第3章常用传感器与敏感元件

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1、第三章 常用的传感器与敏感元件 3.1 概述3.2 机械式传感器 3.3 电阻式传感器3.4 电感式传感器3.5 电容式传感器3.6 压电式传感器3.7 其他传感器 3.9 传动器的选用原则返 回绪 论工程测量中通常把直接作用于被测量，并能按一定方式将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器传感器。由于传感器处于测量装置的输入端，是测试系统的第一个环节，其性能直接影响整个测试系统，对测试精度至关重要。深入研究传感器类型、原理和应用，研制开发新型传感器，对于科学技术和生产工程中的自动控制和智能化发展，以及人类观测研究自然界事物的深度和广度都有重要实际意义。第一节 常用传感器分类 工程中常用传

2、感器的种类繁多，往往一种物理量可用多种类型的传感器来测量，而同一种传感器也可用于多种物理量的测量。 传感器有多种分类方式。按被测物理量的不同，可分为位移传感器、力传感器、温度传感器；按传感器工作原理的不同，可分为机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器等。按信号变换特性也可概括分为物性型传感器与结构型传感器；根据敏感元件与被测对象之间的能量关系，也可分为能量转换型与能量控制型传感器；按输出信号分类，可分为模拟式传感器和数字式传感器等。 物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。例如，水银温度计、压力测力计等。 结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现

3、信号转变的。例如，电容式传感器、电感式传感器等。 能量转换型传感器，也称无源传感器，是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。 能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给能量使传感器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。电阻温度计、电容式测振仪等。第二节 机械式传感器及仪器一、工作原理： 以弹性元件作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出则为弹性元件本身的弹性变形。详见图 3-3。二、 特点及应用 优点优点：机构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等特点。 缺点缺点：弹性变形不宜大，以减少线性误差。放大和指示环节多为机械传动

4、，不仅受间隙影响，而且惯性大，固有频率低，适于检测缓变或者静态被测量。 为了提高测量的频率范围，可先用弹性元件将测量转换成位移量，然后用其他形式的传感器将位移量转换成电信号输出。被测量弹性元件变形（位移）敏感元件电信号第三节 电阻、电容与电感式传感器1、电阻式传感器2、电容式传感器工作原理： 变阻器式传感器它通过改变电位器触头位置，实现将位移信号转换成电阻R的变化。其表达式为 当导线分布均匀是，k1为一常数，传感器的输出与输入成线性关系。1kdxdRS一、电阻式传感器1、变阻器式传感器AlR1）直线位移型：xkR1传感器的灵敏度：)1)(pLPpeoxxRRxxuu2）回转式型：其灵敏度为：k

5、ddRS式中：电刷转角（rad）；k单位弧度所对应的电阻值。 变阻器式传感器的后接电路，一般采用电阻分压电路，传感器的输出电压uo可用下式计算：（3-3）3)3)变阻式传感器的变阻式传感器的性能特点：性能特点： 优点：结构简单，性能稳定、使用方便； 缺点：分辨力不高。4 4）适用场合：）适用场合： 主要应用于线位移、角位移等的测量。 式（3-3）表明，只用当RP/RL0，输出电压uo才与位移成现行关系。（1）金属电阻应变片 常见金属电阻应变片有丝式、箔式两种。工作原理基于应变片发生机械变形时，其阻值发生变化。 由于电阻值R=l/A,其长度l、截面积A、电阻率均将随电阻丝的变化而变化。当其中任意

6、可变因素分别有增量时，所引起的电阻增量为：2、电阻应变式传感器 电阻应变式传感器可以用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。具有体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便等优点。dRdAARdllRdR（3-4）式中A=r2，r为电阻丝半径，则电阻的相对变化为：Ed 式中 dl/l=电阻丝轴向相对变形，或称为纵向应变； d/电阻丝电阻率的相对变化，与电阻丝轴 向所受的正应力有关。drdrldlRdR2其中 E电阻丝材料的弹性模量；压阻系数，与材质有关；dr/r电阻丝径向相对变形，或称为横向应变。（3-5）（3-6）当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向收缩，两者的关系为：ldlrdr)21 (2EE

7、RdR 式中电阻丝材料的泊松比； E项则是由于电阻率随应变的改变而引起的， 对于金属丝来说，E是可以忽略的。（3-7）（3-8）)21 ( RdR（3-9）式（3-9）表明电阻相对变化率与应变成正比。一般用比值Sg表征电阻应变片的应变或灵敏度常数21/ldlRdRSg（3-10） 灵敏度Sg多在1.73.6之间，常见电阻丝材料物理性能见表3-2。（2）半导体应变片工作原理： 基于半导体材料的压阻效应。所谓的压阻效应是指单晶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。ERdRERdRSg/ 对于半导体而言，E远远大于项（1+2）项，它是半导体应变片的主要部分，故式（3-8）可简化为：半

8、导体应变片灵敏度： 金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于： 前者是利用导体形变引起电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。 半导体应变片最突出的优点是灵敏度高，另外，由于机械滞后小，横向效应小以及体积小等特点，扩大了半导体应变片的使用范围。其最大缺点是温度稳定性能差、灵敏度离散度大以及在较大应变作用下，非线性误差大。（3-11）（3-12）1、变换原理 电容式传感器是将被测物理量转换成电容量变化的装置，它实质上是一个具有可变参数的电容器。二、 电容式传感器由两个平行板极组成的电容器其电容量C(F)AC0(3-13)式中 板极间介质的相对介电常数，在空气中=1； 0真空中介电常

9、数，0=8.8510-12F/m； 板极间距离（m）；A 板极面积（m2）。 式（3-13）表明，当被测量使、A或发生变化时，都会引起电容C的变化。 根据电容器变化的参数，电容器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三类。（1）极距变化型 根据式（3-13），如果电容器的两极板相互覆盖面积A及极板间介质不变，则电容量C与极距呈非线性关系。当极距有一微小变化量d时，引起电容的变化量dC时，引起电容的变化量dC为dAdC201由此得传感器的灵敏度：201AddCS图图3-12 极距变化型电容传感器及输出特性极距变化型电容传感器及输出特性 a）极距变化）极距变化 b）输出特性）输出特性 灵敏度S与

10、极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高。为了减少误差，通常规定在较小的间隙变化范围内工作，以便获得近似线性关系。一般极距变化范围约为/ 0 =0.1。 在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件的变化对测量精确度的影响，常常采用差动式。工作特点：工作特点： 可用于进行动态非接触式测量，对被测系统的影响小，灵敏度高，适用于较小位移（0.01m数百微米）的测量。 这种传感器具有非线性特性、散杂电容对灵敏度和测量精确度有影响，电路复杂。（2）面积变化型在变换极板面积的电容传感器中，一般常见的有角位移型、线位移型两种。 角位移型传感器：角位移型传感器：式中：覆盖面积对应的中心角；

11、r极板半径。22arA 电容量：灵敏度：220arC =常数该类传感器的输出与输入成线性关系。220rdadCS图图3-13 角位移型角位移型bxC0线位移型传感器：线位移型传感器： 电容量：式中 b极板宽度。0bdCSdx 常数)/(20dDInxC灵敏度：圆柱体线位移型传感器 电容量：式中 D圆筒半径；d圆柱半径。图图3-13 平面线位移型平面线位移型图图3-13 柱体线位移型柱体线位移型 面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。 （3）介质变化型 这是利用介质介电常数变化将被测量转换成电量的一种传感器，可用来测量电