常用传感器与敏感元件

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第三章常用传感器
(4)按信号变换特征分类
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. 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.
3. 传感器的性能要求
➢ 工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力 ➢ 与检测系统匹配性好，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
➢灵敏度为：
S 1 2 E
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第三章常用传感器
d R d l d 2 d l (1 2 E)e
Rl
l
S 1 2 E
dR S e
返回
R
➢S由两部分组成：
✓前一部分(1+2)单由金属导线的几何尺寸变化引起的；
✓后一部分E是电阻率随应变而引起变化的部分，它除与
金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。
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4. 常见的被测物理量
第三章常用传感器
➢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，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
▲
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第三章常用传感器
3.2 机械式传感器
3.3 电阻式传感器
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电阻式传感器 是把被测量转换为电阻变化的一种传
感器。
• R l
A
按工作的原理可分为:
♠变阻器式
♠电阻应变式
♠热敏式
♠光敏式
♠湿敏式
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1. 变阻器式传感器
R l
A
第三章常用传感器
LR E
x Rx E1
E
R—总电阻; El Rx —电刷电阻;
L x
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2.应变式电阻传感器
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dR (1 2 E)e S e
R
<1> 金属应变片（ 不变）
dR (1 2)e
R Sg 1.7 ~ 3.6
<2> 半导体应变片（ 变化）
dR Ee
R Sg 60 ~ 70
第三章常用传感器
金属应变计 半导体应变计
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(3)应变片的主要参数
第三章常用传感器
1) 几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 b×L 表示。
盖层
第三章常用传感器
➢金属应变片 丝式、箔式
➢半导体应变片
基片
引线
电阻丝 粘贴剂
丝式应变片
R l
A
箔式应变片 半导体应变片
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第三章常用传感器
(1)应变效应
R l
A
➢ 导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半
导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。
传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换 成电阻变化量的传感元件。
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第三章常用传感器
第三章 常用传感器
3.1 概 述 3.2 机械传感器 3.3 电阻传感器 3.4 电容传感器 3.5 电感传感器 3.6 磁电传感器 3.7 压电传感器 3.8 磁敏传感器 3.9 传感器选用原则
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第三章常用传感器
3.1 概 述
1. 传感器(Sensor)定义
2) 电阻值：应变计的原始电阻值。
3) 灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。
4) 其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。
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(4)金属应变计
✓ 金属应变计有: 1、丝式 2、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
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。通常由敏感元件和转换元件组 成(GB766-87)。
狭义上，非电信号 → 电信号。
在非电量电测系统中的作用: 敏感作用:感受并拾取被测对象的信号 变换作用:被测信号转换成易于检测和处理的电信号
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第三章常用传感器
A
l
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第三章常用传感器
已知
d A 2 d l
A
l
d Ee
E为导线材料的弹性模量，为压阻系数，与材料有关。
➢则 d R d l d 2 d l (1 2 E)e
dR dl d dA RlA
Rl
l
➢当导体材料确定后，、、E均为常数，则(1+2 +E)为
常数。
➢应变片电阻的相对变化率dR/R与应变e之间是线形关系
机械式传感器 一类传感器的统称，指只含有机械的转换方 式。把机械量转换为另一种机械量的传感 器。（常常以弹性体作为传感器的敏感元 件）
优点：结构简单，使用方便，价格低廉。 缺点：固有频率低，可测频带窄，适用于测量缓慢变化或者 静态被测量。（为了提高频带，常与其它形式的传感器联合
运用）
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第三章常用传感器
应变片受力 比例关系 应变 比例关系 应变片电阻的变化
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(2)工作原理
l
R
拉伸
A
P
D
D+dD
第三章常用传感器
l
dl
拉伸
P
式中， — 导线的电阻率，又称为电阻系数
➢ 金属导线的应变电阻效应：
当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截 面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而 缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。
2. 传感器的分类
(1)按被测物理量分类
位移传感器,力传感器,温度传感器等. (2)按传感器的工作原理分类
机械式,电气式,光学式,流体式等. (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.
dA/A ——导线截面积的相对变化，称为横向应变。
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第三章常用传感器
➢ 对于圆形截面积的导线，若半径为r，则
dA d(r 2 ) 2r d r
dA 2r d r d r
A
r 2
2( ) r
➢横向应变dr/r和纵向应变dl/l之比称为泊松比，即
dr dl
rl
➢故
d A 2 d l
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(5)半导体应变计
✓ 优点：应变灵敏度大;体积小; 能制成具有一定应变电阻的元 件.
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R l
A
➢应变片受力后，电阻的变化dR
第三章常用传感器
d R R d l R d R d A
l
A
则
dR
dl A
l d
A
l
A2
d
A
➢两边同除以R，同时R= l/A，则
dR dl d dA RlA dl/l = e ——金属导线长度的相对变化，称纵向应变。 d/ ——导线电阻率的相对变化。