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1、第2讲：被测量的获取传感器1第2讲：被测量的获取传感器1传感器传感器n将被测的量转换成电的或其它形式的物理量输出的装将被测的量转换成电的或其它形式的物理量输出的装置置传感器传感器。传感器的输出量与被测量间应有。传感器的输出量与被测量间应有明确明确关关系。传感器是测试与检测系统的第一个环节。系。传感器是测试与检测系统的第一个环节。n直接感受被测物理量并对其进行转换的器件单元直接感受被测物理量并对其进行转换的器件单元敏感元件敏感元件。敏感元件是传感器的核心。敏感元件是传感器的核心。n一个传感器的输入量和输出的二次量之间的关系一个传感器的输入量和输出的二次量之间的关系传感器传感器特性曲线特性曲线。反
2、应了传感器的信号转换规律。反应了传感器的信号转换规律。n线性传感器线性传感器特性曲线是一条直线，特性曲线是一条直线，y = x0 + k xn常数常数 k 被称为传感系数、转换比、被称为传感系数、转换比、灵敏度灵敏度。n非线性传感器非线性传感器灵敏度不是常数。灵敏度不是常数。着重研究传感器的原理和信号转换关系着重研究传感器的原理和信号转换关系2传感器将被测的量转换成电的或其它形式的物理量输出的装置传感传感器的发展趋势传感器的发展趋势n数字化、智能化n轻量化、小型化n多样化、集成化3传感器的发展趋势数字化、智能化3具体介绍几种传感器具体介绍几种传感器首先介绍常用的电阻式传感器；首先介绍常用的电阻
3、式传感器；之后介绍传感器的基本参数；之后介绍传感器的基本参数；最后介绍几类传感器。最后介绍几类传感器。4具体介绍几种传感器首先介绍常用的电阻式传感器；之后介绍传电阻式传感器电阻式传感器n被测非电量的变化引起电阻器阻值改变的变换元件 R = L / An R电阻值， 电阻率n L导线长度，A导线截面积电位器式传感器：利用电刷来回移动改变电阻器长度L；电阻应变式传感器：利用应力应变使电阻丝产生变形导致电阻丝长度L、截面积A和电阻率均发生改变；利用热或其它物理量使传感器的电阻率发生变化。电阻式传感器能够测量哪些物理量？5电阻式传感器被测非电量的变化引起电阻器阻值改变的变换元件电阻滑动触点式变阻传感器
4、滑动触点式变阻传感器n直线位移型（图 4.1a）n R = kt x， kt = dR/dxn R输出电阻值，x输入位移， kt灵敏度6滑动触点式变阻传感器直线位移型（图 4.1a）6滑动触点式变阻传感器滑动触点式变阻传感器n角位移型（图 4.1b）n R = kt， kt = dR / dn R输出电阻值， 输入角位移， kt灵敏度7滑动触点式变阻传感器角位移型（图 4.1b）7滑动触点式变阻传感器滑动触点式变阻传感器 导线均匀分布 kt为常数 线性传感器 非线性传感器：输出电压（电阻）与电刷行程之间呈非线性关系，可以实现三角函数、对数以及其它非线性函数的输出，如图 4.1cd所示。8滑动触
5、点式变阻传感器 导线均匀分布 kt为常数 线滑动触点式变阻传感器滑动触点式变阻传感器n传感器的负载效应（图4.2）当R1确定时，如何提高线性度9滑动触点式变阻传感器传感器的负载效应（图4.2）当R1确定时应变式传感器应变式传感器n电阻应变传感器是将应变量输入转换为电阻（变化）量的输出。n当金属电阻丝受拉压时，其长度、截面积、电阻率都发生变化： R = L / A，dR = A (dL + Ld) LdA / A2n推导得出：dR/R = ( 1+2+1 E ) ， 单位应变= dL/L，材料泊松比，纵向压阻系数1 ，材料的弹性模量E10应变式传感器电阻应变传感器是将应变量输入转换为电阻（变化）
6、量电阻式温度计电阻式温度计n纯金属及大多数合金的电阻率随温度的增加而？n铂的电阻率稳定、线性范围宽（图4.11）n常温下铂电阻温度计可检测到10-4 C量级的温度变化。Rt：温度为t时的电阻值R0：温度t0度时的电阻值：温度系数0.0039/11电阻式温度计纯金属及大多数合金的电阻率随温度的增加而？R电阻式温度计电阻式温度计n电阻温度计的结构（图4.12）12电阻式温度计电阻温度计的结构（图4.12）12选择和使用电阻式温度计注意事项n选用：密封可用于测量腐蚀性液体，但动态响应慢；开口的相反；固体表面测温传感器的的结构要薄。n使用：电流要小，防止自发热现象。13选择和使用电阻式温度计注意事项选
7、用：密封可用于测量腐蚀性液体热敏电阻热敏电阻n热敏电阻（图4.14）是一种具有较大负温度系数的半导体温度传感器，且其特性曲线呈现非线性。n热敏电阻的灵敏度为 150/ C 20/ C ，比热电偶和电阻温度计高得多，但其不如铂电阻温度计那样具有稳定性。如何使检测系统既具有高的灵敏度、又具有好的稳定性14热敏电阻热敏电阻（图4.14）是一种具有较大负温度系数的半导传感器基本参数传感器基本参数n传感器本身可以被认为是一个测量系统。传感器h(t)输入x(t)输出y(t) 一个传感器的输入量和输出的二次量之间的关一个传感器的输入量和输出的二次量之间的关系系传感器传感器特性曲线特性曲线。反应了传感器的信号
8、转换。反应了传感器的信号转换规律。规律。希望特性曲线是线性的，对于非线性系统需希望特性曲线是线性的，对于非线性系统需要进行补偿。要进行补偿。 对于传感器而言，我们需要根据输出和特性曲对于传感器而言，我们需要根据输出和特性曲线，计算出输入。线，计算出输入。 15传感器基本参数传感器本身可以被认为是一个测量系统。传感器h(传感器基本参数传感器基本参数n 当被测量是恒定的或变化缓慢的，无需对系统进行动态描述时，只须关注传感器的静态特性。n当测量的是快速变化的物理量时，需要用微分方程来描述传感器的特性，此时必须关注动态特性。n误差是传感器重要的参数之一。16传感器基本参数 当被测量是恒定的或变化缓慢的
9、，无需对系统进行测量误差nE=xm-x=指示值真值n修正值B（ xm-x）n误差有如下几种系统误差：系统本身造成的误差，包括传感器误差、信号处理误差、标定误差、负载误差等随机误差：具有0均值的测量误差过失误差：操作失误引起的误差n对于静态系统的系统误差，比较容易采用校正和补偿技术进行补偿。17测量误差E=xm-x=指示值真值17传感器的传感器的静态参数静态参数n线性度: Ymax/(YH-YL)_非线性误差, 也可用直线拟合的相关系数表示n精度:测量值和真实值的一致程度，反应系统误差和随机误差n灵敏度: K=dY/dXn分辨率:用数字化测量的字长来表示n稳定性：时间漂移、零点漂移、温漂等n重复
10、性:随机误差接近0的程度n迟滞和回差n零点稳定性n量程精度、灵敏度、分辨率的关系精度、灵敏度、分辨率的关系18传感器的静态参数线性度: Ymax/(YH-YL)_非线n传感器的选择:满足应用的需求抗干扰能力强稳定性好精度和线性度高动态响应快等等n性能与成本相关。19传感器的选择:19稍后稍后继续继续20稍后继续20介绍如下几类传感器n电感式传感器n电容式传感器n压电传感器n磁电式传感器n光电式传感器n气敏传感器n红外辐射检测n固态图像传感器n霍尔传感器21介绍如下几类传感器电感式传感器21电感式传感器电感式传感器n利用电磁感应原理，将被测非电量（位移变化)转换为电磁线圈的自感量或互感量的变化。
11、n电磁传感器按其不同转换方式常分为自感式（可变磁阻、涡流式、磁弹性）和 互感式（差动变压器式、压磁互感式 ）两类。22电感式传感器利用电磁感应原理，将被测非电量（位移变化)转换为电感式传感器电感式传感器n可变磁阻式传感器：自感 L = W 20A0 / 2n适于测量小位移0.0011mm（在小范围内有线性关系）23电感式传感器可变磁阻式传感器：自感 L = W 20A0 电感式传感器电感式传感器n可变磁阻式面积型电感传感器，其L 与 A0成线性关系。n可变磁阻式螺线管电感传感器，铁芯在线圈中运动时，可认为是有效 W 变化，引起 L 变化。 （图4.16）24电感式传感器可变磁阻式面积型电感传感
12、器，其L 与 A0成线性电感式传感器应用电感式传感器应用n用于确定磁性材料上非磁性涂覆层的厚度（图4.17b）25电感式传感器应用用于确定磁性材料上非磁性涂覆层的厚度（图4.电感式传感器应用电感式传感器应用n测量高压蒸汽管中阀的位置（图4.17c）26电感式传感器应用测量高压蒸汽管中阀的位置（图4.17c）26电感式传感器电感式传感器n磁弹性测力传感器：在外力作用下铁磁体（铁镍合金）产生弹性变形，使其磁导率发生改变，引起自感变化。n测量范围约103N106N （图4.37）27电感式传感器磁弹性测力传感器：在外力作用下铁磁体（铁镍合金）涡流式电感传感器涡流式电感传感器当金属导体置于变化着的磁场
13、中或在磁场中运动时，金属导体的内部会产生自身闭合的感应电流涡流。涡流产生的交变磁通使线圈等效阻抗发生变化，变化程度与距离、导体电阻率和磁导率、线圈激磁电流频率有关。（图4.18）改变可测量位移和振动；改变和可测量材质变化或用于无损检测。原理和计算在涡流检测部分详细介绍问题：当导体接近线圈时，其电感如何变化？电感式传感器测量铁磁材料，涡流传感器测量导电材料28涡流式电感传感器当金属导体置于变化着的磁场中或在磁场中运动时涡流式电感传感器涡流式电感传感器n涡流式电感传感器的测量电路一般有：阻抗分涡流式电感传感器的测量电路一般有：阻抗分压式调幅电路和调频电路。（压式调幅电路和调频电路。（图4.2123
14、 ）n调幅电路：检测电压变化调幅电路：检测电压变化 29涡流式电感传感器涡流式电感传感器的测量电路一般有：阻抗分压式导体接近线圈时，其电感变化，阻抗变化，输出电压变化。用谐振电路可使微小的感抗变化引起较大的输出电压变化30导体接近线圈时，其电感变化，30调频电路：调频电路：通过反馈使输出电压最大，检测频率变化。通过反馈使输出电压最大，检测频率变化。31调频电路：31涡流式电感传感器应用涡流式电感传感器应用n高频(兆赫)反射式涡流传感器用于测量位移、振动等n低频（音频）透射式涡流传感器多用于测厚，如下图（图4.20）。32涡流式电感传感器应用高频(兆赫)反射式涡流传感器用于测量位移电感式传感器电感式传感器n涡流传感器的应用实例（图4.24）33电感式传感器涡流传感器的应用实例（图4.24）33互感式电感传感器互感式电感传感器n e12 = M di /dt ，互感M的大小与两线圈间相对位置及周围介质磁导率等有关。 可将被测位移或角度转换成线圈互感的变化。 （图4.29）34互感式电感传感器 e12 = M di /dt ，互感M互感式电感传感器次级常采用两个次级常采用两个线圈接成差动形线圈接成差动形式式差动变压差动变压器型传感器器型传感器。（图（图4.304.30）35互感式电感传感器次级常采用两个线圈接成差动形式差动变压器
