第四章常用传感器与敏感元件.

中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件1当我象嗡嗡作响的陀螺一样高速旋转的时候，就自然排除了外界各种因素的干扰，抵抗着外界的压力。皮埃尔·居里PierreCurie法国物理学家1859－1906中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件2第四章常用传感器与敏感元件§4.1概述§4.2机械式传感器§4.3电阻传感器§4.4电容传感器§4.5电感传感器§4.6磁电传感器§4.7压电传感器§4.8传感器选用原则▼▼▼▼▼▼▼▼中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件3电子脉冲地面激光接受装置热射线电子感受器调制解调希腊奥运圣火加拿大蒙特利尔中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件4水箱水箱接头管子接头类似单作用活塞式液压缸利用弹簧复位水管固定绳索等机构二位三通电磁换向阀二位二通电磁换向阀供水装置K1K2非接触式滴水传感器溢流管压力传感器.................................水列车自动供水系统中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件5§4.1概述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、转换元件、测量电路和辅助电源组成(GB/T7665-1987)。狭义上，非电信号电信号。敏感元件转换元件测量电路辅助电源非电量电量传感器的组成框图中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件6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；转换作用：被测信号转换成易于传输、检测和处理的电信号。被测对象观察者传感器非电量信号调理电量信号处理电量显示记录电量/数字量中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件7将物理量（水位、压力等）间接变换成电信号的变化。获取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）；开关量输出的传感器模拟量输出的传感器中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件82.传感器的分类(1)按被测物理量分类(2)按传感器元件的变换原理分类位移传感器,流量传感器,温度传感器等。电阻式,电容式,电感式,压电式,光电式等。能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作，不需要外加电源。(无源传感器）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。(有源传感器）例如:电阻应变片能量传递型：从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测。例如:超声波发生器和接受器(3)按传感器的能量传递方式分类中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件9(4)按信号的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实现信号变换。例如:水银温度计，压力测力计等。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。中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件103.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,色彩中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件114.对传感器的性能要求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；（静态特性）反应速度快，工作可靠性高；（动态特性）适应性和适用性强。作为检测系统的首要环节，必须具有快速、准确、可靠而又能经济地实现信号转换的性能。中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件125.传感器的发展趋势传感器的固态化（物性型传感器）；传感器的智能化（传感器+计算机的某些功能）；自补偿、自诊断、自校正、数据存储、分析、处理、通信研究生物感官，开发仿生传感器；传感器的集成化和多功能化。中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件13（1）机器人中的传感器信息融合控制和信息融合计算机自主移动装配机器人装配机械手力觉传感器触觉传感器视觉传感器超声波传感器激光测距传感器多传感器信息融合自主移动装配机器人中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件14▲（2）舰船上的传感器信息融合行扫描处理器红外探测器直流偏压AGC搜索器万向支架惯性导航系统图像摄像机万向支架图像处理共享存储器数据融合处理器环境控制显示记录人机界面图像摄像机传感器海军舰船传感器信息融合系统中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件15§4.2机械式传感器1.组成敏感元件（弹性体）机械放大指示系统输入量输出量弹性变形输出力压力温度…...机械式指针仪表2.弹性敏感元件弹性敏感元件在传感器中因为直接参与信号变换和测量，所以对其材料有一定的要求。1）弹性蠕变和弹性后效要小；2）弹性模数的温度系数要小；中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件163）线膨胀系数要小且稳定；4）弹性极限和强度极限要高；5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性；6）具有良好的机械加工性和热处理性。3.典型应用中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件174.机械式传感器的特点结构简单，使用方便；价格低廉，读数直观。机械式放大，指示系统使其惯性大，固有频率低，故多用于静态量或低频变化量的测量。元件的弹性蠕变和后效现象影响输入与输出的线性关系。5.改进为提高测量的频率范围,常把机械传感器与其它传感器结合起来。先用弹性元件把被测量转换成位移量,再用其它类型的传感器(电阻、电容等）把位移转换成电信号输出。▲中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件18电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。按工作原理可分为:热敏式电阻应变式变阻器（电位器）式光敏式湿敏式§4.3电阻式传感器中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件19一.变阻器式传感器变阻器式传感器也称为电位计式传感器，通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻R的变化。有直线位移型、角位移型和非线性型三种。1.工作原理lRρAR=f(,A,l)。当电阻丝的截面积A与电阻率ρ一定时，R=f(l)是单值函数关系。中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件202.直线位移型变阻器式传感器设电位计触头移动x，A点与b点间电阻值变化R，则：llRkxAlRSkx传感器的灵敏度：（常量）中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件213.角位移型变阻器式传感器2(RrSkAt常量）4.非线性电位计)(xfRx中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件225.电压分压电路xxuuRRxxRRxxuupypLpLppy00)1(时：当中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件236.特点①结构简单，性能稳定，使用方便。②分辨力低。电阻丝的直径受到限制。③有较大的噪声。电刷在滑动中与电阻的不断接触。中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件24例1：材料重量的自动检测--配料设备比较重量设定原材料原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻反馈中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件25例2：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻特点：（1）测量量程大；（2）防爆；（3）可靠；（4）成本低。中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件26例3：玩具机器人（广州中鸣数码）原理：电机-转角-电位器-电阻刀削面机器人中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件27二.电阻应变式传感器电阻应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。电阻应变片简称电阻片或应变片，是一种将应变变换成电阻变化的转换元件。将应变片粘贴在被测构件表面上，接入测量电路，随着构件受力变形，应变片敏感栅也相应变形，从而使其电阻发生变化。电阻变化与构件表面的应变成比例。应用：应力、应变、扭矩、压强、位移、温度等。优点：体积小、动态响应快、测量精度高、使用方便。中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感器与敏感元件281.工作原理AlR式中：ρ—导线的电阻率，又称为电阻系数。金属电阻应变片式：导体的应变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，如金属丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变大时，则电阻值就减小。LdLDD+dDPP拉伸拉伸电阻应变式传感器分为：金属电阻应变片式和半导体应变片式。中国石油大学（华东）机电工程学院Chinauniversityofpetroleum(Huadong)机械工程测试技术基础第四章常用传感