第3章-常用传感器技术

山东理工大学机械学院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山东理工大学机械学院第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其他类型传感器山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院•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。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院•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。山东理工大学机械学院3.1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。山东理工大学机械学院•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出信号放大或转换为便于测量的电压、电流、频率等电信号。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院传感器的典型组成：膜盒——敏感元件；电感线圈——转换元件；信号调理电路山东理工大学机械学院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山东理工大学机械学院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、压力计、温度计。山东理工大学机械学院测力计山东理工大学机械学院压力计温度计弹性膜片波纹管波登管山东理工大学机械学院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.山东理工大学机械学院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.山东理工大学机械学院V山东理工大学机械学院5、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山东理工大学机械学院3.2电阻式传感器电阻式传感器是将被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–电阻应变式传感器山东理工大学机械学院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。)(AlR山东理工大学机械学院–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。ldxdRkskddRsxkRlkR–非线性型输出电阻(或电压)与电刷位移(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。山东理工大学机械学院图3-5变阻器式传感器a)直线位移型b）角位移型c）非线性型山东理工大学机械学院★变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路ueuopLPpeoxxRRxxuu1山东理工大学机械学院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）。山东理工大学机械学院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、压力、加速度等各种参数的电阻应变式传感器。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院1.工作原理图3-7金属丝电阻应变片1——敏感栅2——基底3——覆盖层4——引出线山东理工大学机械学院•敏感栅：金属材料（半导体应变片为半导体材料）制成，用来感受应变；•基底和覆盖层：（厚度一般在0.03mm左右）用来保护敏感栅、传递应变并使敏感栅和弹性敏感元件（或试件）之间具有良好的绝缘性能，常用材料为纸基和胶基；•引出线：将敏感栅接到测量电路中去，它由直径为0.15~0.30mm的镀银铜丝或镍铬铝丝制成。山东理工大学机械学院电阻应变片的工作原理是基于金属导体和半导体材料的“电阻应变效应”和“压阻效应”。电阻应变效应是指电阻材料在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化的现象；压阻效应是指电阻材料受到载荷作用而产生应力时，其电阻率发生变化的现象。山东理工大学机械学院图3-8金属丝的应变效应山东理工大学机械学院AdALdLdRdRAdARLdLRdRALdAAdLALddRdAARdLLRdRALR2公式推导：则有：山东理工大学机械学院设A=πr2，r为电阻丝半径，代入上式得rdrLdLdRdR2（3－9）山东理工大学机械学院金属材料：)21(dRR半导体材料：ddRRdEdRER山东理工大学机械学院电阻丝的灵敏度系数：RRS/d0山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院2.金属电阻应变片的种类（1）金属电阻应变片：丝式应变片：将一根电阻丝绕成栅状，用胶粘剂贴于基底，其直径在0.012~0.050mm之间。箔式应变片：用光刻、腐蚀等工艺方法制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.003~0.010mm。它的优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，故允许通过较大的电流，并可做成任意的形状，适于大批量生产。箔式应变片的使用范围日益广泛，并有逐渐取代丝式应变片的趋势。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院（2）半导体应变片：常用硅、锗等材料做成单根状的敏感栅，使用方法与金属电阻应变片相同。优点：灵敏度很大，是金属电阻应变片的50~70倍（可参考表3-1和表3-2），可测微小应变，尺寸小，横向效应和机械滞后也小。缺点：温度稳定性差，测量较大应变时，非线性严重，必须采取补偿措施。山东理工大学机械学院图3-10半导体应变片结构1-半导体敏感条2-基底3-引出线山东理工大学机械学院3.电阻应变式传感器的应用（1）直接测定结构的应变或应力。例如，为了研究机械、桥梁、建筑等的某些构件在工作状态下的受力、变形情况，可利用不同形状的应变片，粘贴在构件的预定部位，可以测得构件的拉压应力、扭矩及弯矩等，为结构设计、应力校核或构件破坏的预测提供可靠测试数据。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院（2）电阻应变片和弹性敏感元件配合制成各种电阻应变式传感器，用来测量力、压力、扭矩、加速度等物理量。圆柱式力传感器：R1、R3串联，R2、R4串联并置于相对位置的臂上，以减小弯矩的影响。横向贴片作温度补偿用。山东理工大学机械学院图3-13圆柱面展开及电桥a）圆柱面展开图b）桥路连接图山东理工大学机械学院膜片式压力传感器：切向应变εt切向应变始终为正值，中心处最大；径向应变εr有正有负，在中心处和切向应变相等，在边缘处最大；一般在膜片圆心处沿切向贴两片（R1、R4）感受εt，因为圆心处切向应变最大；在边缘处沿径向贴两片（R2、R3）感受εr，因为边缘处径向应变最大；四个应变片接成全桥测量电路，以提高灵敏度和实现温度补偿。山东理工大学机械学院图3-14膜片式压力传感器a）应力变化b）应变片粘贴位置山东理工大学机械学院应变式加速度传感器：悬臂梁、质量块、螺钉固定在壳体；梁的上下两面粘贴应变片，传感器内部充满硅油；测量加速度时，将壳体刚性连接在被测体上，由于梁的刚度很大，惯性质量块也以同样的加速度运动，其产生的惯性力作用在梁的端部使梁产生变形，应变片的阻值也发生相应变化；为了防止传过载破坏，质量块上下端面安装限位块。山东理工大学机械学院图3-15应变式加速度传感器1-质量块2-悬臂梁3-硅油4-限位块5-应变片6-壳体山东理工大学机械学院3.3电容式传感器电容式传感器是将非电量的变化转换为电容量变化的一种装置。优点：结构简单、体积小、动态响应快、温度稳定性好、易实现非接触测量等。缺点：易受外界干扰和分布电容影响，随着电子技术的发展，其缺点不断得以克服。应用：可测量位移、振动、角度、加速度，以及压力、压差、液位、成份含量等。山东理工大学机械学院3.3.1工作原理及类型公式：忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为：FACr0山东理工大学机械学院各参数含义：A—极板面积（m2）；δ—两极板间距离（m）εr—极板间介质的介电常数，当介质为空气时εr=1；ε0—真空介电常数,ε0=8.85×10-12(F/m);结论：被测量使δ、A或εr变化，均会引起电容C变化。保持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参数的变化变换成电容量的变化。分类：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，前两种应用较广。山东理工大学机械学院（1）极距变化型极距有一微小变化量dδ时，引起电容变化量dC为dAdC20山东理工大学机械学院灵敏度为20AddCSr山东理工大学机械学院差动式电容传感器：灵敏度提高了一倍，线性工作区扩大。山东理工大学机械学院总结：极距变化型电容传感器的优点是灵敏度高，可进行非接触式测量，对被测系统的影响小，适用于微小位移（0.01μm~数百微米）的测量。但这种传感器具有非线性特性、传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精度有影响，与传感器配合使用的电子线路也比较复杂，由于这些缺点，其使用范围受到一定限制。山东理工大学机械学院（2）面积变化型图3-19面积变化型电容传感器a）角位移型b）平面线位移型c）圆柱体线位移型1——动板2——定板山东理工大学机械学院a)角位移型电容量灵敏度结论：输出与输入成线性关系。220rCr2dd20rCSr山东理工大学机械学院b)平面线位移型bxCr0电容量灵敏