第三章传感器1.ppt

第三章、传感器,本章学习要求：,1.了解传感器的分类2.掌握传感器的性能指标和选用原则3.掌握常用传感器原理4.了解传感器应用,机械测试,3.1概述,3.1.1.传感器定义,传感器是将被测的某一物理量（或信号）按一定规律转换为另一种（或同种）与之有确定对应关系的、便于应用的物理量（或信号）输出的装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,传感器的组成：敏感元件：传感器中直接感受或响应被测量（输入量）的部分；转换元件：将敏感元件感受到的或响应的被测量转换成适于传输或处理的电信号。,3.1.2.传感器的分类,按被测量分类位移、力、温度、压力、流量、速度传感器等。按传感器的工作机理分类物理型、化学型和生物型。按传感器的构成原理分类物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。如水银温度计、压电式传感器等。结构型：依靠传感器结构参数的变化而实现信号转换的。如电容式传感器、电感式传感器等。,按传感器的能量转换情况分类能量转换型：能量转换型传感器是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。能量控制型：能量控制型传感器是从外部供给辅助能量使其工作的，并由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，电阻应变测量中，应变计接于电桥上，电桥工作能源由外部供给，而由于被测量变化所引起应变计的电阻变化来控制电桥的不平衡程度。如电感式测微仪、电容式测振仪等均属此种类型。,按传感器的物理原理分：,电参量式传感器压电式传感器磁电式传感器光电式传感器气电式传感器热电式传感器射线式传感器波式传感器半导体式传感器其他原理传感器,按传感器的输出量分：,模拟式数字式,按转换过程是否可逆分：,双向传感器单向传感器,3.1.3.传感器的性能要求,灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；噪声小，并且具有抗外部噪声的性能；滞后、漂移误差小；动态特性良好；在接入测量系统时，对被测量不产生影响；功耗小，复现性好，有互换性；防水及抗腐蚀等性能好，能长期使用；结构简单，容易维修和校正；低成本、通用性强。,3.1.4传感器选用原则,灵敏度：高，方向性线形范围：稳定性：精确度：响应特性：快，不失真测试方式：可靠性：体积、价格、易维护性等,选用传感器时应注意的问题：1.必须在工作频率范围内满足不失真测试的条件。2.传感器应有适当的灵敏度或分辨力。注意：灵敏度越高越容易受噪声干扰，测量范围越窄。因此同一种传感器常长做成一个系列。常用压电式加速度传感器的参数：型号量程灵敏度分辨力重量应用及特点350B045000g0.5mv/g0.02g4.5g爆破、撞击393C5g1v/g0.0001g1000g超低频地震传感器,3.足够的精确度注意：精确度越高，价格越高，对测量环境要求也越高。4.高度的可靠性注意了解工作环境对传感器的影响。5.对被测对象影响小在传感器与被测对象建立连接关系时，尽可能减小对被测对象运行状态以及特性参数的影响，如质量和体积要尽可能小，或选择非接触传感器。,3.2压电式传感器,3.2.1变换原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,逆压电效应,如果在这些物质的极化方向施加电场，这些物质就在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消失，这种现象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。,压电材料,定义：明显呈现压电效应的敏感功能材料,压电单晶体：石英多晶压电陶瓷,3.2.2压电式传感器及其等效电路,当压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体，而两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，因此就构成一个电容器。,测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，且输出阻抗较高，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续仪表。,前置放大器分为电压放大器和电荷放大器。电压放大器：输出电压与输入电压成正比特点：结构简单、元件少、造价低廉、使用可靠，但整个系统对电缆电容的变化（即加速度传感器和前置放大器之间电缆长度的变化）非常敏感；且低频频率响应较差。电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比优点：电缆长度变化可忽略，且低频响应较好。,压力变送器,加速度计,力传感器,3.2.3压电式传感器的应用,案例：飞机模态分析,3.3电阻式传感器,电阻式传感器工作原理是把被测物理量的变化转换为电阻变化，再经相应的测量电路显示或记录被测量值的变化。,3.3.1电阻应变式传感器,应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。,应用范围：可测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。,精度高，测量范围广；使用寿命长，性能稳定可靠；结构简单，体积小，重量轻；频率响应较好，既可用于静态测量又可用于动态测量；价格低廉，品种多样，便于选择和大量使用。,应变式传感器特点：,1应变式传感器的工作原理,1)金属的电阻应变效应,电阻应变片工作原理是基于金属导体的电阻应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,金属应变片的电阻R为,代入,金属丝长l，截面积A，电阻率，则,有：,金属丝：,有：,形变效应,压阻效应,灵敏度系数,单位应变所引起的电阻相对变化,在电阻丝拉伸比例极限范围内，电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即S0为常数，于是：,通常金属电阻丝的S0=1.74.6。,2)应变片的基本结构及测量原理,应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体表面或者直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形通过基底和粘结剂传递给敏感栅，其电阻值发生相应的变化，通过转换电路转换为电压或电流的变化，即可测量应变。若通过弹性体或试件把位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换成应变，则可测量上述各量，而做成各种应变式传感器。,金属电阻应变片分为：丝式、箔式和金属膜式。,3)电阻应变片的分类及材料,金属丝式应变片是用0.010.05mm的金属丝做成敏感栅，有回线式和短接式两种。它制作简单、性能稳定、成本低、易粘贴，但因圆弧部分参与变形，横向效应较大。金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.0030.01mm的金属箔片制成敏感栅。金属薄膜应变片是是采用真空蒸发或真空沉积等方法，在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅，最后再加上保护层。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达197317。,应变计,金属应变计,电阻应变式传感器的应用：,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。,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。,1、基本工作原理,简化为：,3.3.2压阻式传感器,压阻式传感器的工作原理是压阻效应，即半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化。,机械变形引起电阻变化可忽略，电阻变化率主要由引起,2、压阻式传感器的特点,压阻式传感器优点灵敏度非常高分辨率高频率响应高可测量低频加速度和直线加速度,缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。,3、压阻式传感器的应用,压阻式传感器主要用于测量压力和加速度等物理量。,电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器，可测量位移及可以转换为位移的其它物理量参数，如压力、加速度等。,1、变阻式传感器的结构及分类,3.3.3变阻式传感器（电位器式传感器）,优点：结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定受环境因素影响小可以实现输出输入间任意函数关系输出信号大，一般不需放大。,缺点：需要较大的输入能量分辨力较低动态响应较差,2、变阻式传感器的工作原理,如果电阻丝直径与材质一定时，则电阻R随导线长度L而变化。变阻