第三章常用传感器与敏感元件.

测试技术基础第三章常用传感器第三章常用传感器3.1概述3.2机械传感器3.3电阻传感器3.4电容传感器3.5电感传感器3.6磁电传感器3.7压电传感器3.8磁敏传感器3.9传感器选用原则测试技术基础第三章常用传感器3.1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。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。狭义上，非电信号→电信号。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变换作用:被测信号转换成易于检测和处理的电信号测试技术基础第三章常用传感器2.传感器的分类(1)按被测物理量分类位移传感器,力传感器,温度传感器等.(2)按传感器的工作原理分类机械式,电气式,光学式,流体式等.(3)按敏感元件与被测对象之间的能量关系能量转换型: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.测试技术基础第三章常用传感器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反应速度快，工作可靠性高适应性和适用性强(4)按信号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.3.传感器的性能要求测试技术基础第三章常用传感器▲4.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，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，色彩测试技术基础第三章常用传感器机械式传感器一类传感器的统称，指只含有机械的转换方式。把机械量转换为另一种机械量的传感器。（常常以弹性体作为传感器的敏感元件）优点：结构简单，使用方便，价格低廉。缺点：固有频率低，可测频带窄，适用于测量缓慢变化或者静态被测量。（为了提高频带，常与其它形式的传感器联合运用）3.2机械式传感器测试技术基础第三章常用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♠湿敏式AlR3.3电阻式传感器测试技术基础第三章常用传感器ELxEl1EERRxLxR—总电阻;Rx—电刷电阻;AlR1.变阻器式传感器测试技术基础第三章常用传感器2.应变式电阻传感器基片盖层电阻丝引线粘贴剂丝式应变片箔式应变片AlR半导体应变片金属应变片丝式、箔式半导体应变片测试技术基础第三章常用传感器比例关系AlR应变片受力应变比例关系应变片电阻的变化(1)应变效应导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。测试技术基础第三章常用传感器AlRldlDD+dDPP拉伸拉伸(2)工作原理式中，—导线的电阻率，又称为电阻系数金属导线的应变电阻效应：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，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。测试技术基础第三章常用传感器应变片受力后，电阻的变化dRAARRllRRddddAlR则AAlAllARdddd2两边同除以R，同时R=l/A，则AAllRRdddddl/l=e——金属导线长度的相对变化，称纵向应变。d/——导线电阻率的相对变化。dA/A——导线截面积的相对变化，称为横向应变。测试技术基础第三章常用传感器对于圆形截面积的导线，若半径为r，则rrrddAd2)(2)d(2d22rrrrrAdA横向应变dr/r和纵向应变dl/l之比称为泊松比，即llrrdd故llAAd2d测试技术基础第三章常用传感器AAllRRddddeEdE为导线材料的弹性模量，为压阻系数，与材料有关。则llAAd2d已知当导体材料确定后，、、E均为常数，则(1+2+E)为常数。e)21(d2dddEllllRR灵敏度为：ES21应变片电阻的相对变化率dR/R与应变e之间是线形关系测试技术基础第三章常用传感器e)21(d2dddEllllRReSRdRES21S由两部分组成：前一部分(1+2)单由金属导线的几何尺寸变化引起的；后一部分E是电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。返回测试技术基础第三章常用传感器1金属应变片（不变）金属应变计2半导体应变片（变化）半导体应变计6.3~7.1)21(gSRdRe70~60gSERdReeeSERdR)21(测试技术基础第三章常用传感器(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）。测试技术基础第三章常用传感器(4)金属应变计金属应变计有:1、丝式2、箔式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.测试技术基础第三章常用传感器体型薄膜型扩散型(5)半导体应变计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。测试技术基础第三章常用传感器立柱应力桥梁应力德国HBM电阻应变式传感器(6).应变式电阻传感器的应用测试技术基础第三章常用传感器压力传感器质量传感器位移传感器加速度计测试技术基础第三章常用传感器压力传感器扭矩传感器测试技术基础第三章常用传感器案例：冲床生产记数和生产过程监测测试技术基础第三章常用传感器温度(热量)的变化电阻的变化温度检测:-200℃～+500℃3.其他电阻传感器(1).热电阻传感器利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。测试技术基础第三章常用传感器圆形热敏电阻柱形热敏电阻珠形热敏电阻热敏电阻在电路中的符号(2).热敏电阻传感器非线性元件:它的温度-电阻关系是指数关系温度为-50℃～＋350℃测试技术基础第三章常用传感器▲(3)光敏电阻传感器(4)湿敏电阻传感器测试技术基础第三章常用传感器1.变换原理将被测物理量的变化转化为电容量变化。两平行极板组成的电容器,它的电容量为:当被测量d、A或e发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。+++dAedeeAC03.4电容式传感器测试技术基础第三章常用传感器2.分类c)介质变化型a)极距变化型+++b)面积变化型:平面线位移型,角位移型,柱面线位移型deeAC0测试技术基础第三章常用传感器3.灵敏度a)极距变化型deeAC0ddeedd20AC传感器的灵敏度近似为：ddeedCACS20dd平板电容器Aed测试技术基础第三章常用传感器000AACCCeeddd000/1(/)Cdddd0200CCASeddd00ACed0ACedd0/0.1dd一般取极距变化范围为230000CCdddddd0/1dd230000CCdddddd极距减小d当极距增加ddCddCd测试技术基础第三章常用传感器变极距型电容传感器（差动结构）实际应用中，常把电容传感器作成差动结构，如图所示。24000021CCdddddd002CCdd002CCSdd10ddd则上半部间隙变为下半部间隙变为20ddd相应地电容变化为101CCC202CCC总的电容变化量1212CCCCC12CC差动结构的电容传感器灵敏度提高一倍，而非线性度显著降低。测试技术基础第三章常用传感器振动测量旋转轴的偏心量的测量变极距型电容传感器的应用测试技术基础第三章常用传感器测试技术基础第三章常用传感器传感器灵敏度b)面积变化型a)直线位移型deebxC0常数deebxCS0dd直线位移型b)角位移型dee220rC传感器灵敏度常数dee2dd20rCS角位移型xb12xx21测试技术基础第三章常用传感器deeAC02In/xCDde电容量当覆盖长度变化时，电容量发生变化，其灵敏度xC2In/dCSdxDde常数圆柱体线位移型测试技术基础第三章常用传感器介质常数变化型电容式传感器c)介质变化型大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。测试技术基础第三章常用传感器变介电常数型电容传感器（电容式液位计）电容器总电容等于气体介质中的电容与液体介质中的电容之和。C1C2C211222112()21n1nhxxCCCRRRRee212221122()In1nhxRRRReee其灵敏度12212()dd1nCSRxRee测试技术基础第三章常用传感器电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型3.5电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量变化的一种装置。分类:测试技术基础第三章常用传感器1.可变磁阻式(自感型)002AAlRmd原理:电磁感应W：线圈匝数；l：软铁长度；：软铁磁导率；0：空气磁导率A：铁芯导磁截面A0：空气导磁截面123~xbaAd可变磁阻式传感器基本原理1.线圈2.铁芯3.衔铁mRWL2d2002AWL测试技术基础第三章常用传感器d2002AWL(1).间隙变化型20022WAdLLSdddd间隙变化型可变磁阻式传感器结构当0、A0固定不变，改变d时，L与d呈非线形（双曲线）关系.L0dLdL与d的双曲线关系传感器灵敏度：dL铁心被测工件测杆线圈dL测试技术基础第三章常用传感器0/1dd0ddd200001LLdddddd20002002LWALSddd0/0.1dd0ddd0LLL12200000000012()2WAWALLddddddd200001LLdddddd测量范围允许在0.001mm~1mm之间。lδ衔铁Δδ第四章常用传感器测试技术基础第三章常用传感器差动式电感传感器12dd120LLL120LLLd101LLL202LLL1212LLLLL24000021LLdddddd002LLdd002LLSdd图4-12变气隙差动式电感传感器第四章常用传感器测试技术基础第三章常用传感器d2002AWL(2).面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构当0、d固定不变，改变A0时，L与A0呈线形关系.传感器灵敏度2002WdLSdAd0A0LL与A0的线形关系=常数铁心线圈dLbb衔铁测试技术基础第三章常用传感器(3).螺线管型当其它参数不变，仅改变l，使Rm变化，从而产生电感的变化。002AAlRmdmRWL2Lxl测试技术基础第三章常用传感器