4传感器类型及原理1(1)

南昌大学机电工程学院第四章、传感器的基本类型及其工作原理本章学习要求：1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路热工测试技术南昌大学机电工程学院1.传感器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信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成（GB7665－87）。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。物理量电参量4.1概述第四章、传感器类型及工作原理南昌大学机电工程学院2.传感器的构成4.1概述①敏感元件（或称预变换器，也统称弹性敏感元件）在进行由非电量到电量的变换时，有时需利用弹性敏感元件，先将被测非电量预先变换为另一种易于变换成电量的非电量（例如应变或位移），然后再利用传感元件，将这种非电量变换成电量。弹性敏感元件是传感器的心脏部分，在电测技术中占有极为重要的地位。它常由金属或非金属材料做成，当承受外力作用时，它会产生弹性变形；当去除外力后，弹性变形消失并能完全恢复其原来的尺寸和形状。右图为弹簧管压力计。南昌大学机电工程学院②转换元件（或称传感元件）凡是能将感受到的非电量（如力、压力、温度梯度等）直接变换为电参量的元件。例如应变计、压电晶体、压磁式器件、光电元件及热电偶等。它利用各种物理效应或化学效应等原理制成的。说明:并不是所有的传感器都包括敏感元件和转换元件两部分。有时不需要进行预变换这一步，例如热敏电阻、光电器件等。另外一些传感器，敏感元件与转换元件合二为一，如固态压阻式压力传感器等。4.1概述南昌大学机电工程学院3.传感器的分类4.1概述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,力矩;热工量:温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面。噪声南昌大学机电工程学院4.1概述电阻式,电感式,电容式,磁电式,热电式,光电式等.2)按传感器的工作原理分类:能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征: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,磁电式位移计.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:电容式声级计.南昌大学机电工程学院4.1概述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.南昌大学机电工程学院•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:电位计式、电阻应变式、压阻式、热电阻式、湿（气、光）敏电阻式。•1电位计式传感器第四章、传感器类型及工作原理4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院4.2电阻式传感器EE1VRmRxR-Rx1EE1=xLRmR+Lx()-南昌大学机电工程学院案例：重量的自动检测--配料设备比较重量设定原材料4.2电阻式传感器原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻南昌大学机电工程学院案例：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4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院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。•2金属应变式传感器4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院1)工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数金属应变片的电阻R为AlR/=dAldAAldlAdR+=2代入AlR/=dRAdARldlRdR+=4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院dAdAldlRdR+=有：金属丝：2rA=drdrldlRdR+=2金属丝体积不变：==ldlrdr4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院有：dRdR++=2对金属材料，导电率不变：)21(+=RdR金属丝应变片：4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院应变计金属应变片4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院2)应变片的主要参数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）。1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，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。4.2电阻式传感器参数名称电阻值/灵敏度电阻温度系数/（1/C）极限工作温度/C最大工作电流/mAPZ-120型PJ-120型BX-200型BA-120型BB-350型PBD-1K型PBD-120型1201202001203501000+10%120+10%1.92.11.92.11.92.21.92.21.92.2140+5%120+5%2010-62010-6———0.4%0.2%-1040-1040-3060-30200-30170606020202525251525南昌大学机电工程学院3)应变片测量电路VER1R4R2R313243412()()RRRRVERRRR=++4.2电阻式传感器金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大，一般用电桥。单臂电桥南昌大学机电工程学院令：4RR=3RRdR=+12RRR==ERRdRRRRRdRRRV))(()(++++=RdRE=4)21(+=RdR金属丝应变片：V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变4.2电阻式传感器13243412()()RRRRVERRRR=++南昌大学机电工程学院双臂电桥R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2感受到的应变1~2以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1~R4产生的电阻增量（或感受到的应变1~4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院全桥的温度补偿原理当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院应变效应的应用应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院电阻应变式传感器的应用：测力4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院应变片在悬臂梁上的粘贴及变形4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院案例：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。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院人体秤4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院案例：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。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院应变片的粘贴：1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院•3半导体压阻式传感器drdrldlRdR+=2简化为：(12)dREER=++•优点：灵敏度大;体积小;固有频率高；•缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。对半导体压阻材料，电阻率变化大：压阻效应:固体材料受到应力作用后，电阻率会发生变化。4.2电阻式传感器E为压阻效应，其值远大于前两项南昌大学机电工程学院压阻式压力传感器的隔离、承压膜片隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片隔离开来。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院压阻式压力传感器内部结构信号处理电路4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院高压进气口低压进气口4.2电阻式传感器小型压阻式固态压力传感器南昌大学机电工程学院投入式液位计外形压阻式压力传感器光柱显示器橡胶背压管h=h0+h1=h0+p1/（g）4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院•4气敏电阻传感器使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。还原性气体传感器所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院4.2电阻式传感器a）气敏烧结体b）气敏电阻外形c）基本测量转换电路1—引脚2—塑料底座3—烧结体4—不锈钢网罩5—加热电极6—工作电极7—加热回路电源8—测量回路电源MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。气敏电阻工作时必须加热到200300℃，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。南昌大学机电工程学院气敏电阻外形酒精传感器其他可燃性气体传感器4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院酒精测试仪呼气管4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院家庭用液化气报警器烟雾报警器一氧化碳传感器家庭用煤气报警器4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院4.2电阻式传感器•5湿敏电阻传感器绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时，称饱和状态。湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。南昌大学机电工程学院湿度传感器的分类4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院电子湿度计模块封装后的外形4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院电子相对湿度仪表的标定仪器干湿球湿度计外形及原理干球湿球4.2电阻式传感器南昌大学机电工程学院用干湿球湿度计测量相对湿度的原理上页中，左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸发，所以其温度低于室温，致使湿球的示值低于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久，但现在还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。风水槽棉球玻璃酒精温度计4.2电阻式传感器南昌大学