变引起的。对于同一电阻材料，1+2是常数。E项是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。对于金属电阻丝来说，E是很小的，可忽略。这样 8式就可简化为,（3-9）,9 式表明了电阻相对变化率与应变成正比。比值一般称为电阻应变片的应变系数或灵敏度,（3-10）,返回章目录,04:00:37,3.3 电阻式传感器,（二）半导体应变片,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。,所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变

7、化的现象。,根据 8 式，（1+2）项是由几何尺寸改变引起的，E项是由电阻率变化引起的。对半导体而言，后者远远大于前者，它是半导体应变片电阻变化的主要部分，故 8式 可简化为,返回章目录,04:00:37,3.3 电阻式传感器,这样，半导体应变片的灵敏度,这一数值比金属丝电阻应变片大5070倍 。,金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体形变引起的电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起的电阻的变化。,优点是灵敏度高，缺点是温度稳定性差、灵敏度分散度大以及在较大应变作用下，非线形误差大。,返回章目录,04:00:37,3.3 电阻式传感器,（三）电阻应变片式传感器应用方式,1

8、）直接用来测定结构的应变或应力,2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件得到与被测量成正比的应变，在由应变片转换为电阻的变化。,（动画演示）,返回章目录,04:00:37,3.4 电感式传感器,将被测参数转换为线圈自感量或互感量变化的装置。电感式传感器可分为自感型和互感型两大类,一、自感型,（一） 可变磁阻式传感器,图示动画（图3-12）为变磁阻式传感器的原理图。,返回章目录,04:00:37,3.4 电感式传感器,线圈自感量可用下式表示,式中 N线圈匝数 磁路总电阻,由于两侧气隙磁阻远大于铁芯和衔铁磁阻之和：,所以,返回章目录,04

9、:00:37,3.4 电感式传感器,式中 空气磁导率 A铁芯截面积 气隙长度,由上式可知，线圈的自感量L与铁芯截面积A成正比，而与气隙长度成反比，函数关系如前边动画（图3-12）所示。 （可变导磁面积型磁阻传感器动画）,（二） 涡电流式,涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。下图动画（图3-15）是一个高频反射式涡电流传感器的工作原理。,动画,返回章目录,04:00:37,3.4 电感式传感器,金属板置于一只线圈附近，相互间距为。当线圈中有一高频交变电流I通过时，便产生磁通 。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流 。这种电流在金属体内是闭合的，称之为涡电流

10、或涡流。这种涡电流也将产生交变磁通 。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反， 总是抵抗的变化。由于涡流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距离有关。,涡电流式传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路及调频电路 。,（涡流传感器测量钢板厚度动画）,应用：,（涡流传感器测输送带上零件动画）,（测量转速动画）,返回章目录,04:00:37,3.4 电感式传感器,二、互感型差动变压器式传感器,这种传感器是利用电磁感应中的互感现象，如下图所示。,返回章目录,04:00:37,3.4 电感式传感器,当线圈 输入交流电流 时，线圈 产生感应电动势 ，其大小与电流 的变换率成

11、正比，即,式中 M比例系数，称为互感,下面动画是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理。在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，输出电压经过交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量大小和方向。,返回章目录,04:00:37,3.5 电容式传感器,一、电容式传感器工作原理设平板电容器两极板间距离为，有效覆盖面积为A，极板间介质的相对介电系数，真空介电常数 ，则电容器的电容量为,如果在、A、三个参数中保持其中的两个不变，而只改变一个参数，则电容器的电容量将随之发生变化。所以电容式传感器可以分成三种类型：极距变化型

12、（变）、面积变化型（变A）和介质变化型（变）。,返回章目录,04:00:37,3.5 电容式传感器,1.极距变化型,当极距有微小变化d时，引起电容变化量dC为,传感器灵敏度为,优点：可进行动态非接触式测量,动画,为了提高灵敏度、线性度常采用差动式电容传感器。（动画）,返回章目录,04:00:37,3.5 电容式传感器,2.面积变化型,保持电容器极板距离、介质不变，仅改变极板间的相对覆盖面积。则此中传感器灵敏度为常数,通常电容传感器的覆盖面积与线形位移间有良好的线形关系，故面积变化型传感器有着良好的线形关系。,3.介质变化型,利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。常用于液位测量，或某

13、些材料的厚度、温度、湿度等参数的变化测量,返回章目录,04:00:37,3.5 电容式传感器,1.电桥型电路2.直流极化电路3.谐振电路4.调频电路5.运算放大器电路,二、测量电路,应用：测量转速 （动画）,返回章目录,04:00:37,3.6 压电式传感器,压电式传感器是利用某些物质的压电效应将被测量转换为电量的一种传感器。,一、压电效应,某些物质如石英，当受到外力时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场；当外力消失时，材料又重新回复到原来状态，这种现象称为压电效应。,相反，如果这些物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种现象称为逆压电效应。,返回章目录,04:0

14、0:37,3.6 压电式传感器,二、压电材料,常用的压电材料大致分为三类：压电单晶（机械强度好）、压电陶瓷（压电常数大）和有机压电薄膜（可大量生产）。,三、压电传感器及其等效电路,1.压电传感器可看作是电荷发生器，它又是一个电容器。,2.等效电路,动画,（动画）,返回章目录,04:00:37,3.6 压电式传感器,压电传感器可以等效成与一个电容器并联的电荷源，也可以等效为一个电压源，如图所示。,返回章目录,04:00:37,3.6 压电式传感器,四、测量电路,1.电压放大器电路,2.电荷放大器电路,五、压电式传感器的特点及应用,特点：1.刚性好，固有频率高 2.灵敏度高且稳定 3.较好的线性，

15、通常无滞后 4.系统使用和调整方便,应用： 压电式力传感器 压电式加速度计,返回章目录,04:00:37,3.7 磁电式传感器,把被测量转换成感应电动势的传感器称为电磁感应式传感器,原理：基于电磁感应定律：感应电动势取决于匝数W和磁通变化率d/dt，即,一、动圈式,当线圈在磁场运动时所产生的感应电动势为 （线速度型） （角速度型）,二、磁阻式物体运动磁路磁阻改变磁通变化产生感应电动势,返回章目录,04:00:37,3.8 半导体传感器,半导体有一个重要的特性是对光、热、力、磁、气体、温度等理化量的敏感性。利用半导体材料的这些特性，作为非电量电测的转换元件，是近代半导体技术应用的一个重要的方面。,半导体的特点是他们是一些物性型传感器，通常可以作成结构简单、体积小、重量轻的器件，他们的功耗低、安全可靠、寿命长；他们对被测量敏感，响应速度快；易于实现集成化。,返回章目录,04:00:37,3.8 半导体传感器,