常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)

常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)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(cè)試系統(tǒng)

§3.10傳動(dòng)器的選用原則§3.9激光測(cè)試傳感器常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)§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(shí)（1）傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量、并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)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(shí)也可以這樣定義

傳感器是借助檢測(cè)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(hào)大多為電信號(hào)。因而從狹義上講,傳感器是把外界輸入的非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的裝置。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)傳感器在非電量電測(cè)系統(tǒng)中的作用:一是敏感作用:感受并拾取被測(cè)對(duì)象的信號(hào)二是變換作用:被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于檢測(cè)和處理的電信號(hào)獲得傳感器信號(hào)的兩種方法:直接獲得電信號(hào)的變化（開(kāi)關(guān)傳感器）；將物理量變換成電信號(hào)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(shí)可轉(zhuǎn)換的信號(hào)機(jī)械信號(hào)電信號(hào)輻射信號(hào)（光波超聲波紅外波）流體信號(hào)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)（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(shí)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(cè)物理量,并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)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(shí)3.傳感器的分類1)按被測(cè)物理量分類常見(jiàn)的被測(cè)物理量機(jī)械量:長(zhǎng)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(chǎng).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(shí)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(shí)能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型.3)按信號(hào)變換特征:能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)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(cè)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(shí)4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)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(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)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(hào)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(shí)§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(shí)

.

幾何量機(jī)測(cè)機(jī)械量

變形電量

電測(cè)

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(shí)

二、常見(jiàn)實(shí)例

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

·機(jī)測(cè)法:力經(jīng)滾珠（保證點(diǎn)接觸測(cè)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(cè)法:在框架彈簧上貼應(yīng)變片以彈簧應(yīng)變來(lái)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(shí)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(shí)彈性元件彈性元件常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)具有導(dǎo)磁性常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)§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(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)（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(shí)測(cè)量時(shí)受環(huán)境影響小穩(wěn)定性好,壽命長(zhǎng)操作方便線性度好常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)線性特征常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)線性特征常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)上?？萍拣^的“通過(guò)CT了解人體結(jié)構(gòu)”展項(xiàng)中,人體移動(dòng)的位移測(cè)量采用電阻式傳感器我們的研究生在現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試中常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)變靈敏度=非線性常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)

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(shí)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(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)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(zhǎng)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(shí)可以理解為一種電阻式傳感器,但長(zhǎng)度的變化是因變形所致,所以應(yīng)變片主要用于測(cè)量應(yīng)變常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會(huì)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(shí)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(shí)有:對(duì)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(shí)金屬應(yīng)變計(jì)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)（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(duì)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(shí)電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù)

a).目測(cè)電阻應(yīng)變片有無(wú)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(wàn)用表測(cè)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(wú)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(shí)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(shí)（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(shí)案例:橋梁固有頻率測(cè)量常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)案例:電子稱原理將物品重量通過(guò)懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過(guò)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(shí)案例:機(jī)器人握力測(cè)量常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)案例:振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器適合于金庫(kù)、倉(cāng)庫(kù)、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(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)二、電容式傳感器

1變換原理:將被測(cè)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(huì)引起電容的變化。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)（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(shí)（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(shí)平面線位移型常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)柱面線位移型.常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)（3）介質(zhì)變化型常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)電源部分常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)應(yīng)用常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)三、電感式傳感器常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)

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(shí)變間隙式電感傳感器常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)傳感器由線圈、鐵心和銜鐵組成。工作時(shí)銜鐵與被測(cè)物體連接，被測(cè)物體的位移將引起空氣隙的長(zhǎng)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(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)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(duì)變化量要很小，但過(guò)小又將影響測(cè)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(shí)（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(zhǎng)度不變,鐵心與銜鐵之間相對(duì)而言覆蓋面積隨被測(cè)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(jiàn)下圖。常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)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(shí)（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(cè)對(duì)象移動(dòng),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(shí)設(shè)線圈長(zhǎng)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(zhǎng)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(zhǎng)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(shí)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(jiǎn)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(shí)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(chǎng)H1。置于這一磁場(chǎng)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(chǎng)H2,H2與H1方向相反,因而抵消部分原磁場(chǎng),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(shí)二、高頻反射式電渦流傳感器(測(cè)距離）這種傳感器的結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)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(hào)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(shí)高頻不穿透常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)三、低頻透射式電渦流傳感器（測(cè)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(cè)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(shí)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(dòng)、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等參數(shù)的測(cè)量,它可實(shí)現(xiàn)非線性測(cè)量。下圖是用渦流式傳感器測(cè)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(shí)常用傳感器和敏感元件-基礎(chǔ)知識(shí)2.互