常用的传感器与敏感元件(1)

dR dl 2dr d Rl r
金属丝体积不变：
dr dl
r
l
38
有： dR 2 d
R
金属丝应变片： 对金属材料，导电率不变：
dR (1 2 )
R
39
金属应变计
40
（2）半导体应变片
a. 工作原理
对于某些
dR dl 2dr d Rl r
半导体非 常大
可以近似为：
(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
27
4）灵敏度
a. 直线位移型电阻式传感器的灵敏度
R l (D d) x
AA d
（D
Ad
d)
x
(D
2r 3
d)
x
S0
dR dx
(D
2r 3
d)
kl
（常数）
线性特征
28
b. 角位移型电阻式传感器的灵敏器
R
l A
A
W
(R1
R2
2r)
A
2 (R2
2r
r) (R1
R2
2r)
2
2r 3
130×10-6 /c0；动态 ⅲ) 镍铬铝ρ=1.3（Ω/㎜ 2），α= ±20×
10-6/c0；焊接难，中高温 ⅳ) 铁铬铝ρ=1.5（Ω/㎜ 2），α=30～40 ×
10-6/c0；线性差，高温
34
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)的变化而发生变化的 现象。
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.
12
§3.2 机械式传感器及仪器
一 工作原理
13
. 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
14
二、常见实例
1）测力计
握力器
指针式弹 簧秤
弹簧 秤
15
67
传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时
衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起 空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化， 导致了线圈电感量的变化。
1
§3.1 常用传感器的分类
一 传感器的作用 二 传感器的分类
2
（一）传感器的作用
（1）传感器(Sensor)定义 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)。
3
也可以这样定义
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。
d V
8
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
9
2)按工作的物理基础分类: 机械式,电气式,光学式,流体式等.
17
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
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：弹性元件的输入信号变换为自身的变形，将信息 传到后一级.
18
4）微型探测开关 （1）. 结构
具有导 磁性
P72
图 3-4
图中深色部分为微型探测开关。它由二片簧片组成。 （2）. 工作原理
+ +
+
56
平面线位移型
C
0A
57
柱面线位移型.
C
0A
58
（3） 介质变化型
C
0A
59
60
2．测量电路
（1）电桥型电路
L1
C1
K
相敏检波
滤波
~
L2
C2
电源部分
▲差动电容，中间为动片，提高了灵敏度，扩大线性范围。 ▲电桥输出为调幅波，经放大后由相敏检波解调为输出信号。
(2)特点：抗干扰好，灵敏度高，线性范围扩大。
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
10
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.
11
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
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号转 换成电信号的装置。
4
（2）作用 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
其中
l
电阻丝长度（m）
A
电阻丝截面积(mm2
)
当≡（材料确定），A≡（加工完毕），R∝l
23
2）常见结构
直线位移型
角位移型
非线性型
24
（1） 工作原理
R l
A
（2） 性能特点
* 灵敏度为线性
S
dR dx
k1
P74 图3-6 电阻分压电路
u0
ue xp ( RP )(1
x)
x RL
xp
当RL
P76 式（3-11）
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。
41
（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 相差不得大于0.5欧姆.
AA
Ad
2k
Ad
x2
k r 3
x2
或
R
A
2
x
kxdx
0
2k
Ad
x2
k r 3
x2
S0
dR dx
2k r 3
x
(线性)
可见 r 越小，灵敏度越高。
变灵敏度
=非线性
ຫໍສະໝຸດ Baidu31
2. 电阻应变式传感器
分类比较
金属式 半导体式
结构
丝式 p74 图3-7
箔式 图3-8
S半=（50~70）S金
1. 电阻丝 2.基片 3.覆盖层 4.引出线
61
应用
62
63
64
三、 电感式传感器
▲ 电感式传感器是一种能把被测物理量（如位移，压力等）的变 化转变为电感量变化的机电转换装置
x(t)
△L
△i，△v,△f
被测物理量 电感变化 电流，电压或频率的变化
▲ 典型电感式传感器有： 变磁阻式 （自感式） 电涡流式 差动变压器式
65
自感式电感传感器
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。
36
c. 灵敏度
由于金属应变片的电阻R为
R l / A
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求微分
dR
dl
A
l
A2
dA
l A
d
代入 R l / A
dR R dl R dA R d l A
同除R
37
有： dR dl dA d R l A
金属丝： A r 2
P75 式（3-5）
可使 A↓↓
操作方便
线性度好
ⅴ）电阻值沿长度范围内均匀分布，减少系统
误差
ⅵ）耐磨，焊接性能良好
26
常用材料 康铜丝 =5×10 4 ㎜ 2 /㎜
=(0.05～1.5)×10 4 /℃
镍铬丝 =11×10 4 ㎜ 2 /㎜ =-2×10 4 /℃
卡玛丝 =13.5×10 4 ㎜ 2 /㎜ =1.5×10 4 /℃ 接触电阻大
44
（3） 电阻应变式传感器的应用实例
45
案例：桥梁固有频率测量
46
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。
47
案例：机器人握力测量
48
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。
49
50
51
1
n
有 高疲温劳蠕变
精度差
有弹性后效
20
四．机械式传感器应用场合
静态
低频
输入
大信号
21
§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
22
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）
·机测法：力经滚珠（保证点接触测力，垂直输入） ，再经弹簧实现机械衰减,最后经压力表读数
·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
16
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
图 金属丝式电阻应变片
32
（1）金属丝式电阻应变片 非常非常细,不
a.基本构造
要误解为很粗
a) 敏感栅（0.01～0.05 ㎜粗）
要求:ⅰ） 电阻系数ρ大，
使 A，R 相同时 l 小，则体积小；
ⅱ） 温度系数α小，受温度影响小；
ⅲ） 灵敏程度高，线形好；
ⅳ） 加工焊接性能优良；
33
常用材料： ⅰ）康铜ρ=0.5（Ω/㎜ 2），α=±20×10-6/c0； ⅱ) 镍铬合金 ρ=1.1（Ω/㎜ 2）,α=110～
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
l1 S1
1 L
2 W
l2
S2
3
±
变间隙式电感传感器
1—线 圈 ； 2—铁 芯 (定 铁 芯 )； 3—衔 铁 (动 铁 芯 )
c).试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用酒 精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。
d).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。
42
么么么么方面
• Sds绝对是假的
e).焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。 f).用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘阻值，应 大于500M欧。 g).应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。
夸张放大
35
b. 工作原理
▲ R=ρ l （Ω） A
｛ 其中
ρ—材料的电阻系数 l —电阻丝长度
A —电阻丝截面积
▲ 试件受力→应变片应变
→l±△l, A±△A, ρ±△ρ→R±△R
↓
↓
可以理解为一弹种性电变阻形式 传感器，但长度的变化
压阻效应 原子点阵变化使ρ改变
是因变形所致，所以应
变片主要用于测量应变
r2
，C
0
b x
2
C
C
2 0 ln D d
1h
2
1
x
出
导致非
C
特
ΔC
线性
线性关
性
系
Δδ δ0
dc
δ
线性关
系
2
α x
x
线性关 系 53
dc 2
54
（1） 极距变化型
+
+
C
0A
+ +
+ +
（3-13）的微分
dC
0
A
1
2
d
灵敏度
S
dC
d
0A
1
2
55
（2）面积变化型 角位移型
C
0A
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 §3.9 激光测试传感器 §3.10 传动器的选用原则
二、 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
两平行极板组成的变化图形
+
A 电容器,它的电容P量79 图3-12
+ +
为:
C
0A
δ、A或ε发生变
化时，都会引
起电容的变化。
52
2) 不同类型的电容传感器
变间距式
变面积式
二
．
结
构
δ
变介质式
三 ． 输
C 0A /
C
在分母
C 0
RP时u0
ue xp
x线性
所以 R = k 1 x
25
3）电阻元件
要求：ⅰ）↑↑：有利于产品小型化
＞ ＞ 卡玛拉
NiCr
康铜
测量时受环境
ⅱ）↓↓：温度系数小
影响小
稳定性 好，寿
MnCu ＜ 康铜 ，但锰铜易氧化
命长 ⅲ）抗腐蚀性好（抗氧化，硫化，有机污染）
铂＞铱＞钯＞银. 但太贵。
ⅳ）延展性、抗拉强度好：绕线时不易拉断；