常用的传感器原理及应用.ppt

第四章 常用传感器原理及应用 4.1 概述 4.2 电阻应变式传感器 4.3 电感式传感器 4.4 电容式传感器 4.5 压电式传感器 4.6 磁敏传感器 4.7 光电式传感器 4.8 集成传感器 4.1 概述 一、传感器的定义 传感器（transducer/senor）是将被测量按一定规律转换成 便于应用的某种物理量的装置。通常将传感器看作是一个把被测非电量转换成电量的装置。 测力计 压力计 温度计 二、传感器的组成 传感器通常由三部分组成： 敏感元件： 直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。 转换元件： 敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转 换成电量参量 。 转换电路： 把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显 示、记录或控制的有用的电信号的电路。 三、传感器的类型 1、按被测对象分：位移传感器、压力传感器和压力传感器等； 2、按工作原理分：电阻应变式、电感式、电容式和压电式等； 3、按被测量的转换特征分：结构型和物性型。 结构型传感器：是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感变化等。 物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。例如利用水银的热胀冷缩现象制成水银温度计来测温；利用石英晶体的压电效应制成压电测力计等。 4、按照能量的传递方式分：能量控制型和能量转换型。 能量控制型传感器是从外部供给辅助能量使其工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化；能量转换型传感器是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等 。 4.2 电阻应变式传感器 一、电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。 应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。 1、金属电阻应变片 金属电阻应变片的工作原理是基于金属的电阻应变效应工作的。 金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象，称为金属的电阻应变效应。 金属应变片的结构和测量原理 电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基底上。电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护作用的覆盖层。 原理公式： K0称为金属丝的灵敏系数，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化。通常K0=1.7～3.6 大量实验表明，在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的。 应用： 将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，即可测量应变。 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。 2）应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。 当被测物体产生位移时，悬臂 梁随之产生于位移相等的挠度， 因而应变片产生相应的应变。 将应变片接入桥路，输出与 位移成正比的电压信号。 测量时，基座固定在振动体上。 振动加速度使质量块产生惯性 力，悬臂梁在惯性力的作用下 产生弯曲变形。梁的应变在一 定的频率范围内与振动体的加 速度成正比。 2、半导体应变片 1）压阻效应:半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化的现象。 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。 对于半导体硅，πL=(40～80)×10-11m2/N，E=1.67×1011N/m2，则k0=πLE＝50～100。半导体电阻材料的灵敏系数比金属丝的要高50～70倍。 2）压阻式传感器的特点 优点: 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； ?分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压； 测量元件的有效面积可做得很小，故频率响应高； 可测量低频加速度和直线加速度。 缺点： 温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。 4.3 电感式传感