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,第三章 常用的传感器,本章学习要求：,1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路,第一节 概述,一.传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息按一定的规律转换成另一种信息的装置。,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。,二.传感器的构成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,三.传感器的分类,1.按被测物理量分类,常见的被测物理量：机械量、声、磁、温度、光等,2.按工作的物理基础:,机械式,电气式,光学式,流体式等.,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,4.按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,能量控制型: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,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作。例如:热电偶温度计,5.按输出信号:模拟式和数字式,2,机械式传感器,第二节 机械式传感器,弹性体作为传感器敏感元件,输入：力、压力、温度等,输出：弹性元件本身变形,优点：简单、可靠、方便、廉价,缺点：线性范围小、固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。,一、弹性敏感元件式传感器,测力计,压力计,温度计,2,机械式传感器,二、微型探测开关,把物体的运动、位置或尺寸变化转换为接通、断开信号。,可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等。,3,电阻式传感器,第三节 电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式。,一.变阻器式传感器（电位差计式传感器）,1.工作原理：,面积和材质一定时，电阻值随导线长度而变化。,3,电阻式传感器,常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。,2.直线位移型,灵敏度,单位长度内的电阻值,3.角位移型,3,电阻式传感器,4.测量电路（电阻分压电路）,负载效应,减小负载效应的影响,3,电阻式传感器,5.变阻器式传感器的特点,优点：简单、可靠、输出功率大缺点：精度低、动态响应差,6.变阻器式传感器产品,3,电阻式传感器,7.变阻器式传感器应用案例,1）重量的自动检测-配料设备,2）玩具机器人,原理：电机-转角-电位器-电阻,二、电阻应变式传感器,电阻应变式传感器可分为金属电阻应变式和半导体应变式两类。,1.金属电阻应变片,基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。,（1）工作原理：,金属应变片的电阻R为,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,代入,金属丝：,dl/l=为电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变；dr/r为电阻丝径向相对变化，或称横向应变,金属丝体积不变：,电阻丝材料的泊松比,d/反映了电阻丝的电阻率的相对变化，它与电阻丝纵向所受的应力有关,纵向压阻系数；E材料的弹性模量,对金属材料，电阻率的变化很小，可以忽略：,应变系数或灵敏度,（2）常用的金属应变片：丝式和箔式,2.半导体应变片,基于半导体材料的压阻效应，即单晶半导体材料在沿某一轴向受外力作用时，其电阻率随之发生变化。,(1)工作原理：,对于半导体应变片,灵敏度,(2)特点：,优点：灵敏度高、体积小、动态响应快、测量精度高、使用简单,缺点：温度稳定性差、灵敏度分散度大,3.电阻应变式传感器的应用,（1）直接用于测定结构的应变或应力,应用案例：桥梁固有频率测量,（2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器,应用案例：加速度传感器,振动体加速度应变电阻值的相对变化,应用案例：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。,应用案例：冲床生产记数和生产过程监测,4,电容式传感器,第四节 电容式传感器,电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器。,工作原理：,两平行极板组成的电容器其电容量为:,A极板面积（m2）；0真空介电常数,0=8.8510-1 2(F/m);极板间介质的介电常数，在空气中=1；两极板间距离（m）。,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,4,电容式传感器,根据电容器变化的参数可分为:极距变化型、面积变化型和介质变化型。,一.极距变化型,灵敏度,1.工作原理：,灵敏度随极距变化,2.特点：,可进行动态非接触式测量；灵敏度高，适于较小位移的测量。,4,电容式传感器,3.应用案例,电容传声器,4,电容式传感器,二.面积变化型,面积变化型电容传感器中常用的有角位移型和线位移型。,1.角位移型,-公共覆盖面积对应的中心角；r-半圆形极板半径。,4,电容式传感器,2.线位移型,平面线位移型,柱面线位移型,b-极板宽度,D-圆筒孔径：d-圆柱外径。,4,电容式传感器,3.特点：,输出与输入成线性关系；灵敏度低，适于较大直线位移及角位移的测量。,4.产品,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生位移。,4,电容式传感器,三.介质变化型,利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。,可用来测量电介质的液位或某些材料的厚度、温度和湿度。,产品,电容式液位传感器（液位计/料位计）,4,电容式传感器,应用案例,全自动洗衣机,5,电感式传感器,第五节 电感式传感器,电感式传感器是把被测量转换为电感量变化的一种传感器。其变换是基于电磁感应原理。,按变换方式不同可分为:自感型、互感型。,一.自感型,自感型又包括可变磁阻式与涡流式。,1.可变磁阻式,（1）工作原理：,5,电感式传感器,灵敏度,灵敏度随气隙长度变化,（2）典型结构：,面积A0变化灵敏度低,一个线圈自感增加，一个线圈自感减小。改善了线性特性，并提高了灵敏度。,5,电感式传感器,（3）应用案例,电感式接近传感器（金属）,被测物体构成电感器的衔铁，当物体移向接近传感器时，物体和接近传感器间的间隙变化，使得线圈的自感量发生变化。接近开关的检测物体，只限于金属导体。,5,电感式传感器,2.涡电流式,（1）工作原理：,基于金属体在交变磁场中的涡电流效应。,当线圈中通以一交变高频电流 i时，会引起一交变磁通。在靠近线圈的金属表面内部产生一感应电流i1，该电流i1即为涡流。根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁通1将与线圈产生的磁场方向相反，亦即1将抵抗的变化。由于该涡流磁场的作用，会使线圈的等效阻抗发生变化，其变化的程度除了与两者间的距离有关外，还与金属导体的电阻率、磁导率以及线圈的激磁电流圆频率等有关。,5,电感式传感器,（2）测量电路,涡流传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路及调频电路。,分压式调幅电路原理,调频电路工作原理,5,电感式传感器,测厚仪,（3）应用案例,5,电感式传感器,无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,油管检测,5,电感式传感器,二.互感型（差动变压器式电感传感器）,1.工作原理,电磁感应中的互感现象：,当线圈W1输入有交流电流i1时，在线圈W2中则产生感应电动势e12，其大小正比于电流i1的变化率：,式中M为比例系数，也称互感（H），是两线圈W1和W2之间耦合程度的度量，其大小与两线圈的相对位置及周围介质的导磁率诸因素有关。,5,电感式传感器,应用较多的是螺管形差动变压器,5,电感式传感器,2.测量电路,3.差动变压器式电感传感器的特点,测量精度高（可达0.1m量级）；线性量程大（可达100mm）；稳定性好，使用方便，广泛应用于直线位移的测量。,差动相敏检波电路,5,电感式传感器,4.应用案例,板的厚度测量,5,电感式传感器,张力测量,6,压电式传感器,第六节 压电式传感器,压电式传感器是一种可逆型换能器，既可将机械能转换为电能，又可将电能转换为机械能。,一.变换原理：压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,石英晶体,纵轴ZZ称为光轴，XX轴称为电轴，而垂直于XX轴和ZZ轴的YY轴称为机轴。沿电轴XX方向作用的力所产生的压电效应称为纵向压电效应，而将沿机轴YY方向作用的力所产生的压电效应称为横向压电效应。当沿光轴ZZ方向作用有力时则并不产生压电效应。,6,压电式传感器,其中dc为压电常数，与材质和切片方向有关。,q=dcF,二.压电式传感器及其等效电路,6,压电式传感器,压电传感器可视为一个电荷发生器，也是一个电容器。,压电传感器等效电路,代入,传递函数,6,压电式传感器,频率响应函数,当测量的外力为一动态交变力F=F0sin0t时,幅频特性,稳定输出的幅值,压电传感器适用于高频信号的测量，若用于低频信号，则要求R0、C大。,为了不失真地测量，压电传感器的测量电路应具有高输入阻抗，并在输入端并联一定的电容Ci以加大时间常数R0C。但并联电容过大会使输出电压降低过多。,输出输入成线性关系，则,6,压电式传感器,三.产品,加速度计,力传感器,压力变送器,6,压电式传感器,四.应用案例,飞机模态分析,7,磁电式传感器,第七节 磁电式传感器,磁电式传感器是把被测量转换为感应电动势的一种传感器。,工作原理：,当穿过线圈的磁通发生变化时，线圈中所感应产生的电动势,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,7,磁电式传感器,根据结构方式不同可分为:动圈式、磁阻式。,一.动圈式,动圈式又可分为线速度型和角速度型。,1.线速度型,工作原理：,B磁场的磁感应强度（T）；l单匝线圈的有效长度（m）；W有效线圈匝数；v线圈相对于磁场的运动速度（m/s）；线圈运动方向与磁场方向的夹角。,当=90时，上式可写为,7,磁电式传感器,2.角速度型,工作原理：,线圈转动的角频率；A单匝线圈的截面积（m2）；k依赖于结构的参数，k1。,7,磁电式传感器,3.应用案例：,动圈式传声器,7,磁电式传感器,二.磁阻式,1.工作原理：,运动的物体改变磁路的磁阻,2.应用：,测频数,7,磁电式传感器,测转速,偏心测量,振动测量,