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1、华中科技大学机械学院测试技术与信号处理第三章 常用传感器与敏感元件本章学习要求：1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理3.掌握传感器测量电路的基本原理第三章 常用传感器与敏感元件测试技术与信号处理华中科技大学机械学院测试技术与信号处理 第一节 概述1. 传感器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；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。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。第三章 常用传感器与敏感元件测试技术与信号处理华中科技大学机械学院测试技术与
2、信号处理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。 第一节 概述dV华中科技大学机械学院测试技术与信号处理 传感器作用 传感器在非电量电测系统中的作用：F是敏感作用：感受并拾取被测对象的信号F是变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号敏感元件转换元件被测 物理量电信号传感器第一节 概述华中科技大学机械学院测试技术与信号处理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
3、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。第一节 概述华中科技大学机械学院测试技术与信号处理机械式,电气式,光学式,流体式等。2)按工作原理分类:第一节 概述华中科技大学机械学院测试技术与信号处理3)按信号变换特征: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。如:电容式和电感式传感器。第一节 概述华中科技大学机械学院测试技术与信号处理4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作，如:热电偶温度计，加
4、速度计。 能量控制型:从外部供给能量使传感器工作，并由 被测量控制外部供给能量的变化，如:电容传感器第一节 概述华中科技大学机械学院测试技术与信号处理4.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 适应性强第一节 概述华中科技大学机械学院测试技术与信号处理机械式传感器应用很广。在测试基数中，常常以 弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力 、压力、温度等物理量，输出则为弹性元件本身的弹 性变形（或应变）。这种变形可转变成其他形式的变 量，如被测量可放大而成为仪表指针的偏转，借助刻 度指示出被测量的大小。（见教材72页 图3-3） 优
5、点：具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。 缺点：弹性变形范围小、放大和指示环节多为机械传动，不仅受间隙影响，而且惯性大，固有频率低。 应用：只宜用于检测缓变或静态被测量。第三章 常用传感器与敏感元件 第二节 机械式传感器及仪器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理测力计压力计温度计典型机械式传感器机械式传感器及仪器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理为了提高测量的频率范围，可先用弹性元件将被测 量转换成位移，然后用其他形式的传感器（如电阻、 电容等）将位移量转换成电信号输出。机械式传感器及仪器近年来，在自动 检测、自动控制技术 中广泛应用的微型探 测开关也被看成是机 械式传感
6、器。它能把 物体的运动、位置或 尺寸变化，转换为接 通、断开信号。华中科技大学机械学院测试技术与信号处理 电阻式传感器：是把被测量转换为电阻变化 按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式第三章 常用传感器与敏感元件 第二节 电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器1 变阻器式传感器（电位计式传感器）华中科技大学机械学院测试技术与信号处理 测量方法：通过改变电位器触头位置，实现将位移 变化转换为电阻值的变化。r 电阻率； l - 电阻丝长度； A - 电阻丝截面积。触点C沿变阻器移动 x，则C点与A点之间的电阻值：xxpACB灵敏度：单位长度的电阻值若导线分布均匀，k1为常 数，R 与 x 成线
7、性关系。若电阻丝直径和材质不变电阻值随长度而变化变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理左图为回转型变阻式传感器， 其电阻值随电刷转角而变化。单位弧度所对应的电阻值左图为非线性变阻式传感器， 或称为函数电位器。其骨架形 状根据所要求的输出 f ( x ) 来决 定。灵敏度：变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理 等效电路分析:xp-变阻器总长;x -电刷移动量.Rp-总电阻; Rx-电刷电阻;UeRxRp-RxxxpU0xxp变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理0 xpUeU0x变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理UeRxRp-Rxxx
8、pRLU0xp变阻器的总长度Rp变阻器的总电阻RL后接电路的输入电阻负载效应变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理负载效应0xpUeU0x无负载效应变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理 变阻器式传感器的性能参数:1)结构、尺寸; 2)移动或旋转角度范围;3)分辨率（与导线的直径有关）; 4)输入输出之间的函数关系;5)寿命（有磨损）;变阻器式传感器的分类按测量类型： 单圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理按制作方式：线绕电位器导电塑料电位器普通塑料基底导电材料粉变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理
9、优点 : (1) 结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉 且性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场 干扰等)影响小；(3)可以实现输出输入间任意函数 关系；(4)输出信号大，一般不需放大。 缺点 : 因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦，因 此需要较大的输入能量；由于磨损不仅影响使用寿 命和降低可靠性，而且会降低测量精度，分辨力较 低（20mm）；动态响应较差，适合于测量变化 较缓慢的量。 应用：常用来测量位移、压力、加速度等参量。变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理变阻器式传感器产品变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理比较重量设定原材料案例：重量的自动检测
10、-配料设备原理：弹簧力位移电位器电阻位移变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理案例：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝收线圈数电位器电阻变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理：电机转角电位器电阻变阻器式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理2 电阻应变式传感器应变片电阻应变片分为金属电阻应变片和半导体应变片。 金属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 象。 电阻应变片传感器可以用于测量应变、 力、位移、加速度、扭矩等参数
11、。具有体积 小、动态响应快、测量精度高、使用简便等 优点，在航空、船舶、机械、建筑等行业广 泛应用。电阻应变式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理(1)金属电阻应变片上式中，任何一个参数变换均会引起电阻变化, 求其求导数，可得金属应变片的电阻为代入上式，可得电阻应变式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理有：金属丝的截面积：金属丝体积不变：电阻丝电阻率的相 对变化，与电阻丝 所受正应力s 有关电阻丝轴向相对变形，或 称纵向应变电阻丝材料的泊松比压阻系数，与材料有关电阻应变式传感器电阻丝材料的弹性模量华中科技大学机械学院测试技术与信号处理有：金属材料 很小，可 以忽略电阻丝几何尺寸
12、改变所引发的常数电阻丝的电阻率随应变的改变而改变上式可简化为此式表明：电阻相对 变化率与应变成正比灵敏度：多在1.73.6之间电阻应变式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理几种常用电阻丝材料物理性能见教材第76页、表32。一般市售电阻应变片的标准阻值有60W、 120W、 350W、 600W和1000W等，以120W最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选 用。华中科技大学机械学院测试技术与信号处理金属电阻应变片分为丝式、箔式两种。金属丝电阻应变片的典型结构见下图。1粘合层 2 基底 3粘合层 4盖片 5敏感栅 6引出线电阻应变式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理金属箔式应
13、变片的敏感栅，则是用栅状金属箔片 代替栅状金属丝。金属箔栅采用光刻技术制造， 适合于大批量生产。由于金属箔式应变片具有线 条均匀、尺寸准确、阻值一致性好、传递试件应 变性能好等优点，因此，目前使用的多为金属箔 式应变片，其结构见图。电阻应变式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理应变计金属应变计电阻应变式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理(2)半导体应变片半导体应变片工作原 理是基于半导体材料的 压阻效应，即单晶半导 体材料在沿某一轴向受 到外力作用时，其电阻 率r发生变化的现象。 半导体应变片最简单 的典型结构如右图所示， 使用方法与金属应变片相 同，粘贴在被测物体上， 随被
14、测试件的应变其电阻 值发生相应变化 。半导体应变片华中科技大学机械学院测试技术与信号处理半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使其电阻率 r 发生很大变化单晶半导体在外力作用下，原子点 阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓 度的变化，从而引起电阻率的变化。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应， 但半导体材料的这种效应特别强。电阻应变效应的分 析公式也适用于半导体电阻材料，故仍可用上式来表 达。对于金属材料来说， dr /r 比较小，但对于半导 体材料，dr /r (1+2m)e ，即因机械变形引起的 电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由dr /r 引 起的。 半导体应变片华中科技
15、大学机械学院测试技术与信号处理几何尺寸改变所引发的电阻率随应变改变而改变对于半导体：是半导体 应变片的 主要部分灵敏度：比金属丝电阻应变片大5070倍上式可简化为半导体应变片华中科技大学机械学院测试技术与信号处理金属丝电阻应变片 缺点：温度稳定性能差、灵敏度离散度大、在较大的应力作用下非线性误差大等。可重复性不如金属应变片。主 要 区 别半导体应变片 优点：半导体应变片的最突出优点是灵敏度 高。另外还有机械滞后小、横向效应小及它 本身体积小等特点，扩大了使用范围。 压阻效应 应变效应利用导体形变引起电阻的变化利用半导体电阻率变化引起电阻的变化半导体应变片华中科技大学机械学院测试技术与信号处理固
16、态压阻式传感器的工作原理：与半导体应变片相 同，都是利用半导体材料的压阻效应。 区别在于：半导体应变片是由单晶半导体材料构成， 是利用半导体电阻做成粘贴式敏感元件。固态压 阻式传感器中的敏感元件则是在半导体材料的基 片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，所以也称 为扩散型半导体应变片。3 固态压阻式传感器机械力作用硅片产生应变导电层发生电阻变化固态压阻式传感器主要用于测量压力和加速度 等物理量。固态压阻式传感器华中科技大学机械学院测试技术与信号处理固态压阻式传感器优点：灵敏度非常高，有时传感 器的输出不需放大可直接用于测量；分辨率高，例 如测量压力时可测出1020Pa的微压；测量元件 的有效面积可做得很小，故频率响应高；可测量低 频加速
