第3章 常用传感器技术

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1、机械工程测试技术基础机械工程学院仪器系李云雷Tel:2786982办公室：12#527第3章常用传感器技术3.1传感器的基本概念3.2电阻式传感器3.3电容式传感器3.4电感式传感器3.5压电式传感器3.6磁电与热电式传感器3.7光电式传感器3.8光纤传感器3.9半导体传感器3.10其他类型传感器人通过五官（视、听、嗅、味、触）接受外界的信息，经过大脑的思维（信息处理），作出相应的动作。同样，如果用计算机控制的自动化装置来代替人的劳动，则可以说电子计算机相当于人的大脑（一般俗称电脑），而传感器则相当于人的五官部分。例如，足球机器人。单靠人们自身的感

2、觉器官，在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况，就需要传感器。因此可以说，传感器是人类五官的延长，又称之为电五官。传感器与计算机、通信和自动控制技术等一起构成一条从信息采集、处理、传输和应用的完整信息链。深入研究传感器的类型、原理和应用，研制开发新型传感器，对于科学技术和生产过程中的自动控制和智能化发展，以及人类观测研究自然界事物的深度和广度都有重要的实际意义。本章内容主要包括传感器的基本概念、各类传感器（电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式、热电式、光电、光纤、半导体等）的工作原理、测量电路及其典型应用。3.1

3、传感器的基本概念3.1.1定义与组成定义：根据我国国家标准（GB/T7665——2005），传感器（Transducer/Sensor）的定义为能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件和装置，通常由敏感元件和转换元件组成。解释：敏感元件是指传感器中能直接感受和响应被测量的部分；转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输和测量的电信号部分。注意事项：并非所有传感器都能明显地区分敏感元件和转换元件这两部分，如热电偶；只由敏感元件和转换元件组成的传感器通常输出信号较弱或还不便于处理，此时需通过信号调理转换电路将其输

4、出信号放大或转换为便于测量的电压、电流、频率等电信号。传感器的典型组成：膜盒——敏感元件；电感线圈——转换元件；信号调理电路3.1.2传感器的分类1、按被测物理量分类机械量:位移、速度、加速度、力；热工量：温度、热量、流量、压力、液位物性参量:浓度、粘度、比重等；状态参量:裂纹、缺陷、泄露、磨损常见的被测物理量2、按传感器工作原理分类机械式,电气式,光学式,流体式等.机械式传感器以弹性体作为敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指示被测量的大小。应用实例：测力计

5、、压力计、温度计。测力计压力计温度计弹性膜片波纹管波登管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.能量转换型和能量控制型.4、按传感器的能量关系不同分类能量转换型(无源传感器）:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,磁电式加速度计.能量控制型（有源传感器）: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.V5、按传感器的输出量不同分类模拟式传感器和数字式传感器3.2电阻式传感器电阻式传感器是将被

6、测量转变为电阻变化的传感器，再经一定的测量电路实现对测量结果的输出。电阻式传感器分类：变阻器式传感器电阻应变式传感器3.2.1变阻器式传感器变阻器式传感器又称为电位计式传感器。工作原理：一个电导体的电阻值：式中：R－电阻（Ω）；ρ－材料的电阻率（Ω·mm2/m）；l－导体的长度（m）；A－导体的截面积（mm2）。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。直线位移型kl为单位长度中的电阻。其灵敏度：角位移型灵敏度：α－触点转角(rad)；ka－单位弧度对应的电阻值。非线性型输出电阻(或电压)与电刷位

7、移(包括线位移或角位移)之间具有非线性函数关系的一种电位器。图3-5变阻器式传感器a)直线位移型b）角位移型c）非线性型★变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路ueuo变阻器式传感器的优缺点：优点：结构简单，性能稳定，使用方便；缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于20μm；较大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因）。3.2.2电阻应变式传感器电阻应变式传感器由弹性敏感元件和电阻应变片组成。当弹性敏感元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，则粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片将应变转换成电阻的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻

8、值变化，从而确定被测量的大小。电阻应变式传感器是应用最广泛的传感器之一，它可采用不同的弹性敏感元件形式，构成测量位移、力、