第三章 常用传感器和敏感元件
常用传感器与敏感元件
第三章常用传感器
电感式传感器是基于电磁感应原理;它是把被测量转 化为电感量变化的一种装置;
分类:
电感式传感器
自感型
可变磁阻型
互感型
涡流式
测试技术基础
1 可变磁阻式自感型
原理:电磁感应
LW 2 Rm
l 2d
Rm
A
0A0
W：线圈匝数；
l：软铁长度；
：软铁磁导率；
0：空气磁导率
A：铁芯导磁截面
A0：空气导磁截面
L
面积变化型可变磁阻式传感器结构
传感器灵敏度
0 L与A0的线形关系
A0
S dL W 20 dA 2d0
=常数
l
测试技术基础
3 螺线管型
LW 2 Rm
l 2d
Rm
A
0A0
当其它参数不变;仅改变l;使Rm 变化;从而产生电感的变化;
第三章常用传感器
L
x
测试技术基础
2 涡流式电感传感器
第三章常用传感器
1 热电阻传感器
利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的
温度电阻效应制成的传感器;
温度热量的变化电阻的变化 温度检测 :200℃～+500℃
测试技术基础
2 热敏电阻传感器
第三章常用传感器
圆形热敏电阻 柱形热敏电阻 珠形热敏电阻 热敏电阻在电路中的符号
非线性元件:它的温度电阻关系是指数关系 温度为50℃～＋350℃
一般取极距变化范围为 d/d0 0.1
第三章常用传感器
C
C
d
d
测试技术基础
第三章常用传感器
变极距型电容传感器差动结构
实际应用中;常把电容传感器作成差动结构;如图所示;
1常用传感器及敏感元件
第三章常用传感器与敏感元件 本章学习要求传达感觉的一种器件、人的眼睛传感器是一种获取信息的装置，是测 试系统的首要环节。
完成本章内容的学习 后应能作到：1.掌握常用传感器的工作原理与工业应用情况 总了解传感器的分类•了解传感器的测量电路1、定义 传感器：直接作用于被测量，并按一定的规律将其转换成同种或别独量值输出的装置。
传感^ -------- sensor, transducer3. 1常用传感器分类物理量 生物量获取的信息图&5・5b 电容式传声器的电路原理 敏感元件的输出就是转换元件 的输入，它把输入转换成电量参 量O把转换元件输出的电最信号转 换为便于处理、显示、记录或 控制的有用的电信号的电路。
直接感受被测量，输出与被测量成确定关系。
J ［被测量3分类物性型与结构性所谓物性型传感器，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。
所谓结构型传感器，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 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 移引起自感或互感的变化等。
位移传感器⑴按被测物理量来分警更理督警温度传感器 (2)按传感器工作的物理原理来分 式式式式︙械气射体 机电辐流 (3)按信号变换特征来分 -物性型〔结构型(4)按传感器的能量转换 情况来分r 能量转换型I 能量控制型能量转换型与能量控制型能最转换型传感器（或称无海传SB）＞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换为电量输出。
能量控制型传感器（或称有源传感器），是从外部供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，而又被测两变化所引起的电阻变化去控制电桥输出。
机械工程测试技术_课后习题及答案
第三章 常用传感器与敏感元件3-1 在机械式传感器中，影响线性度的主要因素是什么？可举例说明。
解答：主要因素是弹性敏感元件的蠕变、弹性后效等。
3-2 试举出你所熟悉的五种机械式传感器，并说明它们的变换原理。
解答：气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等。
3-3 电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况来选用？解答：电阻丝应变片主要利用形变效应，而半导体应变片主要利用压阻效应。
电阻丝应变片主要优点是性能稳定，现行较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。
半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性差、灵敏度离散度大、非线性大。
选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。
3-4 有一电阻应变片（见图3-84），其灵敏度S g ＝2，R ＝120。
设工作时其应变为1000，问R ＝？设将此应变片接成如图所示的电路，试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变时电流表示值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读出？解：根据应变效应表达式R /R =S g 得 R =S g R =2100010-6120= 1）I 1=R =120=0.0125A=2）I 2=(R +R )=(120+0.012475A= 3）=(I 2-I 1)/I 1100%=%4）电流变化量太小，很难从电流表中读出。
如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量程不够，无法测量的电流；如果采用毫安表，无法分辨的电流变化。
一般需要电桥来测量，将无应变时的灵位电流平衡掉，只取有应变时的微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。
3-5 电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施？采取这些措施会带来什么样后果？解答：以气隙变化式为例进行分析。
20022N A dLS d μδδ==- 又因为线圈阻抗Z =L ，所以灵敏度又可写成20022N A dZ S d μωδδ==-图3-84 题3-4图由上式可见，灵敏度与磁路横截面积A 0、线圈匝数N 、电源角频率、铁芯磁导率0，气隙等有关。
《机械工程测试技术》第三章PPT课件
. 机械工程测试技术基础
1
第一节 传感器的分类
1、按被测量分类
位
力
温
湿
移
传
度
度
传
感
传
传
感
器
感
感
器
器
器
2020年10月19日星期
. 机械工程测试技术基础
2
机械式
3、按信号变换特征
2、
按
电气式
物性型
结构型
工
作
光学式
4、按能量关系
原
流体式
理
能量转换
能量控制
型(无源)
型(有源)
5、按输出信号：数字式、模拟式
8
第三节 电阻式传感器
电阻式传感器—一种把被测量转换为电阻变化的传感器。 分类— （一）变阻器式； （二）电阻应变式 一．变阻器式传感器（电位差计式） 定义：通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的
变化。 根据电阻公式电阻R 为
R l
A
（3-1）
式中：ρ—电阻率；l—电阻丝长度； A—电阻丝截面积
从式中看出当电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线
长度而变化。
分类：（1）直线位移型 （2）角位移型 （3）非线性型
如图3-5 所示
2020年10月19日星期
. 机械工程测试技术基础
9
R
Δα
α
Δx C x
A
C
B a)
A B
C b)
x
A
B
c)
2020年10月19日星期
图3-5 变阻器式传感器
a) 直线位移型 b) 角位移型
C
c)非线性型
. 机械工程测试技术基础
机械工程测试基础 第三章 传感器
3.3.1 电阻式传感器 R / R Sg E
x
●优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵 敏系数大，输出大，可不需放大器连接，使得测量系 统简化。 ●缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测 量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变， 且分散度大 。 分析表明，金属丝应变片与半导体应变片工作原 理的主要区别在于：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。
3.1 概述 2)按工作的物理基础分类: 见表3-1：机械式,电气式,光学式,流体式等.
3.1 概述 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.
dR d (1 2 ) x R
或
dR / R
x
1 2
d /
x
灵敏系数： 令
Sg dR / R
x
1 2 E , (d / E x )
Sg称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单 位变形时，电阻相对变化量的大小。 显然，sg 越大，单位变形引起的电阻相对变化 量越大。
机械工程测试技术基础
第三章
常用传感器与敏感元件
本章学习要求：
1.掌握传感器的分类方法 2.掌握常用传感器测量原理、 特点及其应用 3.掌握传感器选用原则
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 概述
1. 传感器定义 传感器是直接感受规定的被测量，并能按一定 规律将被测量转换成同种或别种量值输出的装置。 物理量 电量
Rp
xp
第三章常用传感器与敏感元件
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3章_常用传感器与敏感元件_第5-10节
半反射半透射镜 光电传感器
聚焦投镜 光源
反射带
光电耦合器 透射式转速计
反射式转速计
光电编码器
将位移转换成脉冲信号或数字信号输出的传感器称为
编码器。可用于位移和速度检测。有直线编码器和旋 转编码器。分为增量式和绝对式（数字式）编码器。
0000
1111
零位信号窗口 主信号窗口 编码盘
一、光纤传感器的类型
功能型（又叫传感型或全
光纤型）：光纤作为敏感 元件，利用光纤的传光特 光纤 性随着被测量（如应变、 压力、温度、电场、射线 光敏元件 等）而变化，从而使光纤 功能型光纤传感器示意图 内传输的光的特征参量 （强度、相位、频率、偏 振态、波长等）发生变化。非功能型（又叫传光型 或混合型）：光纤只是 只要检测出这些变化即可 传输光的导体，还需利 确定被测量的大小。光纤 用其它敏感元件（如光 既传光又传感。
1. 光电管(Phototube)
利用外光电效应，有真空光电管和充气光电管。
基本工作过程： 真空光电管：一定波长的光线→光电阴极发射电子 →被阳极吸收→形成光电流。 充气光电管（充有惰性气体）：阴极发射的电子撞 击惰性气体，使其电离，从而使阳极电流急剧增加， 提高了灵敏度。
光电阴极：由 光电材料涂敷 光电阴极 在玻璃泡内壁 阳极 或半圆筒形的 金属片上构成。
S F N 霍尔元件
N S 力的测量
霍尔元件 磁铁 磁铁随刀架一起转动 数控车床自动换刀控制
被测零件
非金属板
N 霍尔传感器 S 磁钢 计数装置
霍尔传感器产品
霍尔开关传感器 各种霍尔传感器
霍尔电流传感器
二、热敏电阻传感器
工作原理：利用半导体材料本身的电阻率随温度 而变化的特性。 特点：灵敏度高（电阻温度系数大，比一般金属 电阻大10～100倍）；结构简单，体积小，可进行 点测；热容量小，响应快，适宜动态测量；线性 差；稳定性和互换性较差。 类型：PTC、NTC和CTR。 结构： 直热式：圆柱形、圆片形、珠粒状、薄膜形、垫圈 形、扁形、杆形、管形、松叶状等。珠粒状体积小， 热时间常数小，适合制造点、表面温度计，如电子 体温计几乎100%都采用这种形式（NTC）。 旁热式：带有金属丝加热器。
3 常用传感器与敏感元件
(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
3.3.3 电感式传感器
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。 分类:
获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变 化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（水 位、压力等）。
• 传感器在非电量电测系统中的作用： 一是 敏感作用：
感受并拾取被测对象的信号 二是变换作用： 被测信号转换成易于检测和处理的电 信号
2. 传感器的分类
(1)按被测物理量分类: 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:
Z Z ( , , , ) Z f ( x)
a)高频反射式：（集肤效应）
b)低频透射式：（互感原理）
案例： 连续油管的椭圆度测量
原理：
Eddy
Sensor
Reference Circle
பைடு நூலகம்
Coiled Tube
案例： 无损探伤 火车轮检测
原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。
油管检测
2 0 r Ec ln(D / d )
变间距式
C
0 r A
d
1 K d
变介质式
2L 0 r1 2 ( L0 L) 0 2 0 L0 C C1 R R R ln ln ln r r r 2 0 ( r1 1) Ec R ln r
C1 Ec L 2L0 0 2 0 ( r1 1)
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
第三章常用传感器与敏感元件 205页PPT文档
河北科技大学机械学院
2.半导体应变片
基于半导体材料的压阻效应：指单晶半导体材料在沿某 一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。
对于半导体材料，因机械变形引起的电阻变化可以 忽略，电阻的变化率主要是由 引起的。
dR (12E)E
R
河北科技大学机械学院
则半导体材料的灵敏系数为
产品.
液体压力 作用在陶 瓷膜片的 表面，使 膜片产生 位移。
压力变送 器
陶瓷电容压力传感器
河北科技大学机械学院
河北科技大学机械学院
3) 介质变化型
C
0A
产品.
河北科技大学机械学院
电容式液位传感器（液位计/料位计）
河北科技大学机械学院 图 电容传感器应用
二、测量电路
（1）电桥电路
河北科技大学机械学院
2、互感型——差动变压器式电感传感器
原理：
电磁感应中的互感现象
e1
2
M
di1 dt
图 互感现象
河北科技大学机械学院
图 差动变压器传感器工作原理 a）、b）工作原理 c）输出特性
两个问题：
1）零点残余电压问题 2）铁心移动方向的辨别（极性判别）
河北科技大学机械学院
河北科技大学机械学院
河北科技大学机械学院
第三章 常用传感器与敏感元件
本章学习要求
1.掌握传感器的分类 2. 掌握常用传感器的工作原理与工程应用情况 3.了解传感器的测量电路
河北科技大学机械学院
3.1 常用传感器分类
1、定义
能够感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可 用输出信号的器件或装置。
获
物理量
取
转换
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。
【传感器技术】常用传感器与敏感元件PPT
ppt课件
7
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
按信号变换特征
物性型：例：压电式 Leabharlann 构型：例：电容式ppt课件
8
物性型传感器，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。
结构型传感器，则是通过传感器本身结构参数的 变化来实现信号转换的。
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
ppt课件
12
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
弹性后效：是指载荷在停止变化之后，弹性元件在一 段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移
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
ppt课件
19
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
ppt课件
20
二．电阻应变式传感器
应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等
ppt课件
3
第三章 常用传感器与敏感元件
4、借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感 官获取的信息。
5、从八十年代起，逐步在世界范围内掀起了一股 “传感器热”。
目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000 余家。每国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生 产厂家1000余家，日本有800余家。
常用的传感器与敏感元件
03 磁敏元件
霍尔元件
01
霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁敏元件，能够检测磁场并输出相应 的电压信号。
02
它通常由半导体材料制成，具有体积小、精度高、线性度好等优点， 广泛应用于磁场测量、电流检测、电机控制等领域。
03
霍尔元件的输出电压与磁场强度成正比，可以通过外部电路进行放大 和调理，以实现精确的测量和控制。
压电式传感器
利用压电材料的压电 效应来检测物理量， 如加速度计。
热电式传感器
利用热电效应来检测 温度，如热敏电阻。
应用领域
工业自动化
用于生产过程中的各种参数检 测和控制。
环境监测
用于气象、水文、环保等领域 的数据采集。
医疗诊断
用于生理参数的监测和诊断。
交通运输
用于车辆、船舶、飞机等的安 全监测和控制系统。
热电偶
总结词
热电偶是一种将温度转换为电势差的传感器。
详细描述
热电偶由两种不同材料的导体组成，当两端存在温差时，会在导体之 间产生电动势，通过测量电动势可以得知温度差的大小。
应用领域
热电偶广泛应用于工业领域中的温度测量和控制，如炉温监测、管道 温度检测等。
优点
热电偶具有测量范围广、精度高、稳定性好等优点。
从而检测气体浓度。
优点
灵敏度高、响应速度快、稳定性好、寿命 长。
应用
广泛应用于可燃气体、有毒气体、有机蒸 汽等气体的检测。
缺点
对某些气体选择性较差，容易受到温度和 湿度的影响。
固态电解质气敏传感器
应用
主要用于氢气、一氧化碳等气体的检测。
原理
利用固态电解质材料的离子传导特 性，通过气体在电解质中的扩散和 吸附，改变其离子传导率，从而检
常用的传感器与敏感元件
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
01
我们的研究生在现场调试中
02
变灵敏度=非线性
金属式
分类比较 丝式 p74 图3-7
结构
箔式 图3-8
半导体式
S半=（50~70）S金
2.电阻应变式传感器
非常非常细,不要误解为很粗
”
夸张放大
而差动变压器式电感传感器是最常用的互感型传感器，其结构形式有多种。
螺管形差动变压器式电感传感器
差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图所示。图U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。
第三章 常用的传感器与敏感元件
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 光电式传感器
3.6 光纤式传感器
3.7 半导体传感器
3.8 红外测试系统
3.10 传动器的选用原则
应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。
（3） 电阻应变式传感器的应用实例
案例：桥梁固有频率测量
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。
案例：机器人握力测量
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。
也可以这样定义
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号转换成电信号的装置。
- 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)。
第三章 常用传感器和敏感元件
几何参数： 栅长L和栅宽b， 制造厂常用b×L 表示。
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
箔式：线条均匀，尺寸准确，粘结情况好， 传递试件应变性能好
工作原理：
R l
A A r2
dR
R l
dl
R A
dA
R
d
dR
r2
dl
2
l r3
dr
l r
2
d
dl
第三章 常用传感器
被测机械量—转—化—为—与之相应的易于传输、识别、处 理的电信号的装置
第一节 传感器的分类
位移传感器 按被 力传感器 测量 温度传感器
机械式 按工作 电气式
原理 光学式 流体式
按信号 物性型：例：压电式 变换特征 结构型：例：电容式
第三章 常用传感器和敏感元件
按敏感组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， 如：热电偶温度计 能量控制型：从外部供给辅助能量， 如：电阻应变计中电阻接于电桥上 模拟式
dR
R
灵敏度：
SgdR/R
较金属丝电阻应变片大50—70倍
第三章 常用传感器和敏感元件
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阻值的变化， 后者利用半导体电阻率变化引起阻值的变化。 半导体应变片优点： 灵敏度高，机械滞后小，
横向效应小，体积小 缺点：温度稳定性差，灵敏度分散度大（晶向、杂质
l
纵向应变
R(
dl l
2
dr r
d
)
R (1 2 E)
drdl 电阻丝泊松比
r
l
压阻系数
d
E
弹性模量
与材质有关
第三章 常用传感器和敏感元件
dR(12E)
R
(12) ：是由电阻丝几何尺寸变化所引起的
E ：是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的
对于电阻丝： dR(12)
R
灵敏度： S gd/R Rd d//R lR12常
Sg=1.7—3.6 • 金属应变片有： 丝式、箔式 • 优点： 稳定性和温度特性好 • 缺点： 灵敏度系数小
第三章 常用传感器和敏感元件
（二）半导体应变片 工作原理：半导体材料的压阻效应
压阻效应：单晶半导体材料在 沿某一轴向受到外力作用时，
其电阻率 发生较大变化
dR(12)
R
对半导体：(12)
很小，可略去
按输出信号 数字式
第三章 常用传感器和敏感元件
第二节 机械式传感器
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 弹性后效是指载荷在停止变化之后， 情况下，应变随时间缓慢增长的现象 弹性元件在一段时间之内还会继续
产生类似蠕动的位移
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
微型探测开关
可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等
第三章 常用传感器和敏感元件
第三节 电阻式传感器 被测量 转—化—为-- 电阻变化
直线位移型传感器 变阻器式 角位移型传感器
非线性型
电阻传感器
电阻应变式
ห้องสมุดไป่ตู้
金属电阻应变片
丝式 箔式
比较 设定值
第三章 常用传感器和敏感元件
二．电阻应变式传感器
应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等
特点：体积小、动态响应快、精度高、使用方便
（一）金属电阻应变片传感器
丝式 箔式
工作原理：应变片发生机械变形时——引起电阻值变化 应变片工作时：粘固在被测物表面上或弹性体上
丝式： 康铜或镍铬合金 直径0.025mm
第三章 常用传感器和敏感元件
第四节 电感式传感器
自感型(L): 可变磁阻式
x RL
xp
RLRP时
uy
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
第三章 常用传感器和敏感元件
电阻式传感器
应用 案例1：重量的自动检测--配料设备
原理
原材料
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
惯性机构m
dR
R
注意：1）应变片的粘接
2）温度的影响，温度补偿
3）用于动态测量时，要注意应变
片的上限测量频率
第三章 常用传感器和敏感元件
原理：在桥中设置一三角形障碍物，
应用
利用汽车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
案例1：桥梁固有频率测量
形，得到桥梁固有频率。
第三章 常用传感器和敏感元件
等因素影响），非线性误差大
（三）电阻应变式传感器的应用 1.直接测结构的应变或应力
2.将应变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、加速度等
弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由 转变为 R
的变化 ，再由后续电路转变为电压的变化
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
第三章 常用传感器和敏感元件
f (x) kx2
为使输出的阻值：
R(x)cf(x)ck2x
骨架当触点在x处时：
R(x) xr(x)dxkc2x 0 r ( x) ：任一位置微小区间内的电阻 r(x)2kcxK x
所以:骨架形状应为三角形
第三章 常用传感器和敏感元件
后接电路：电阻分压电路
uy
xp
u0 ( RP )(1
x)
半导体应变片
一、变阻器式传感器 位移———电阻变化
R l
A
第三章 常用传感器和敏感元件
直线位移型 灵敏度：
s ddRxkl 常
输入：x(位移)
输出：R(电阻) 测：直线位移
角位移型 sddRk 常 输入：角位移 输出：阻值R 测：角位移
第三章 常用传感器和敏感元件
非线性型 骨架按要求定
若被测量：f ( x) 要求：
案例2：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。
第三章 常用传感器和敏感元件
应变片有如下的优点：
①.测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、 可靠，可测1～2με，误差小于1％。②.应变 片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测 量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力 分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可 用于动态测量③.测量范围大。既可测量弹性 变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1 ％～2％。④.适应性强。可在高温、超低温、 高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下 使用。⑤.便于多点测量、远距离测量和遥测。 ⑥.价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选 择和使用，可以测量各种物理量。