现代测量技术4常用传感器的变换原理

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1、第四章 常用传感器的变换原理,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.了解传感器测量电路,4.1 传感器的分类及其特性 4.2 电阻式传感器的变换原理 4.2 电感式和电容式传感器的变换原理 4.4 压电式传感器的变换原理 4.5 光电式传感器的变换原理 4.6 光纤式传感器的变换原理 4.7 其它新型传感器,4.1.1 传感器定义 4.1.2 传感器的构成 4.1.3 传感器的分类 4.1.4 常见的被测物理量 4.1.5 传感器的性能要求 4.1.6 传感器的发展趋势 4.1.7 传感器选用原则,4.1 传感器的分类及其特性,第四章 常用传感器,传感器是借助于

2、检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。,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。,4.1.1 传感器定义,4.1 传感器的分类及其特性,4.1.2 传感器的构成,传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，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。,4.1 传感器的分类及其特性,4.1.3 传感器的分类,(1)按被测物理量分类: (2)按工作的物理基础分类: (3)按传感器的构成

3、原理: (4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,位移,力,温度等.,机械式,电气式,光学式,流体式等.,物性型,结构型.,能量转换型和能量控制型.,4.1 传感器的分类及其特性,A 物性型与结构型传感器 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. 例如:水银温度计,压电测力计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,B 能量转换型和能量控制型传感器 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. 例如:电阻应变片.,4.1 传感器的分类及

4、其特性,4.1.4 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.,电参量式传感器：电阻式、电容式、电感式 压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、热电式传感器、射线式传感器、波式传感器、半导体式传感器、其它传感器,4.1 传感器的分类及其特性,4.1.5 传感器的性能要求,灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系 噪声小，并且具有抗外部噪声的性能 滞后，漂移误差小 动态性能良好 接入测量系统时对测量产生

5、影响小； 功耗小，复现性好，有互换性 防水及抗腐蚀性能良好，能长期使用 结构简单，容易维修和校正 低成本，通用性强,4.1 传感器的分类及其特性,采用新原理，开发新型传感器 大力开发物性型传感器 传感器的集成化 传感器的多功能化 传感器的智能化 仿生传感器,4.1.6 传感器的发展趋势,4.1 传感器的分类及其特性,4.1.7 传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,4.1 传感器的分类及其特性,2 响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时

6、间越短越好。,4.1 传感器的分类及其特性,4 稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，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与环境。,4.1 传感器的分类及其特性,4.2 电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器. 按工作的原理可分为:变阻式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,第四章 常用传感器,4.2.1 变阻式传感器 4.2.2 电阻应变式传感器,4.2.1 变阻器式传感器,（1） 工作原理,4.2 电阻式传感器,R,为单位长度的电阻,灵敏度S=,为单位弧度的电阻,灵敏度S=,当导线材质分布均匀时是一常数,函数电位器,用于测量控制系统、对某

7、些传感器的非线性环节进行补偿等,等效电路分析: Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量.,4.2 电阻式传感器,(2) 变阻器式传感器的性能参数: 1) 线性(或曲线的一致性); 4) 移动或旋转角度范围; 2) 分辨率; 5) 电阻温度系数; 3) 整个电阻值的偏差; 6) 寿命;,(3)变阻器式传感器的分类:,4.2 电阻式传感器,(4)变阻器式传感器的特点：,4.2 电阻式传感器,(5) 应用,案例1：重量的自动检测-配料设备,原理 用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化,4.2 电阻式传感器,案例2：煤气包储量检测,原理 直接将代表煤气包储量的高度变

8、化转换为钢丝的电阻变化,特点： （1）测量量程大； （2）防爆； （3）可靠； （4）成本低。,4.2 电阻式传感器,案例3：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理 直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化,4.2 电阻式传感器,4.2.2 电阻应变式传感器-应变片,金属电阻应变片的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，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。,4.2 电阻式传感器,可用于测量应力、应变、加速度、扭矩等参数，具有体积小、动态响应好、测量精度高等优点。,1）工作原理,金属应变片的电阻R为,4.2 电阻式传感器,电阻

9、的变化量dR,电阻的变化由两种因素引起：1、电阻丝几何形状的改变； 2、材料电阻率的改变,(1)当不变时,(2)当变化时,4.2 电阻式传感器,金属材料：电阻率的改变对电阻的变化影响很小，电阻的变化主要由几何形状改变引起； 半导体材料：电阻率变化的影响远大于几何形状变化的影响；,电阻丝的应变灵敏度系数,2）金属应变片,应变计,4.2 电阻式传感器,敏感栅：感应应变，并将其转化为电阻变化 基底和覆盖层：固定和保护敏感栅，使敏感栅与试件绝缘，并传递试件变形给敏感栅。 引出线：将敏感栅的电阻变化引入到测量电路中。,应变片的基本工作原理：P76 粘贴胶层的要求：P77,应变片的灵敏度系数（4-11）：

10、K与K0的区别：测定应变片的灵敏度K时，应变片的横向部分承受了试件横向方向的应变变形，使应变片总的电阻增量R变小，从而导致应变片的灵敏度K小于电阻丝的灵敏度K0,2）金属应变片,应变计,4.2 电阻式传感器,应变片的横向效应：应变片对垂直于自身轴线方向的横向应变的反应。 应变片的温度效应：应变工作时，周围环境和自身环境发生变化，由于电阻温度效应使敏感栅电阻发生变化，或由于敏感栅与被测试件的热变形不同使得敏感栅电阻受到附加的拉伸（或压缩)而造成电阻变化的现象。 温度补偿方法：,3）半导体应变片,应变计,4.2 电阻式传感器,优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件. 缺点：温度稳

11、定性和可重复性不如金属应变片.,4）应变片的主要参数,1）几何参数：标距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）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）。,4.2 电阻式传感器,2）金属应变片,应变计,4.2 电阻式传感器,金属应变片有： 丝式、箔式 优点： 稳定性和温度特性好 缺点： 灵敏度系数小,5）应变片的测量电路,第四章中“电桥” 内容,4.2 电阻式传感器,6）应用,案例1：桥梁固有频率测量,原理 在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再

12、通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,4.2 电阻式传感器,案例2：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。,4.2 电阻式传感器,案例3：桶式测力传感器,4.2 电阻式传感器,电桥,1）直流电桥,信号放大电路,平衡条件,信号放大电路,直流电桥的连接方式 a)半桥单臂 b)半桥双臂 c)全桥,(a)半桥单臂,(b)半桥双臂,(c) 全桥,直流电桥平衡条件,优点：所需的高稳定直流电源较易获得；电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平衡电路简单。 缺点：直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。,信号放

13、大电路,平衡电桥,信号放大电路,2）交流电桥 平衡条件,交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对于交流电桥，除了进行电阻平衡外，还要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电源要求也较高，必须具有良好的电压波形和频率稳定度。,3.3 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,3.3 电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,不考虑磁路的铁损时,3.3 电感式传感器,a）导磁面积变化,b）变化,3.3 电感式传感器,测量电路：将两线圈分别接到电桥的相邻桥臂上，输出灵敏度可提高一倍。,3.3 电感式传感器,双螺管线圈差动型传感器及测量电路,双螺管线圈差动型，

14、较之单螺管线圈型 有较高灵敏度及线性； 用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。 这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化。,3.3 电感式传感器,2 涡流式,原理:涡流效应,原线圈的等效阻抗Z变化：,电涡流效应是指：当金属导体处于交变磁场中时，表面会因电磁感应产生电动势，该电动势因电阻的存在而发生自行闭合的游涡状电涡流，这种现象称为电涡流效应,高频反射式涡流传感器,。如图所示，高频(1MHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L

15、或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关。若只改变距离而保持其它参数不变，则可将位移变化转换为线圈自感变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。,3.3 电感式传感器,低频透射式涡流传感器,低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能

16、量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。,3.3 电感式传感器,3.3 电感式传感器,案例1： 测厚,3.3 电感式传感器,案例2： 零件计数,3.3 电感式传感器,案例2： 零件计数,3.3 电感式传感器,案例3：测转速,3.3 电感式传感器,案例4： 无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,3.3 电感式传感器,优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。 应用：位移、力、振动测量，NDT，测厚,材质判别,案例5： 连续油管的椭圆度测量,原理：,第二节 差动变压器式传感器,把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接， 故称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式