第三章常用传感器与敏感元件.

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1、1 1、传感器定义、传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 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信因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号转换成电信号的装置。 2 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。敏感器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。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

2、是对敏感器件输出的电信号进行放大、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。阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 dV敏感元件：被测非电量其他形式信号 （易于转换成电量:形变）变换元件：非电量电量（电阻、电感、电容等)辅助元件：信号调节与转换等。3、传感器、传感器的作用的作用变换变换作用：将非电量变换成电量。作用：将非电量变换成电量。传感器是测试系统中的第一个环节，它具有两个作用：传感器是测试系统中的第一个环节，它具有两个作用：敏感敏感作用：感受物理量的变化，以完成对被测信号的拾取。作用：感受物理量的变化，以完成对被测信号的拾取。对应这两个作用，传感器一般由两部分对应

3、这两个作用，传感器一般由两部分组成，即敏感元件与变换元件，二者有组成，即敏感元件与变换元件，二者有时很容易分开，有时合二为一。时很容易分开，有时合二为一。1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力, , 压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速风速, ,流速流速, , 流量流量; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量

4、, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩表5-1传感器按被测量分类被测量类别被测量热工量温度、热量、比热容；压力、压差、真空度；流量、流速、风速机械量位移(线位移、角位移)、尺寸、形状；力、重量、力矩、应力；质量；转速、线速度；振动幅值、频率、加速度、噪声物性和成分量气体化学成分、液体化学成分；酸碱度(pH值)、盐度、浓度、黏度、密度、相对密度状态量颜色、透明度、磨损量、材料内部裂纹或缺陷、气体漏泄、表面质量 机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .2)2)按工作原理分类按工作原理分类: :3)3)按信号变换特征分类按信号变换特征分类: :物性型物

5、性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计、水银温度计、压电测力计压电测力计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .4)4)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: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压电式加速度计. .能量控制型能量控

6、制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .(5) (5) 按输出信号分类按输出信号分类 模拟式传感器：模拟式传感器：输出量为连续变化的模拟量输出量为连续变化的模拟量 （I(tI(t) )，V(tV(t) )） 数字式传感器：数字式传感器：输出量为数字量输出量为数字量 （数字量，频率量）（数字量，频率量）以以作为传感器的敏感元件作为传感器的敏感元件输入量：力、压力、温度等输入量：力、压力、温度等输出量：弹性元件的弹性变形（或应变）输出量：弹性元件的弹性变形（或应变）仪表指针的偏转放大温度计

7、压力计（用于测量流体压力，波纹膜片、波纹管）测力计（用于测力或称重，环形测力计、弹簧秤）典型机械式传感器u结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直 观等。u弹性变形不宜大，以减小线性误差。u由于放大指示环节多为机械传动，不仅受间隙影 响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓 变和静态被测量。u提高测量的频率范围，可采用：u应用弹性元件时，应从结构设计、材料选择、处理工艺等方面采取措施，减小蠕变、弹性后效等现象对输入输出线性关系的影响。被测量位移电信号输出弹性元件其他形式传感器如电阻、电容、电涡流等一、电阻式一、电阻式传感器传感器 电阻式电阻式传感器传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感是

8、把被测量转换为电阻变化的一种传感器器, ,按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :变阻器式、电阻应变式。变阻器式、电阻应变式。1 1 、变阻器、变阻器式传感器式传感器 (1) (1) 工作原理工作原理根据导体的电阻R与其电阻率及长度l成正比、与截面积A成反比的关系，即由被测物理量(如压力、温度、流量等)引起式中 ，l，A中任一个或几个的变化来使电阻R改变的原理构成。 AlR若移动x，B点和A点间的电阻值灵敏度 单位长度的电阻值xkRllkdxdRSlk若电刷转角，C点和A点间的电阻值灵敏度 单位弧度对应的电阻值 kR kddRSk)1)(pLPpeoxxRRxxuu成线性关系与位移时当xux

9、xuuRRopeoPL,pxouxLReu：电阻分压电路变阻器式传感器变阻器式传感器：结构简单、性能稳定、可靠，但精度低，动态响应差。且结构简单、性能稳定、可靠，但精度低，动态响应差。且由于磨损与尘埃等，引起接触电阻变化，引入噪声。由于磨损与尘埃等，引起接触电阻变化，引入噪声。适合于适合于测量变化较缓慢的量。测量变化较缓慢的量。 ：可用来测线位移、角位移及可变成位移的物理量。可用来测线位移、角位移及可变成位移的物理量。2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片工作原理：工作原理： 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，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的

10、变化而发生变化的现象。 电阻应变片的种类： 1） 金属电阻应变片（基于金属导体的“电阻应变效应”）有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。 2） 半导体应变片（基于半导体材料的“压阻效应”） 半导体应变片分为体型、薄膜型和扩散型三大类。 (a) 丝式应变片 (b) 箔式应变片1）金属电阻应变片工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数金属应变片的电阻为金属应变片的电阻为AlR/dAldAAldlAdR2代入代入AlR/dRAdARldlRdRdAdAldlRdR有：有：金属丝：金属丝：2rAdrdrldlRdR2金属丝体积不变：金属丝体积

11、不变：横向应变纵向应变ldlrdr：电阻丝材料的泊松比有：有：dRdR2对金属材料，对金属材料，电阻应变效应是主要的。由于压阻系数很小，电阻率的变化可以忽略不计)21(RdR金属丝应变片：金属丝应变片：电阻相对变化率与应变成正比电阻应变片的灵敏度21ldlRdRSg2）半导体应变片对于半导体材料来说，其压阻效应远大于其应变效应dRdRE半导体应变片的灵敏度ERdRSg半导体应变片有体型、薄膜型和扩散型三种(a) 体型 (b) 薄膜型 (c) 扩散型u金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：前者利用导体形变引起电阻变化后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化u和金属电阻应变片相比，半导体应变片具有