4常用传感器及其原理.

土木工程测试技术王炳辉[e-mail]传感器常用传感器1概述2电阻式传感器★★★★★3电感式传感器★★☆☆☆4电容式传感器★★☆☆☆5压电式传感器★★☆☆☆6光纤传感器★☆☆☆☆7钢弦式传感器★★★★☆8传感器的选用原则★★★★★2020年1月12日星期日1概述一、传感器的定义传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。一般也称为变换器、换能器和探测器。传感器获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。在土木工程的非电量的电测法中，传感器是把被测量的的非电信号转换成电信号的装置。传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。例如，用超声波探测器可以探测海水的深度，用红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和污染信况等等。2020年1月12日星期日1概述二、传感器的组成传感器一般由敏感元件与辅助元件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。辅助元件一般指安装、连接、支承敏感元件的一些辅助的装置，如传感器的壳体、引线等。传感器的未来发展是与微处理器相结合，封装在一个检测器中形成一种新型的“智能传感器”。它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校正、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别和判断的功能。2020年1月12日星期日1概述三、传感器的分类1、按被测物理量来分类（适用于使用者）根据被测物理量的种类不同，可分为位移传感器、速度传感器、力传感器、温度传感器等。2.按变换原理来分类（适用于研究者）按传感器的变换原理，可分为以下两种：参量型：这种传感器在感受到被测量后，输出的不直接是电信号，而是与电量有关的自身参数变化的信号，因而称之为参量型传感器，如电阻式、电感式和电容式传感器。发电型：这种传感器在感受到被测量后，输出的直接是电信号，因而称之为发电型传感器，如压电式传感器。2020年1月12日星期日2电阻式传感器一、电阻式传感器的分类电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换成自身电阻值的变化,再经相应的变换电路和装置显示或记录被测量值的变化。电阻式传感器按其工作原理可分为以下两种：1、变阻器式，又称为电位器式。2、应变片式，又分为金属电阻应变式和半导体应变片式两种。2020年1月12日星期日2电阻式传感器二、变阻器式传感器1、工作原理变阻器式传感器的工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化，由此再进一步转换为电压等电量的变化。常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等，如下图所示。2020年1月12日星期日2电阻式传感器二、变阻器式传感器2、特点变阻器式传感器的优点是：(1)结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出—输入间任意函数关系；(4)输出信号大，一般不需要放大。变阻器式传感器的缺点是：(1)因为存在电刷与线圈或电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；(2)由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量的精度，所以分辨力较低；(3)动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的物理量。2020年1月12日星期日2电阻式传感器二、变阻器式传感器3、应用变阻器式传感器常用于角位移和线位移的测量。下图是测量线位移的变阻器式传感器的结构图。被测位移使测量轴沿导轨轴移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻构成电桥测量电路，由此将被测位移量转换为电桥的电压输出。2020年1月12日星期日2电阻式传感器三、应变片式传感器1、应变片的组成(1)敏感元件：感受应变并将其转换为自身阻值的变化。一般用康铜、镍铬合金或半导体材料做成。它要用粘合剂牢牢地固定在基片上。(2)基片：固定和保护敏感元件，并将应变准确的传递给敏感元件。材料可以是纸、胶膜、玻璃纤维布等。(3)覆盖层：保护敏感元件不受外界环境中灰尘、湿气等的影响。(4)引线：将敏感元件的阻值变化引入后接电路。2020年1月12日星期日2电阻式传感器三、应变片式传感器2、应变片的分类(1)按敏感元件的材料分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类。金属电阻应变片根据敏感元件的形状不同又分为丝式和箔式两种。(2)按用途分为一般应变片、应变花和特殊应变片。2020年1月12日星期日2电阻式传感器三、应变片式传感器3、应变片的工作原理(1)金属电阻应变片应变效应：金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。推导：dRdAARdllRdRAlR电阻变化量为：金属导体发生变形，则则有：给定金属导体,2020年1月12日星期日2电阻式传感器三、应变片式传感器3、应变片的工作原理(1)金属电阻应变片推导：是压阻系数。，—电阻率的相对变化—是泊松比。，—横向应变——纵向应变—，则有：若EddldlrdrrdrldldrdrldlRdRrA)2(22020年1月12日星期日2电阻式传感器)21(21)21(RdREERdR，则有：对金属导体，综合以上各式可得：三、应变片式传感器3、应变片的工作原理(1)金属电阻应变片推导：之间。，一般在系数。—灵敏度，又称为应变—等。、—标称阻值，有—结论：3.6~1.72112060gggSSRSRR2020年1月12日星期日2电阻式传感器三、应变片式传感器3、应变片的工作原理(2)半导体应变片压阻效应：单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率会发生变化的现象。推导：ERdREERdR，则有：对半导体，类似可得：半导体材料与金属导体21)21(2020年1月12日星期日2电阻式传感器三、应变片式传感器3、应变片的工作原理(2)半导体应变片倍。，比金属电阻应变片大系数。—灵敏度，又称为应变—等。、—标称阻值，有—结论：70~5012060ESSRSRRggg2020年1月12日星期日2电阻式传感器三、应变片式传感器3、应变片的工作原理(3)两种应变片的比较★工作原理不同：金属电阻应变片基于机械变形引起电阻的变化；半导体应变片基于电阻率变化引起电阻的变化。★灵敏度不同：金属电阻应变片的灵敏度取决于泊松比的大小；半导体应变片的灵敏度取决于压阻系数和弹性模量的大小。2020年1月12日星期日2电阻式传感器三、应变片式传感器4、应变片的应用(1)直接应用将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件在工作状态下的应力、变形情况，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。2020年1月12日星期日2电阻式传感器三、应变片式传感器4、应变片的应用2020年1月12日星期日2电阻式传感器三、应变片式传感器4、应变片的应用(2)间接应用将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。2020年1月12日星期日压阻式加速度传感器振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。传感器测量电路UER3R1R4R2431421234113RRRRR+RRU=E-=ERRR(R+R+R)(R+R)(1++)(1+)RRR111311单臂式测试电路灵敏度为：Ku=E*n/(1+n)2当：ΔR1/R1很小时且R2/R1=R4/R3=n时RnU=ER(n)1211传感器测量电路UER3R1R4R21234R+RRU=E-(R+R+R+R)(R+R)11312当：ΔR1=-ΔR2且R1=R2=R3=R4时半桥电路1REU=R12灵敏度为：Ku=E*/2传感器测量电路UER3R1R4R21423RRU=E-(R+R)(R+R)13全桥电路当：ΔR1=-ΔR2=ΔR3=-ΔR4且R1=R2=R3=R4时1RU=R1E灵敏度为：Ku=E