第三章传感器.

工程测试与信息处理工学院刘洁第三章常用的传感器与敏感元件transducer重点：常用传感器的工作原理、类型、特点；难点：根据传感器的工作原理和特点在工程中能够合理地选用。第三章常用的传感器与敏感元件第三章常用的传感器与敏感元件直接作用于被测量，能按一定规律将其转换成同种或别种量输出的器件。①.传感器是测量装置，能完成检测任务。②.其输入量是一被测量，可能是物理量、化学量或生物量。③.其输出量是物理量，可以是光、电量，但主要是电量。传感器定义：含义：第三章常用的传感器与敏感元件输入：物理量→输出：物理量即力→电量输入：化学量→输出：物理量即气体→电量把被测量，如力、位移、温度转换为易测信号，传送给测量系统的信号调理环节。同种量别种量作用第三章常用的传感器与敏感元件直接受被测量作用的元件称为传感器的敏感元件。在工程上也把提供与输入量有特定关系的输出量的器件称为测量变换器。传感器就是输入量为被测量的测量变换器。第三章常用的传感器与敏感元件传感器是测量系统的首要环节，如果没有传感器对原始参数进行精确可靠的测量，那么无论是信号调理、信号处理、数据的显示、记录、反馈和控制都将成为一句空话。第三章常用的传感器与敏感元件没有精确可靠的传感器就没有精确可靠的测试系统。若把计算机比喻为人的大脑，则传感器为人的五官（听、嗅、视、味、触），所以若无精确可靠的传感器去检测各种原始数据，那么电子计算机也无法发挥其应有的作用。第三章常用的传感器与敏感元件传感器在非电量检测系统中的作用：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。第三章常用的传感器与敏感元件第一节传感器的分类第一节传感器的分类在测试中，应用的传感器种类繁多，不胜枚举，往往对于一种被测量可以用多种不同类型的传感器测量。因此，对传感器分类就有很多方法。第一节传感器的分类按被测量分：位移传感器、力传感器、温度传感器等（传感器以被测物理量命名）。按工作原理分：机械式、电气式、光学式等（传感器以工作原理命名）。第一节传感器的分类按信号变换特征分：结构型（传感器依赖其结构参数变换实现信号转换，如极距式电容传感器）物性型(传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换，如压电式传感器)第一节传感器的分类能量转换型（传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量）如热电偶等。能量控制型（由外部供给辅助能量，并由被测量来控制外部供给能量的变化）如：电阻应变式传感器。按能量关系分：按输出信号分：模拟式（输出量为模拟量）数字式（输出量为数字量）第一节传感器的分类另一种传感器是以外信号（由辅助能源产生）激励被测对象，传感器获取的信号是被测对象对激励信号的响应，它反映了被测对象的性质或状态。例如，超声波探伤仪、X射线衍射仪等。第一节传感器的分类第二节机械式传感器mechanismtransducer原理：力、温度等被测量经弹性敏感元件转换为弹性变形，该变形使仪表指针偏转指示出被测量的大小。第二节机械式传感器测力计：力→弹性元件变形→仪表指针偏转（或平移）。第二节机械式传感器压力计：压力→波纹膜片→指针偏转压力→波纹管变形→齿条→齿轮→指针偏转压力→波登管变形→齿条→齿轮→指针偏转第二节机械式传感器温度计：温度→两种材料的温度系数不一样，致使弯曲变形→仪表指针酒精受热→感温筒膨胀→毛细管变形→波登管变形→指针偏转第二节机械式传感器利用弹性敏感元件的变形来工作1.结构简单、使用方便、价格低廉；2.变形不宜太大，以减少线性误差（输入—输出间的关系）；3.惯性大，固有频率低，适宜于测缓变或静态量。特点：第二节机械式传感器第二节机械式传感器第二节机械式传感器第三节电阻式传感器resistancetransducer分类变阻器式电阻应变式（Resistancestraingauge）第三节电阻式传感器一、变阻器式传感器第三节电阻式传感器变阻式传感器也叫电位计式传感器。改变电位器触点，把位移转换为电阻原理：AlRr=第三节电阻式传感器非电量引起位移，l变化→R变化分有：线位移R=f(x)角位移R=f(α)灵敏度：线位移角位移反映单位线位移或角位移电阻的变化量。另有一非线性型，其形状根据所要求的输出定。ldRSkdx==dRSkd==第三节电阻式传感器电阻分压电路，图3—6当RLRp后接电路：0ypuuxx=第三节电阻式传感器3.由于滑动部分磨损，不适于高速工作；4.分辨率较低，一般在20μm以下。2.电刷移动产生噪声，同时有接触电阻变化，特别在振动条件下误差较大，一般1~2%；1.结构简单，性能稳定，输出功率大，可不用放大器；特点：第三节电阻式传感器01rRRuIw=现有可测200mm大位移，速度15m/s的传感器。主要用于测量大的线位移及角位移，以及由于其他非电量引起位移的变化（如力）。应用：测油箱油量浮子位移Rw变化电路中I变化第三节电阻式传感器测方向盘角位移测井径第三节电阻式传感器二.电阻应变式传感器Resistancestraingauge第三节电阻式传感器可测应变、力、位移、加速度、扭矩等参数，在机械、航空、建筑等行业得到广泛应用。分类：金属电阻应变片半导体应变片丝式箔式第三节电阻式传感器（一）金属电阻应变片(metalresistancestraingauge)丝式栅直径为0.025mm，成本低、横向效应大。结构：如图3—7，3—8第三节电阻式传感器箔式栅用光刻技术制造，厚约1~10μm，散热条件好；粘贴牢固；可制作成任意精确形状，有利于成批生产；价格较贵。第三节电阻式传感器贴于试件或弹性元件上的应变片和试件一起变形→应变→阻值变化，则得阻值的变化，即可知与之对应的被测量。原理：第三节电阻式传感器电阻丝的阻值AlRr=可见，若l、A、ρ发生变化，R也发生变化。第三节电阻式传感器现建立电阻丝的应变和电阻变化之间的关系，将上式两边取对数并微分（式中各值均视为变量）得：AdAldldRdR=rr（1）轴向变形rdrrrdrAdA222==径向变形xrrdr==xldl=第三节电阻式传感器将以上各式代入（1），得：rrrrddRdRxxx==)21(2（2）分析上式，（1+2μ）εx是由电阻丝的几何尺寸改变引起的，dρ/ρ是由电阻丝的电阻率变化引起的，很小可忽略不计，那么，上式：xRdR)21(表明电阻相对变化率与应变成正比。第三节电阻式传感器电阻应变片的灵敏度系数：常数===21//ldlRdRsg工程中sg一般在1.7~3.6之间，标准阻值有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω、1000Ω等，其中以120Ω为最常用，应变片的尺寸可据使用要求选取。第三节电阻式传感器第三节电阻式传感器金属应变计有:丝式和箔式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.第三节电阻式传感器(二)半导体应变片结构使用方法：与金属电阻应变片相同，即粘贴在弹性元件或被测物体上，其电阻值随被测试件的应变而变化。第三节电阻式传感器所谓压阻效应是指单晶半导体材料（如硅、锗、锑化铟）沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率ρ发生变化的现象。1．工作原理基于半导体材料的压阻效应。第三节电阻式传感器从半导体物理知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使其电阻率ρ发生很大变化。单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度的变化，从而引起电阻率的变化。第三节电阻式传感器据（2）式，（1+2μ）εx项是由几何尺寸变化引起的，dρ/ρ是由于电阻率变化引起的。对半导体而言，后者远远大于前者，它是半导体应变片电阻变化的主要部分，故（2）式可简化为这一数值比金属电阻应变片大50~70倍。ERdRSERdRg=则其灵敏度为第三节电阻式传感器金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用形变引起电阻的变化；后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。第三节电阻式传感器缺点：①.温度稳定性能差，②.灵敏度分散度大（由于晶向、杂质等因素影响）③.较大应变作用下，非线性误差大。优点：①.灵敏度高（最突出的优点）②.横向效应小，机械滞后小，本身体积小。2．特点：第三节电阻式传感器1).直接用来测定结构的应变或应力（三）应用第三节电阻式传感器2).将应变片贴于弹性元件，设计制作传感器,可测力、位移、扭矩、加速度等，需计算强度、灵敏度。第三节电阻式传感器测力第三节电阻式传感器案例：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。德国HBM电阻应变式传感器第三节电阻式传感器案例：桥梁固有频率测量第三节电阻式传感器3).传感器的标定寻求被测量与应变之间的关系。PPε第三节电阻式传感器4).应变片的粘贴粘接剂选择；试件表面处理；粘贴方法；固化处理；防潮处理。第三节电阻式传感器5).动态测量最大测量频率电桥电源频率的1/5~1/10；应变片基长↓，最大测量频率↑。基长为10mm时，上限测量频率可高达25kHz。第三节电阻式传感器6).注意温度补偿温度的变化会引起电阻值的变化，从而造成测量结果的误差，且温度所造成的影响往往与应变引起的电阻变化是同等数量级的，因此务必要采用温度补偿，以消除该误差。第三节电阻式传感器固态压阻式传感器其敏感元件是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散型电阻，亦称扩散型半导体应变片。可制成各种形状，有效面积可以小至毫米级，频响高，可测高频脉动压力和加速度。使用时需采取温度补偿措施。第三节电阻式传感器动态电阻应变仪第三节电阻式传感器第四节电容式传感器capacitancetransducer一、原理第四节电容式传感器将被测物理量转换为电容量变化的装置。实质是一个具有可变参数的电容器。两个平行极板组成的电容器电容量：AC0=+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。第四节电容式传感器（一）极距变化型(polardistance)δ变化→C变化若A、ε不变，则C与极距δ是非线性关系（图3－22）第四节电容式传感器当极距有一微小变化量dδ时，引起电容的变化量dCdAdC201=灵敏度201AddCS==可看出，S与δ2成反比，δ↓，则S↑，有非线性误差。为减小误差，通常取较小极距范围工作，以便获近似线性关系，一般取。1.0/0第四节电容式传感器应用：轴旋转时的径向跳动（δ变化）→C变化→可测轴的跳动（小位移）。测轴的径向跳动（小位移）定极板传感器固定架第四节电容式传感器力P使δ变化→C变化，测C可知P力大小第四节电容式传感器第四节电容式传感器特点：1、可进行动态非接触测量；2、灵敏度高适于较小位移（0.1微米～数百微米）的测量。1、有非线性，需用特殊结构（如差动式）或电子线路来解决；2、杂散电容影响较大，需良好屏蔽；3、需采用高频电路，结构调整较复杂。优点缺点第四节电容式传感器(二)、面积变化型A变化→C变化角位移型：动板转动与定极板间互相覆盖的面积就改变∵覆盖面积22rA=∴202rC=常数灵敏度：===2ddCS20r输出与输入成线性关系。第四节电容式传感器平面线位移型:∵A=bxbxC0=灵敏度常数===bdxdCS0圆柱体线位移型：)/ln(2C0dDx=常数===)/ln(20dDdxdCS特点：输出与输入成线性关系，与极距型相比灵敏度较低，适于较大直线位移及角位移测量。第四节电容式传感器第四节电容式传感器（三）介质变化型ε变化→C变化P71图3－24a）、b)第四节电容式传感器测谷物土壤水份，空气ε＝1水ε＝81完全干燥谷物ε＝2第四节电容式传感器插入式谷物水份测量仪应用：液位高度、材料的厚度与介电常数、湿度。以及物料的水份第四节电容式传感器电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体