chapter3 常用传感器和敏感元件new(1)
合集下载
常用的传感器与敏感元件
·电测法：在框架弹簧上贴应变片以弹簧应变来折 算力的大小
握力器
指针式弹 簧秤
弹簧 秤
2） 压力计
弹性
弹性
元件
弹性
元件
元件
·机测法：压力推动膜片、经杠杆放大显示，或压力 使波登管伸直，经杠杆齿轮放大
·电测法：压力推动膜片、使应变片变形输出⊿R， 或波登管变形使应变片变形输出⊿R
3）温度计
由两温度膨胀系数不同的金属组成的双金属片, 当温度
2r
r) (R1
R2
2r)
2
2r 3
(R2
r ) (R1
R2
2r)
2r 3
R2 (R1
R2 )
S0
dR
d
2r 3
R2 (R1
R2 )
k
(常数)
线性特征
上海科技馆的“通过CT了解人体结构”展项中， 人体移动的位移测量采用电阻式传感器
我们的 研究生 在现场 调试中
dR d E
R
• 优点：灵敏度大;体积小; • 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。
（3） 电阻应变片的选择与使用方法
电阻应变片的选择、粘贴技术
a).目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。
b).用数字万用表测量应变片电阻值 大小。同一电桥中各应变片之间阻值
变化时会发生弯曲。）
弹性
弹性
元件
元件
·机测：其挠度表示温度变化 ·电测：应变片受拉或压，输出⊿R
可见：弹性பைடு நூலகம்件的输入信号变换为自身的变形，将信息 传到后一级.
chapter3 常用传感器和敏感元件new
传感器的基本组成 被测量
敏感元件 转换元件 RLC 基本转换电路
电量
第3章 常用传感器和敏感元件
例：压力传感器：
兰州理工大学机电工程学院
基本转 换电路
电感线圈 磁芯
转换元件
大 气 压 输入P 被测量
敏感元件 转换元件
膜盒
敏感元件
壳体 RLC 基本转换电路
电量
第3章 常用传感器和敏感元件
兰州理工大学机电工程学院
3. 传感器的分类
1)按被测物理量分类 常见的被测物理量 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度 , 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速 , 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热.
第3章 常用传感器和敏感元件 2)按工作的物理基础分类:
电阻应变片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，其 电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发 生变化象。
3.3.1 电阻式传感器
兰州理工大学机电工程学院
1) 工作原理
金属应变片的电阻R为
R l / A
l
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
案例：桥梁固有频率测量
兰州理工大学机电工程学院
案例：电子称
原理 将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。
兰州理工大学机电工程学院
案例：冲床生产记数 和生产过程监测
兰州理工大学机电工程学院
案例：机器人握力测量
兰州理工大学机电工程学院
案例：振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打 洞、爆破等破坏行为均可及时发现。
代入
敏感元件 转换元件 RLC 基本转换电路
电量
第3章 常用传感器和敏感元件
例：压力传感器：
兰州理工大学机电工程学院
基本转 换电路
电感线圈 磁芯
转换元件
大 气 压 输入P 被测量
敏感元件 转换元件
膜盒
敏感元件
壳体 RLC 基本转换电路
电量
第3章 常用传感器和敏感元件
兰州理工大学机电工程学院
3. 传感器的分类
1)按被测物理量分类 常见的被测物理量 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度 , 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速 , 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热.
第3章 常用传感器和敏感元件 2)按工作的物理基础分类:
电阻应变片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，其 电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发 生变化象。
3.3.1 电阻式传感器
兰州理工大学机电工程学院
1) 工作原理
金属应变片的电阻R为
R l / A
l
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
案例：桥梁固有频率测量
兰州理工大学机电工程学院
案例：电子称
原理 将物品重量通过悬臂梁转化结 构变形再通过应变片转化为电 量输出。
兰州理工大学机电工程学院
案例：冲床生产记数 和生产过程监测
兰州理工大学机电工程学院
案例：机器人握力测量
兰州理工大学机电工程学院
案例：振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打 洞、爆破等破坏行为均可及时发现。
代入
第三章常用传感器与敏感元件介绍
AC C C C
f a c
i
U 0 q / C f
由上面证明可得到： 分布电容是可以忽略的，信号线的长度对测量的影响很小， 因此电荷放大器应尽量靠近A/D转换器
2018/10/21 12
人有了知识，就会具备各种分析能力， 明辨是非的能力。 所以我们要勤恳读书，广泛阅读， 古人说“书中自有黄金屋。 ”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识， 培养逻辑思维能力； 通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平， 培养文学情趣； 通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。 有许多书籍还能培养我们的道德情操， 给我们巨大的精神力量， 鼓舞我们前进。
第三章 常用传感器与敏感元件
第一节
常用传感器分类
第二节
第三节
电阻、电容与电感式传感器
压电式传感器
2018/10/21
1
第一节
一次仪表
常用传感器分类
传感器:把直接作用于被测量，能按一定规律将其转变成同种或别
种量值输出的器件
二次仪表 测量放大滤波电路, 显示装置等.
2018/10/21
2
器、力传感器、温度传感器等。
9
3、电感式传感器
变气隙型自感传感器
W L W Rm W2 L Rm
其中：W为线圈匝数， Φ为穿过每匝线圈的 磁通，Ψ为自感磁通 链
气隙g↑→总磁阻Rm↑→自感L↓→电流Ⅰ↑
2018/10/21
10
第三节 压电式传感器 压电式传感器定义：
是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，
是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。分为变阻器式和电阻 应变式两类。
电阻丝应变片
2018/10/21 4
中北大学3常用传感器与敏感元件
温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用；灵敏度 分散度大（由于晶向、杂质等因素的影响）；较大应变 下，非线性误差大。
20
第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
半导体应变式传感器 利用半导体材料的体电 阻制成粘贴式的应变片，其使用方法和电阻应 变片类似。
金属丝电阻应变片与半导体应变片传感器的区 别主要是：前者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的变化。
29
第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
结论：面积变化
型电容传感器的优点
是输出与输入成线性
关系，但与极板变化
型相比，灵敏度较低
，适用于较大角位移
及直线位移的测量。
30
第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
3. 介电常数变化型 电容传感器 大多用于测量 电介质的厚度、位移、 液位，还可根据极板 间介质的介电常数随 温度、湿度、容量改 变而改变来测量温度、 湿度、容量等。
l、 b、 ax—固定极板长、宽及被测物进入两极板中 的长度（被测值）；
r1、r2—内、外极筒的工作半径。 上述测量方法中，若电极间存在导电介质时，电极表 面应涂盖绝缘层（如涂0.1mm厚的聚四氟乙烯等），防止 电极间短路。
33
第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
3.4.2 测量电路
14
第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
金属电阻应变式传感器特点
①精度高，测量范围广； ②使用寿命长，性能稳定可靠； ③结构简单，体积小，重量轻； ④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量； ⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。
20
第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
半导体应变式传感器 利用半导体材料的体电 阻制成粘贴式的应变片，其使用方法和电阻应 变片类似。
金属丝电阻应变片与半导体应变片传感器的区 别主要是：前者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的变化。
29
第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
结论：面积变化
型电容传感器的优点
是输出与输入成线性
关系，但与极板变化
型相比，灵敏度较低
，适用于较大角位移
及直线位移的测量。
30
第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
3. 介电常数变化型 电容传感器 大多用于测量 电介质的厚度、位移、 液位，还可根据极板 间介质的介电常数随 温度、湿度、容量改 变而改变来测量温度、 湿度、容量等。
l、 b、 ax—固定极板长、宽及被测物进入两极板中 的长度（被测值）；
r1、r2—内、外极筒的工作半径。 上述测量方法中，若电极间存在导电介质时，电极表 面应涂盖绝缘层（如涂0.1mm厚的聚四氟乙烯等），防止 电极间短路。
33
第三章 常用传感器与敏感元件
3.4 电容式传感器
3.4.2 测量电路
14
第三章 常用传感器与敏感元件
3.3 电阻式传感器
金属电阻应变式传感器特点
①精度高，测量范围广； ②使用寿命长，性能稳定可靠； ③结构简单，体积小，重量轻； ④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量； ⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。
第三章常用传感器与敏感元件
发生变化。
DATE: 2019/11/26
PAGE: 22
§3-3 电阻式传感器
高电阻率的金属丝绕成栅形
DATE: 2019/11/26
PAGE: 23
§3-3 电阻式传感器
栅状金属箔片用光刻成型，线 条均匀，尺寸准确，阻值一致 性好，散热好，粘接好。
DATE: 2019/11/26
PAGE: 24
第二章 测试装置的基本特性 小结
基本特性： 静态特性、动态特性、负载特性、抗干扰特性；
特性是统一的，各种特性之间是相互关联的； 要求掌握：
1）基本特性的评价方法； 2）不失真测试的条件； 3）一阶、二阶系统动态特性及其测定方法。
DATE: 2019/11/26
PAGE: 1
本次课内容
第三章 常用的传感器与敏感元件 传感器定义 §3-1 传感器的分类 §3-2 机械式传感器 §3-3 电阻式传感器 金属电阻应变片 半导体应变片 §3-3 电容式传感器
DATE: 2019/11/26
PAGE: 2
第三章 常用的传感器与敏感元件
第一节 传感器的分类 第二节 机械式传感器及仪器 第三节 电阻、电容与电感式传感器 第四节 磁电、压电与热电式传感器 第五节 光电传感器 第六节 光纤传感器 第七节 半导体传感器 第八节 红外测试系统 第九节 激光测试系统 第十节 传感器的选用原则
PAGE: 15
§3-3 电阻式传感器
变阻器式传感器的后接电路，一般采用如下电阻分压电路：
u0 直流激励电压 uy传感器输出电压 xp变阻器总长度 Rp变阻器总电阻 RL测量电路输入电阻
DATE: 2019/11/26
PAGu0作用下，传感器输 入量x与输出量 uy之间 的关系：
DATE: 2019/11/26
PAGE: 22
§3-3 电阻式传感器
高电阻率的金属丝绕成栅形
DATE: 2019/11/26
PAGE: 23
§3-3 电阻式传感器
栅状金属箔片用光刻成型，线 条均匀，尺寸准确，阻值一致 性好，散热好，粘接好。
DATE: 2019/11/26
PAGE: 24
第二章 测试装置的基本特性 小结
基本特性： 静态特性、动态特性、负载特性、抗干扰特性；
特性是统一的，各种特性之间是相互关联的； 要求掌握：
1）基本特性的评价方法； 2）不失真测试的条件； 3）一阶、二阶系统动态特性及其测定方法。
DATE: 2019/11/26
PAGE: 1
本次课内容
第三章 常用的传感器与敏感元件 传感器定义 §3-1 传感器的分类 §3-2 机械式传感器 §3-3 电阻式传感器 金属电阻应变片 半导体应变片 §3-3 电容式传感器
DATE: 2019/11/26
PAGE: 2
第三章 常用的传感器与敏感元件
第一节 传感器的分类 第二节 机械式传感器及仪器 第三节 电阻、电容与电感式传感器 第四节 磁电、压电与热电式传感器 第五节 光电传感器 第六节 光纤传感器 第七节 半导体传感器 第八节 红外测试系统 第九节 激光测试系统 第十节 传感器的选用原则
PAGE: 15
§3-3 电阻式传感器
变阻器式传感器的后接电路，一般采用如下电阻分压电路：
u0 直流激励电压 uy传感器输出电压 xp变阻器总长度 Rp变阻器总电阻 RL测量电路输入电阻
DATE: 2019/11/26
PAGu0作用下，传感器输 入量x与输出量 uy之间 的关系：
第三章常用传感器与敏感元件优秀课件
第三节 电阻、电容与电感式传感器
一、电阻式传感器 电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。
按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。 1．变阻器式传感器
a）直线位移型 b）角位移型 c）非线性型
变阻器式传感器通过改变电位器触头位置，实现将位移 转换为电阻的变化。其表达式为
R l
A
▲直线位移型
结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转 变的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量 的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。
按敏感元件与被测对象之间的能量关系分：
能量转换型传感器与能量控制型传感器。
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。 在这种情况下，由于被测对象与传感器之间的能量交换，必 然导致被测对象状态的变化和测量误差。
优点：体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。
缺点：温度稳定性能差，在较大应变作用下，非线性误差大等。
应用：用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。
（2）半导体应变片
1—胶膜衬底 2—P-Si 3—内引线 4—焊接板 5—外引线
工作原理:是基于半导体材料的压阻效应。
压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时， 原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度
的变化，从而引起电阻率 变化的现象。
x RL
xp
优点：是结构简单、性能稳定、使用方便。 缺点：是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。
应用：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。 2．电阻应变式传感器 电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式 两类。 （1）金属电阻应变片 工作原理：应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。
常用传感器和敏感元件-基础知识
铂＞铱＞钯＞银. 但太贵。
ⅳ）延展性、抗拉强度好：绕线时不易拉断；
实现信号变换.如:水银温度计. 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.
常用传感器和敏感元件-基础知识
§3.2 机械式传感器及仪器
一 工作原理
常用传感器和敏感元件-基础知识
. 机械量 弹性 变形
元件
机械 放大 几何量 指示 机测
传感 元件 电量
电测
中间
记录
变换
常用传感器和敏感元件-基础知识
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量;
声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩
常用传感器和敏感元件-基础知识
2)按工作的物理基础分类: 机械式,电气式,光学式,流体式等.
常用传感器和敏感元件-基础知识
常用传感器和敏感元件-基础知识
§3.3 电阻式、电容与电感式传感器 一 电阻式传感器 二 电阻应变式传感器 三 电容式传感器
常用传感器和敏感元件-基础知识
一、 电阻式传感器
1. 变阻器式传感器
p73 图 3-5
1) . 工作原理
R l （）
A
电阻率（.mm2 / m）
其中
l
电阻丝长度（m）
3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 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. 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.
常用传感器和敏感元件-基础知识
4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来
常用的传感器与敏感元件(1)
(R2
r ) (R1
R2
2r)
2r 3
R2 (R1
R2 )
S0
dR
d
2r 3
R2 (R1
R2 )
k
(常数)
线性特征
29
上海科技馆的“通过CT了解人体结构”展项中， 人体移动的位移测量采用电阻式传感器
我们的 研究生 在现场 调试中
30
c. 非线性型电阻式传感器的灵敏度
R l W 2kx x 2kx
二是变换作用：被测信号转换成易于 检测和处理的电信号
5
机械信号
可转换的信号
电信号 辐射信号（光波超声波红外波）
流体信号
6
（3） 传感器的性能要求
• 足够的容量 • 匹配性好，转换灵敏度高 • 精度适当，稳定性高 • 反应速度快，工作可靠性高 • 适应性和适用性强
7
2. 传感器的构成
传感器由敏感器件与辅助器件组成。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。 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。
在常态下二簧片靠弹性力，处于断开状态。 当管道中铁块经过簧片附近时。簧片被磁化而贴合，成为接 通状态。 （3）. 用途 自动计数，产品质量检验。
19
三、机械式传感器的特点
优点：结构简单，读数直观，使用方便，价格低廉。 缺点：固有频率低，惯性大，使得应用限于静态或低频。
A( )
A( )
较大
n 较小
自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管 型三种类型。 一、自感式电感传感器的工作原理
（一）变间隙型电感传感器 变间隙型电感传感器的结构示意图如图5-1所示。
66
传感与测试技术-常用的传感器与敏感元件
的主要通道，在雷击造成的强大电流和热 能，会严重损坏空速管。因此空速管必须 通过雷电防护测验。
第三节 电阻、电容与电感式传感器
一、电阻式传感器：是一种把被测量转 换为电阻变化的传感器。按工作原 理分为
变阻器式
电阻应变式
一、电阻式传感器
1.变阻器式传感器：通过改变电位器触头位置， 实现将位移转换为电阻的变化。 工作原理 R l
升降速度表
测量飞机高度变化快慢。膜 盒内腔经一个粗的传压管与 空气静压相通，而膜盒的外 部（即仪表内腔）通过一毛 细管也与空气静压相连。这 样,当飞机上升或下降时,膜 盒内腔压力基本上随高度的 变化而变化,但膜盒外部即表 壳内的气压因受毛细管的阻 滞作用,变化缓慢,产生压力 差。
重要性
飞机在停场时进行了清洗工作，由于洗完 飞机后没有及时将为了防止空速管进水而 封堵的胶布拆除，在凌晨执行航班前又没 有被检查出来，飞机起飞离港后由于气压 高度指示出现问题，时高时低，飞行员无 法正确判断飞机高度，最终飞机坠入到大 海里，导致机毁人亡！
重要性
二战中日本海军发生的一次大丢颜面的“海军乙事件” （甲事件，就是著名的山本五十六事件）：1944年3月 31日，日本联合舰队参谋长福留繁中将等11人乘坐一 架水上飞机从帛硫群岛出发。由于起飞仓促，机长竟 忘记打开空速管的盖子。于是一行人就在没有空速和 高度数据的情况下飞行，途中因台风迫降，由于没有 准确的高度数据导致飞机坠毁。
Rksx2
一、电阻式传感器
电阻分压电路
uy
xp x
u0
Rp RL
1
x xp
R L R p
u
' y
u0 xp
x xp
u0
x
uy
xp x
第三节 电阻、电容与电感式传感器
一、电阻式传感器：是一种把被测量转 换为电阻变化的传感器。按工作原 理分为
变阻器式
电阻应变式
一、电阻式传感器
1.变阻器式传感器：通过改变电位器触头位置， 实现将位移转换为电阻的变化。 工作原理 R l
升降速度表
测量飞机高度变化快慢。膜 盒内腔经一个粗的传压管与 空气静压相通，而膜盒的外 部（即仪表内腔）通过一毛 细管也与空气静压相连。这 样,当飞机上升或下降时,膜 盒内腔压力基本上随高度的 变化而变化,但膜盒外部即表 壳内的气压因受毛细管的阻 滞作用,变化缓慢,产生压力 差。
重要性
飞机在停场时进行了清洗工作，由于洗完 飞机后没有及时将为了防止空速管进水而 封堵的胶布拆除，在凌晨执行航班前又没 有被检查出来，飞机起飞离港后由于气压 高度指示出现问题，时高时低，飞行员无 法正确判断飞机高度，最终飞机坠入到大 海里，导致机毁人亡！
重要性
二战中日本海军发生的一次大丢颜面的“海军乙事件” （甲事件，就是著名的山本五十六事件）：1944年3月 31日，日本联合舰队参谋长福留繁中将等11人乘坐一 架水上飞机从帛硫群岛出发。由于起飞仓促，机长竟 忘记打开空速管的盖子。于是一行人就在没有空速和 高度数据的情况下飞行，途中因台风迫降，由于没有 准确的高度数据导致飞机坠毁。
Rksx2
一、电阻式传感器
电阻分压电路
uy
xp x
u0
Rp RL
1
x xp
R L R p
u
' y
u0 xp
x xp
u0
x
uy
xp x
【传感器技术】常用传感器与敏感元件PPT课件.ppt
被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。 一般把信号调理与转换电路归为辅助器件
例：
V
智能传感器 ——具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、 环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判 断的功能。
四、常用传感器的分类
位移传感器 按被测量 力传感器
温度传感器
机械式
按工作原理
电气式 光学式
流体式
模拟式 按输出信号 数字式
2. 测量电路：注意：零点残余电压的补偿； 位移正负的判断：相敏检波
3. 特点：精度高，可达0.1 m 线性范围大: 达 100 m
(3) 发展智能型传感器。
第二节 机械式传感器及仪器
敏感元件：直接感受被测物理量
敏感组件： 弹性体 输入：力，压力，温度等
输出： 弹性组件本身的变形 特点： 简单、可靠、使用方便，价低， 读 数直观；但固有频率低 弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象 适宜： 检测缓变或静态被测量
蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随 时间缓慢增长的现象
u0 xp
x
变阻器式传感器的优点：
简单、性能稳定、使2用0方m便
缺点：分辨力低，<20微米， 噪音较大 应用：测线位移，角位移
电阻式传感器应用
案例1：重量的自动检测--配料设备
原材料
比较 设定值
原理：用弹簧将力转换为 位移;再用变阻器将位移转 换为电阻的变化
二．电阻应变式传感器
应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等
变化过程： 机械量—— 变— L 变
此传感器适： 测较小位移，约为 0.001—1 mm 其它几种常用的可变磁阻式传感器：
1.面积变化型 机械量 x A0 L L W 20 A0 2
例：
V
智能传感器 ——具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、 环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判 断的功能。
四、常用传感器的分类
位移传感器 按被测量 力传感器
温度传感器
机械式
按工作原理
电气式 光学式
流体式
模拟式 按输出信号 数字式
2. 测量电路：注意：零点残余电压的补偿； 位移正负的判断：相敏检波
3. 特点：精度高，可达0.1 m 线性范围大: 达 100 m
(3) 发展智能型传感器。
第二节 机械式传感器及仪器
敏感元件：直接感受被测物理量
敏感组件： 弹性体 输入：力，压力，温度等
输出： 弹性组件本身的变形 特点： 简单、可靠、使用方便，价低， 读 数直观；但固有频率低 弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象 适宜： 检测缓变或静态被测量
蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随 时间缓慢增长的现象
u0 xp
x
变阻器式传感器的优点：
简单、性能稳定、使2用0方m便
缺点：分辨力低，<20微米， 噪音较大 应用：测线位移，角位移
电阻式传感器应用
案例1：重量的自动检测--配料设备
原材料
比较 设定值
原理：用弹簧将力转换为 位移;再用变阻器将位移转 换为电阻的变化
二．电阻应变式传感器
应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等
变化过程： 机械量—— 变— L 变
此传感器适： 测较小位移，约为 0.001—1 mm 其它几种常用的可变磁阻式传感器：
1.面积变化型 机械量 x A0 L L W 20 A0 2
3.1常用传感器与敏感元件
dR dl 2dr d R l r
dl l dr dl r l d E
dR 2 E R
金属电阻应变片计算
dR 2 E (1 2 ) E R
金属电阻 dR (1 2 ) 应变片 R •电阻相对变化率与应变成正比。 •比值一般称为电阻应变片的应变系数或灵敏度
dR (1 2 ) E R
dR E 对于半导体 R
半导体应变片的灵敏度
Sg
dR / R
Hale Waihona Puke E优点是灵敏度高，缺点是温度稳定性差、灵敏度分散度大以及在较 大应变作用下，非线形误差大。
（三）电阻应变式传感器应用
直接用来测定结构的应变或应力。
原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车过障碍时的冲击对桥梁 进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。
dR / R 1 2 常数 Sg dl / l
（二）半导体应变片
半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。 压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作 用时，其电阻率ρ发生变化的现象。
半导体应变片结构图
半导体应变片计算
压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作 用时，其电阻率ρ发生变化的现象。
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。如：水银温度计、压电式传感器等。 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。
4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:
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。 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。
常用传感器与敏感元件
第三章常用传感器与敏感元件第一节传感器的分类一、传感器的作用传感器是将被测物理量按一事实上规律转换为与其对应的另一种物理量输出的装置常用的是将非电量转换成电量传感器又称变换器二、传感器的分类1.按被测物理量分类位移传感器速度传感器加速度传感器温度传感器2.按变换原理分类结构型（参量型）物性型（发电型）（1）结构型（参量型）传感器特点：传感器感受外界被测量后，直接输出的不是U或I,而且结构参量，如（RLC）由于上述原因必须将输出量接入电桥，谐振电路或振荡器中，以转换成电压，电流后，再接测量电路从能量观点上讲，本身不产生能量，需外加激励电源又称为无源传感器。
（2）物性型（电发型）传感器当接到外界被测量后，本身物理，化学性能变化，直接输出UI,它相当于一个电压或电流源，不需外力激励，称为有源性感器。
第二节机械式传感器及仪器机械式传感器常常以弹性体作为传感器敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出为弹性元件的弹性变形或应变。
图3-3、3H为典型应用实例。
特点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点，缺点弹性变形不易过大在，只适用于缓变或静态被测量。
一、电阻式传感器 1.变阻器式传感器结构组成：骨架，电阻元件 电刷町直线也町旋转运动 根据欧姆定律R = P*A如图3-5 C 、A 点电阻 R=R L X第三节电阻、电容、与电感式传感器• • • V . ••• ••-.v sf.4.••.?.K I ;': ••• •••■"■（线圈等）电刷R L ——单位长度的电阻cdR7如果输入量与位物X 间的函数关系为f （x 尸Rx ）要使输入输出成线性关系可用三角形骨 架，f （x ）=Rx3可用抛物线型骨架为减小后接电路影响R L “R P特点：优点；结构简单，性能较稳定，使用方便。
缺点：受阻经直径影响，分辩率不高，低于20mm,运用于定物检测精度不高的场合, 噪声大 2.电阻应变式传感器可检测参数：应变，力，位物加速度，扭矩等。
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
3）线膨胀系数要小且稳定 4）弹性极限和强度极限要高 5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性 6）具有良好的机械加工性和热处理性
3．典型应用:
2021/3/4
15
第3章 常用传感器和敏感元件 兰州理工大学机电工程学院
4．特点： ① 结构简单，使用方便；价格低廉，读数直观。
② 机械式放大，指示系统使其惯性大，固有频率低， 故多用于静态量或低频变化量的测量。
12
兰州理工大学机电工程学院
4)按信号变换特征： 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.如:水银温度计. 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.
2021/3/4
13
第3章 常用传感器和敏感元件 3.2 机械式传感器及仪器
兰州理工大学机电工程学院
1．组成：
力 输入量 压力 温度 …...
敏感元件 （弹性体）
输出量 弹性变形
机械放大 输出 机械式指
指示系统
针仪表
2．弹性敏感元件的材料：
弹性敏感元件在传感器中因为直接参与变换和测 量，所以对它有一定的要求。
1）弹性滞后和弹性后效要小
2）弹性模数的温度系数要小
2021/3/4
14
第3章 常用传感器和敏感元件 兰州理工大学机电工程学院
③ 弹性元件的蠕变，弹性后效现象会影响输入、输 出的关系。
5.改进：
为提高测量的频率范围,常把机械传感器与其它传 感器结合起来,即先用弹性元件把被测量转换成位移量, 再用其它类型的传感器(电阻、电容、电涡流式等）把 位移转换成电信号输出。
2021/3/4
16
兰州理工大学机电工程学院
3.3 电阻、电容、电感传感器
2021/3/4
5
兰州理工大学机电工程学院
借助于传感器人们可以去探索那些无法用感官直接 测量的事物，从微观世界到宏观世界、太空探索，从人 体（CT)到自然界(海水深度、海底探测）都离不开传感 器。
传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响 着整个测试装置的工作质量。
传感技术是信息科学中的一个重要组成部分，在现
兰州理工大学机电工程学院
常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量;
声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩
2021/3/4
10
第3章 常用传感器和敏感元件 兰州理工大学机电工程学院 2)按工作的物理基础分类:
基本转换电路
2021/3/4
8
第3章 常用传感器和敏感元件 兰州理工大学机电工程学院
例：压力传感器：
大 气 压
输入P 被测量
敏感元件
2021/3/4
基本转 换电路
电感线圈
磁芯
转换元件
膜盒
敏感元件
壳体
转换元件
RLC
电量
基本转换电路
9
第3章 常用传感器和敏感元件
3. 传感器的分类
1)按被测物理量分类
测试技术
兰州理工大学机电工程学院
第3章 常用传感器和敏感元件
本章学习要求：
1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理 3.了解传感器测量电路
2021/3/4
1
第3章 常用传感器和敏感元件 3.1 常用传感器分类 3.2 *机械式传感器及仪器 3.3 电阻、电容与电感式传感器 3.4 磁电、压电与电热式传感器 3.5 光电传感器 3.6 *光纤传感器 3.7 半导体传感器 3.8 *红外测试系统 3.9 *激光测试传感器
2021/3/4
4
传感器的作用
兰州理工大学机电工程学院
扩展人的信息功能。因此，从广义讲，传感器是一个感 知系统，是为了从外部感知信息而工作的系统。
① 传感器是人类感官的延伸 a．视觉与光传感器； b．听觉与声压传感器; c．触觉与温度、压力传感器； d．嗅觉与气敏传感器；
② 是现代测控系统的关键环节。
2021/3/4
7
3.1 常用传感器分类
兰州理工大学机电工程学院
2. 传感器的构成
传感器由敏感器件与辅助器件组成。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。 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。
传感器的基本组成
被测量
敏感元件
RLC 转换元件
电量
机械式,电气式,光学式,流体式等.
2021/3/4
11
兰州理工大学机电工程学院
3)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :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. 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.
2021/3/4
3.10 传感器的选用原则
2021/3/4
兰州理工大学机电工பைடு நூலகம்学院
2
第3章 常用传感器和敏感元件 兰州理工大学机电工程学院 3.1 常用传感器分类
1. 传感器定义 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。
物理量
电量
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
2021/3/4
17
3.3 电阻、电容与电感式传感器
3.3.1 电阻式传感器
兰州理工大学机电工程学院
• 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一 种传感器,
• 按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、 热敏式、光敏式、电敏式.
基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化。
•1 变阻器式传感器
1．工作原理：
R ρ l A
即 R f (, A,l)。 当电阻丝直径A与材质ρ一定时， 的单值函数。
号转换成电信号的装置。
2021/3/4
3
兰州理工大学机电工程学院
传感器国家标准定义
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是： “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 感元件和转换元件组成”。
敏感元件能直接感受被测量；转换元件
则将被测量转换成适于传输或测量的物理量。
代被称之为信息探测工程学，是研究物质的物理效应、 化学效应及生物效应，作为信息探测实际应用的一门科 学，它对科学技术发展的作用和意义，已日益显得重要 和突出。
2021/3/4
6
传感器的发展动向
兰州理工大学机电工程学院
1、发现新现象 2、开发新材料 3、采用微细加工技术 4、研究多功能集成传感器
“Intelligent Sensor” 5、智能化传感器 “Smart Sensor”， 6、仿生传感器
3．典型应用:
2021/3/4
15
第3章 常用传感器和敏感元件 兰州理工大学机电工程学院
4．特点： ① 结构简单，使用方便；价格低廉，读数直观。
② 机械式放大，指示系统使其惯性大，固有频率低， 故多用于静态量或低频变化量的测量。
12
兰州理工大学机电工程学院
4)按信号变换特征： 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.如:水银温度计. 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.
2021/3/4
13
第3章 常用传感器和敏感元件 3.2 机械式传感器及仪器
兰州理工大学机电工程学院
1．组成：
力 输入量 压力 温度 …...
敏感元件 （弹性体）
输出量 弹性变形
机械放大 输出 机械式指
指示系统
针仪表
2．弹性敏感元件的材料：
弹性敏感元件在传感器中因为直接参与变换和测 量，所以对它有一定的要求。
1）弹性滞后和弹性后效要小
2）弹性模数的温度系数要小
2021/3/4
14
第3章 常用传感器和敏感元件 兰州理工大学机电工程学院
③ 弹性元件的蠕变，弹性后效现象会影响输入、输 出的关系。
5.改进：
为提高测量的频率范围,常把机械传感器与其它传 感器结合起来,即先用弹性元件把被测量转换成位移量, 再用其它类型的传感器(电阻、电容、电涡流式等）把 位移转换成电信号输出。
2021/3/4
16
兰州理工大学机电工程学院
3.3 电阻、电容、电感传感器
2021/3/4
5
兰州理工大学机电工程学院
借助于传感器人们可以去探索那些无法用感官直接 测量的事物，从微观世界到宏观世界、太空探索，从人 体（CT)到自然界(海水深度、海底探测）都离不开传感 器。
传感器处于测试装置的输入端，其性能将直接影响 着整个测试装置的工作质量。
传感技术是信息科学中的一个重要组成部分，在现
兰州理工大学机电工程学院
常见的被测物理量
机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量;
声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩
2021/3/4
10
第3章 常用传感器和敏感元件 兰州理工大学机电工程学院 2)按工作的物理基础分类:
基本转换电路
2021/3/4
8
第3章 常用传感器和敏感元件 兰州理工大学机电工程学院
例：压力传感器：
大 气 压
输入P 被测量
敏感元件
2021/3/4
基本转 换电路
电感线圈
磁芯
转换元件
膜盒
敏感元件
壳体
转换元件
RLC
电量
基本转换电路
9
第3章 常用传感器和敏感元件
3. 传感器的分类
1)按被测物理量分类
测试技术
兰州理工大学机电工程学院
第3章 常用传感器和敏感元件
本章学习要求：
1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理 3.了解传感器测量电路
2021/3/4
1
第3章 常用传感器和敏感元件 3.1 常用传感器分类 3.2 *机械式传感器及仪器 3.3 电阻、电容与电感式传感器 3.4 磁电、压电与电热式传感器 3.5 光电传感器 3.6 *光纤传感器 3.7 半导体传感器 3.8 *红外测试系统 3.9 *激光测试传感器
2021/3/4
4
传感器的作用
兰州理工大学机电工程学院
扩展人的信息功能。因此，从广义讲，传感器是一个感 知系统，是为了从外部感知信息而工作的系统。
① 传感器是人类感官的延伸 a．视觉与光传感器； b．听觉与声压传感器; c．触觉与温度、压力传感器； d．嗅觉与气敏传感器；
② 是现代测控系统的关键环节。
2021/3/4
7
3.1 常用传感器分类
兰州理工大学机电工程学院
2. 传感器的构成
传感器由敏感器件与辅助器件组成。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。 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。
传感器的基本组成
被测量
敏感元件
RLC 转换元件
电量
机械式,电气式,光学式,流体式等.
2021/3/4
11
兰州理工大学机电工程学院
3)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :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. 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.
2021/3/4
3.10 传感器的选用原则
2021/3/4
兰州理工大学机电工பைடு நூலகம்学院
2
第3章 常用传感器和敏感元件 兰州理工大学机电工程学院 3.1 常用传感器分类
1. 传感器定义 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。
物理量
电量
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
2021/3/4
17
3.3 电阻、电容与电感式传感器
3.3.1 电阻式传感器
兰州理工大学机电工程学院
• 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一 种传感器,
• 按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、 热敏式、光敏式、电敏式.
基本原理：将被测物理量的变化转换成电阻值的变化。
•1 变阻器式传感器
1．工作原理：
R ρ l A
即 R f (, A,l)。 当电阻丝直径A与材质ρ一定时， 的单值函数。
号转换成电信号的装置。
2021/3/4
3
兰州理工大学机电工程学院
传感器国家标准定义
国家标准GB7665-87对传感器下的定义是： “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 感元件和转换元件组成”。
敏感元件能直接感受被测量；转换元件
则将被测量转换成适于传输或测量的物理量。
代被称之为信息探测工程学，是研究物质的物理效应、 化学效应及生物效应，作为信息探测实际应用的一门科 学，它对科学技术发展的作用和意义，已日益显得重要 和突出。
2021/3/4
6
传感器的发展动向
兰州理工大学机电工程学院
1、发现新现象 2、开发新材料 3、采用微细加工技术 4、研究多功能集成传感器
“Intelligent Sensor” 5、智能化传感器 “Smart Sensor”， 6、仿生传感器