1、3 常用传感器,主要研究内容：,1.了解传感器的分类 2.常用传感器测量原理 3.传感器选用,测试技术基础,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)。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器件或装置。,3常用传感器,传感器在非电量电测系统中的作用：,一是 敏感作用：感受并拾取被测对象的信号,二是变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号,概述,将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。,获得传感器信
2、号的两种方法：,直接获得电信号的变化（开关传感器）；,2. 传感器的分类,(1)按被测物理量分类:(2)按传感器元件的变换原理分类:(3)按物理现象分类：,位移传感器,流量传感器,温度传感器等.,电阻式,电容式,电感式,压电式,光电式等.,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.例如:水银温度计,压电测力计. 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.,概述,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. 能量传递型:从某种能量发
3、生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测. 例如:超声波发生器和接受器.,(4)按传感器的能量传递方式分类:,(5)按输出信号分类：,模拟式输出为模拟量； 数字式输出为数字量。,概述,3. 传感器的性能要求,足够的容量 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,概述,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,风速,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,概述,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
4、原理可分为:,热敏式,电阻应变式,变阻器式,光敏式,湿敏式,3.2 电阻式传感器,3常用传感器,电阻应变式传感器-应变效应,电阻式传感器,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。,应变片受力,应变,比例关系,比例关系,应变片电阻的变化,1) 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。,电阻式传感器
5、,S由两部分组成：,前一部分(1+2)是由金属导线的几何尺寸变化引起的；,后一部分E除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。,：泊松系数，E:弹性模量，:纵向应变，:压阻系数,推导,电阻式传感器,应变片受力后，电阻的变化dR,则,两边同除以R，同时R=L/A，则,dL/L=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，称为称横向应变。,电阻式传感器,对于圆形截面积的导线，若其直径为D，则,横向应变dD/D和纵向应变dL/L之比称为泊桑比，即,故,电阻式传感器,E为导线材料的弹性模量，为压阻系数，与材料有关。,则,已知,当导体材料确定
6、后，、E均为常数，则(1+2+E)为常数。,灵敏度为：,应变片电阻的相对变化率dR/R与应变之间是线形关系,电阻式传感器,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。,电阻式传感器,(1) 金属应变片（不变）,(2) 半导体应变片（变化）,电阻式传感器,2) 应变计分类,金属应变计有:1、丝式2、箔式3、薄膜式 优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小.,应变计,电阻式传感器,a) 金属应变计,按敏感栅材料分,b) 半导体应变计,优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具
7、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。,应变计,体型薄膜型扩散型,电阻式传感器,按基底材料和安装方法分,纸基应变片.胶膜应变片.浸胶基应变片.金属基应变片.临时基应变片.,应变片所用的基底材料不同,也会使应变片具有明显不同的性能特点,可分为:,应变片按安装方法不同可分为:,粘贴式应变片.焊接式应变片.喷涂式应变片.,按敏感栅的结构形状分,单轴应变片 应变花.,电阻式传感器,每种应变片只能在一定的工作温度范 围内使用,按其温度范围可分为:常温应变片 其工作温度由-30至+60中温应变片 其最高温度在+60+350高温应变片 最高工作温度+350低温应变片 最低工作温度
8、-30,按应变片的工作温度分,电阻式传感器,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bL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）。,电阻式传感器,a)温度误差 当应变片粘贴在无外力,无任何约束的试件上时,在温度变化的情况下,应变片的电阻也会发生变化,这种现象称为应变片的温度效应. b)测量动态信号的误差 应变片粘贴在被测构件上测得的应变往往认为是应变片中点的应变,但在测量一动态情况下的试件应变,而在应变片基长内的应变分布不是相同值.在同
9、一瞬间应变片在基长上不同点所得应变是不同的值.,4) 电阻应变片的误差及其补偿,电阻式传感器,案例：,5) 应用,电阻式传感器,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。,德国HBM电阻应变式传感器,电阻式传感器,3.3 电容式传感器,1 变换原理,将被测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、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为单一电容量的变化。,3常用传感器,2 分类,a) 极距变化型;,电容式传感器,b)面积变化型:平面线位移型,角位移型,
10、柱面线位移型.,3 灵敏度,a) 极距变化型;,传感器的灵敏度近似为：,变极距电容传感器,平板电容器,电容式传感器,传感器灵敏度,b)面积变化型,a)平面线位移型,平面线位移型,c)角位移型,传感器灵敏度,角位移型,电容式传感器,c)介质变化型,介质常数变化型电容式传感器,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 。,电容式传感器,4 应用,1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度 2.位移，移动，位置，膨胀 3.挠度，变形，波动，倾斜 4.尺寸，公差，分选，零件识别 5.冲击，应变，轴向振动 6
11、.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心,电容式传感器,3.4 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的一种装置。,3常用传感器,1 可变磁阻式,原理:电磁感应,电感式传感器,W:线圈匝数；L1:软铁长度； 1：软铁磁导率； 0：空气磁导率 A1：铁芯导磁截面 A0：空气导磁截面,可变磁阻式传感器基本原理,1线圈 2. 铁芯 3. 衔铁,a)变间隙型,可变磁阻式传感器基本原理,1线圈 2. 铁芯 3. 衔铁,当0 、A0固定不变，改变时，L与呈非线形（双曲线）关系，,L与的双曲线关系,传感器灵敏度,电感式传感器,b)变面积型,可变磁阻式传感器基本原理,1线圈 2. 铁芯
12、 3. 衔铁,当0 、 固定不变，改变A0时，L与A0呈线形关系，,传感器灵敏度,L与A0的线形关系,电感式传感器,=常数,c）螺线管型,当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而产生电感的变化。,电感式传感器,d)差动型,变间隙型差动变压器,输出特性,传感器灵敏度,电感式传感器,2 涡流式,高频反射式涡流传感器,当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。,低频投射式涡流传感器,涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度t，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。,涡流式电感传感器可分为,1）高频反射式,2）低频投射式,电
13、感式传感器,原线圈的等效阻抗Z变化：,a)高频反射式：（集肤效应）,高频反射式涡流传感器,电感式传感器,b)低频透射式：（互感原理）,低频透射式涡流传感器,e2随材料厚度增加变化的规律,电感式传感器,案例： 连续油管的椭圆度测量,原理：,电感式传感器,案例： 无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,电感式传感器,案例： 测厚,案例： 零件计数,电感式传感器,案例,电感式传感器,3 变压器式-差动变压器,工作原理:互感现象.,电感式传感器,应用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度
14、,加速度;等.,电感式传感器,3.5 磁电式传感器,1 变换原理,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势U为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。,3常用传感器,2 分类,磁 电式传感器,3 动圈式传感器,l:每匝线圈的平均长度；B:线圈所在磁场的磁感应强度； A:每匝线圈的截面积； :线圈运动方向与磁场方向的夹角； k:传感器的结构系数。,磁 电式传感器,4 磁阻式传感器,磁 电式传感器,3.6压电式传感器,1 变换原理,某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化
15、，表面会产生电荷；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。,3常用传感器,压电效应,q=DF,压 电式传感器,压电式传感器输出电荷q很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：,(1) 放大微弱的压电信号,(2) 进行阻抗匹配,电压放大器,电荷放大器,压 电式传感器,2 测量电路,电压放大器,放大器的输入电压：,系统的输出电压为：,系统的灵敏度为：,当电缆长度变化时，Cc变化， ei变化，系统的灵敏度发生变化，此时测试比较困难,压 电式传感器,电荷放大器,当略去传感器的漏电阻Ra时,qtei(Ca+Cc+Ci),当略去电荷放大器的输入电阻Ri的影响时,qf(ei-ey
16、)Cf,则整个电路中的电荷为：,qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf,式中，ei为放大器的输入端电压；ey为放大器输出端电压；Cf为电荷放大器的反馈电容。,压 电式传感器,ey=-Kei,其中，K为放大器的开环放大倍数,qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf,所以,开环增益K足够大,系统的灵敏度为：,在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关；,系统输出灵敏度取决于反馈电容，所以可以通过调节反馈电容,压 电式传感器,ei=(q+eyCf)/(C+Cf),3.7传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,3常用传感器,传感器选用原则,4 稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,传感器选用原则,小结:,3常用传感器,
