第3章 常用传感器技术.ppt

机械工程测试技术基础 机械工程学院仪器系 李云雷 Tel:2786982 办公室：12#527 第3章 常用传感器技术 3.1 传感器的基本概念 3.2 电阻式传感器 3.3 电容式传感器 3.4 电感式传感器 3.5 压电式传感器 3.6 磁电与热电式传感器 3.7 光电式传感器 3.8 光纤传感器 3.9 半导体传感器 3.10 其他类型传感器 人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。 同样，如果用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分。例如，足球机器人。 单靠人们自身的感觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。 传感器与计算机、通信和自动控制技术等一起构成一条从信息采集、处理、传输和应用的完整信息链。 深入研究传感器的类型、原理和应用，研制开发新型传感器，对于科学技术和生产过程中的自动控制和智能化发展，以及人类观测研究自然界事物的深度和广度都有重要的实际意义。 本章内容主要包括传感器的基本概念、各类传感器（电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式、热电式、光电、光纤、半导体等）的工作原理、测量电路及其典型应用。 3.1传感器的基本概念 3.1.1定义与组成 定义：根据我国国家标准（GB/T7665——2005），传感器（Transducer/Sensor）的定义为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和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。 解释：敏感元件是指传感器中能直接感受和响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。 注意事项：并非所有传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件这两部分，如热电偶 ；只由敏感元件和转换元件组成的传感器通常输出信号较弱或还不便于处理，此时需通过信号调理转换电路将其输出信号放大或转换为便于测量的电压、电流、频率等电信号。 传感器的典型组成： 5、按传感器的输出量不同分类 模拟式传感器和数字式传感器 3.2 电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器，再经一定的测量电路实现对测量结果的输出。 电阻式传感器分类： 变阻器式传感器 电阻应变式传感器 3.2.1 变阻器式传感器 变阻器式传感器又称为电位计式传感器。 工作原理： 一个电导体的电阻值： 式中：R－电阻（Ω）； ρ－材料的电阻率（Ω·mm2/m）； l－导体的长度（m）； A－导体的截面积（mm2）。 电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。 变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。 直线位移型 kl为单位长度中的电阻 。 其灵敏度： 角位移型 灵敏度： α－触点转角(rad)； ka－单位弧度对应的电阻值。 变阻器式传感器的优缺点： 优点：结构简单，性能稳定，使用方便； 缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于20μm；较大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因）。 3.2.2 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成。当弹性敏感元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，则粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片将应变转换成电阻的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，从而确定被测量的大小。 电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器之一，它可采用不同的弹性敏感元件形式，构成测量位移、力、压力、加速度等各种参数的电阻应变式传感器。 1. 工作原理 设A=πr2，r为电阻丝半径，代入上式得 2. 金属电阻应变片的种类 （1）金属电阻应变片： 丝式应变片：将一根电阻丝绕成栅状，用胶粘剂贴于基底，其直径在0.012~0.050mm之间。 箔式应变片：用光刻、腐蚀等工艺方法制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.003~0.010mm。它的优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，故允许通过较大的电流，并可做成任意的形状，适于大批量生产。箔式应变片的使用范围日益广泛，并有逐渐取代丝式应变片的趋势。 （2）半导体应变片： 常用硅、锗等材料做成单根状的敏感栅，使用方法与金属电阻应变片相同。 优点：灵敏度很大，是金属电阻应变片的50~70倍（可参考表3-1和表3-2），可测微小应变，尺寸小，横向效应和机械滞后也小。 缺点：温度稳定性差，测量较大应变时，非线性严重，必须采取补偿措施。 3. 电阻应变式传感器的应用 （1）直接测定结构的应变或应力。例如，为了研究机械