第04章 传感器技术概论

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1、1.掌握传感器的基本概念2.了解常用的弹性敏感元件及其特性3.了解传感器的应用及发展趋势2011-11-1812011-11-1822011-11-1832011-11-1842011-11-1852)按工作原理分类•电阻式、电感式、电容式、压电式、光电式等3)按信号变换特征:结构型和物性型•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.•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.2011-11-1864)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:•能量转换型:•直接由被测对象输入能量使其工作.

2、例如:热电偶温度计,压电式加速度计.•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.按传感器的输出量：•模拟式传感器和数字式传感器按传感器的测量方式：•接触式传感器和非接触式传感器2011-11-1872011-11-188传感器性能的基本要求：•1)高灵敏度、线性、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)、容易调节(校准简易)•2)高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐用性)•3)高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力•4)选择性、安全性(传感器应是无污染的)、互换性、低成本•5

3、)宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围2011-11-189¾利用弹性变形进行变换和测量的元件。在机械量（力、压力、位移、速度等）测量常用的弹性敏感元件有弹性梁、柱及筒、膜片、膜盒、弹簧管、波纹管等。2011-11-18101）弹性特性•刚度：引起单位变形所需要的外力。•灵敏度：单位外力作用下产生变形的大小。2011-11-18112）弹性滞后•在弹性变形范围内，加载、卸载正反行程曲线不重合的现象——引起传感器回差的原因。3）弹性后效•当弹性元件所加载荷改变时，不能立即完成相应变形，而是经一定时间间隔逐渐完成变形的现象——引起传感器的测量

4、误差。4）温度特性•弹性敏感元件的几何尺寸和弹性模量随温度变化2011-11-18125）固有频率•固有频率决定其动态特性。一般来说，固有频率越高，其动态特性越好——与灵敏度相矛盾。6）机械品质因素•定义：每个振动周期存储的能量与由阻尼等消耗的能量之比，反映了弹性元件消耗能量的程度。2011-11-1813¾对于小阻尼系统(ξ<<1)，机械品质因数就等于其谐振状态下的振幅比，即¾ξ越小，机械品质因数Q值越大，这时弹性敏感元件消耗的能量越少，系统的储能效率就越高；同时系统的幅频特性越陡峭，工作频带变窄。¾弹性敏感元件的机械品质因数高，谐振元件选频愈强，谐

5、振频率愈稳定，这对设计谐振式传感器有实际意义。2011-11-1814¾弹性敏感元件的材料主要有金属和非金属两大类，金属材料以结构合金钢为主；非金属材料包括半导体、石英、陶瓷、高分子材料等。P90表4.2.1¾弹性敏感元件材料的基本要求:–（1）弹性极限和强度高；–（2）弹性滞后和弹性后效小；–（3）弹性模量的温度系数要小且稳定；–（4）线膨胀系数要小且稳定；–（5）具有良好的机械加工和热处理性能；–（6）具有高的抗氧化性、耐腐蚀性、绝缘等性能。2011-11-1815¾1）柱式弹性敏感元件结构简单，可承受很大载荷；但产生的位移很小，所以往往以应变作为

6、输出量。¾纵向应变¾横向应变¾固有频率2011-11-1816¾2）梁式弹性敏感元件¾结构简单，灵敏度高，多用于较小力的测量。以应变或自由端的位移作为输出量。2011-11-1817¾等截面梁：在距离梁的固定端x处的应变为¾在梁的根部（x=0），应变最大，在x=l处应变为零；梁的上下表面应变性质相反。¾自由端的位移为：固有频率为：2011-11-1818¾等强度梁：等应变性¾应变自由端的位移为：¾注意：作用力F必须施加在梁的两斜边的交汇点；梁的自由端的最小宽度要求——切应力计算。¾固有频率¾变形梁：¾实际应用（电子称）2011-11-1819¾3）环式

7、弹性敏感元件——灵敏度高¾园环外、内表面上与水平面成Φ角处所产生的应变为(环内外应变性质不同)¾当Φ＝π/2时，应变最大¾当Φ＝50.5°时，ε＝0，¾固有频率2011-11-1820¾4）扭转轴——测量扭矩¾在扭矩T的作用下，其表面产生的最大剪应力为¾剪应变是角应变，¾不能直接测量，¾实际测量应变。2011-11-18212011-11-18222011-11-18232011-11-18242011-11-1825¾传感器作为信息的源头，广泛应用于各个领域——科技进步的推动力。¾目前，传感器技术的主要发展动向：–一是不断提高和改善现有传感器的性能；

8、–二是开展基础研究，发掘新效应，重点研究传感器的新材料和新工艺；–三是实现传感器的集成化、多功