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精密测试技术课程讲义 第三章 传感器技术 一、传感器概述 1.1 传感器的分类 按被测的物理量分类：位移传感器、力传感器、温度传感器。 按传感器工作的物理基础分类：物理型、化学型、生物型 按传感器构成原理：结构型 和 物性型 结构型：电容 物性型：水银温度计 按传感器能量转换情况： 能量控制型：应变片+直流电桥 能量转换型：热电偶温度计 1.2传感器的发展方向 小型化：敏感元件与放大电路一体化 多功能：一种传感器可以测量多种参数 智能化：体现在 数据处理功能：自动调零、自动选量程、自动修正。 自诊断功能：自检功能。 人机对话功能（显示和报警）（仪器化） 接口功能。 掉电保护功能 发展原因： 应用、需求 新材料、新技术、新工艺、微电子技术 仿生学发展（仿生原理） 蝙蝠：超声定向功能超过高级雷达装置 毒蛇借助于眼下方的面部小窝远距离测量、感知附近动物的存在（非常发达的温度传感器） 二、电阻式传感器 1．分类 将被测量的物理量如位移、力等转换为电阻变化的一种传感器，分为变阻式和电阻应变式。 2．变阻式 R——电阻值 l——长度 ——电阻率 A——截面积 利用的线性关系可以制成： 直线位移型： 角位移型： 非线性型： 3．电阻应变式传感器 应用：用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数 分类：金属丝电阻应变片式和半导体应变式 金属丝电阻应变片式 ---- 电阻丝轴向相对变形，称为纵向形变 ---- 电阻丝径向相对变形，称为横向应变 其中 由电阻丝几何尺寸改变引起； 由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起； 对于金属电阻丝而言，很小，故可忽略 灵敏度 半导体应变片 原理：基于半导体材料的压阻效应：指单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时其电阻率发生变化。 其中，很小，可以忽略，故 5. 各类电阻式传感器的比较 名 称 优 点 缺 点 变阻式 结构简单、性能稳定使用方便 分辨率不高 金属丝应变式 体积小、动态响应快使用简便 灵敏度不高 半导体应变式 体积小、灵敏度高 使用方便 温度稳定性差 非线性（大应变下） 6. 测量电路 直流电桥(只能用于测量电阻) 直流电桥 半桥单臂 半桥双臂 全桥 平衡条件： 半桥单臂电桥： 半桥双臂电桥： 全桥电桥： 极性相同：对臂放置 极性相反：邻臂放置 7. 应用 （1）电子秤 弹性体上贴应变片，将应变片引入测量电路，电桥输出电压和变形之间存在一定的关系，通过测电桥输出电压就可以测出变形，由变形再得到最后的被测物理量 （2）悬臂梁振动测量 （3）桥梁变形测量 （4）悬索张力测量 三、电容式传感器 1．基本原理 2．分类 据此电容式传感器可分为：极距变化型（）、面积变化型（A）、介质变化型（）三种 极距变化型 非线性 为减小线性误差，通常规定在较小的间隔变化范围以便获得近似线性，一般取 （2）变面积型 角位移型、线位移型 角位移： 平面线位移： 圆柱线位移： 4．几种电容式传感器的比较 名 称 优 点 缺 点 应 用 极距变化型 非接触动态测量、灵敏度高、小位移测量 非线性、受杂散电容等影响 小位移 面积变化型 输出与输入成正比 灵敏度低 适用于大直线及角位移测量 5．应用举例 (1)电容测厚仪 C=C1+C2, 当厚度发生变化时将引起电容量的变化 （2）电容式转速传感器 电容极板与齿顶相对时电容量最大，电容极板与齿隙相对时电容量最小，齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换成脉冲，频率计显示的频率代表转速。 （3）电子血压计 结构： 原理 测量过程： 充气到足够压强（收缩压＋10～20）－放气：频率变小 放气到临界1: 频率变小趋势发生变化了出现周期性的波动， 这个临界值对应的 放气到临界2: 频率变小趋势中周期性的波动停止， 这个临界值对应的 脉搏频率（心率）：在临界1~临界2过程中出现周期性的波动的周期的倒数 四、电感式传感器 1. 基本原理： 基于电磁感应原理，把被测物理量如位移转换为电感量变化的一种装置。 2. 分类：自感型（可变磁阻式与涡流式）、互感型 3. 可变磁阻式 可变磁阻式传感器典型结构 4. 互感型—差动变压器式电感传感器 (1) 基本原理 电磁感应中的互感现象，当线圈输入交流电流i时，线圈产生感应电动势 (2) 差动式变压器 (3) 测量电路 相敏检波 差动整流电路 (4) 优点 测量精度高，可选0.1um，线性范围大，可到 稳定性好，使用方便。 (5) 应用