第3章常用传感器技术PPT推荐.ppt

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,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：

膜盒敏感元件；

电感线圈转换元件；

信号调理电路,3.1.2传感器的分类1、按被测物理量分类,机械量:

位移、速度、加速度、力；

热工量：

温度、热量、流量、压力、液位物性参量:

浓度、粘度、比重等；

状态参量:

裂纹、缺陷、泄露、磨损,常见的被测物理量,2、按传感器工作原理分类,机械式,电气式,光学式,流体式等.,机械式传感器以弹性体作为敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。

弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指示被测量的大小。

应用实例：

测力计、压力计、温度计。

测力计,压力计,温度计,弹性膜片,波纹管,波登管,3、按信号变换特征:

结构型:

依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:

电容式和电感式传感器物性型:

依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:

水银温度计.,能量转换型和能量控制型.,4、按传感器的能量关系不同分类,能量转换型（无源传感器）:

直接由被测对象输入能量使其工作.例如:

热电偶温度计,磁电式加速度计.能量控制型（有源传感器）:

从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:

电阻应变片.,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（）；

材料的电阻率（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：

触点转角（rad）；

ka单位弧度对应的电阻值。

非线性型输出电阻（或电压）与电刷位移（包括线位移或角位移）之间具有非线性函数关系的一种电位器。

图3-5变阻器式传感器a）直线位移型b）角位移型c）非线性型,变阻器式传感器的后接电路：

电阻分压电路,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20m；

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,图3-7金属丝电阻应变片1敏感栅2基底3覆盖层4引出线,敏感栅：

金属材料（半导体应变片为半导体材料）制成，用来感受应变；

基底和覆盖层：

（厚度一般在0.03mm左右）用来保护敏感栅、传递应变并使敏感栅和弹性敏感元件（或试件）之间具有良好的绝缘性能，常用材料为纸基和胶基；

引出线：

将敏感栅接到测量电路中去，它由直径为0.150.30mm的镀银铜丝或镍铬铝丝制成。

电阻应变片的工作原理是基于金属导体和半导体材料的“电阻应变效应”和“压阻效应”。

电阻应变效应是指电阻材料在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象；

压阻效应是指电阻材料受到载荷作用而产生应力时，其电阻率发生变化的现象。

图3-8金属丝的应变效应,公式推导：

则有：

设A=r2，r为电阻丝半径，代入上式得,（39）,金属材料：

半导体材料：

电阻丝的灵敏度系数：

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0.0120.050mm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0.0030.010mm。

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。

灵敏度很大，是金属电阻应变片的5070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。

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。

图3-10半导体应变片结构1-半导体敏感条2-基底3-引出线,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、桥梁、建筑等的某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用不同形状的应变片，粘贴在构件的预定部位，可以测得构件的拉压应力、扭矩及弯矩等，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测提供可靠测试数据。

（2）电阻应变片和弹性敏感元件配合制成各种电阻应变式传感器，用来测量力、压力、扭矩、加速度等物理量。

圆柱式力传感器：

R1、R3串联，R2、R4串联并置于相对位置的臂上，以减小弯矩的影响。

横向贴片作温度补偿用。

图3-13圆柱面展开及电桥a）圆柱面展开图b）桥路连接图,膜片式压力传感器：

切向应变t切向应变始终为正值，中心处最大；

径向应变r有正有负，在中心处和切向应变相等，在边缘处最大；

一般在膜片圆心处沿切向贴两片（R1、R4）感受t，因为圆心处切向应变最大；

在边缘处沿径向贴两片（R2、R3）感受r，因为边缘处径向应变最大；

四个应变片接成全桥测量电路，以提高灵敏度和实现温度补偿。

图3-14膜片式压力传感器a）应力变化b）应变片粘贴位置,应变式加速度传感器：

悬臂梁、质量块、螺钉固定在壳体；

梁的上下两面粘贴应变片，传感器内部充满硅油；

测量加速度时，将壳体刚性连接在被测体上，由于梁的刚度很大，惯性质量块也以同样的加速度运动，其产生的惯性力作用在梁的端部使梁产生变形，应变片的阻值也发生相应变化；

为了防止传过载破坏，质量块上下端面安装限位块。

图3-15应变式加速度传感器1-质量块2-悬臂梁3-硅油4-限位块5-应变片6-壳体,3.3电容式传感器电容式传感器是将非电量的变化转换为电容量变化的一种装置。

结构简单、体积小、动态响应快、温度稳定性好、易实现非接触测量等。

易受外界干扰和分布电容影响，随着电子技术的发展，其缺点不断得以克服。

应用：

可测量位移、振动、角度、加速度，以及压力、压差、液位、成份含量等。

3.3.1工作原理及类型公式：

忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为：

各参数含义：

A极板面积（m2）；

两极板间距离（m）r极板间介质的介电常数，当介质为空气时r=1；

0真空介电常数,0=8.8510-12（F/m）;

结论：

被测量使、A或r变化，均会引起电容C变化。

保持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参数的变化变换成电容量的变化。

分类：

根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，前两种应用较广。

（1）极距变化型,极距有一微小变化量d时，引起电容变化量dC为,灵敏度为,差动式电容传感器：

灵敏度提高了一倍，线性工作区扩大。

总结：

极距变化型电容传感器的优点是灵敏度高，可进行非接触式测量，对被测系统的影响小，适用于微小位移（0.01m数百微米）的测量。

但这种传感器具有非线性特性、传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精度有影响，与传感器配合使用的电子线路也比较复杂，由于这些缺点，其使用范围受到一定限制。

（2）面积变化型,图3-19面积变化型电容传感器a）角位移型b）平面线位移型c）圆柱体线位移型1动板2定板,a）角位移型,电容量,灵敏度,结论：

输出与输入成线性关系。

b）平面线位移型,电容量,灵敏度,c）圆柱体线位移型,电容量,灵敏度,式中D圆筒孔径；

d圆柱外径。

面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。

（3）介质变化型,图320a，介质液位计，液面位置变动，两电极侵入高度变化，电容量变化。

图320b，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿度发生变化时，介电常数变，导致电容量变化。

3.3.2工作原理及类型电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电路转换成电压、电流或频率等输出量。

（1）变压器式交流电桥电桥两臂C1、C2为差动式电容传感器，另外两臂为交流变压器二次绕组阻抗的一半，即L1和L2。

图示为电感、电容组成的交流电桥。

电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后输出。

（2）直流极化电路又称静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。

组成：

弹性膜片、电容器、直流极化电压E0、高阻值电阻R。

输出电压：

被测量：

测量气流（或液流）振动速度，进而测其压力。

（3）调频电路电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率f为：

式中L振荡回路电感。

当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录器或显示仪表指示。

调频电路工作原理,（4）运算放大电路输出电压和位移量的关系：

则有,式中u0信号源电压；

ug运放输出电压；

co固定电容；

cx传感器等效电容。

输出电压uo与电容传感器间隙成正比关系。

3.3.3电容式传感器的应用实例1：

电容式传声器,传声器由很薄的金属膜片和紧靠它的固定极板组成，二者之间留有空气薄层，构成空气介质电容器。

当声压作用在膜片上时，膜片内外产生压差，使膜片产生与外界声波信号一致的振动，导致膜片与固定极板之间的距离改变，引起电容量的变化，通过测量电路变成电压输出。

实例2：

电容式振动位移传感器,平面测端电极1作为电容器的一个极板，通过电极座5由引线接入电路，另一极是被测物体表面。