1、 第第1章章 传感器的定义与分类传感器的定义与分类1.1 传感器的定义与分类传感器的定义与分类1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差1.4 传感器中的弹性敏感元件传感器中的弹性敏感元件第1页，共344页。1.1传感器的定义与分类传感器的定义与分类1.1.1 传感器的定义传感器的定义 国家标准国家标准GB7665-1987对传感器下的定义是对传感器下的定义是:“能感受规能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。常由敏感元件和转换元件组成。”1.1.2
2、 传感器的分类传感器的分类 1.根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器两大类根据传感器工作原理，可分为物理传感器和化学传感器两大类 (1)物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩物理传感器应用的是物理效应，诸如压电效应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信号量的微小变化都将转换成电信号。小变化都将转换成电信号。(2)化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反应等现象为下一页返回第2页，共344页。1.1传感器的定义与分类传感器的定义与分类因果关系的传感器，
3、被测信号量的微小变化也将转换成电信号。因果关系的传感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。2.按照其用途分类按照其用途分类 压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感压力敏和力敏传感器、位置传感器、液面传感器、能耗传感器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、器、速度传感器、热敏传感器、加速度传感器、射线辐射传感器、振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传振动传感器、湿敏传感器、磁敏传感器、气敏传感器、真空度传感器、生物传感器等。感器、生物传感器等。3.以其输出信号为标准分类以其输出信号为标准分类 (1)模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号
4、。模拟传感器将被测量的非电学量转换成模拟电信号。(2)数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号数字传感器将被测量的非电学量转换成数字输出信号(包括直接包括直接和间接转换和间接转换)。上一页下一页返回第3页，共344页。1.1传感器的定义与分类传感器的定义与分类 (3)膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的膺数字传感器将被测量的信号量转换成频率信号或短周期信号的输出输出(包括直接或间接转换包括直接或间接转换)。(4)开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阂值时，开关传感器当一个被测量的信号达到某个特定的阂值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。传感器相应地
5、输出一个设定的低电平或高电平信号。4.从所应用的材料观点出发分类从所应用的材料观点出发分类 (1)按照其所用材料的类别分金属聚合物陶瓷混合物按照其所用材料的类别分金属聚合物陶瓷混合物 (2)按材料的物理性质分导体绝缘体半导体磁性材料按材料的物理性质分导体绝缘体半导体磁性材料 (3)按材料的晶体结构分单晶多晶非晶材料按材料的晶体结构分单晶多晶非晶材料 5.与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个与采用新材料紧密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个方向方向 在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器技在已知的材料中探索新的现象、效应和反应，然后使它们能在传感器
6、技术中得到实际使用。术中得到实际使用。上一页下一页返回第4页，共344页。1.1传感器的定义与分类传感器的定义与分类 探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传探索新的材料，应用那些已知的现象、效应和反应来改进传感器技术。感器技术。在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感在研究新型材料的基础上探索新现象、新效应和反应，并在传感器技术中加以具体实施。器技术中加以具体实施。6.按照其制造工艺分类按照其制造工艺分类 (1)集成传感器用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技集成传感器用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在术
7、制造的。通常还将用于初步处理被测信号的部分电路也集成在同一芯片上。同一芯片上。(2)薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底薄膜传感器则是通过沉积在介质衬底(基板基板)上的，相应敏感上的，相应敏感材料的薄膜形成的。使用棍合工艺时，同样可将部分电路制造在此材料的薄膜形成的。使用棍合工艺时，同样可将部分电路制造在此基板上。基板上。(3)厚膜传感器利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上厚膜传感器利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上上一页下一页返回第5页，共344页。1.1传感器的定义与分类传感器的定义与分类制成的，基片通常是氧化铝制成的，然后进行热处理，使厚膜成制成的，基片通常是氧化铝制成的，然后进行热处理，
8、使厚膜成形。形。(4)陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺(溶胶一凝胶等溶胶一凝胶等)生产。生产。上一页返回第6页，共344页。1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性1.2.1 传感器静态特性传感器静态特性 1.测量范围和量程测量范围和量程 传感器所能测量的最大被测量的数值为测量上限，最小被测传感器所能测量的最大被测量的数值为测量上限，最小被测量称为测量下限。测量上限和测量下限所构成的区间称为测量范量称为测量下限。测量上限和测量下限所构成的区间称为测量范围。测量上限和测量下限的代数差称为量程，即量程围。测量上限和测量下限的代数差称为量程，即
9、量程=测量上限测量上限-测量下限。测量下限。2.传感器的线性度传感器的线性度 理想情况下，如理想情况下，如图图1-1所示，传感器的静态特性输出是条直线所示，传感器的静态特性输出是条直线;但但通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似际工作中，为使仪表具有均匀刻度的读数，常用一条拟合直线近似地代表实际的特性曲线，如地代表实际的特性曲线，如图图1-2所示。所示。下一页返回第7页，共344页。1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性3.传感器的灵敏度传感器的灵敏度 灵敏
10、度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化Y对输入量变化对输入量变化x的的比值。比值。4.传感器的分辨力传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小变化的能力。也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值也就是说，如果输入量从某一非零值缓慢地变化，当输入变化值未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此未超过某一数值时，传感器的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超分辨力时，输入量的变化是分辨不出来的。只有当输入量的变化超分辨力时
11、，其输出才会发生变化。其输出才会发生变化。5.迟滞迟滞 迟滞现象是指传感器正向特险曲线迟滞现象是指传感器正向特险曲线(输入量增大输入量增大)和反向特性曲线和反向特性曲线(输入量输入量减小减小)的不一致程度。如图的不一致程度。如图1-3所示。所示。上一页下一页返回第8页，共344页。1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性 6.传感器的精度等级传感器的精度等级 传感器的精度等级是为了简单表示传感器测量结果的可靠程度而引传感器的精度等级是为了简单表示传感器测量结果的可靠程度而引用的。常见的精度等级有用的。常见的精度等级有0.1级、级、0.2级、级、0.5级、级、1.0级、级、1.5级、级、2.0级
12、、级、2.5级、级、5.0级。数值越小，精度等级越高，测量越精确。级。数值越小，精度等级越高，测量越精确。1.2.2 传感器动态特性传感器动态特性 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因作中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前
13、者号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定后者。就能推定后者。上一页下一页返回第9页，共344页。1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。1.阶跃响应阶跃响应 输入为阶跃信号时，传感器的响应被称为阶跃响应。从阶跃响应中输入为阶跃信号时，传感器的响应被称为阶跃响应。从阶跃响应中我们可以得到传感器在时间域内的响应特性。如我们可以得到传感器在时间域内的响应特性。如图图1-4
14、所示输入信号是所示输入信号是幅值为幅值为A的阶跃信号，此时传感器阶跃响应如图的阶跃信号，此时传感器阶跃响应如图1-5所示。所示。2.频率响应频率响应 将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入到传感器，传感将各种频率不同而幅值相等的正弦信号输入到传感器，传感器的输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应器的输出正弦信号的幅值、相位与频率之间的关系称为频率响应特性。其中输出信号的幅值与输入信号的频率的关系称为幅频响特性。其中输出信号的幅值与输入信号的频率的关系称为幅频响应应;输出信号的相位与输入信号的频率的关系称为输出信号的相位与输入信号的频率的关系称为上一页返回下一页第10页，共344页
15、。1.2 传感器的基本特性传感器的基本特性相频特性。频率响应是通过研究稳态过程来分析传感器的动态特性相频特性。频率响应是通过研究稳态过程来分析传感器的动态特性的，它可以通过对传感器在频域响应过程中的波形参数进行计算，的，它可以通过对传感器在频域响应过程中的波形参数进行计算，并对响应特性曲线进行分析并对响应特性曲线进行分析;也可通过对频率响应性能指标也可通过对频率响应性能指标(如频率如频率响应范围、幅值误差、相位误差等响应范围、幅值误差、相位误差等)的考核来完成。的考核来完成。返回上一页第11页，共344页。1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差1.3.1 传感器的基本误差传感器的基本误差 任
16、何测量都不可能绝对准确，都存在误差，只要误差在允许范任何测量都不可能绝对准确，都存在误差，只要误差在允许范围内即可认为符合标准，传感器也不例外。所谓传感器的误差，即围内即可认为符合标准，传感器也不例外。所谓传感器的误差，即传感器的输出值与理论输出值的差值。因此要求设计与制造传感器传感器的输出值与理论输出值的差值。因此要求设计与制造传感器时，允许有误差，但必须在规定误差的范围之内。为了使传感器能时，允许有误差，但必须在规定误差的范围之内。为了使传感器能满足一定的精度要求，我们要掌握误差的种类及分析产生误差的原满足一定的精度要求，我们要掌握误差的种类及分析产生误差的原因、克服与减少误差的方法。因、
17、克服与减少误差的方法。1.测量误差的基本概念测量误差的基本概念 由传感器的定义得知，传感器是将未知的物理量转换成人们可由传感器的定义得知，传感器是将未知的物理量转换成人们可知的电信号，实际上传感器就是一种测量器具，所以传感器的误差知的电信号，实际上传感器就是一种测量器具，所以传感器的误差也就是测量误差。下面介绍有关测量的部分名词。也就是测量误差。下面介绍有关测量的部分名词。下一页返回第12页，共344页。1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差 2.误差的分类误差的分类 在测量中由不同因素产生的误差是混合在一起同时出现的。在测量中由不同因素产生的误差是混合在一起同时出现的。为了便于分析研究误差
18、的性质、特点和消除方为了便于分析研究误差的性质、特点和消除方.法，下面将对各法，下面将对各种误差进行分类讨论。种误差进行分类讨论。(1)按表示方法分类按表示方法分类 绝对误差绝对误差指示值指示值 与约定真值与约定真值 的差值，即的差值，即 量中常使用量中常使用修正值修正值 。只要得到修正值。只要得到修正值 示值示值 ，便可得知约定真值，便可得知约定真值 。相对误差相对误差针对绝对误差有时不足以反映示值偏离约定真值大针对绝对误差有时不足以反映示值偏离约定真值大小程度而设定的，在实际测量中相对误差有下列表示形式小程度而设定的，在实际测量中相对误差有下列表示形式:上一页下一页返回xAoAoxAA x
19、AoA第13页，共344页。1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差(2)按误差出现的规律分类按误差出现的规律分类 系统误差系统误差指误差的数值是一个常数或按一定规律变化的值。它指误差的数值是一个常数或按一定规律变化的值。它又可分为恒值误差和变值误差。又可分为恒值误差和变值误差。随机误差随机误差由于偶然因素的影响而引起的，其数值大小和正负号由于偶然因素的影响而引起的，其数值大小和正负号不定，而且难以估计。但是总体仍服从一定统计规律，它不能通过实验不定，而且难以估计。但是总体仍服从一定统计规律，它不能通过实验方法加以消除，但能运用统计处理方法减少其影响。随机误差表现了测方法加以消除，但能运用统计
20、处理方法减少其影响。随机误差表现了测量结果的分散性。在误差理论中常用精密度来表征随机误差的大小。随量结果的分散性。在误差理论中常用精密度来表征随机误差的大小。随机误差愈小，精密度愈高。机误差愈小，精密度愈高。粗大误差粗大误差指在一定的条件下测量结果显著地偏离其实际值时所对指在一定的条件下测量结果显著地偏离其实际值时所对应的误差。从性质上看，粗大误差并不是单独的类别，它本身既具有系应的误差。从性质上看，粗大误差并不是单独的类别，它本身既具有系统误差的性质，也可能具有随机误差的性质，只不过在一定测量条件下统误差的性质，也可能具有随机误差的性质，只不过在一定测量条件下其绝对值特别大而已。其绝对值特别
21、大而已。上一页下一页返回第14页，共344页。1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差粗大误差是由于测量方法不妥、各种随机因素的影响以及测量人员粗心所造粗大误差是由于测量方法不妥、各种随机因素的影响以及测量人员粗心所造成的。成的。(3)按被测量随时间变化的速度分类按被测量随时间变化的速度分类 静态误差静态误差指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢或指在测量过程中，被测量随时间变化很缓慢或基本不变时的测量误差。基本不变时的测量误差。动态误差动态误差在被测量随时间变化时所测得的误差。例如用在被测量随时间变化时所测得的误差。例如用笔式记录仪测得的结果，由于记录笔有惯性量，输出量在时间上笔式记录仪测得
22、的结果，由于记录笔有惯性量，输出量在时间上不能与被测量的变化一致，而造成的误差就属于动态误差。动态不能与被测量的变化一致，而造成的误差就属于动态误差。动态误差是在动态测量时产生的，动态测量的优点是检测效率高和环误差是在动态测量时产生的，动态测量的优点是检测效率高和环境影响小。境影响小。(4)按使用条件分类按使用条件分类 基本误差基本误差指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误指检测系统在规定的标准条件下使用时所产生的误差。差。上一页返回下一页第15页，共344页。1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差 附加误差附加误差当使用条件偏离规定标准条件时，除基本误差当使用条件偏离规定标准条件时，
23、除基本误差外还会产生附加误差，例如由于温度超过标准引起的温度附加误外还会产生附加误差，例如由于温度超过标准引起的温度附加误差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加误差在使用时差、电源附加误差以及频率附加误差等。这些附加误差在使用时会叠加到基本误差上去。会叠加到基本误差上去。1.3.2 仪表精度与测量精度仪表精度与测量精度 1.仪表精度与测量精度的关系仪表精度与测量精度的关系 仪表精度一般分为七个等级，实际上就是取最大满度仪表精度一般分为七个等级，实际上就是取最大满度(引用引用)相对误差，对于数字仪表和光学仪表等还具有更高精度的等级。相对误差，对于数字仪表和光学仪表等还具有更高精度的等级。一
24、般而言，七个等级在工业仪表中是具有代表性的。而真正反映一般而言，七个等级在工业仪表中是具有代表性的。而真正反映测量精度的是实际相对误差。从最大满度测量精度的是实际相对误差。从最大满度(引用引用)误差和实际相误差和实际相对误差的定义公式不难看出，被测量的大小愈接近量程，相对误对误差的定义公式不难看出，被测量的大小愈接近量程，相对误差就愈接近于最大满度差就愈接近于最大满度(引用引用)误差，因此误差，因此下一页返回上一页第16页，共344页。1.3 传感器的基本误差传感器的基本误差对于同等级精度的仪表，选择适当的量程，使被测量位于仪表量值的上限附对于同等级精度的仪表，选择适当的量程，使被测量位于仪表
25、量值的上限附近，将能充分利用仪表精度获得较精确的测量结果。近，将能充分利用仪表精度获得较精确的测量结果。2.附加误差对实际测量精度的影响附加误差对实际测量精度的影响 在检测仪表的技术说明书中，除了给出基本误差外，还给出了工作在检测仪表的技术说明书中，除了给出基本误差外，还给出了工作条件变化时可能产生的附加误差。如果实际工作条件不是仪表规定的标条件变化时可能产生的附加误差。如果实际工作条件不是仪表规定的标准状态，这时必须考虑到附加误差的影响。准状态，这时必须考虑到附加误差的影响。上一页返回第17页，共344页。1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件1.4.1 弹性敏感元件的基本特性
26、弹性敏感元件的基本特性 物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形，如果在外力去物体因外力作用而改变原来的尺寸或形状称为变形，如果在外力去掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形，具掉后能完全恢复其原来的尺寸和形状，那么这种变形称为弹性变形，具有有这类特性的物体称为弹性元件。在传感器中用于测量的弹性元件称这类特性的物体称为弹性元件。在传感器中用于测量的弹性元件称为弹性敏感元件。为弹性敏感元件。1.刚度刚度 刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的外部作用力刚度是使弹性敏感元件产生单位变形所需要的外部作用力(或或压力压力)，其表达式为，其表达式为式中式中k为刚度为刚度;F为作
27、用于弹性元件上的外力为作用于弹性元件上的外力;x为弹性元件产生的变形。为弹性元件产生的变形。下一页返回dxFdxFklim0 x）（第18页，共344页。1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件 2.灵敏度灵敏度 灵敏度是刚度的倒数，它表示弹性敏感元件在承受单位输入量灵敏度是刚度的倒数，它表示弹性敏感元件在承受单位输入量(力、压力等力、压力等)时所产生的变形大小，一般用时所产生的变形大小，一般用K表示，即在非电量检表示，即在非电量检测中往往希望弹性灵敏度为常数，此时弹性敏感元件的弹性特性是测中往往希望弹性灵敏度为常数，此时弹性敏感元件的弹性特性是线性的，即线性的，即1.4.2 弹性
28、敏感元件的形式及应用范围弹性敏感元件的形式及应用范围 根据弹性敏感元件在传感器中的作用，对它提出了一些要求，如具有好根据弹性敏感元件在传感器中的作用，对它提出了一些要求，如具有好的弹性特性、足够的精度、长期使用和温度变化时的稳定性等。因而对制作的弹性特性、足够的精度、长期使用和温度变化时的稳定性等。因而对制作弹性敏感元件的材料提出了多方面的要求，如弹性模量的温度系数要小、线弹性敏感元件的材料提出了多方面的要求，如弹性模量的温度系数要小、线膨胀系数小且恒定、有良好的机械加工和热处理性能等。我国通常使用合金膨胀系数小且恒定、有良好的机械加工和热处理性能等。我国通常使用合金钢、碳钢、铜合金和铝合金等
29、材料。钢、碳钢、铜合金和铝合金等材料。上一页下一页返回dFxdK 第19页，共344页。1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件 1.弹性敏感元件的形式弹性敏感元件的形式 传感器中弹性敏感元件的输入量通常是力传感器中弹性敏感元件的输入量通常是力(力矩力矩)或流体压力或流体压力(统称压统称压力力)，即使其他非电被测量输入给弹性敏感元件时，也是先将它们变换，即使其他非电被测量输入给弹性敏感元件时，也是先将它们变换成力或压力再输入给弹性敏感元件。成力或压力再输入给弹性敏感元件。2.变换力的弹性元件变换力的弹性元件 (1)等截面轴等截面轴又称柱式弹性敏感元件，可以是实心等截面轴等截面轴又称
30、柱式弹性敏感元件，可以是实心柱体或空心圆柱体，如图柱体或空心圆柱体，如图1-7所示。实心等截面轴在力的作用下所示。实心等截面轴在力的作用下弹性敏感元件的位移很小，因此常用它的应变作输出量。其主要弹性敏感元件的位移很小，因此常用它的应变作输出量。其主要的优点是结构简单、加工方便、测量范围宽，可承受数万牛顿的的优点是结构简单、加工方便、测量范围宽，可承受数万牛顿的载荷，但其灵敏度小。载荷，但其灵敏度小。上一页下一页返回第20页，共344页。1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件 (2)环状弹性敏感元件环状弹性敏感元件多做成等截面圆环，如图环状弹性敏感元件环状弹性敏感元件多做成等截面圆
31、环，如图1-8(a),(b)所示，圆环有较高的灵敏度，因而它多用于测量较小的力。圆环所示，圆环有较高的灵敏度，因而它多用于测量较小的力。圆环的缺点是加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。的缺点是加工困难，环的各个部位的应变及应力都不相等。(3)悬臂梁悬臂梁是一端固定、另一端自由的弹性敏感元件。按截面悬臂梁悬臂梁是一端固定、另一端自由的弹性敏感元件。按截面形状又可分为等截面矩形悬臂梁和变截面等强度悬臂梁，如图形状又可分为等截面矩形悬臂梁和变截面等强度悬臂梁，如图1-9所示。所示。悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移悬臂梁的特点是结构简单，易于加工，输出位移(或应变或应变)大，灵敏度高
32、，大，灵敏度高，常用于较小力的测量。常用于较小力的测量。(4)扭转轴如图扭转轴如图1-10所示为扭转轴式弹性敏感元件，当自由端受到所示为扭转轴式弹性敏感元件，当自由端受到转矩的作用时，扭转轴的表面会产生拉伸或压缩应变，在轴表面上与轴转矩的作用时，扭转轴的表面会产生拉伸或压缩应变，在轴表面上与轴线成方向线成方向(图图1-10的的AB方向方向)产生应变。，而图产生应变。，而图1-10中中AC方向所产方向所产生的应变与生的应变与AB方向的应变大小相等，符号相反。方向的应变大小相等，符号相反。上一页下一页返回第21页，共344页。1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件3.变换压力的弹性敏
33、感元件变换压力的弹性敏感元件 (1)弹簧管弹簧管又称波登管，通常是一根弯成弹簧管弹簧管又称波登管，通常是一根弯成C形的空心扁管，管形的空心扁管，管子的截面形状有椭圆形、平椭圆形、子的截面形状有椭圆形、平椭圆形、D形、形、8字形等，如图字形等，如图1-11所示。所示。弹簧管的另一端弹簧管的另一端(自由端自由端)密封并与传感器其他部分相连。密封并与传感器其他部分相连。(2)波纹管波纹管是一种圆柱管状的弹性敏感元件，其表面上有许多与波纹管波纹管是一种圆柱管状的弹性敏感元件，其表面上有许多与圆柱同心的环状皱纹圆柱同心的环状皱纹(如图如图1-12所示所示)，管的一端封闭，另一端开口并与被，管的一端封闭，
34、另一端开口并与被测压力相通。测压力相通。(3)等截面薄板等截面薄板又称平膜片，是一种抗弯刚度可以忽略的周等截面薄板等截面薄板又称平膜片，是一种抗弯刚度可以忽略的周边固定的圆形薄膜，它能将输入信号边固定的圆形薄膜，它能将输入信号(压力或压差压力或压差)转化为位移信号。当膜片转化为位移信号。当膜片的两侧面受到不同的压力时，膜片的中心将向压力低的一侧产生一定的位移，的两侧面受到不同的压力时，膜片的中心将向压力低的一侧产生一定的位移，如图如图1-13所示。所示。上一页返回下一页第22页，共344页。1.4 传感器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件 (4)波纹膜片和膜盒波纹膜片是一种压有环形同心波纹
35、的圆形薄波纹膜片和膜盒波纹膜片是一种压有环形同心波纹的圆形薄膜，为了便于与传感器相连接，在膜片的中央留有一个光滑的部分，膜，为了便于与传感器相连接，在膜片的中央留有一个光滑的部分，有时还在中心处焊接一块圆形金属片为膜片的硬心。其波纹的形状有时还在中心处焊接一块圆形金属片为膜片的硬心。其波纹的形状有正弦形、梯形、锯齿形等多种形式，如图有正弦形、梯形、锯齿形等多种形式，如图1-14所示。所示。为了进一步提高灵敏度，可将两个波纹膜片焊在一起，制成膜盒，为了进一步提高灵敏度，可将两个波纹膜片焊在一起，制成膜盒，如图如图1-15所示。在同样大小的压力所示。在同样大小的压力(或压差或压差)作用下，它的中心
36、位作用下，它的中心位移量是单个膜片的两倍。由于膜盒本身是一个封闭的整体，所以周移量是单个膜片的两倍。由于膜盒本身是一个封闭的整体，所以周边不需要固定，给安装带来方便，它的应用比波纹膜片广泛。边不需要固定，给安装带来方便，它的应用比波纹膜片广泛。(5)薄壁圆筒和薄壁半球薄壁圆筒和薄壁半球的应用不是很广泛，原薄壁圆筒和薄壁半球薄壁圆筒和薄壁半球的应用不是很广泛，原因是这两种弹性敏感元件的灵敏度较低，它们的形状如图因是这两种弹性敏感元件的灵敏度较低，它们的形状如图1-16所示。所示。它们的厚度一般要小于直径的它们的厚度一般要小于直径的1/20，当，当下一页返回上一页第23页，共344页。1.4 传感
37、器中的弹牲敏感元件传感器中的弹牲敏感元件被测压力通入薄壁圆筒和薄壁半球的内腔中时，圆筒和半球均匀被测压力通入薄壁圆筒和薄壁半球的内腔中时，圆筒和半球均匀地向外扩张，产生拉伸应力或应变。它们在轴向的应变和圆周方地向外扩张，产生拉伸应力或应变。它们在轴向的应变和圆周方向的应变是不相等的。薄壁圆筒和薄壁半球虽然灵敏度较低，但向的应变是不相等的。薄壁圆筒和薄壁半球虽然灵敏度较低，但坚固性较好，适用于特殊结构要求的场合。坚固性较好，适用于特殊结构要求的场合。上一页返回第24页，共344页。图图1-1传感器理想线性图传感器理想线性图返回第25页，共344页。图图1-2 特性曲线与线性度关系曲线特性曲线与线
38、性度关系曲线返回第26页，共344页。图图1-4幅值为幅值为A的阶跃信号的阶跃信号返回第27页，共344页。第第2章常用传感器及测量转换电路章常用传感器及测量转换电路2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.2 热电阻传感器热电阻传感器2.3 热电偶传感器热电偶传感器2.4 电涡流式传感器电涡流式传感器2.5 电容式传感器电容式传感器2.6 电感式传感器电感式传感器2.7 压电式传感器压电式传感器2.8 磁电式传感器磁电式传感器第28页，共344页。2.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器2.9 光电式传感器光电式传感器2.10 数字式传感器数字式传感器2.11 霍尔传感器霍尔传感器2.12
39、差分变压器式传感器差分变压器式传感器2.13 气敏传感器气敏传感器 上一页返回第29页，共344页。2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器 (1)这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。这类传感器结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。(2)易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测。易于实现测试过程自动化和多点同步测量、远距测量和遥测。(3)灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。(4)可以测量各种物理量。可以测量各种物理量。因此在航空航天、机械、化工、交通、建筑、医学、汽车工因此在航空航天、机械、化工、交通、建筑、医学、汽车工业等领域
40、有很广的应用。业等领域有很广的应用。电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元电阻应变式传感器由弹性敏感元件与电阻应变片构成。弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而豁结在弹性敏感元件在感受被测量时将产生变形，其表面产生应变。而豁结在弹性敏感元件表面上的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此，电阻应变件表面上的电阻应变片将随着弹性敏感元件产生应变，因此，电阻应变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变片的电阻值也产生相应的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，就可以确定被测量的大小了。化，就可以确定被测量的大小了。下一页返回第30
41、页，共344页。2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器短接式应变片两端用直径比栅线直径大短接式应变片两端用直径比栅线直径大510倍的镀银丝短接。优倍的镀银丝短接。优点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。点是克服了横向效应，但制造工艺复杂。常用材料常用材料:康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。康铜、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及铂、铂乌合金等。2.金属箔式应变片金属箔式应变片 箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度箔式应变片是在绝缘基底上，将厚度0.0030.01mm电阻箔材，利用电阻箔材，利用照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。照相制版或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状
42、。3.金属薄膜应变片金属薄膜应变片 薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积薄膜应变片是薄膜技术发展的产物。它是采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1 以下的金属电阻材料薄以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后加上保护层。膜的敏感栅，最后加上保护层。上一页返回m 下一页第31页，共344页。2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器 4.半导体应变片半导体应变片 半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的电阻率随作用应力而变化的所谓应力而变化的所谓“压阻效应压阻效应”。所有材
43、料在某种程度上都呈现。所有材料在某种程度上都呈现压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小压阻效应，但半导体的这种效应特别显著，能直接反映出很微小的应变。的应变。2.1.4 测量转换电路测量转换电路 应变式电阻传感器是借助于弹性元件，将力的变化转化为变形，然应变式电阻传感器是借助于弹性元件，将力的变化转化为变形，然后利用导体的应变效应，将力转变成电阻的变化，最终利用测量电路得后利用导体的应变效应，将力转变成电阻的变化，最终利用测量电路得到被测量到被测量(力力)的电信号。应变式电阻传感器主要包括弹性元件、电阻应的电信号。应变式电阻传感器主要包括弹性元件、电阻应变片及测量电路。变片及
44、测量电路。2.1.5 温度补偿温度补偿 在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻变化外，在实际应用中，除了应变能导致应变片电阻变化外，图图2-5温度温度下一页返回上一页第32页，共344页。2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器 2.1.6 电阻应变式传感器的应用电阻应变式传感器的应用 电固应变刻专感器中的各种弹胜胜元件一般为敏感元件，传感元电固应变刻专感器中的各种弹胜胜元件一般为敏感元件，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为电桥电路。电阻应变刻专感器件就是应变片，测量转换电路一般为电桥电路。电阻应变刻专感器通常可用来测量应变以外的物理量，例如力、扭矩、加速度和压力通常可用来测量应变以外的物理
45、量，例如力、扭矩、加速度和压力等。把应变片料视占到弹胜胜敏感元件上，使弹性毓惑元件的应变等。把应变片料视占到弹胜胜敏感元件上，使弹性毓惑元件的应变与被测量成比例关系。与被测量成比例关系。1.力和扭矩传感器力和扭矩传感器 图图2-6所示列出了几种力和扭矩传感器的弹性敏感元件。拉伸所示列出了几种力和扭矩传感器的弹性敏感元件。拉伸应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗圆柱体如应力作用下的细长杆和压缩应力作用下的短粗圆柱体如图图2-6(a),(b)所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向所示。测量时都可以在轴向布置一个或几个应变片，在圆周方向上布置同样数目的应变片。后者拾取符号相反的
46、横向应变，从而构成差动式。上布置同样数目的应变片。后者拾取符号相反的横向应变，从而构成差动式。另一种弯曲梁和另一种弯曲梁和上一页下一页返回第33页，共344页。2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器扭转轴上的应变片也均可构成差分式，如扭转轴上的应变片也均可构成差分式，如图图2-6(c),(d)所示。另所示。另外用环状弹性敏感元件测拉外用环状弹性敏感元件测拉(压压)力也是比较普遍的，如力也是比较普遍的，如图图2-6(e)所示。所示。2.压力传感器压力传感器 应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量。应变式压力传感器主要用于液体、气体压力的测量。图图2-7中给出中给出了组合式压力传感器示意图。
47、图中应变片了组合式压力传感器示意图。图中应变片R粘贴在悬臂梁上，悬臂梁的粘贴在悬臂梁上，悬臂梁的刚度应比压力敏感元件更高，这样可降低这些元件所固有的不稳定性和刚度应比压力敏感元件更高，这样可降低这些元件所固有的不稳定性和迟滞。迟滞。图图2-8所示是筒式压力传感器。被测压力所示是筒式压力传感器。被测压力P作用于筒内腔，使筒发生变作用于筒内腔，使筒发生变形，工作应变片形，工作应变片1贴在空心的筒壁外感受应变，补偿应变片贴在空心的筒壁外感受应变，补偿应变片2贴在不发生变贴在不发生变形的实心端作为温度补偿用。一般可用来测量机床液压系统压力和枪、炮筒形的实心端作为温度补偿用。一般可用来测量机床液压系统压
48、力和枪、炮筒腔内压力等。腔内压力等。上一页下一页返回第34页，共344页。2.1电阻应变式传感器电阻应变式传感器 3.加速度传感器加速度传感器 加速度传感器实质上是一种测量力的装置，如加速度传感器实质上是一种测量力的装置，如图图2-9所示。测量时，将所示。测量时，将基座固定在被测对象上，当被测物体以加速度基座固定在被测对象上，当被测物体以加速度a运动时，质量块受到一个与运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力而使悬臂梁变形。通过应变片检测出悬臂梁的应变加速度方向相反的惯性力而使悬臂梁变形。通过应变片检测出悬臂梁的应变值，而应变值是与加速度成正比的。值，而应变值是与加速度成正比的。上一页返
49、回第35页，共344页。2.2 热电阻传感器热电阻传感器 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这一特性来测量温度及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较及与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。目前应用较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度适用。目前应用较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。2.2.1 热电阻热电阻 热电阻主要是
50、利用电阻随温度变化而变化这一特性来测量温热电阻主要是利用电阻随温度变化而变化这一特性来测量温度的。目前广泛应用的热电阻材料是铂和铜，它们的电阻温度系度的。目前广泛应用的热电阻材料是铂和铜，它们的电阻温度系数在数在范围内。作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系范围内。作为测温用的热电阻材料，希望具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。数大、线性好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。铂的性能最稳定，采用特殊的结构可制成标准铂电阻温度计，它铂的性能最稳定，采用特殊的结构可制成标准铂电阻温度计，它的适用范围为。铜电阻价廉并且线性好，的适用范围为。铜电阻价廉并且
