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
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 )
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。
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
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。
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～
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：
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
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
·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
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.
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
31
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
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
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；
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.
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
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
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
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
+Leabharlann ++ +
（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
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
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。
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
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
+ +
+
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。
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
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）
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）
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
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。