1、第四章第四章 常用传感器常用传感器 1.1.熟悉传感器的定义、作用、分类和应用熟悉传感器的定义、作用、分类和应用2.2.了解传感器的选用原则了解传感器的选用原则 3.3.掌握电阻式、电感式、电容式、压电式等常用传感掌握电阻式、电感式、电容式、压电式等常用传感 器的原理、特点、应用。器的原理、特点、应用。 本章学习要求：本章学习要求：一、传感器的定义：一、传感器的定义：一种以一定的精度和规律把规定的被测量转换成与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的器件或装置。 被测量被测量电量电量观察者激励装置传感器被测对象信号调理反馈、控制显示记录信号处理测试系统的组成4.1 4.1 传感器概述传感器概述二
2、、传感器的作用二、传感器的作用人体系统与机器系统的对应关系传感器类似于人的感觉器官，又被称为机电五官机电五官，有些情况下又是人类感官的延伸。三、传感器的构成三、传感器的构成（1）组成组成：振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻 被测声压输出电压电容变化平板电容测量电路极距变化振膜（2）原理原理 ：振膜一次敏感元件电容器敏感元件传感器由一次敏感元件、敏感元件与辅助元件组成。传感器由一次敏感元件、敏感元件与辅助元件组成。一次敏感元件的作用是将被测量转化为能引起敏感元件变化的机械量。敏感器件的作用是感受被测量，并对信号进行转换输出。辅助器件一般为信号传递元件。 传感器代号传感器代号: :传感器被测量转换
3、原理序号CWY-YB-20传感器传感器主称被测量（位移）转换原理（应变）传感器序号（20）四、传感器的分类四、传感器的分类 ：1 1、按被测量种类分：、按被测量种类分：温度传感器温度传感器压力传感器压力传感器位移传感器位移传感器2 2、按工作原理分类：、按工作原理分类：电阻式传感器电阻式传感器电感式传感器电感式传感器电容式传感器电容式传感器光电式传感器光电式传感器通常会把前两种命名方法结合起来使用，例如：通常会把前两种命名方法结合起来使用，例如：光电式位移传感器光电式位移传感器磁电式转速传感器磁电式转速传感器压电式加速度传感器压电式加速度传感器3 3、按被测量转换特征（构成原理）：、按被测量转
4、换特征（构成原理）：l结构型：依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换。变阻式传感器变阻式传感器l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转换。水银温度计水银温度计压电式传感器压电式传感器电容传声器电容传声器4 4、按能量传递方式：、按能量传递方式：u能量控制型：从外部供给辅助能量使其工作，并由被测量来控制外部供给能量的变化。如电阻式、电容式、电感式。u能量转换型：输出量直接由被测对象能量转换而得。热电偶温度计热电偶温度计4.2 4.2 传感器选用原则传感器选用原则 1.灵敏度：传感器的灵敏度越高，可以感知越小的变化量， 即被测量稍有微小变化时，传感器即有较大的输出。 2.线性范围：
5、线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。 3.响应特性：在所测频率范围内尽量保持不失真。 4.稳定性：经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。 影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5.精确度:表示传感器的输出与被测量的对应程度。 传感器精确度愈高，价格越昂贵，因此应从实际出发来选择。 4.3 4.3 电阻式传感器电阻式传感器lRAlRk xldRSkdxRkdRSkd1.结构：一、变阻式传感器一、变阻式传感器 被测量的变化被测量的变化电阻的变化电阻的变化变阻式变阻式电阻应变式电阻应变式压阻式压阻式2.测量电路：不考虑外接电路影响时：考虑外接电路影响时：00yxppUUURxRx01(1
6、)ypppUUxRxxRx3.特点：(1)结构简单、使用简便、稳定性好。 (2)分辨力低，受电阻丝直径的限制。适合大位移的测量。 (3)噪声大。 二、电阻应变式传感器二、电阻应变式传感器 1.结构：丝式、箔式、金属膜片2.工作原理：基于金属的电阻应变效应。若金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为，其未受力时的电阻为R，则:lRA如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形， dRdLdAdRLA(12)(12)dRdR 灵敏度：0/(12)dRRS3.特点：金属应变片的灵敏度较低(1.7-3.6)，但其温度稳定性好，可用于对精度要求较高的测量。drdrLdL2横向应变LdLrdr二者的关系:dRdLdAd
7、RLAdrdrLdL2=纵向应变dRdLdAdRLAdrdrLdL2三、压阻式传感器三、压阻式传感器 (12)dRddR 1.1.原理：压阻效应原理：压阻效应灵敏度：灵敏度：0/LdRRSELLdE 某晶向压阻系数某晶向压应力弹性模量某晶向压阻系数某晶向压阻系数某晶向压应力某晶向压阻系数某晶向压应力某晶向压阻系数两种应变片在工作原理上的区别：两种应变片在工作原理上的区别：金属应变片金属材料受力后几何变形电阻的相对变化半导体应变片半导体材料受力后电阻率变化电阻的相对变化2.2.特点：特点：优点：灵敏度高，比金属应变片高50-70倍,分辨率高， 横向效应，机械滞后小。缺点：温度稳定性差，在较大应变
8、下，非线性误差大。3.3.类型：类型：半导体应变式传感器、扩散型压阻式传感器三、应变片的应用三、应变片的应用1.直接测定结构的应变或应力。2.作为传感器的测量参数。四、转换电路四、转换电路 应变 电压或电流的变化RR4.4 4.4 电感式传感器电感式传感器 一、可变磁阻式传感器一、可变磁阻式传感器 按结构型式变气隙式螺管式变面积式线圈自感量为当气隙较小，且不考虑磁路的铁损时，总磁阻311100330022mllRAAAA2mNLR1.1.变气隙式：变气隙式：灵敏度20022NAS 常数特点：灵敏度高，线性误差小，适于测小位移。于是，2002NAL2.2.变面积式变面积式灵敏度202NS常数特点
9、：线性度好，量程大，但灵敏度较低。3.3.螺管式螺管式当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。 特点：灵敏度低，但测量范围大，适用于较大位移测量。 4.4.差动式差动式x2L1L5.5.测量电路测量电路: :交流电桥交流电桥二、电涡流式传感器二、电涡流式传感器原理：利用金属体在交变磁场中的涡流效应。按电涡流在导体 内的贯穿情况高频反射式低频透射式1.1.高频反射式高频反射式可以作为位移、振动测量，也可进行材质鉴别或探伤、测温度等。2.2.低频透射式低频透射式适于测量金属材料的厚度。3.3.特点：特点：结构简单，安装方便，灵敏度高，抗干扰能力强。4.4.应用应用电感式纸页厚度测量仪
10、原理图 三、差动变压器式传感器三、差动变压器式传感器原理：利用电磁感应中的互感现象。1.1.互感现互感现象象dtdiMe1122.2.差动变压器式传感器差动变压器式传感器(1)结构变气隙式变面积式螺管式1i1W12e2W(2)(2)原理原理(3)(3)特点：特点：精度高，线性范围大，稳定性好。0u2W1W21eeey2e1e4.5 4.5 电容式传感器电容式传感器一、工作原理一、工作原理AAC00为真空介电常数，mF /10854. 8120分类变 面积变化型A变 介质变化型变 极距变化型1.1.极距变化型极距变化型C0C与 成反比关系。02AdCCKd 常数灵敏度为 使用时，减小初始极距来提
11、高灵敏度。由于电容量C与极距呈非线性关系，将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规定测量范围实际应用中常采用差动形式，可使灵敏度提高一倍。0特点：灵敏度高，有线性误差，适于小位移测量。2.2.面积变化型面积变化型(1)(1)直线位移型直线位移型若两极板间相互覆盖长为 ，宽为 ，覆盖面积为 xbbxAbxC0则电容灵敏度0bS 常数(2) (2) 角位移型角位移型 若覆盖面积对应的中心角为 ，极板半径为r ，覆盖面积为 220rC 则电容灵敏度202rS 常数22rA (3)(3)圆柱体线位移型圆柱体线位移型 动板左右移动时， ， xdDA22dD1/) 1/(2/ )(200dDxdDdDx
12、dDC则电容灵敏度常数1/) 1/(0dDdDS(4)(4)差动圆柱体线位移型差动圆柱体线位移型 动板上下移动时，上下两个电容量一增一减。特点：线性关系好，量程大；与极距变化型相比，灵敏度 较低。适用于较大角位移及直线位移的测量。 3.3.介电常数变化型介电常数变化型 (1)测厚度、位移介质层的温度、湿度、厚度变化时， 变化，从而引起 变。 C(2)测液面高度二、测量电路被测量电容变化电压、电流、频率变化1.交流电桥2.运算放大器电路：可解决极距变化型电容传感器的非线性 问题。ACx0AuCuCCuxy00000三、电容传感器特点与应用三、电容传感器特点与应用 1.优点: (1) 输入能量小而
13、灵敏度高。(2)信噪比大，稳定性好。(3) 动态特性好，可用于动态测量。(4) 能量损耗小。(5)结构简单，适应性好。2.缺点: (1)极距变化型，非线性大。 (2)电缆分布电容影响大。 解决办法：利用测量电路。 解决办法：利用集成电路；采用屏蔽电缆。3.应用举例(1)电容式测厚仪 (2)电容式转速传感器 1、p129：4.22、p129：4.3第第4 4章作业：章作业：3、某应变式位移测量系统如下图所示，试分析该系统的原理及信号转换过程。 应变片悬臂梁质量块x4.6 4.6 压电式传感器压电式传感器 工作原理是以某些物质的压电效应为基础。既可将机械能电能，又可将电能机械能。一、压电效应一、压
14、电效应 1.压电效应：压电效应：2.2.逆压电效应（电致伸缩效应）：逆压电效应（电致伸缩效应）：施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。 如果在这些物质的极化方向时，在表面上将产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电状态的现象。某些材料，当沿着一定方向对其加力而使其变形二、压电材料及其特性二、压电材料及其特性具有压电效应的敏感功能材料叫压电材料。 常用的压电材料：压电单晶体、压电陶瓷、新型压电材料1.1.压电单晶体石英压电单晶体石英( ) ( ) 、铌酸锂、铌酸锂( ) ( ) 2SiO3LiNbO2.2.压电陶瓷压电陶瓷钛酸钡、锆钛酸
15、铅特点：压电常数大，灵敏度高，价格低廉。3.3.新型压电材料新型压电材料 在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，因此就构成一个电容器。其电容量为三、等效电路三、等效电路 0aAC 电荷等效电路电压等效电路压电式传感器适合作动态测量。四、压电元件常用的结构形式四、压电元件常用的结构形式串联适合以电压作为输出的场合。适合测量缓变信号和以电荷量作为输出的场合。并联五、应用五、应用压电式压力传感器 压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 产品产品: :压电材料换能器压电材料换能器4.7 4.7 磁电传感器磁电传感器 包括磁电感应传感器、霍尔传感器。 一、磁电感应传感器一、磁电
16、感应传感器( (感应式传感器、电动传感器感应式传感器、电动传感器) ) 根据法拉第电磁感应定律，线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中会产生的感应电动势deNdt 恒定磁通式变磁通式根据改变参 数的不同1.恒定磁通式 sineNBlvekNBA2.2.变磁通式变磁通式 常用来测量旋转物体的角速度。二、霍尔传感器二、霍尔传感器 霍尔效应：霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势。 1.1.工作原理工作原理霍尔电势:利用霍尔元件基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出。IBKdIBReHHH 霍尔元件是一种半导体磁电转换元件，多
17、采用N型半导体材料。它是基于霍尔效应工作的。 2.2.霍尔元件霍尔元件符号 目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。 3.3.应用应用 4.4.特点特点 体积小，结构简单，使用方便，可用于非接触测量，但受温度影响较大。4.8 4.8 光电传感器光电传感器将光信号转换成电信号的光敏器件一、光电效应一、光电效应工作原理：基于半导体材料的光电效应。1.外光电效应外光电效应金属中的自由电子吸收光能而逸出金属表面的 现象。如光电管，光电倍增管。2.内光电效应内光电效应光电导效应光敏电阻、光敏二极管、三极管光生伏特效应光电池 可用于检测直接引起
18、光强度变化的非电量，也可检测能转换成光量变化的其他非电量。二、光电器件二、光电器件1.1.光敏电阻光敏电阻工作原理：光电导效应。2.2.光电池光电池工作原理：光生伏特效应。利用光电池检查零件表面的缺陷。三、光敏晶体管三、光敏晶体管光敏二极管：光敏二极管：光敏三极管：光敏三极管：特点：特点：灵敏度高，响应快，有良好的温度稳定性和低工作电 压的优点。三、光电式传感器的形式三、光电式传感器的形式 按接收状态 模拟式光电传感器 脉冲光电传感器 吸收式 反射式 遮光式 辐射式 1、p129：4.22、p129：4.33、p129：4.11第第4 4章作业：章作业：4、某应变式位移测量系统如下图所示，试分析该系统的原理及信号转换过程。 应变片悬臂梁质量块x
