03常用传感器与敏感元件

1第三章常用传感器与敏感元件21.传感器（sensor/transducer）定义工程测量中通常把直接作用于（感知）被测量，并能按一定方式/一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件。物理量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号（如电压、电流）或者电的参数信号（如电阻、电容、电感等）。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。32.传感器的构成传感器由敏感器件/元件与辅助器件组成。敏感元件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。dV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。Return43.1常用传感器分类1)按被测物理量常见的被测物理量位移力温度噪声……位移传感器力传感器温度传感器2)按传感器工作原理机械式,电气式,光学式,流体式等.53.1常用传感器分类3)按信号变换特征:物性型传感器和结构型传感器※物性型传感器:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号的变换。如水银温度计；压电传感器。※结构型传感器:是依靠传感器结构参数的变化（如形状、尺寸等）而实现信号转换。例如，电容式传感器。63.1常用传感器分类能量转换型和能量控制型能量转换型:又称无源传感器。直接由被测对象输入能量使其工作。二者存在能量交换。例如:热电偶温度计能量控制型:又称有源传感器。从外部供给能量使传感器工作，并且由被测量来控制外部供给能量的变换。例如:电阻温度计4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:73.2机械式传感器及仪器工作原理:以弹性体作为传感器的敏感元件。弹性元件利用其弹性变形范围内能感受力、压力、力矩等产生弹性变形在外力消失后又可恢复原状的性能，把各种形式的非电量转变为应变量或位移量，然后再经过一定的变换或检测方式转化为电量。Eg.弹簧弹性元件具有的现象：1蠕变：材料在长时间的恒温、恒载荷作用下缓慢地产生塑性变形的现象。2.弹性后效：是指加载（或卸载）后经过一段时间应变才增加（或减小）到一定数值的现象。弹性材料的这些现象会影响输入输出的线性关系，因此，应用弹性元件时，应从结构设计、材料选择等方面采取有效措施。83.2机械式传感器及仪器93.2机械式传感器及仪器103.3电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器基本原理：就是将被测量的变化转换成电阻值的变化，再经过转换电路变成电信号输出。分类：按工作原理可分为变阻器式、电阻应变式1变阻器式传感器/电位计式传感器/可调电位器工作原理：通过改变电位器触头位置，实现将位移转化为电阻R的变化。AlR113.3电阻、电容与电感式传感器•直线位移型xkR1C、A间：灵敏度S：1kdxdRSkddRS灵敏度S：k1——单位长度的电阻值•角位移型kRC、A间：——电刷转角k——单位弧度对应的电阻值123.3电阻、电容与电感式传感器按制作方式：•线绕电位器•导电塑料电位器普通塑料基底导电材料粉133.3电阻、电容与电感式传感器变阻器式传感器后接电路：pLppeoxxRRxxUU1其中，Rp—变阻器的总电阻；xp—变阻器的总长度；RL—后接电路的输入电阻知识链接当Rp/RL趋于零时，输出电压Uo才与位移x成线性关系。所以，后接电路的输入电阻要远远大于变阻器的总电阻Rp。当Rp/RL0.1时，非线性误差小于满刻度输出的1.5%。143.3电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器1变阻器式传感器/电位计式传感器优点：结构简单、性能稳定、使用方便。缺点：因为受到制作更小直径的电阻丝的限制，分辨力不高，很难小于20mm，其绕制较困难。此外，这种传感器还有较大的噪声，主要因为电刷和电阻元件之间存在磨损、接触面变动等。153.3电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器2.电阻应变式传感器——应变片（核心/敏感元件）（1）金属电阻应变片※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。使用：把应变片用特制胶水粘固在弹性元件（如下图）或需要测量变形的物体表面上。在外力作用下，应变片随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化。163.3电阻、电容与电感式传感器•金属丝电阻应变片△结构材质：康铜（铜镍）合金、镍铬合金（高的电阻率），直径为0.025mm应变片长度※若应变片在长度方向上发生伸长变形，则其阻值增大17•金属箔式电阻应变片a）敏感单方向上的应变b）双片式应变花，测扭矩3.3电阻、电容与电感式传感器优点：线条均匀，尺寸准确，箔片厚度约为1-10mm，粘接性好，应用较广。b)18应变计金属应变计3.3电阻、电容与电感式传感器193.3电阻、电容与电感式传感器EERdR)21(21由电阻丝几何尺寸改变引起由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起21RdR对于金属电阻应变片，有：21RdRSg灵敏度：（金属电阻应变片的灵敏度S=1.7-3.6）20–粘贴式：粘贴式金属丝应变片可用于应力分析，也可用作为传感器。由于可测的电阻值变化要求导线长度很长，因而要将导线按一定的形状（通常为栅状）曲折地贴在由浸渍过绝缘材料的纸衬或合成树脂组成的载体上。图金属丝应变片图应变片结构纵截面情形3.3电阻、电容与电感式传感器补充：金属丝式应变片的分类213.3电阻、电容与电感式传感器–非粘贴式：图示出一种非粘贴式应变仪，它采用一组连接成电桥形式的预加载电阻丝。其中电桥的每根电桥臂的电阻值约为120～1000Ω，最大激励电压为5～10V，满量程输出为20～50mV。图非粘贴式应变仪223.3电阻、电容与电感式传感器2.电阻应变式传感器——应变片（核心/敏感元件）（2）半导体应变片结构：工作原理：基于半导体材料的压阻效应※压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率发生变化的现象。从半导体物理可知，单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规律会发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度产生变化，从而引起电阻率的变化。23分类：P型应变片：在施加有效应变时会增加其电阻值；N型应变片：在施加有效应变时会减少其电阻值。3.3电阻、电容与电感式传感器半导体应变片灵敏度：※金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：金属丝电阻应变片利用金属导体形变引起电阻变化；半导体应变片利用半导体材料电阻率变化引起电阻变化。ERdRSg（半导体应变片的灵敏度S=60-170）243.3电阻、电容与电感式传感器※电阻应变片的选择、粘贴技术1.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。2.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0.5Ω。3.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。4.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。255.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500MΩ。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。3.3电阻、电容与电感式传感器263.3电阻、电容与电感式传感器◎金属电阻应变片的测量电路（a）1片工作应变片的电桥R2（b）2片工作应变片的电桥273.3电阻、电容与电感式传感器◎电阻应变式传感器的应用实例1.直接测定结构的应力或应变立柱应力测量桥梁应力测量282.将应变片粘贴在弹性元件上制成多种用途的应变传感器3.3电阻、电容与电感式传感器◎电阻应变式传感器的应用实例原理：位移x使板弹簧产生与其大小成正比的弹性变形，弹簧上的应变片则将弹性变形（应变）转换成其电阻的变化。原理：它由质量块、悬臂梁、基座组成。当基座与被测振动体一起振动时，质量块的惯性力作用在悬臂梁上，梁的应变与振动体（基座）的加速度在一定频率范围内成正比，则贴在梁上的应变片把应变转换成电阻的变化。293.3电阻、电容与电感式传感器2.将应变片粘贴在弹性元件上制成多种用途的应变传感器◎电阻应变式传感器的应用实例原理：物体重量引起金属盒弹簧的弹性变形，贴在盒上的应变片也随之变形，从而引起其电阻变化。原理：压力使膜片变形，应变片也相应变形，使其电阻发生变化。303.3电阻、电容与电感式传感器案例1：电子秤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。应变片——受压应变片——受拉313.3电阻、电容与电感式传感器※案例2：冲床生产记数和生产过程监测R2R2UeR1UoR3R4ab32案例3：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。3.3电阻、电容与电感式传感器33二、电容式传感器3.3电阻、电容与电感式传感器1.变换原理:将被测物理量转换为电容量变化。实质是一个具有可变参数的电容器。两平行极板组成电容器,其电容量为:AC0+++A、A或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成电容量的变化。341)极距变化型AC03.3电阻、电容与电感式传感器dAdC201灵敏度S：201AddCS根据电容器变化的参数对电容式传感器进行分类：+++0353.3电阻、电容与电感式传感器根据电容器变化的参数对电容式传感器进行分类：1)极距变化型图3-12极距变化型电容式传感器a)极距变化b)输出特性灵敏度与极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高。由于灵敏度随极距而变化，这将会引起非线性误差。为了减小非线性误差，通常规定在较小的间隙变化范围内工作，以便获得近似线性关系。一般取极距变化范围约为。1.0/0363.3电阻、电容与电感式传感器根据电容器变化的参数对电容式传感器进行分类：1)极距变化型在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精确度的影响，常常采用差动式。图差动式变极距式传感器的原理图灵敏度S：2012AddCS极距变化型电容传感器特点：可利用被测部件作动极板，实现非接触测量，对被测系统影响小；适用于较小位移（0.01微米~数百微米）的测量。373.3电阻、电容与电感式传感器※电容式测厚仪电容测厚仪工作原理。在被测金属带材的上下两侧各放置一块面积相等，与带材距离相等的极板2，这样极板与带材就形成了两个电容器。其总电容Cx＝C1+C2=2C。如果带材厚度发生变化，则引起电容量的变化。用交流电桥将电容的变化检测出来，经过放大，即可由电容测厚仪显示出带材厚度的变化。◎应用383.3电阻、电容与电感式传感器◎应用用来测量金属导体表面振动位移的电容式传感器只含有一个电极，而把被测对象作为另一个电极使用。393.3电阻、电容与电感式传感器2)面积变化型•角位移型+++220rC电容量——覆盖面积对应的中心角r——极板半径灵敏度S：常数220rddCS(输出与输入成线性关系)403.3电阻、电容与电感式传感器•平面线位移型bxC0电容量：b——极板宽度——极板间距离灵敏度S：常数bdxdCS0413.3电阻、电容与电感式传感器•圆柱体线位移型灵敏度S：)/ln(20dDxC电容量：D—圆筒孔径d—圆柱外径常数)/ln(20dDdxdCS12423.3电阻、电容与电感式传感器产品.陶瓷电容压力传感器液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。433.3电阻、电容与电感式传感器3)介质变化型利用介质的介电常数变化将被测量转换成电量的一种传感器。可用来测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度等。443.3电阻、电容与电感式传感器产品电容式液位传感器（液位计/料位计）原理：利用介质液面高度的变化对电容介电常数的影响而制成。3)介质变化型45电容式液位计及其等效电路HLH03.3电阻、电容与电感式传感器3)介质变化型463.3电阻