工业仪表与工程测试第2章传感器

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1、第二章 传感器 内容：1、参数型传感器：电阻式传感器； 电容式传 感器； 电感式传感器（自感型；互感型）2、发电型传感器： 磁电式传感器； 压电式传 感器；光导纤维传感元件（ 反射式； 吸收式 ； 调制式）4、智能传感器：智能传感器的概念；智能传 感器的功能与特点；智能传感器系统。2.1 2.1 概概 述述 传感技术：传感技术：将观测信息转换为电、光等信号的技术 。 传感元件：传感元件：实现机电、热电、声电、机光 、热光、光电等信号转换的元件。 传感器：传感器：将传感元件通过机械结构支承固定，并通 过机械电气或其他方法连接起来，将所获信号传输出去的装置。 在动态测试中，最常用的传感技术是将被测

2、物理量 转换成电输出信号电信号传感器。 线性度好； 灵敏度高与灵敏度误差小 有较好的重复性和稳定性 滞后误差小、漂移小； 具有较高的分辨力； 动态性能好； 被测对象的影响小，即“负载效应”较低 。 其它技术要求：其它技术要求：抗腐蚀 、抗震、抗干扰 、耐高温 、非接触或远距离测量 传感器应具备的技术性能：传感器应具备的技术性能：传感器的类型传感器的类型( (The types of sensors)The types of sensors) 按输入量分类： 测力传感器输入信号为力信号； 位移传感器输入信号为位移信号 ； 温度传感器被测量为温度。等 按输出量分类： 就是按照输出何种参量来分类，分

3、 为主动型，如发电型传感器；被动 型，如电路参量型传感器。便于 选择 使用便于 学习 研究 电量输出传感器电路参数型发电型：电阻式 电容式电感式 输出电源性参量 如电势、电荷等 按工作机理工作机理分类结构型：靠结构参数变化实现 信号变换 物性型：靠传感器内部的物理、化学性质变化实现传感功能 如变极距式电容传感器 如光电、热 电传感器 模拟式(传统式)传感器：以连续变化信号作输出量； 数字式传感器：以数字量输出的传感器。 智能传感器：带微处理器并兼有监测和信息处理功能 2.2 2.2 参数型传感器参数型传感器2.2.12.2.1 电阻式传感器 电阻式传感器(1)(1)大电阻变化式大电阻变化式在输

4、入量变化时，传感器起点阻值可由零变至相当于在输入量变化时，传感器起点阻值可由零变至相当于原电阻值很大百分比的数，甚至可在全部阻值范围内变原电阻值很大百分比的数，甚至可在全部阻值范围内变 化。化。 代表型式：用来测量线位移或角位移的滑线式变阻器滑线式变阻器，或 称电位器。结构特点：电阻材料导线覆以绝缘涂层后排绕而成，在工 作表面上磨去绝缘层。弹性导体制成的电刷在工作表面 上滑动，随着电刷位移的变化而引起电阻值的变化。将被测物理量转化为 电路参数 ：电阻、电 容、电感缺点 ：分辨率较低测量直线位移 的电位计 测量应变的电 阻应变片 测量温度的热 敏电阻 热线风速计 测量流体压力 的金属丝压敏 传感

5、元件 (2)(2)微电阻变化式微电阻变化式电阻值变化范围很小，变化范围：原始阻值的百分之几以内。 代表型式：电阻应变式传感元件(电阻应变片)，体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便。 电阻应变片的结构：电阻应变片的结构： 电阻丝 基 片 覆盖层 基片电阻丝覆盖层应变电阻丝胶接在绝缘薄膜材料基片上。使用时，将此带有应变电阻丝的基片再胶接在被测应变构件上，使被测应变通过基片带动 应变电阻丝变形，使电阻发生相应的变化，电 阻的变化值与被测构件的应变值存在一定的函 数关系，从而实现应变到电阻的转换。 电阻丝在长度方向变形时，其长度l，截面 积F和电阻率均会变化，且三者的变化均 会引起电阻R的变化。

6、电阻丝的截面是半径为r的圆形，则 导体的 电阻率 电阻丝横截面积 电阻丝长度 工作原理工作原理 ：(2-3)所 以电阻丝材料的压 阻系数 泊松比电阻丝材料 的弹性模量 上述各式代入式(2-3)得对对于金属材料故被测构件表面的打磨、清洗、胶层涂被测构件表面的打磨、清洗、胶层涂布、粘贴以及胶层固化等各工序均布、粘贴以及胶层固化等各工序均 非常重非常重 要要! !2.2.2 2.2.2 电容式传感器电容式传感器 (1) 工作原理 两平行平面导体间的电容 极板间介质的 相对介电常数 真空中的 相对介电常数 两极板间相互 覆盖面积 极板间距离 可做成：可做成：变极距型，变面积型、变介电常数型变极距型，变

7、面积型、变介电常数型 定极板固定，动极板随 被测位移而移动 上、下极板固定，中间极板活动。 电容极距非线性关系 为减小非线性 误差，通常该传感器在极小 测量范围内工 作，使之获得 近似线性的特 性。 为提高灵敏度和线性度、克服某些外界条件(电源电压、环境温度)变化的影响，采用差动型式电容传感器。 优点：优点： 灵敏度 零点附近的线性度 上、下两极板固定，中间极板活动。 未开始测量时将活动极板 调整在中间位置，二边电 容相等。 测量时，中间极板向左或 右平移，就会引起电容量 的左增右减或反之。 两边电容的差值ClC2为二者之和 2.2.3 2.2.3 电感式传感器电感式传感器 将被测物理量如位移

8、、力等参量转化为自感L、互感M变化 形式：自感式、互感式、涡流式、压磁式等 优点：优点： 输出功率大、灵敏度高、稳定性好、使用调整方便等2.2.3.1自感式传感器的结构和工作原理 缠绕在铁芯上的线圈 中通以交变电流i，产生磁通 ，形成磁通回路。磁通与 电流的关系 ： 线圈匝数 比例系数 导磁长度导磁面积气隙宽度磁路欧姆定律 ：磁阻磁动势 代入上式，得 ：磁阻的计算 ：自感量L是N、S、 的函数，若仅使其中 一个参量变化，即得 L与该参量的单值函 数关系，因而可做成 各种电感式传感器。 改变气 隙厚度 改变导磁面积 改变有效线 圈匝数 为提高自感传感元件的精度和灵敏度，增大特 性的线性段，多做成

9、差动式，其机械部分相当 于两个上述变气隙厚度元件的组合。2.2.3.2 2.2.3.2 互感式传感器的结构和工作原理互感式传感器的结构和工作原理 结构和工作原理与变压器相似，故也称变压器 式传感器 。原线圈副线圈 它是将 被测物 理量， 如力、 位移等 转换成 互感系 数的一 种传感 器。 互感系数是原、副线圈的匝数、长度、相互位 置，以及整个磁路磁阻等因素的函数。变化其 中一个参数都会改变互感大小，进而改变感应 电势。测量感应电势的改变可以测量各个参数 的变化。副线圈感应电势原线圈交变电势原线圈自感原线圈电阻交变电流角频率互感系数2.3 2.3 发电型传感器发电型传感器 2.3.1 磁电式传

10、感器 将被测机械量转化为感应电动势，故又称电动力式传感器。根据电磁感应定律，匝数为 N的线圈处在变化的磁场中所感生的电势e取决于穿过线圈的磁通 的变化率，即有：磁电型、压电型 、热电型和光电型等 。又分：动圈式、动磁铁 式和变磁阻式传感器。动圈式：测量直线速度动圈式：测量角速度动磁铁式 ：测量直线速度磁电式 ：测量直线速度 传感器的线圈处于永久磁铁所形成的闭合磁路工作气隙中，当此线圈相对磁场作直线运动时 ，在其上所感生的电势为 工作气隙中的磁感 应强度 线圈运动方向相对于磁 场方向的夹角 线圈相对于磁场的运 动线速度 线圈的单匝长度 若=900，则 若B、l和N已定，则e与 v呈单值函数关系。

11、故可 用输出电势值测量线圈运动速度速度传感器。对速度传感器的输出积分反映位移的信号；对速 度传感器的输出微分反映加速度的信号。利用此原理可制成两种实用速度传感器：测量较长行程的直线速度传感器；测量振动速度的传感器。 两层线圈，线圈1绕在薄层绝缘材料圆筒2 上，与外壳4固结在一起；线圈3绕在由铁 磁材料制成的内轴上，分两段绕制；外壳4由铁磁材料制成。 线圈1线圈3 外壳圆筒 工作原理：工作原理： 对线圈l通以直流电流，所产生的磁通量沿内轴一气隙外壳形成封闭回路。 内轴与外壳相对运动时，两边气隙中的线圈切 割磁力线而使线圈中产生感应电势，因两边气隙中磁通量方向相反，故左右两边线圈所产生 的感应电势

12、方向相反。 如作反向串接则两边的感应电势相互相加而 提高其灵敏度。 输出感应电势与内轴和外壳相对运动速度成正 比。因此，可用输出电势来测量相对运动速度 。中心细轴l由片状弹簧2支承在外壳6上，可以作左右 直线移动，轴上安装有感应线圈4。永久磁铁3固定 在外壳6上，与外壳形成封闭回路，留有一工作气隙 。线圈4处于此工作气隙中。 2.3.2 2.3.2 压电式传感器压电式传感器 2.3.2.1 2.3.2.1 工作原理工作原理 正压电效应：正压电效应：沿一定方向对某些晶体电介质材 料施加外力使之变形时，其表面将产生电荷， 外力去除后，介质表面又回到不带电的状态。 逆压电效应：逆压电效应：对电介质表

13、面施以电场，则介质 将产生机械变形。 压电效应具有极性压电效应具有极性! ! 若外加作用力由压力变为拉力，则介质表面上所产生的电荷的符号相应改 变。 压电材料：具有压电效应的材料： 压电晶体天然的单晶体，如天然石英晶体等； 压电陶瓷人工制造的多晶体，如钛酸钡、锆 钛酸铅(简称PZT)等； 压电薄膜:用有机聚合物的铁电体加工出具有柔性的薄膜压电材料，常用的有聚偏氟乙烯 (PVF2)等，它适用于特殊表面形状上的测力处，是一种很有前途的压电材料。性能稳 定，机 械性能 好 灵敏度 较高 2.3.2.2 2.3.2.2 压电传感器压电传感器 两片压电晶体片对放(以提高传感器灵敏度) 。被测力作用在弹性

14、顶盖上，直接传递到压电片 上，压电片受力变形产生电荷，由引线输出。 所输出的电荷大小反映作用力的数值。图2-19 压电力传感器内部含有分别敏感三个方向力 的压电片，排列(a)所示。每 一方向敏感压电片均为二片。 为分别敏感三个方向的分力， 三组压电片利用了两种不同的 压电效应： 横向或纵向压电效应：感受z 方向正压力； 剪切压电效应：感受x和y方向 的侧向压力。 三对压电片的电荷输出分别反 映三个方向的力分量。图2-20 三向压电力传感器2.4 2.4 光导纤维传感元件光导纤维传感元件2.4.1定义及特点光纤是用玻璃、石英、塑料等光透射率高的电 介质制作的极细纤维，在近红外线至可见光范 围内传

15、输损耗非常小，是极为理想的传输线路 。 光导纤维传送信息的特点：低衰减、柔性好、信息量大、频带宽以及不受 外界干扰、防水性、绝缘性、尺寸小、质量轻 、节省贵重金属、成本低。 2.4.2 光纤结构中心部分(纤芯)之外覆盖一层折射率比它稍低的介质 (包层) 。被测光在光纤断面的入射角小于临界角时，光线在界面上产生全反射，并沿光纤轴向传播。 图2-21 光导纤维原理结构2.4.3 光纤传感器类型利用光纤制造的传感元件的类型： 传输型光纤传感元件：利用光纤的低损耗传输 功能； 传感型光纤元件：利用光纤本身特性受被测参 数影响发生变化，如其中光波的强度、相位、 偏振面或频率，通过测量光纤中光波的这些特 性参数，来感知被测量大小。以此原理制成的 传感元件为传感性光纤元件。 2.4.4 2.4.4 反射式反射式 光源发出的光沿光纤传输，在传感元件上有一 反射面将此光束反射至接收光纤，再将之传输 至接收器后加以处理，由显示器读出读数。 工作时，传感元件的反射表面角度随被测参数 变化，使接收光纤所接受的光通量改变，显示 器显示光通量变化，即反映出被测参数的变化 。 据此原理可做成反映位移变化或可转化成位移 变化参数的传感器。 2.4.5 2.4.5 吸收式吸收式 由光源发射的光经敏感元件二次反射后由接收 光纤送到接收器处理后作显示。 工作时，敏感元件材料对光