第三章 常用传感器3

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1、第三章、常用传感器及敏感元件 本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.2.掌握常用传感器测量原理及应用掌握常用传感器测量原理及应用3.3.了解常用传感器测量电路了解常用传感器测量电路第一节 概述1.1.传感器定义传感器定义传感器传感器(sensor)(sensor)是直接作用于被测量，并按一定是直接作用于被测量，并按一定规律将一种形式的信息转换成另一种信息的规律将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。装置。狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。成电信号的装置。被测量被测量传感器传感器（器件、装置（器

2、件、装置）输出量输出量易检测、处理易检测、处理多为电学量多为电学量非电量非电量被测非被测非电量电量电量电量传 感 器2. 传感器的构成敏感器件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。的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。转换元件：转换元件：感受敏感元件的输出，然后输出电学量感受敏感元件的输出，然后输出电学量辅助器件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，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。以便于后续仪表接入。另一种另一种非电量非电量敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助器件辅助器件 R1R2R4R3EAB3. 分类分类(1)(1)

3、按被测物理量来分按被测物理量来分位移传感器位移传感器 速度传感器速度传感器 温度传感器温度传感器 (2)(2)按传感器工作的物理原理来分按传感器工作的物理原理来分机械式机械式 电气式电气式辐射式辐射式 流体式流体式 (3)(3)按信号变换特征来分按信号变换特征来分物性型物性型 结构型结构型 (4)(4)按按传感器的能量转换传感器的能量转换情况情况来分来分能量转换型能量转换型 能量控制型能量控制型 (5)(5)按输出信号来分：按输出信号来分：模拟式和数字式模拟式和数字式 所谓所谓物性型传感器物性型传感器，是利用敏感器件材料本身物理性质的变，是利用敏感器件材料本身物理性质的变化来实现信号的检测。例

4、如，用水银温度计测温。是利用了水银化来实现信号的检测。例如，用水银温度计测温。是利用了水银的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的热胀冷缩的现象；用光电传感器测速，是利用了光电器件本身的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应的光电效应；用压电测力计测力，是利用了石英晶体的压电效应等。等。 所谓所谓结构型传感器结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的变化来，则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生实现信号转换的。例如，电容式传感器，是通过极板间距离发生变化而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位变化

5、而引起电容量的变化；电感式传感器，是通过活动衔铁的位移引起自感或互感的变化等。移引起自感或互感的变化等。 物性型与结构性物性型与结构性 能量转换型与能量控制型能量转换型与能量控制型能量转换型传感器能量转换型传感器 (或称或称)，是直接由被测对象，是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转输入能量使其工作的。例如，热电偶将被测温度直接转换为电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收换为电量输出。由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量，容易造成测量误差。被测物体的能量，容易造成测量误差。 能量控制型传感器能量控制型传感器 (或称或称)，是从外部供给辅助，是从外部供

6、给辅助能量使传感器工作的，并由被测量来控制外部供给能量能量使传感器工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工的变化。例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由被测量变化所引起的电阻变化作能源由外部供给，而由被测量变化所引起的电阻变化去控制电桥输出。去控制电桥输出。第二节 机械式传感器 工作原理：工作原理：以弹性体作为传感器的敏感元件，对力、压力、温度等物理量进行测量，而输出弹性元件本身的弹性变形，经放大后成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。 机械式传感器 特点特点 优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观； 缺

7、点：弹性变形不宜大，放大和指示环节都是机械传动，宜受间隙影响，惯性大、固有频率低 应用应用：用于检测缓变或静态被测量 提高测量频率范围的方法提高测量频率范围的方法 被测量 变形（位移） 电信号弹性元件其他传感器第三节第三节 电阻、电容、与电感式传感器电阻、电容、与电感式传感器一、电阻式传感器一、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是把被测量转换为电阻变化电阻变化的一种传感器的一种传感器.按其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。按其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。 1 变阻器式传感器变阻器式传感器结构组成：骨架，电阻元件（线圈等），电刷电刷可直线也可旋转运动直线位移型直线

8、位移型角位移型角位移型其中，其中， 电阻率；电阻率； l 导体长度；导体长度； A 导体截面积。导体截面积。 AlR导体电阻公式：导体电阻公式：（ ）当电阻丝直径和材质当电阻丝直径和材质一定时，一定时，Rl 直线位移型直线位移型 如图，当改变触点如图，当改变触点C的的位置时，位置时，AC间电阻值：间电阻值： x CxABCRxkl：单位长度内的电阻值。：单位长度内的电阻值。1、变阻器式电阻传感器变阻器式电阻传感器原理：原理：它通过改变电位器触头位置，把它通过改变电位器触头位置，把位移位移转换为转换为电阻的电阻的变化变化。Rx=(R/L)x=KLx当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线

9、性关系。当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。 传感器灵敏度：传感器灵敏度：（ /m） 角位移型角位移型 （ /rad） kR kddRs ： 角位移；角位移； k ：单位弧度对应：单位弧度对应 的电阻值。的电阻值。传感器灵敏度：传感器灵敏度：1 1、变阻器式电阻传感器、变阻器式电阻传感器)1)(pLppoyxxRRxxuux R U 变阻式传感器 电路 变阻器的总电阻 变阻器的总长度 后接电路的输入电阻 LRpxpRPLRR 输入输入(位移位移)和输出成线性关系和输出成线性关系只有 时 xxuupoy优点；结构简单，性能较稳定，优点；结构简单，性能较稳定，使用方便。使用方便

10、。 缺点；受阻经直径影响，分辩率缺点；受阻经直径影响，分辩率不高，运用检测精度不高的场合，不高，运用检测精度不高的场合，噪声大噪声大.pyxudxdus0=常数 0 x 100%100%Output0应用：被用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于应用：被用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等伺服记录仪器或电子电位差计等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分为电阻应变式传感器分为金属金属电阻应变片式与电阻应变片式与半导体半导体应变片式两类应变片式两类 .R应变式传感器是基于测量物体受力所产生应变的一种传感器 金属电阻应变片金属电阻应变片结构组成：基片

11、，电阻丝（片），覆盖层，引出线金属电阻应变片的金属电阻应变片的工作原理工作原理是基于金属是基于金属导体的导体的应变效应应变效应，即金属导体在外力作，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发的变化而发生变化的现象。生变化的现象。 丝式：丝式：敏感栅由金属电阻丝绕制而成。敏感栅由金属电阻丝绕制而成。箔式：箔式：敏感栅由金属电阻箔采用光刻技术制造。敏感栅由金属电阻箔采用光刻技术制造。AlR根据 长度为L，截面积为A，电阻率为， 如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，其长度L变化dL，截面积A变化dA，