常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識

常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識第三章常用的傳感器與敏感元件§3.1常用傳感器分類§3.2機(jī)械式傳感器及儀器§3.3電阻、電容與電感式傳感器§3.4磁電、壓電與電熱式傳感器§3.5光電式傳感器§3.6光纖式傳感器§3.7半導(dǎo)體傳感器§3.8紅外測試系統(tǒng)

§3.10傳動器的選用原則§3.9激光測試傳感器常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識§3.1常用傳感器的分類一傳感器的作用二傳感器的分類常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識（1）傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測量、并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。（一）傳感器的作用常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識也可以這樣定義

傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。

物理量電量目前,傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講,傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識傳感器在非電量電測系統(tǒng)中的作用:一是敏感作用:感受并拾取被測對象的信號二是變換作用:被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號獲得傳感器信號的兩種方法:直接獲得電信號的變化（開關(guān)傳感器）；將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）。（2）作用常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識可轉(zhuǎn)換的信號機(jī)械信號電信號輻射信號（光波超聲波紅外波）流體信號常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識（3）傳感器的性能要求足夠的容量匹配性好,轉(zhuǎn)換靈敏度高精度適當(dāng),穩(wěn)定性高反應(yīng)速度快,工作可靠性高適應(yīng)性和適用性強(qiáng)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識2.傳感器的構(gòu)成傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量,并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配,以便于后續(xù)儀表接入。dV常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識3.傳感器的分類1)按被測物理量分類常見的被測物理量機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,流量;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場.溫度:溫度,熱量,比熱.光:亮度，色彩常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.3)按信號變換特征:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變.

例如:電容式和電感式傳感器.常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識§3.2機(jī)械式傳感器及儀器一工作原理常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識

.

幾何量機(jī)測機(jī)械量

變形電量

電測

彈性元件

機(jī)械放大

指示傳感元件

中間變換記錄

常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識

二、常見實(shí)例

彈簧秤指針式彈簧秤握力器1）測力計(jì)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識

·機(jī)測法:力經(jīng)滾珠（保證點(diǎn)接觸測力，垂直輸入），再經(jīng)彈簧實(shí)現(xiàn)機(jī)械衰減,最后經(jīng)壓力表讀數(shù)

·電測法:在框架彈簧上貼應(yīng)變片以彈簧應(yīng)變來折算力的大小

彈簧秤指針式彈簧秤握力器常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識彈性元件彈性元件彈性元件常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識彈性元件彈性元件常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識具有導(dǎo)磁性常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識§3.3電阻式、電容與電感式傳感器一電阻式傳感器二電阻應(yīng)變式傳感器三電容式傳感器常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識（1）工作原理所以R=k1x（2）性能特點(diǎn)*靈敏度為線性P74圖3-6電阻分壓電路常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識測量時(shí)受環(huán)境影響小穩(wěn)定性好,壽命長操作方便線性度好常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識線性特征常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識線性特征常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識上?？萍拣^的“通過CT了解人體結(jié)構(gòu)”展項(xiàng)中,人體移動的位移測量采用電阻式傳感器我們的研究生在現(xiàn)場調(diào)試中常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識變靈敏度=非線性常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識

分類比較金屬式半導(dǎo)體式絲式p74圖3-7箔式圖3-8S半=（50~70）S金2.電阻應(yīng)變式傳感器結(jié)構(gòu)

常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識非常非常細(xì),不要誤解為很粗常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng),即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí),其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象?？鋸埛糯蟪Ｓ脗鞲衅骱兔舾性?基礎(chǔ)知識可以理解為一種電阻式傳感器,但長度的變化是因變形所致,所以應(yīng)變片主要用于測量應(yīng)變常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會引起電阻變化,求微分由于金屬應(yīng)變片的電阻R為代入c.靈敏度同除R常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識有:金屬絲：金屬絲體積不變:P75式（3-5）常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識有:對金屬材料，導(dǎo)電率不變:金屬絲應(yīng)變片:常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識金屬應(yīng)變計(jì)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識（2）半導(dǎo)體應(yīng)變片a.工作原理可以近似為:優(yōu)點(diǎn):靈敏度大;體積小;缺點(diǎn):溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。P76式（3-11）對于某些半導(dǎo)體非常大常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)

a).目測電阻應(yīng)變片有無折痕.斷絲等缺陷,有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。b).用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值相差不得大于0.5歐姆.c).試件表面處理:貼片處用細(xì)紗紙打磨干凈，用酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。d).應(yīng)變片粘貼:在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水,輕輕涂抹均勻,立即放在應(yīng)變貼片位置。（3）電阻應(yīng)變片的選擇與使用方法常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識e).焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。f).用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣阻值,應(yīng)大于500M歐。g).應(yīng)變片保護(hù):用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止受潮。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識（3）電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用實(shí)例常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識案例:橋梁固有頻率測量常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識案例:電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。

常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識案例:機(jī)器人握力測量常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識案例:振動式地音入侵探測器適合于金庫、倉庫、古建筑的防范,挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識二、電容式傳感器

1變換原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++

A

變化圖形P79圖3-12δ、A或ε發(fā)生變化時(shí),都會引起電容的變化。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識在分母導(dǎo)致非線性線性關(guān)系線性關(guān)系線性關(guān)系2)不同類型的電容傳感器常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識（1）極距變化型（3-13）的微分++++++常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識（2）面積變化型角位移型+++

常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識平面線位移型常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識柱面線位移型.常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識（3）介質(zhì)變化型常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識電源部分常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識應(yīng)用常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識三、電感式傳感器常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識

自感式電感傳感器可分為變間隙型、變面積型和螺管型三種類型。一、自感式電感傳感器的工作原理

（一）變間隙型電感傳感器變間隙型電感傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖5-1所示。

自感式電感傳感器常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識變間隙式電感傳感器常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成。工作時(shí)銜鐵與被測物體連接，被測物體的位移將引起空氣隙的長度發(fā)生變化。由于氣隙磁阻的變化，導(dǎo)致了線圈電感量的變化。線圈的電感可用下式表示:

式中，N為線圈匝數(shù)；Rm為磁路總磁阻。(5-1)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識一般情況下，導(dǎo)磁體的磁阻與空氣隙磁阻相比是很小的，因此線圈的電感值可近似地表示為:

由上式可以看出傳感器的電感值隨氣隙的增大而減小。為了避免非線性，氣隙的相對變化量要很小，但過小又將影響測量范圍，所以要兼顧考慮兩個(gè)方面。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識（二）變面積型電感傳感器由變氣隙型電感傳感器可知,氣隙長度不變,鐵心與銜鐵之間相對而言覆蓋面積隨被測量的變化而改變,從而導(dǎo)致線圈的電感量發(fā)生變化,這種形式稱之為變面積型電感傳感器,其結(jié)構(gòu)示意圖見下圖。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識線圈電感量L與氣隙厚度是非線性的,但與磁通截面積A卻是成正比,是一種線性關(guān)系。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識（三）螺管型電感式傳感器下圖為螺管型電感式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。螺管型電感傳感器的銜鐵隨被測對象移動,線圈磁力線路徑上的磁阻發(fā)生變化,線圈電感量也因此而變化。線圈電感量的大小與銜鐵插入線圈的深度有關(guān)。

常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識設(shè)線圈長度為l、線圈的平均半徑為r、線圈的匝數(shù)為N、銜鐵進(jìn)入線圈的長度la、銜鐵的半徑為ra、鐵心的有效磁導(dǎo)率為μm,則線圈的電感量L與銜鐵進(jìn)入線圈的長度la的關(guān)系可表示為(5-5)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識以上三種形式的電感式傳感器有如下特點(diǎn):●變間隙型靈敏度較高,但非線性誤差較大,且制作裝配比較困難.●變面積型靈敏度較前者小,但線性較好,量程較大,使用比較廣泛.●螺管型靈敏度較低,但量程大且結(jié)構(gòu)簡單易于制作和批量生產(chǎn),是使用最廣泛的一種電感式傳感器.常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識如圖所示,一個(gè)扁平線圈置于金屬導(dǎo)體附近,當(dāng)線圈中通有交變電流I1時(shí),線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場H1。置于這一磁場中的金屬導(dǎo)體就產(chǎn)生電渦流I2,電渦流也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場H2,H2與H1方向相反,因而抵消部分原磁場,使通電線圈的有效阻抗發(fā)生變化。(2)渦流式(1)渦流式傳感器原理

常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識二、高頻反射式電渦流傳感器(測距離）這種傳感器的結(jié)構(gòu)很簡單,主要由一個(gè)固定在框架上的扁平線圈組成。線圈可以粘貼在框架的端部,也可以繞在框架端部的槽內(nèi)。圖5-17為某種型號的高頻反射式電渦流傳感器。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識高頻不穿透常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識三、低頻透射式電渦流傳感器（測厚度）這種傳感器采用低頻激勵(lì),因而有較大的貫穿深度,適合于測量金屬材料的厚度。圖為這種傳感器的原理圖和輸出特性。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識4)渦流式傳感器的應(yīng)用

渦流式電感傳感器主要用于位移、振動、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等參數(shù)的測量,它可實(shí)現(xiàn)非線性測量。下圖是用渦流式傳感器測厚和用渦流式傳感器進(jìn)行零件計(jì)數(shù)的例子。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識2.互