第四章 常用传感器与敏感元件ppt

2. 传感器的分类
(1)按被测物理量分类: (1)按被测物理量分类: 按被测物理量分类 位移传感器,流量传感器,温度传感器等. 位移传感器,流量传感器,温度传感器等. (2)按传感器元件的变换原理分类 按传感器元件的变换原理分类: (2)按传感器元件的变换原理分类:
物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. 物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. 例如:水银温度计,压电测力计. 例如:水银温度计,压电测力计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 结构型: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. 例如:电容式和电感式传感器.
电阻式,电容式,电感式,压电式、光电式等. 电阻式,电容式,电感式,压电式、光电式等.
(3)按传感器的能量传递方式分类: (3)按传感器的能量传递方式分类: 按传感器的能量传递方式分类
能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 能量转换型: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. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. 例如:电阻应变片. 例如:电阻应变片.
3) 结构
（a）金属丝式 （b）金属箔式
基底； 敏感栅； 盖片； 1－ 基底；2－ 敏感栅；3－ 盖片；4－ 引线
栅长
又称格距，一般l 又称格距，一般l＝2～3mm。栅长小的应变片横向效 3mm。 应严重，粘贴和定位较困难， 应严重，粘贴和定位较困难，所以常选用栅长大的 应变片。栅长小的应变片主要用于应变变化梯度大、 应变片。栅长小的应变片主要用于应变变化梯度大、 频率高、粘贴面受限的场合。 为栅宽，通常10mm 10mm。 频率高、粘贴面受限的场合。a为栅宽，通常10mm。
ER
欲消除温度的影响，常用的方法是进行补偿。
应变片沾贴
确定贴片位置 打磨 划线 表面处理 贴片 固化 引线 防护处理
4.3 电容式传感器
1.变换原理 将被测量的变化转化为电容量变化 变换原理: 变换原理 两平行极板组成的电容器,它的电容量为: 两平行极板组成的电容器,它的电容量为:
ε
+ + +
C =
C=
ε A δ
A
ε rε 0 A
d
δ
当被测量δ、 或 发生变化时 都会引起电容的变化。 发生变化时， 当被测量 、 A或 ε发生变化时 ， 都会引起电容的变化 。 如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数， 如果保持其中的两个参数不变， 而仅改变另一个参数， 就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。 就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。
(1)
金属应变片（ 不变） 金属应变片（ρ不变）
dR = (1 + 2υ )ε R S = 1.7 3.6
(2)
金属应变计
半导体应变片（ 变化） 半导体应变片（ρ变化）
半导体应变计
dR = λ Eε R S = 60 170
应变计
2) 金属应变计
• • • • • 金属应变计有: 金属应变计有 丝式和 箔式 优点:稳定性和温度 优点 稳定性和温度 特性好. 特性好 缺点:灵敏度系数小 灵敏度系数小. 缺点 灵敏度系数小
能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测. 能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测. 例如:超声波发生器和接受器. 例如:超声波发生器和接受器.
3. 传感器的性能要求
• • • • •
足够的容量 匹配性好， 匹配性好，转换灵敏度高 精度适当， 精度适当，稳定性高 反应速度快， 反应速度快，工作可靠性高 适应性和适用性强
1 2 3
3
α
1
2
(a)
(b)
1、3－分别是电容器的两个极板；2－不导电的液体介质
1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度 2.位移，移动，位置，膨胀 3.挠度，变形，波动，倾斜 4.尺寸，公差，分选，零件识别 5.冲击，应变，轴向振动 6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心
4.4 电感式传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理， 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量 转化为电感量的一种装置。 转化为电感量的一种装置。 分类: 分类
温度特性
1 温度对敏感栅电阻值的影响
T
设测试过程中被测试件的温度变化为∆T，则由此 所引起敏感栅电阻值的变化∆R 为： ∆RT = Rγ t ∆T ∆R 式中： —温度变化引起敏感栅电阻值的变化； R —应变片电阻； γ t —应变片的电阻温度系数； ∆T —测试过程中被测试件的温度变化值。 电阻值的变化折算成相应的应变值为：
金属丝式: 敏感栅常用直径20μm 30μm的康铜或镍铬 20μm～ 金属丝式: 敏感栅常用直径20μm～30μm的康铜或镍铬 合金曲折绕成栅状后贴在由浸渍过绝缘材料的纸或合成 有机聚合物的基底上。 横向效应比较明显。 有机聚合物的基底上。缺点：横向效应比较明显。 金属箔式:敏感栅通常是用光刻法在厚度仅为1μm～ 金属箔式:敏感栅通常是用光刻法在厚度仅为1μm～ 1μm 10μm的金属箔片上刻制而成 如此， 的金属箔片上刻制而成。 10μm的金属箔片上刻制而成。如此，不仅可制造出可满 足各种不同测试要求的形状复杂的应变片（如图3 足各种不同测试要求的形状复杂的应变片（如图3-5所 ），而且刻制出的线条均匀 尺寸精度高， 而且刻制出的线条均匀、 示），而且刻制出的线条均匀、尺寸精度高，适于大批 量制造。 量制造。
4.2 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种传感器 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器
l R=ρ A
•按工作的原理可分为 按工作的原理可分为: 按工作的原理可分为
电阻应变式 变阻器式 热敏式 光敏式 电敏式
电阻应变式传感器--应变片 电阻应变式传感器 应变片 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变 金属电阻应变片的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， 效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电 阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短 伸长或缩短)的变化而发生变 阻值随着它所受机械变形 伸长或缩短 的变化而发生变 化的现象。 化的现象。
Ec =
= C1 + E c L 2πL0ε 0 2πε 0 (ε r1 − 1)
= R ln r + R ln r
R ln r
L
差动电容式 提高测试系统的灵敏度。 提高测试系统的灵敏度。 消除温升所带来的误差。 消除温升所带来的误差。
容栅式 护大测量范围（量程） 护大测量范围（量程）
• (a)外形结构 (b)剖面图 • 1－矩形窗口，2－测量装置，3－金属带，4－发射电极，5－接收电极
弹性元件
将被测量转变为应变。 将被测量转变为应变。
应变计
3) 半导体应变计 • 体型 • 薄膜型 • 扩散型
• 优点：应变灵敏度大;体积小 能制成具有一定应变电阻的 优点：应变灵敏度大 体积小 体积小;能制成具有一定应变电阻的 元件. 元件 • 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。
2 分类
+
极距变化型; a) 极距变化型;
+ +
S = ε A0
b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型. b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型. 面积变化型
c) 介质变化型
平板平移式
∆A = b ⋅ ∆x
∆C =
ε 0ε r b
d
∆x = Ec ⋅ ∆x
Ec =
ε 0ε r b
1) 工作原理
金属应变片的电阻R为 金属应变片的电阻 为
R=
ρl
A
dR =
dR R
dr r
∂R ∂l
R dl + ∂ρ d ρ + ∂R dA ∂ ∂A
2
A = π r → dA = 2π rdr
=
∂l l
dl l
+dρ来自ρ−2dρ
dr r
= −υ = −υε ,
dR R
ρ
= λσ = λEε
= (1 + 2υ + λ E )ε
第四章 常用传感器与敏感元件
主要研究内容： 主要研究内容： 1.了解传感器的分类 了解传感器的分类 2.常用传感器测量原理 2.常用传感器测量原理 3.传感器选用 传感器选用
4.1 概
述
1. 传感器 传感器(Sensor)定义 定义
传感器是能感受规定的被测量、 传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律 转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件 敏感元件和 转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和 转换元件组成 组成(GB766-87)。 转换元件组成 。 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， 狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信 号的器件或装置。 号的器件或装置。
d
圆柱平移式
2πε 0 ε r x C= ln( D / d )
2πε 0 ε r ∆C = ∆x = E c ⋅ ∆x ln( D / d )
2πε 0 ε r Ec = ln( D / d )
变间距式
C=
ε 0ε r A
d
1 =K d
变介质式
2πLε 0 ε r1 2π ( L0 − L)ε 0 2πε 0 L0 C= + C1 = R R R ln ln ln r r r 2πε 0 (ε r1 − 1)