1、第四章 常用传感器原理及应用 1.熟悉传感器的定义、作用和分类2.了解传感器的选用原则 3.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。本章学习要求：本章学习要求：一、传感器定义一、传感器定义传感器传感器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。被测量被测量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。4.1 传感器概述传感器概述 (Introduction)二、传感器的作用二、传感器的作用传感器类似于人的感觉器官，是人类感官的延伸。作用作用：将被测量转换成电信号,传送给测试系统中的后续环节。身
2、体与机器人的对应关系三、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（2）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、敏感器件与辅助器件组成。传感器由一次敏感元件、敏感器件与辅助器件组成。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。分类法分类法型式型式说明说明按被测量种按被测量种类类位移、温度、压力、流量这种分类便于传感器的管理按工作原理按工作原理分类分类应变式、电容式、电感式、压电式、光电式以传感器对信号转换的原理命名按被测量转按被测量转换特征（构换
3、特征（构成原理）成原理）结构型，如电容式，电阻应变片；通过改变传感器元件的参数实现信号转换。物性型，如压电式，水银温度计，双金属片依靠敏感元件本身物理性质随被测量变化实现信号转换。按能量传递按能量传递方式方式能量控制型，如R、L、C式传感器输出能量由外部供给，但受被测量控制。能量转换型，如压电式、电热式、弹簧秤传感器输出量直接由被测量能量转换而得。按输出量按输出量模拟式输出量为模拟信号数字式输出量为数字信号四、分类四、分类：五、传感器的发展趋势五、传感器的发展趋势（6）研究生物感官，开发仿生传感器。）研究生物感官，开发仿生传感器。（1）采用新原理、开发新型传感器；）采用新原理、开发新型传感器；
4、（2）大力开发物性型传感器；）大力开发物性型传感器；（3）传感器的集成化）传感器的集成化；（4）传感器的多功能化）传感器的多功能化；（5）传感器的智能化）传感器的智能化(smart sensor)；4.2 传感器选用原则传感器选用原则 (Principle of Transducer Selection)1.1.灵敏度灵敏度传感器的灵敏度越高，可以感知的变化量越小。传感器往往要求有较大的信噪比。传感器的量程范围与灵敏度密切相关。过高的灵敏度会影响其适用的范围。在测量过程中，传感器在被测量方向上的灵敏度愈高愈好，而横向灵敏度愈小愈好；对于二维或三维矢量的测量，传感器的交叉灵敏度愈小愈好。2.2.
5、线性范围线性范围任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。线性范围越宽，传感器的工作量程越大。3.3.响应特性响应特性传感器响应特性必须在所测频率范围内尽量保持不失真。实际传感器的响应总有一定的延迟，但延迟时间越短越好。4.4.稳定性稳定性稳定性是指经过长期使用后，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和环境。5.5.精确度精确度精确度表示传感器输出与被测量的对应程度。传感器的精确度并非越高越好，选择时应从实际出发。6.6.其他选用原则其他选用原则如实际测试条件下的工作方式等因素。一、变阻式传感器一、变阻式传感器 lRAlRk xldRSkdxRkdRS
6、kd1.结构：4.3 电阻式传感器电阻式传感器 (Resistance Transducer)2.测量电路：不考虑外接电路影响时：考虑外接电路影响时：00yxppUUURxRx0(1)yppLpUUxRxxRx应用举例：重量的自动检测应用举例：重量的自动检测-配料设备配料设备 比较比较重量设定原材料原材料原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻3.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、金属电阻应变片二、金属电阻应变片 1.结构：结构：丝式、箔式2.工作原理：工作原理：电阻应变片工作原理是基于金属导体的电阻应变效应，即金属导
7、体在外力作用下发生机械变形(伸长或缩短)时，其电阻值随着发生变化的现象。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上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数dAldAAldlAdR2dRAdARldlRdAdAldlRdR有：金属丝：2rAdrdrldlRdR2金属丝体积不变，径向与轴向应变间关系为：ldlrdrdRdR2所以有：对金属材料，导电率不变：)21(RdR金属应变计金属应变计 3.应变片的主要参数应变片的主要参数 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL
8、表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4.特点：特点：金属应变片的灵敏度较低，但其温度稳定性好，可用于对精度要求较高的测量。三、半导体应变片三、半导体应变片 1.原理：原理：LLdE 灵敏度：灵敏度：0/LdRRSEdRdR2d而：ERdRL所以有：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.特点：特点：优点：灵敏度高，分辨率高，横向效应，机械滞后小。缺点：温度稳定性差，在较大应变下，非线性误差大。3.类型：类型：半导体应变式传感器、
9、扩散型压阻式传感器四、应变片的应用四、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。电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 1.目测电阻应变片有无折痕、断丝等缺陷。2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。7.应变片保护：用704硅
10、橡胶覆于应变片上，防止 受潮。应用：应用：电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。应用：测力应用：测力齿轮轮齿弯矩齿轮轮齿弯矩x位移传感器位移传感器m质块质块加速度传感器加速度传感器F柱式测力传感器柱式测力传感器五、转换电路五、转换电路 应变 电压或电流的变化RRVER4R1R3R2ERRRRRRRRV)(43214231一、自感式传感器一、自感式传感器 可变磁阻式传感器可变磁阻式传感器 按结构型式变气隙式螺管式变面积式4.4 电感式传感器电感式传感器 (Inductance Transducer)线圈自感量为2mNLR当气隙较小，且不考虑磁路的铁损时，总磁
11、阻311100330022mllRAAAA于是，2002NAL1.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。2.变面积式变面积式灵敏度202NS 常数特点：线性度好，量程大，但灵敏度较低。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.差动式差动式xL0 x2L1L5.测量电路测量电路:交流电桥交流电桥二、差动变压器式传感器二、差动变压器式传感器原理：利用电磁感应中的互感现象。1.互感现象互感现象dtdiMe1122.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
12、变面积式螺管式1i1W12e2W(2)原理原理(3)特点：特点：精度高，线性范围大，稳定性好。三、电涡流式传感器三、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0u2W1W21eeey2e1e1.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。原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ 2.低频透射式低频透射式适于测量金属材料的厚度。3.特点：特点：结构简单，安装方便，灵敏度高，抗干扰能力强。4.应用应用差动变压器式电感测力传感器 电感式纸页厚度测量仪原理图 案例：案例：板的厚度测量板的厚
13、度测量 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4.5 电容式传感器电容式传感器 (Capacitance Transducer)1.极距变化型极距变化型C0C与 成反比关系。02SdCCKd 常数灵敏度为 使用时，减小初始极距来提高灵敏度。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，通常规定测量范围特点：灵敏度高，有线性误差，适于小位移测量。2.面积变化型面积变化型(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)角
14、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)圆柱体线位移型圆柱体线位移型 动板左右移动时，xdDA22dD)/ln(21/)1/(2/)(2000dDxdDxdDdDxdDC则电容灵敏度02ln(/)SD d 常数(4)差动圆柱体线位移型差动圆柱体线位移型 动板左右移动时，左右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.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
15、路二、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 4.4 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
16、的。既可将机械能电能，又可将电能机械能。一、压电效应一、压电效应 1.压电效应：压电效应：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，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态的现象。某些物质，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、压电陶瓷、新型压电材料1.压电单晶体石英()、铌酸锂()2SiO3LiNbO实验证明，在极板上积聚的电荷量q与晶
17、片所受的作用力F成正比，即 qd F2.压电陶瓷压电陶瓷钛酸钡、锆钛酸铅特点：压电常数大，灵敏度高，价格低廉。3.新型压电材料新型压电材料(1)有机压电薄膜(2)压电半导体 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 并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。五、应用五、应用压电式压力传感器 压电式加速度传感器在安全气囊中的应用示意图4.5 4.5 磁敏传感器磁敏传感器 包括磁感应电
18、式传感器、霍尔式传感器和磁敏电阻等。一、磁感应电式传感器一、磁感应电式传感器(感应式传感器感应式传感器)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.变磁通式 原理：原理：线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮1（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。常用来测量旋转物体的角速度。二、霍尔式传感器二、霍尔式传感器 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
19、和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔霍尔效应效应。1.原理：霍尔效应原理：霍尔效应霍尔电势:HHHIBURk IBd 霍尔元件是一种半导体磁电转换元件，多采用N型半导体材料。它是基于霍尔效应工作的。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.应用应用 霍尔乘法器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。三、磁阻元件三、磁阻元件 工作原理是利用半导体材料的磁阻效应。可用于位移、力、加速度等测量，也可用于磁场检测器等。特点：灵敏度高，但受温度的影响比较大。磁阻效应
20、传感器4.6 光电传感器光电传感器一、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电导效应光敏电阻、光敏二极管、三极管光生伏特效应光生伏特效应光电池光电导效应光电导效应半导体材料受到光照时会产生电子空穴对，使其导电性能增强，光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象称为内光电效应。光生伏特效应光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。基于光电导效应的光电器件光敏电阻、光敏光敏电阻、光敏二极管、三极管二极管、三极管基于光生伏特效应的光电器件光电池光电池二、光电器件二、光电器件1.光敏电阻光敏电阻工作原理：光电导效应。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
