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1、工程测试技术第三章第三章 传感器原理及应用传感器原理及应用本章学习要求：1.了解传感器的分类；2.掌握常用传感器测量原理；3.了解测量电路；4.了解智能传感器的概念；5.了解典型传感器的应用。华中科技大学材料学院本章目录本章目录3.1 概述（4学时）3.2 电阻式传感器3.3 电感式传感器（2学时）3.4 电容式传感器3.5 磁电式传感器3.6 压电式传感器3.7 热电式传感器（2学时）3.8 光电式传感器（2学时）3.9 其它类型的传感器3.10 传感器的应用2工程测试技术华中科技大学材料学院3.1 概述概述 人类通过五种感官获取信息，在人的一生中发挥着传递信人类通过五种感官获取信息，在人的
2、一生中发挥着传递信息和指导人类活动的重要作用息和指导人类活动的重要作用l眼眼视觉，视觉，83%l耳耳听觉，听觉，11%l鼻鼻嗅觉，嗅觉，3.5%l舌舌味觉，味觉，1%l手手触觉，触觉，1.5%3工程测试技术华中科技大学材料学院人类感官获取信息的局限性感官生理机能的限制视觉：0.380.78m听觉：20Hz20KHz神经脉冲的速度：250Km/h受限于不同个体的思维和理解能力机械师听声识故障中医切脉、CT图像、超声图像对音乐的感受信号的频谱分析4工程测试技术华中科技大学材料学院人类感官的延伸传感系统传感器的作用类似于人的感觉器官。它把被测量如力、位移、温度等，换为易测信号，传送给测量系统的信号调
3、理环节。传感器也可以认为是人类感官的延伸，因为借助传感器可以去探索那些人们无法用感官直接测量的事物，例如，用热电偶可以测得炽热物体的温度；用超声波探测器可以测量海水深度；用红外遥感器可从高空探测地面上的植被和污染情况，等等。因此，可以说传感器是人们认识自然界的有力工具，是测量仪器与被测事物之间的接口。传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。随着测量、控制及信息技术的发展，传感器作为这些领域里的一个重要构成因素，被视为关键技术之一受到了普遍重视。深入研究传感器的原理和应用，研制新型传感器，对于社会生产、科学技术和日常生活中自动测量和自动控制的发展，以及人类观测研究自
4、然界的深度和广度都具有重要的实际意义。5工程测试技术华中科技大学材料学院1. 传感器的定义传感器的定义 传传感感器器是是借借助助检检测测元元件件将将一一种种形形式式的的信信息转换成另一种信息的装置。息转换成另一种信息的装置。物物 理理 量量电电 量量传感器传感器 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。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量因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电量信号转换成电信号的装置。信号转换成电信号的装置。6工程测试技术华中科技大学材料学院国标GB/T 7665-2005对传感器的定义 “能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用
5、信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存 储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要环节。 7工程测试技术华中科技大学材料学院2. 传感器的构成传感器的构成 传感器由传感器由敏感器件敏感器件与与辅助器件辅助器件组成。敏感器组成。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
6、后续仪表接入。行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。V8工程测试技术华中科技大学材料学院3. 传感器的分类传感器的分类按被测物理量分类按被测物理量分类按工作机理分类按工作机理分类按信号变换特征按信号变换特征按敏感元件与被测对象之间的能按敏感元件与被测对象之间的能量关系量关系9工程测试技术华中科技大学材料学院1) 按被测物理量分类按被测物理量分类机械量机械量：重量、力、压力、长度、位移、 速度、加速度、力矩、旋转角、 转数、流量、流速、厚度、真空 度、风速声声： 超声波、声压、噪声磁磁： 磁通、磁场温度温度： 温度、热量、比热光光： 亮度、色彩10工程测试技术华中科技大学材料学院2) 按工作按工
7、作机理机理分类分类工作机理分类工作机理分类电阻式电感式光电式压电式电容式变阻器式应变片式热敏式光敏式磁阻式气敏式自感式互感式磁电式极距变化型面积变化型介质变化型涡流式可变磁阻型热电式半导体式电阻丝式机械式11工程测试技术华中科技大学材料学院3) 按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系能量转换型能量转换型和和能量控制型能量控制型能量转换型：能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作。例如：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。热电偶温度计，压电式加速度计。能量控制型：能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供给能从外部供给能量并由
8、被测量控制外部供给能 量的变化。例如量的变化。例如: :电阻应变片。电阻应变片。12工程测试技术华中科技大学材料学院4) 按信号变换特征按信号变换特征物性型：物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化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：热敏电阻。来实现信号变换，如：热敏电阻。结构型：结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转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。变，例如：电容式和电感式传感器。13工程测试技术华中科技大学材料学院 按工作按工作机理机理分类分类工作机理分类工作机理分类电阻式电感式光电式压电式电容式变阻器式应变片式热敏式光敏式磁阻式
9、气敏式自感式互感式磁电式极距变化型面积变化型介质变化型涡流式可变磁阻型热电式半导体式电阻丝式机械式14工程测试技术华中科技大学材料学院3.2 电阻式传感器电阻式传感器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是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。种传感器。电阻式传感器的传感元件是电阻式传感器的传感元件是电阻元件电阻元件，根据，根据欧欧姆定律姆定律工作。工作。按工作的原理可分为：按工作的原理可分为：变阻器式变阻器式、电阻应变式电阻应变式、热敏式热敏式、光敏式光敏式、磁敏式磁敏式、气敏式气敏式。15工程测试技术华中科技大学材料学院3.2.1 变阻器式传感器变阻器式传感器变阻器式传感器变阻
10、器式传感器类似于电位器，当改变触点位类似于电位器，当改变触点位置时，导体的相对长度发生变化，从而测量电阻发置时，导体的相对长度发生变化，从而测量电阻发生改变，因而可用于位移（包括角位移）的测量。生改变，因而可用于位移（包括角位移）的测量。16工程测试技术华中科技大学材料学院1. 变阻器式传感器变阻器式传感器等效电路分析等效电路分析L-变阻器总长；变阻器总长；x-电刷移动量；电刷移动量；R-总电阻；总电阻；Rx-电刷电阻。电刷电阻。xLEExLx=RRx=EExx=L*Ex / E17工程测试技术华中科技大学材料学院x=L*Ex/ E= K*Ex0 LEE1x18工程测试技术华中科技大学材料学院
11、2. 变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数线性线性(或曲线的一致性或曲线的一致性)；分辨率；分辨率；整个电阻值的偏差；整个电阻值的偏差；移动或旋转角度范围；移动或旋转角度范围；电阻温度系数；电阻温度系数；寿命。寿命。19工程测试技术华中科技大学材料学院3. 变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类按测量类型：按测量类型：多圈电位器多圈电位器单圈电位器单圈电位器直线滑动式电位器直线滑动式电位器20工程测试技术华中科技大学材料学院按制作方式：按制作方式：线绕电位器线绕电位器导电塑料电位器导电塑料电位器普通塑料基底普通塑料基底导电导电材料粉材料粉21工程测试技术华中科技大学材料学院4.
12、变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品22工程测试技术华中科技大学材料学院案例一：案例一：自动称量装置自动称量装置-配料设备配料设备原理：弹簧原理：弹簧力力位移位移电位器电位器电阻电阻 比较比较重量设定原材料原材料23工程测试技术华中科技大学材料学院案例二：案例二：煤气包储量检测煤气包储量检测原理：钢丝原理：钢丝收线圈数收线圈数 电位器电位器电阻电阻煤气包煤气包钢丝钢丝24工程测试技术华中科技大学材料学院3.2.2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器电阻应变式传感器的核心是电阻应变式传感器的核心是电阻应变片。电阻应变片。电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应电阻应变式传感器可分为金属电阻
13、应变片式与半导体应变片式两类。变片式两类。电阻应变片电阻应变片(strain gage)工作原理是基于金属导体的应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）的变化而发生变化的现象。随着所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。25工程测试技术华中科技大学材料学院1. 工作原理工作原理根据根据欧姆定律欧姆定律应变片的电阻应变片的电阻R为：为： 上述任何一个参数变换均会引起电阻变上述任何一个参数变换均会引起电阻变化，求导数：化，求导数：26工程测试技术华中科技大学材料学
14、院有：有：代入代入27工程测试技术华中科技大学材料学院金属丝的截面积：金属丝的截面积：体积不变时：体积不变时：电阻率的相对变化与轴向所受正应力电阻率的相对变化与轴向所受正应力有关：有关：28工程测试技术华中科技大学材料学院电阻变化率与应力之间的关系电阻变化率与应力之间的关系灵敏度系数灵敏度系数k0：29工程测试技术华中科技大学材料学院a. 对对金属应变片金属应变片 分析式上式，1+2项是由电阻丝几何尺寸改变所引起的。在相同条件下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。上式简化为： 灵敏度系数k0是一常数只与材料本身有关。一般为：1.73.6
15、。30工程测试技术华中科技大学材料学院金属应变片金属应变片应变计31工程测试技术华中科技大学材料学院b. 半导体应变片半导体应变片优点：灵敏度大（优点：灵敏度大（50-10050-100，比金属电阻应变片的灵敏系数，比金属电阻应变片的灵敏系数大数十倍）大数十倍）; ;横向效应和机械滞后极小；体积小横向效应和机械滞后极小；体积小; ;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效。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化的现象。从半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，
16、能使其电阻率发生很大的变化。 分析表明，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。32工程测试技术华中科技大学材料学院2 应变片的主要参数应变片的主要参数几何参数：表距几何参数：表距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂，制造厂常用常用 bL表示。表示。电阻值：应变片的原始电阻值。电阻值：应变片的原始电阻值。灵敏系数：表示应变片变换性能的重要灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。参数。其它表示应变片性能的参数（工作温度、其它表示应变片性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）
17、。灵敏度等）。33工程测试技术华中科技大学材料学院3 应变片测量电路应变片测量电路V VER1R2R4R334工程测试技术华中科技大学材料学院单臂桥路的计算单臂桥路的计算令：令： V V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压来测与应变成线形关系，可以用电桥测量电压来测量应变。量应变。当：当：35工程测试技术华中科技大学材料学院双臂半桥的计算双臂半桥的计算1.1.输入与输出基本为线性关系；输入与输出基本为线性关系；2.2.输出是单臂桥的二倍。输出是单臂桥的二倍。当：当：36工程测试技术华中科技大学材料学院全桥电路的计算全桥电路的计算当：当：1.1.输入与输出为线性关系；输入与输出为线性关系；2.2
18、.输出是单臂桥的四倍。输出是单臂桥的四倍。37工程测试技术华中科技大学材料学院（）电桥的输出电压V与桥臂电阻的变化率dR/R（或应变）成线性关系（在一定的应变范围内）。电阻应变仪的工作原理，就是利用上述关系，以电桥输出量的大小来确定应变值。 （）各个桥臂电阻的变化率dR/R（或应变）对输出电压的影响是线性叠加的，相邻桥臂符号相反，相对桥臂符号相同。 （）利用单、双臂半桥电路确定被测应变值，存在一定的误差。 38工程测试技术华中科技大学材料学院4) 电阻应变式传感器的应用：测力电阻应变式传感器的应用：测力1.1.将将应变应变片直接粘片直接粘贴贴于被于被测测构件上，用来直构件上，用来直接接测测量构
19、件的量构件的应变应变或或应应力力2.2.将将应变应变片粘片粘贴贴于于弹弹性元件上，与性元件上，与弹弹性元件性元件一起构成一起构成应变应变式式传传感器，常用来感器，常用来测测力、位力、位移、移、压压力、加速度等物理量力、加速度等物理量39工程测试技术华中科技大学材料学院电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用40工程测试技术华中科技大学材料学院标准产品标准产品- Load Cell / Force Sensor41工程测试技术华中科技大学材料学院Torque Sensors42工程测试技术华中科技大学材料学院Pressure Sensor1低压腔 2高压腔 3硅杯 4引线 5硅膜片43工程测
20、试技术华中科技大学材料学院案例一：电子称案例一：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。44工程测试技术华中科技大学材料学院案例二：机器人握力测量案例二：机器人握力测量45工程测试技术华中科技大学材料学院案例三：振动式地音入侵探测器案例三：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。46工程测试技术华中科技大学材料学院Load Cell / Force Sensor47工程测试技术华中科技大学材料学院displacement sensorraster ruler displacement sensor 48工程测试技术华中科技大学材料学院Pressure Sensor49工程测试技术华中科技大学材料学院Velocity Sensor50工程测试技术华中科技大学材料学院Ultrasonic transducers 51工程测试技术华中科技大学材料学院热电偶、热电阻、热敏电阻52工程测试技术
