常用传感器与敏感元件修改稿要点.ppt

中北大学机电工程学院 2008年4月 什么是传感器？ 传感器的内涵： 一个指定的传感器，只能感受规定的物理量：电量、非电量；传感器的输出信号中载有被测量信息，且能远距离传送：电信号、光信号、气动信号；输入输出关系服从一定规律，可以复现。 传感器的重要性： 处于测试装置的输入端，是测试系统的第一个环节，其性能直接影响整个测试系统，对测试精度至关重要。　 传感器的组成： 直接感受被测量（如：位移） 转换为有确定关系的易变成电参数的其它物理量 （如：应变） 转换元件： 将其它物理量直接转换为有确定关系的电量的元件（如：电阻） 机械式传感器应用很广。在测试技术中，常常以弹性体作为传感器的敏感元件，故又称之为弹性敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量，而输出为弹性元件本身的弹性形变。这种变形经放大后可成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。 机械式传感器的优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等特点。缺点:机械传动较多，受间隙影响，而且惯性大，固有频率低，只宜于检测缓变或静态测量；弹性元件有蠕变、弹性后效等现象。 典型机械式传感器应用如图3-3所示。 电阻式传感器的基本原理就是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再经相应的测量电路而最后显示或记录被测量值的变化。按其工作原理可分为变阻器式(电位器式)、电阻应变式和固态压阻式传感器三种。 3.3.1 变阻器式传感器  变阻器式传感器又称为电位器式传感器。它们是由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出。 利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器，除可以测量线位移或角位移外，还可以测量一切可以转换为位移的其它物理量参数，如压力、加速度等。 电阻应变式传感器简称电阻应变计，它是用高电阻率的细金属丝，绕成如图所示的栅状敏感元件1，用粘结剂牢固地粘在基底2、4之间，敏感元件两端焊上较粗的引线3。当将电阻应变计用特殊胶剂粘在被测构件的表面上时，在外力的作用下,电阻丝将随构件一起变形，其电阻值也随之变化，由此,将被测量的变化转换为电阻变化.通过应变计在构件上的不同粘贴方式及电路的不同联接，即可测得应力、变形、扭矩等机械参数。电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。 金属电阻应变式的结构和基本工作原理 基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。 把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上。在外力作用下，电阻丝即随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化，由此，将被测量的变化转换为电阻变化。 　灵敏度　　　　　　　　　　　　（3-10） 金属电阻应变式传感器特点 ①精度高，测量范围广； ②使用寿命长，性能稳定可靠； ③结构简单，体积小，重量轻； ④频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量 ⑤价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。 金属电阻应变式传感器缺点　　Ｓg＝１.７～３.６ 半导体电阻应变片的结构和基本工作原理基于半导体材料的压阻效应。 压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。 实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。 灵敏度　　　　　　　　（3-12） ?从半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，能使其电阻率发生很大变化。 分析表明，单晶半导体在外力作 用下，原子点阵排列规律发生变 化，导致载流子迁移率及载流子 浓度的变化，从而引起电阻率的 变化。 半导体压阻式传感器的优点是: a 灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量； b 分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压； c 测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高； d 可测量低频加速度和直线加速度。 半导体压阻式传感器的缺点是：温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用；灵敏度分散度大（由于晶向、杂质等因素的影响）；较大应变下，非线性误差大。 桥路补偿法 应用1：将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等。 电容式传感器是将位移、压力等被测物理量的变化转换成电容量变化的一种传感器。 实质上是一个具有可变参数的电容器。 3.4.1 变换原理 以最简单