第三章 常用传感器及信号调理、处理和记录仪器

d
V
3
3.1 传感器概述
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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. 光： 亮度，色彩
第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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3.1 传感器概述
3. 传感器的性能要求 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线 性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面 的问题。 1、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但， 在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)灵敏度过高引起的干扰问题； b)量程范围。 c)交叉灵敏度问题。
sg
dR
R 1 2 常数 dl l
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应变计
3.3 电阻式传感器 金属应变计
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3.3 电阻式传感器
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半导体应变计
dR dl 2dr d R l r
简化为：
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。
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3.3 电阻式传感器
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3) 应变片的主要参数
1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 b×L表示。
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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3.3 电阻式传感器
4
3.1 传感器概述 2)按工作的物理基础分类:
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机械式,电气式,光学式,流体式等.
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3.1 传感器概述
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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.
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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2 响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内， 保持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定 延迟，但总希望延迟的时间越短越好。
3 线性范围
任何传感器都有一定线性工作范围。在线 性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈 宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工 作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。
外半径；h为管壁厚度；a、b为弹簧管椭圆形截面的长、短半轴。
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3.2 机械式传感器
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弹簧管自由端B的位移量一般很小，需要通过放大机 构才能指示出来,为了加大弹簧管自由端的位移量， 也可采用多圈弹簧管，其原理与单圈弹簧管相似。 单圈弹簧管压力表是工业现场使用最普遍的就地指示 式压力检测仪表（也有电接点输出的弹簧管压力表）
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
代入
l dR dl 2 dA d A A A R l / A

dl dA d dR R R R l A
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3.3 电阻式传感器
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有： dR dl dA d dl/l称为纵向应变,标为ε;因为它的值通常很小, -6作为单位来表示,称为微应变,标以µ 故常用10 R ε, l A 例如ε=0.001就可以表示1000 µ ,称为具有1000 2 微应变. 金属丝： A r
dR dl 2dr d R l r
金属丝体积不变：
dr dl r l
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3.3 电阻式传感器 有：
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dR d 2 R
金属丝应变片：
对金属材料，导电率不变：
dR (1 2 ) R
电阻应变片的 应变系数或灵 敏度
包装测试技术
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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 4.了解信号调理、处理和记录仪器
1
第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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3.1 传感器概述
1. 传感器分类 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
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6 测量方式
传感器工作方式，也是选择传感器时应考 虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破 坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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3.2 机械式传感器
一 弹性式压力检测是用弹性元件把压力转换成弹性元件位移的一种检测方法。
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3.2 机械式传感器
——弹簧管和弹簧管压力表
弹簧管是横截面呈非圆形（椭圆形或扁圆形）， 弯成圆弧状（中心角常为270°）的空心管子。 管子的一端为封闭，另一端为开口。闭口端作 为自由端，开口端作为固定端。
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被测压力介质从开口端进入并充满弹簧管的整个内腔，由于弹簧管的非圆横截面，使它有
xp
R——后接电路的输入电阻 L
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3.3电阻式传感器
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(2) 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围; 2) 分辨率; 5)电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差; 6)寿命;
(3)变阻器式传感器的分类
按测量类型： 单圈电位器 多圈电位器
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3.2 机械式传感器
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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3.2 机械式传感器
在自动检测、自动控制技 术中广泛应用的微型探测 开关亦被看做机械传感器。 这种开关能把物体的运动、 位置或尺寸变化，转换为 接通、断开信号。
x
x
x
x
x
px
平薄膜
px
波纹膜
px
波纹管
px
单圈弹簧管
px
多圈弹簧管
膜 片受压力作用产生位移，可直接带动传动机构指示。但是膜片的位移较小，灵敏度低，指示精度不高， 一般为2.5级。膜片更多的是和其他转换元件合起来使用，通过膜片和转换元件把压力转换成电信号； 波纹管的位移相对较大，一般可在其顶端安装传动机构，带动指针直接读数。其特点是灵敏高（特别是在 低压区），常用于检测较低的压力（1.0～106Pa），但波纹管迟滞误差较大，精度一般只能达到1.5级； 弹簧管结构简单、使用方便、价格低廉，它使用范围广，测量范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压 和高压，因此应用十分广泛。根据制造的要求，仪表精度最高可达0.15级。
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L
x
R kl x
传感器灵敏度
dR s kl dx
dR s ka da
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灵敏度
3.3 电阻式传感器
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u0
xp x R1 uy
图3.6 电阻分压电路
u0 uy xp Rp x ( )(1 ) x RL xp
Rp
——变阻器的总电阻 ——变阻器的总长度
变成圆形并伴有伸直的趋势而产生力矩，其结果使弹簧管的自由端产生位移，同时改变其
中心角。位移量（中心角改变量）和所加压力有如下的函数关系：

0
1 2 R2 b2 P (1 2 ) E bh a 2

0
P
式中θ 0为弹簧管中心角的初始角；Δ θ 为受压后中心角的改变量；R为弹簧管弯曲圆弧的
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3.1 传感器概述
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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 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.
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
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3.1 传感器概述
2. 传感器的性能要求
传感器性能的主要要求：
1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线形关系； 噪声小、并且具有抗外部噪声的性能； 滞后、漂移误差小； 动态特性良好； 接入测量系统时对被测量产生影响小； 功耗小，复现性好，有互换性； 防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用； 结构简单，容易维修和校正； 低成本、通用性强。 8
直线滑动式电位器
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3.3 电阻式传感器 按制作方式： 线绕电位器
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导电塑料电位器
导电材料粉
普通塑料基底
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3.3 电阻式传感器 变阻器式传感器产品
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3.3 电阻式传感器
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案例：重量的自动检测--配料设备
原材料
原理：弹簧->力->位移 ->电位器->电阻
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4 稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后， 其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳 定性的因素是时间与环境。 5 精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被 测量的对应程度。
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第三章、常用传感器及信号调理、处理和记录仪器
比较
重量设定
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3.3 电阻式传感器 案例：煤气包储量检测
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钢丝
煤气包
原理：钢丝->收线圈数 ->电位器 ->电阻
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3.3 电阻式传感器
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案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）
原理：电机->转角 ->电位器 ->电阻
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3.3 电阻式传感器
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第三章、传感器测量原理
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3.3 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, • 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.
•1 变阻器式传感器
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3.2 电阻式传感器 • 等效电路分析:
•L-变阻器总长; •x-电刷移动量. •R-电刷电阻; •RL总电阻;
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3) 应变片测量电路
R1 R2
E
R3
V
R4
R2 R4 R1 R3 V E ( R1 R4 )(R2 R3 )
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3.3 电阻式传感器
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R2 R4 R1 R3 V E ( R1 R4 )(R2 R3 )
令：
R1 R R2 R3 R R4 R dR
2 电阻应变式传感器--应变片
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。
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3.3 电阻式传感器
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2 电阻应变式传感器--应变片
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3.3 电阻式传感器
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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。
2
3.1传感器概述
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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。
1－弹簧管 2－拉杆 3－扇形齿轮 4－中心齿轮 5－指针 6－－面板 7－游丝 8－调节螺钉 9－接头 图3-18 弹簧管压力表
弹簧管压力表结构简单、使用方便、价格低廉、测量
范围宽，可以测量负压、微压、低压、中压和高压
一般的工业用弹簧管压力表的精度等级为1.5级或2.5级，但根据制造的要求，其精 度等级最高可达0.15级。
R( R dR) RR E dR V E 4 R ( R R dR)(R R)
金属丝应变片：
dR (1 2 ) R
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V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变
3.3 电阻式传感器
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电阻应变片的选择、粘贴技术
1.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。 2.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 相差不得大于0.5欧姆. 3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。 4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。