1、传感器原理及应用全套教学课件学习资料库课件中心（配套习题及解答）htp:/ 传感器原理及应用 学习资源免费共享联盟基地htp:/说明：该资料由学习资源库广大学友共享整理，原创版权归原作者所有，仅供学习使用！学习资源库课件免费共享中心：htp:/ 教材及参考书 教材 教材 : 传感器 传感器 （第 （第 3版） 版） 哈尔滨工业大学 哈尔滨工业大学 强锡富 强锡富 主编 主编机械工业出版社 机械工业出版社参考书 参考书 ： ： 机械工程测试技术 机械工程测试技术 (第二版 第二版 ) 黄长艺、严普强 黄长艺、严普强 主编 主编机械工业出版社 机械工业出版社参考书 参考书 ： ： 当代测试技术 当
2、代测试技术 钱难能 钱难能 主编 主编华东化工学院出版社 华东化工学院出版社 绪 绪 论 论一、 一、 测试技术简介 测试技术简介 测试技术的发展与生产的发展、科技 测试技术的发展与生产的发展、科技的发展有着密切的联系。在工业发达的国 的发展有着密切的联系。在工业发达的国 家里，测试技术的水平及其装置必定是相 家里，测试技术的水平及其装置必定是相 当先进的，测试技术的应用领域也十分广 当先进的，测试技术的应用领域也十分广 泛。 泛。机械系统中常见的物理量 机械系统中常见的物理量 几何量 几何量 长度、角度、表面几何形状 长度、角度、表面几何形状机械量 机械量 振动（ 振动（ 速度、加速度、位移
3、） 速度、加速度、位移） 、 、 力、 力、 压力、 压力、 力矩、扭矩、功率、 力矩、扭矩、功率、 质量、硬度 质量、硬度热工量 热工量 温度、温度场、湿度、流量 温度、温度场、湿度、流量光学量 光学量 照度、光学参数（焦距、透光率） 照度、光学参数（焦距、透光率）电磁量 电磁量 电压、电流、电势、磁场强度 电压、电流、电势、磁场强度测试技术的方法（以测力为例） 测试技术的方法（以测力为例） 客 观 物 理 量 光学转换 气液转换机械转换电气转换 机械参数 机械测试法 光学测试法光学参数 气液测试法气液参数 电测法电参数 电阻、电容、电感 电压、电流力 位移力 光电移动力 气液的压力变化力
4、电阻的变化 （明暗条纹的变化） FxF反光镜 FPF应变片各种测试法的优缺点： 各种测试法的优缺点：机械测试法： 机械测试法： 惯性大，摩擦大 ， 不 便 记 录 ， 不 能 测 过 程 ， 惯性大，摩擦大 ， 不 便 记 录 ， 不 能 测 过 程 ，只能测静态 只能测静态光学测试法： 光学测试法： 精度最高，但对环境要求苛刻，需在实验 精度最高，但对环境要求苛刻，需在实验室中作标准或高精度测量 室中作标准或高精度测量气液测试法： 气液测试法： 要求有合适的动力源，气体的压缩性、液 要求有合适的动力源，气体的压缩性、液体的阻尼跟不上快速的变化，一般只能用于准 体的阻尼跟不上快速的变化，一般只
5、能用于准 静态测量 静态测量电测法的优点： 电测法的优点：电测法 电测法 : （ （ 1）精度高； ）精度高；（ （ 2） 灵 敏 度 高 ， 在 很 大 范 围 内 可 进 行 方 便 调） 灵 敏 度 高 ， 在 很 大 范 围 内 可 进 行 方 便 调整，测试范围很广； 整，测试范围很广； （ （ 3） 电 惯 性 小 ， 反 映 快 ， 能 够 进 行 快 速 变 化 的） 电 惯 性 小 ， 反 映 快 ， 能 够 进 行 快 速 变 化 的量的测量，频域范围很广； 量的测量，频域范围很广； （ （ 4）便于远距离传输和控制，可遥测、遥控； ）便于远距离传输和控制，可遥测、遥控；（
6、 （ 5）便于仪器的通用化和专业化生产； ）便于仪器的通用化和专业化生产； （ （ 6） 动 力 源 普 遍 ， 有 一 定 抗 干 扰 能 力） 动 力 源 普 遍 ， 有 一 定 抗 干 扰 能 力 适 适合现场使用。 合现场使用。非电量被测量的二次转换 非电量被测量的二次转换 一次变换 一次变换 二次变换 二次变换被测量 被测量 光测、气液测 光测、气液测 电测量 电测量一般非电量电测法测试系统的 一般非电量电测法测试系统的 组成 组成 非电量电测法测试系统的组成人 为 驱 动 信 号驱 动 装 置 对 象 被 测 标 定 装 置 信 号 标 准 控 制 系 统传 感 器 中 间 电 路
7、 显 示 记 录 观 察 者非电量电测法测试系统的各部 非电量电测法测试系统的各部 分的作用 分的作用 ： ：1.传 感 器 传 感 器 感 受 被 测 物 理 量 并 把 它 变 换 为 便感 受 被 测 物 理 量 并 把 它 变 换 为 便于传输处理的电信号。 于传输处理的电信号。 它 是 整 个 测 试 系 统 实 现 测 试 和 自 动 控 制它 是 整 个 测 试 系 统 实 现 测 试 和 自 动 控 制的首要的、关键的环节。 的首要的、关键的环节。2.中 间 电 路 中 间 电 路 将 传 感 器 输 出 的 微 弱 电 信 号 进将 传 感 器 输 出 的 微 弱 电 信 号
8、 进行再次变换、放大 、 衰 减 、 滤 波 、 调 制 和 解 调 行再次变换、放大 、 衰 减 、 滤 波 、 调 制 和 解 调 等，使它们成为便 于 显 示 、 记 录 或 进 行 数 据 处 等，使它们成为便 于 显 示 、 记 录 或 进 行 数 据 处 理的信号。 理的信号。3.显 示 与 记 录 器 显 示 与 记 录 器 将 中 间 变 换 与 测 量 电 路 送将 中 间 变 换 与 测 量 电 路 送来的电压或电流信号不失真地显示和记录出来。 来的电压或电流信号不失真地显示和记录出来。作用二 作用二 4.驱 驱 动装置 动装置 产生人为驱动信号，是 产生人为驱动信号，是被
9、测对象处于人为的工作状态下，把内 被测对象处于人为的工作状态下，把内 部特性表现得更明显。 部特性表现得更明显。5.标定装置 标定装置 产生标准输入以便用实 产生标准输入以便用实验的方法来得到被测量与显示记录之间 验的方法来得到被测量与显示记录之间 准确地量的关系。 准确地量的关系。二、传感器在科技发展中的作用 二、传感器在科技发展中的作用三、传感器的定义 三、传感器的定义国 家 标 准国 家 标 准 (GB765-8)对 传 感 器对 传 感 器(Transducer/Snsor的定义： 的定义： 能 够 感 受 规 定 的 被 测 量 并 按 照 一 定 规 律能 够 感 受 规 定 的
10、被 测 量 并 按 照 一 定 规 律转换成可用输出信号的器件或装置 转换成可用输出信号的器件或装置 。 。教科书对其定义： 教科书对其定义： 传感器是一种以一定的精确度把被测 传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应 量转换为与之有确定对应关系的、便于应 用的某种物理量的测量装置。 用的某种物理量的测量装置。 定义包含以下几方面意思： 定义包含以下几方面意思： 传感器是测量装置，能完成检测任务； 传感器是测量装置，能完成检测任务； 它的输入量是某一被测量，可能是物理 它的输入量是某一被测量，可能是物理 量，也可能是化学量、生物量等； 量，也可能是化学量、生物量等；
11、 它的输出量是某一物理量，这种量要便于 它的输出量是某一物理量，这种量要便于 传输、转换、处理、显示等等，这种量可 传输、转换、处理、显示等等，这种量可 以是气、光、电物理量，但主要是电物理 以是气、光、电物理量，但主要是电物理 量； 量； 输出输入有对应关系，且应有一定的精确 输出输入有对应关系，且应有一定的精确 程度。 程度。 四、传感器的组成 四、传感器的组成 以测量汽车油箱中汽油液位的装置为例 以测量汽车油箱中汽油液位的装置为例 组成 组成被 测 量 敏 感 元 件 传 感 元 件 信 号 调 节 转 换 电 路辅 助 电 源 电 量例：应变式力传感器 例：应变式力传感器 弹 性 膜
12、片 弹 性 膜 片 敏 感 元 件 ， 将 力 转 换 为 弹 性敏 感 元 件 ， 将 力 转 换 为 弹 性膜片的变形 膜片的变形应变片 应变片 传感元件，将弹性膜片的变形 传感元件，将弹性膜片的变形转换成电阻值的变化 转换成电阻值的变化 五、传感器的分类 五、传感器的分类 传感器的分类方法有许多种，从传感 传感器的分类方法有许多种，从传感器的工作机理来说，可分为物理型、化学 器的工作机理来说，可分为物理型、化学 型、生物型等。 型、生物型等。 本课程主要讲的是物理型传感器， 本课程主要讲的是物理型传感器，因此下面我们列表将物理型传感器的各种 因此下面我们列表将物理型传感器的各种 分类情况
13、进行介绍。 分类情况进行介绍。 分类方法 分类方法 说 说 明 明 举 举 例 例 按输入量分类 按输入量分类 传感器以被测物理量分类，也 传感器以被测物理量分类，也 即按用途分类，便于用户选择。 即按用途分类，便于用户选择。 位移传感器、速度传感器、 位移传感器、速度传感器、 温度传感器、压力传感器等 温度传感器、压力传感器等 按工作原理分类 按工作原理分类 （变换原理） （变换原理） 传感器以工作原理命名， 传感器以工作原理命名， 便于生产厂家专业生产。 便于生产厂家专业生产。 应变式、电容式、电感式、 应变式、电容式、电感式、 压电式、热电式等 压电式、热电式等 按物理现象 按物理现象
14、分类（信号 分类（信号 变换特征） 变换特征） 结构型 结构型 传感器依赖其结构参数变化实 传感器依赖其结构参数变化实 现信息转换 现信息转换 电容式传感器：利用电容极 电容式传感器：利用电容极 板间隙或面积的变化 板间隙或面积的变化 C物性型 物性型 传感器依赖其敏感元件物理特 传感器依赖其敏感元件物理特 性的变化实现信息转换 性的变化实现信息转换 压电式传感器：压电效应，力 压电式传感器：压电效应，力 电荷 电荷热电偶：热电效应 热电偶：热电效应 按能量关 按能量关系分类 系分类 能量 能量控制型 控制型 由外部供给传感器能量，而由 由外部供给传感器能量，而由 被测量来控制输出的能量 被测
15、量来控制输出的能量 电容传感器：需外部供电， 电容传感器：需外部供电， 使 使 x(t) C电流或电压 电流或电压 能量 能量转换型 转换型 传感器直接将被测量的能量转 传感器直接将被测量的能量转 换为输出量的能量 换为输出量的能量 温度计：吸收被测物的能量 温度计：吸收被测物的能量 磁电式：线圈切割磁力线 磁电式：线圈切割磁力线 感应电势 感应电势 按输出信号 按输出信号 分类 分类 模拟式 模拟式 输出量为模拟量 输出量为模拟量 数字式 数字式 输出量为数字量 输出量为数字量 六、传感器的命名 六、传感器的命名 式 式 传感器 传感器如： 如： 电阻式液位传感器 电阻式液位传感器 电容式声
16、传感器 电容式声传感器应变式力传感器 应变式力传感器 压电式加速度传感器 压电式加速度传感器 表示变换元件、变换原理的种类 表示变换元件、变换原理的种类 表示用途，指出被测量的种类 表示用途，指出被测量的种类 七、传感器的发展趋势 七、传感器的发展趋势高精度 高精度 小型化 小型化集成化 集成化 数字化 数字化智能化 智能化 新型化 新型化 大量物性型传感器的涌现 大量物性型传感器的涌现 化学传感器的开发 化学传感器的开发 采用新工艺的传感器开发 采用新工艺的传感器开发 第二章 第二章 电阻式传感器 电阻式传感器 电阻式传感器的分类 电阻式传感器的分类电位计式： 应变式： 物理量变化 电阻变化
17、传感元件属于大电阻变化型， R： 0传物理量变化 变形（应力、应变）敏感元件属于微电阻变化型， R： 02%R传传感元件 电阻变化 2-1 电位计式传感器 电位计式传感器电位计式传感器分类 电位计式传感器分类 将机械的线位移或角位移的变化 将机械的线位移或角位移的变化 电阻或电压的变化 一定函数关系变 阻器 式 变 压 器 式电位计式传感器的优、缺点： 电位计式传感器的优、缺点：优点： 优点： 结 构 简 单 、 尺 寸 小 、 重 量 轻 、 精 度结 构 简 单 、 尺 寸 小 、 重 量 轻 、 精 度高 高 (0.1%.05%)、 性 能 稳 定 、 受 环 境、 性 能 稳 定 、
18、受 环 境因 素 影 响 小 ， 可 实 现 输 出因 素 影 响 小 ， 可 实 现 输 出 -输 入 任 意 函 数 输 入 任 意 函 数关系，输出信号较大，一般不用放大。 关系，输出信号较大，一般不用放大。缺点： 缺点： 存 在 滑 动 触 头 与 线 圈 等 之 间 的 摩存 在 滑 动 触 头 与 线 圈 等 之 间 的 摩擦 ， 输 入 能 量 要 求 较 大 ， 且 磨 损 降 低 寿擦 ， 输 入 能 量 要 求 较 大 ， 且 磨 损 降 低 寿命和可靠性，也会降低测量精度。 命和可靠性，也会降低测量精度。电位计分类 电位计分类电位计分类 电位计分类 按输出 -输入特性 线性电位计 非线性电位计按结构形式 线绕式 在传感器中应用较多薄膜式 具有较高的精度和线性特性光电式 无摩擦和磨损，分辨率高
