1、第三章、传感器,本章学习要求：,1.了解传感器的分类 2.掌握传感器的性能指标和选用原则 3.掌握常用传感器原理 4.了解传感器应用,机械测试,3.1 概述,3.1.1. 传感器定义,传感器是将被测的某一物理量（或信号）按一定规律转换为另一种（或同种）与之有确定对应关系的、便于应用的物理量（或信号）输出的装置。,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。,GB76651987:能够感受规定的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。,传感器的组成：敏感元件：传感器中直接感受或响应被测量（输入量）的部分；转换元件：将敏感元件感
2、受到的或响应的被测量转换成适于传输或处理的电信号。,3.1.2. 传感器的分类,按被测量分类位移、力、温度、压力、流量、速度传感器等。按传感器的工作机理分类物理型、化学型和生物型。按传感器的构成原理分类物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。如水银温度计、压电式传感器等。 结构型：依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。如电容式传感器、电感式传感器等。,按传感器的能量转换情况分类能量转换型：能量转换型传感器是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。 能量控制型：能量控制型传感器是从外部供给辅助能量使其工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化。
3、,按传感器的物理原理分：,压电式传感器磁电式传感器光电式传感器气电式传感器热电式传感器射线式传感器电参量式传感器波式传感器半导体式传感器其他原理传感器,按传感器的输出量分：,模拟式数字式,按转换过程是否可逆分：,双向传感器单向传感器,3.1.3. 传感器的性能要求,灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系； 噪声小，并且具有抗外部噪声的性能； 滞后、漂移误差小； 动态特性良好； 在接入测量系统时，对被测量不产生影响； 功耗小，复现性好，有互换性； 防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用； 结构简单，容易维修和校正； 低成本、通用性强。,选用传感器时应注意的问题：1）必须在工作频率范围内满足不失真
4、测试的条件。2）传感器应有适当的灵敏度或分辨力。注意：灵敏度越高越容易受噪声干扰，测量范围越窄。因此同一种传感器常做成一个系列。常用压电式加速度传感器的参数：型号 量程 灵敏度 分辨力 重量 应用及特点350B04 5000g 0.5mv/g 0.02g 4.5g 爆破、撞击393C 5g 1v/g 0.0001g 1000g 超低频地震传感器,3.1.4 传感器选用原则,3）足够的精确度注意：精确度越高，价格越高，对测量环境要求也越高。4）高度的可靠性注意了解工作环境对传感器的影响。5）对被测对象影响小在传感器与被测对象建立连接关系时，尽可能减小对被测对象运行状态以及特性参数的影响，如质量和
5、体积要尽可能小，或选择非接触传感器。,3.2 压电式传感器,3.2.1 原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,逆压电效应,如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。,压电材料：明显呈现压电效应的敏感功能材料,压电单晶体：石英多晶压电陶瓷,3.2.2 压电式传感器及其等效电路,当压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体，而两个工作面上进行金属蒸
6、镀，形成金属膜，因此就构成一个电容器。,测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，且输出阻抗较高，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续仪表。,前置放大器分为电压放大器和电荷放大器。电压放大器：输出电压与输入电压成正比特点：结构简单、元件少、造价低廉、使用可靠，但整个系统对电缆电容的变化（即加速度传感器和前置放大器之间电缆长度的变化）非常敏感；且低频频率响应较差。电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比优点：电缆长度变化可忽略，且低频响应较好。,加速度计,力传感器,3.2.3 压电式传感器的应用,压电传感器的特点：结构简单、体积小、功耗小、寿命长，特别是它
7、具有良好的动态特性，因此适合有很宽频带的周期作用力和高速变化的冲击力。 （1）力测量： 压电式传感器主要利用石英晶体的纵向和剪切的压电效应，因为石英晶体刚度大、滞后小，灵敏度高、线性好，工作频率宽。 （2）压力测量：压电式压力传感器主要利用弹性元件（膜片、活塞等）收集压力变成作用于晶体片上的力，因为弹性元件所用材料的性能对传感器的特性有很大影响。 （3）加速度测量：压电式加速度传感器是利用质量块m由预紧力压在晶体片上，如被测加速度a作用时，晶体处会受到惯性力F=ma,由此产生压电效应，因此质量块的质量决定了传感器的灵敏度，也影响着传感器的高频响应。,案例：飞机模态分析,3.3 电阻式传感器,电
8、阻式传感器工作原理是把被测物理量的变化转换为电阻变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。 敏感元件：应变片、半导体膜片和电位器,3.3.1 电阻应变式传感器,应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。,应变式传感器的工作原理,1) 金属的电阻应变效应,电阻应变片工作原理是基于金属导体的电阻应变效应，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)的变化而发生变化的现象。,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,代入,金属丝长l，截面积A，电阻率，则,有：,金属丝：,有：,形变效应,压
9、阻效应,灵敏度系数,单位应变所引起的电阻相对变化,在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即S0为常数，于是 ：,通常金属电阻丝的S0=1.74.6。,2) 应变片的基本结构及测量原理,金属电阻应变片分为：丝式、箔式和金属膜式。,3) 电阻应变片的分类及材料,金属丝式应变片是用0.010.05mm的金属丝做成敏感栅，有回线式和短接式两种。它制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴，但因圆弧部分参与变形，横向效应较大。金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.0030.01mm的金属箔片制成敏感栅。金属薄膜应变片是采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上
10、形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达197317。,应变计,金属应变计,应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。, 精度高，测量范围广； 使用寿命长，性能稳定可靠； 结构简单，体积小，重量轻； 频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量； 价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。,应变式传感器特点：,电阻应变式传感器的应用：,应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为
11、电压或电流的变化，即可测量应变。若通过弹性体或试件把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换成应变，则可测量上述各量，而做成各种应变式传感器。,将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。,1）基本工作原理,简化为：,3.3.2 压阻式传感器,压阻式传感器的工作原理是压阻效应，即半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化。,机械变形引起电阻变化可忽略，电阻变化率主要由 引起,2）压阻式传感器的特点,压阻式传感器优点频率响应高(固有频率可达1.5兆赫以上),适于动态测量;体积小（有的产品外径可达0.25毫米），适于微型化；精度高，可达0.10.01；灵敏度高,比金属应变计高出很多倍
12、，有些应用场合可不加放大器；无活动部件，可靠性高，能工作于振动、冲击、腐蚀、强干扰等恶劣环境。,缺点：温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。,压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。,压阻式传感器广泛地应用于航天、航空、航海、石油化工、动力机械、生物医学工程、气象、地质、地震测量等各领域。航天航空工业中压力是一个关键参数,对静态和动态压力,局部压力和整个压力场的测量都要求很高的精度。压阻式传感器是用于这方面的较理想的传感器。例如,用于测量直升飞机机翼的气流压力分布，测试发动机进气口的动态畸变、机翼的抖动等。在飞机喷气发动机中心压力的测量中，使用专门设计的硅压力传感器,其工作温度达50
13、0以上。在波音客机的大气数据测量系统中采用了精度高达0.05的配套硅压力传感器。在尺寸缩小的风洞模型试验中，压阻式传感器能密集安装在风洞进口处和发动机进气管道模型中。单个传感器直径仅2.36毫米，固有频率高达300千赫,非线性和滞后均为全量程的0.22。,由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器，可测量位移及可以转换为位移的其它物理量参数，如压力、加速度等。,1）变阻式传感器的结构及分类,3.3.3 变阻式传感器（电位器式传感器）,优点：结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定 受环境因素影响小可以实现输出输入间任意函数关系输出信号大，一般不需放大。,缺点：需要较大的输入能量分辨力较低动态响应较差,2）变阻式传感器的工作原理,如果电阻丝直径与材质一定时，则电阻R随导线长度L而变化。变阻式传感器就是根据这种原理制成的。,3）变阻式传感器的应用,常用来测量位移、压力、加速度等参量。 左图为用变阻式传感器制作的位移传感器的结构图。,变阻器式传感器产品,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理：电机-转角-电位器-电阻,
