第3章常用传感器的工作原理及应用解答.ppt

传感器与检测技术（第2版） 电子工业出版社 第3章 常用传感器的工作原理及应用 内容提要及学习要求： 电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、霍尔传感器、热敏传感器和光电传感器等常用传感器的工作原理。 3.1 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一种传感器。由于它的结构简单，易于制造，价格便宜，性能稳定，输出功率大，在检测系统中得到了广泛的应用。 3.1.1 电阻式传感器的工作原理 金属体都有一定的电阻，电阻值因金属的种类而异。同样的材料，越细或越薄，则电阻值越大。当加有外力时，金属若变细变长，则阻值增加；若变粗变短，则阻值减小。如果发生应变的物体上安装有（通常是粘贴）金属电阻，当物体伸缩时，金属体也按某一比例发生伸缩，因而电阻值产生相应的变化。 设有一根长度为 ，截面积为A，电阻率为 的金属丝，则它的电阻值R可用下式表示： 从上式可见，若导体的三个参数（电阻率、长度或截面积）中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。例如，若改变长度，则可形成电位器式传感器；改变 、A 和 则可做成电阻应变片；改变 ，则可形成热敏电阻、光导性光检测器等。下面介绍两种最常用的电阻式传感器：电位器式传感器和应变片式传感器。 3.1.2 电位器式传感器 电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。 电位器式传感器分为直线位移型、角位移型和非线性型等，如图3.1所示。不管是哪种类型的传感器，都由线圈、骨架和滑动触头等组成。线圈绕于骨架上，触头可在绕线上滑动，当滑动触头在绕线上的位置改变时，即实现了将位移变化转换为电阻变化。 式中， 为单位长度的电阻值。当导线分布均匀时为一常数，此时传感器的输出（电阻）与输入（位移）间为线性关系，传感器的灵敏度相应为： （3-2） 图3.1（b）为角位移型电位器式传感器的原理示意图，其电阻值随转角位移而变化，该传感器的灵敏度为： （3-3） 式中，? 为转角； 为单位弧度对应的电阻值。 式（3-4）表明，传感器经过后续电路后的实际输出、输入为非线性关系，为减小后续电路的影响，一般使R1 ＞＞Rt，此时， 近似为线性关系。 电位器式传感器的结构简单、性能稳定、使用方便；但其分辨率低，绕线困难。它常被用于线位移和角位移的测量，在测量仪器中用于伺服记录仪或电子电位差计等。 3.1.3 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化即应变效应而设计制作的传感器。任何非电量，只要能设法转换为应变片的应变，都可以利用此种传感器进行测量。因此电阻应变式传感器可以用来测量应变、力、扭矩、位移和加速度等多种参数。 1．电阻应变效应 导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时，其电阻值也相应发生变化的物理现象，称为电阻应变效应。 设金属丝在外力作用下沿轴线伸长，伸长量设为 ，并因此截面积变化 ，电阻率的变化为 ，这时电阻相对变化可表示为： （3-5） 对于直径为d的圆形截面的电阻丝，因为，所以有： （3-6） 由力学知识可知横向收缩和轴向伸长的关系可用泊松比? 表示，即： （3-7） 若 （? 为轴向应变），则有： （3-8） 把式（3-7）和式（3-8）代入式（3-5）可得： （3-9）  式中，K0为金属电阻丝的应变灵敏度系数，它表示单位应变所引起的电阻值的相对变化。 式（3-9）表明，K0的大小由两个因素影响：（1+2?）表示由几何尺寸的改变所引起； 表示材料的电阻率随应变所引起的变化。对于金属材料而言，以前者为主；而对于半导体材料，K0值主要由后者即电阻率相对变化所决定。另外，式（3-9）还表明电阻值的相对变化与应变成正比，因此通过测量电阻的变化，便可测量出应变? 。 2．电阻应变片的结构 电阻应变片的结构如图3.3所示，一般由敏感栅（金属丝或箔）、基底、覆盖层、黏合剂、引出线等组成。敏感栅是转换元件，它把感受到的应变转换为电阻的变化；基底用来将弹性体的表面应变准确地传送到敏感栅上，