传感与测试技术-常用的传感器与敏感元ppt课件

1、1第三章第三章 常用的传感器与敏感元件常用的传感器与敏感元件学习要求学习要求了解传感器的分类了解传感器的分类 掌握常用传感器测量原理掌握常用传感器测量原理了解传感器测量电路了解传感器测量电路2概述概述传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、存储、显示、记录和控制等要求。存储、显示、记录和控制等要求。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

2、感器是把外界输目前，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。入的非电信号转换成电信号的装置。 3传感器的构成传感器的构成传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。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，并对信号进行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，并对信号进行转换输出。转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。表接入。 V41)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的

3、被测物理量常见的被测物理量机械量机械量: :长度长度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋转角旋转角, ,转数转数, ,质量质量, ,重量重量, ,力力; ;声声: : 声压声压, ,噪声噪声. .磁磁: : 磁通磁通, ,磁场磁场. .温度温度: : 温度温度, ,热量热量, ,比热比热. .光：光： 亮度，色彩亮度，色彩5应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等。应变式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器等。2)2)按工作原理分类按工作原理分类: :6物性型传感器和结构型传感器物性型传感器和结构型传感器

4、. .3)3)按信号变换特征按信号变换特征: :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. .如如: :水银温度计水银温度计. .结构型结构型: :依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. .74)4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系: :能量转换型能量转换型: :直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作. . 例如例如: :热电偶温度计热电偶温度计, ,压电式加速度计压

5、电式加速度计. .能量控制型能量控制型: :从外部供给能量并由被测量控制外部从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化供给能量的变化. .例如例如: :电阻应变片电阻应变片. .8第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器机械式传感器原理机械式传感器原理优点：结构简单、可靠、使用方便等优点：结构简单、可靠、使用方便等缺点：受间隙影响、惯性大、固有频率低，只宜测量缓变或静态被测量。缺点：受间隙影响、惯性大、固有频率低，只宜测量缓变或静态被测量。敏感元件敏感元件 力、压力、温度力、压力、温度9水表：叶轮所处的位置正好在套管下层孔水表：叶轮所处的位置正好在套管下层孔所形成的旋转流里，水

6、流冲击轮周的叶片，所形成的旋转流里，水流冲击轮周的叶片，产生转矩，使叶轮旋转起来。龙头开得越产生转矩，使叶轮旋转起来。龙头开得越大，水流越急，叶轮就转得越快。大，水流越急，叶轮就转得越快。典型的机械式传感器典型的机械式传感器10弹性式压力测量元件弹性式压力测量元件测压原理：是利用弹性元件在被测压力作用下产生弹性变形的原理来度量被测压测压原理：是利用弹性元件在被测压力作用下产生弹性变形的原理来度量被测压力的力的 。当弹性元件受压力作用时会产生变形，于是输出位移或力。当弹性元件受压力作用时会产生变形，于是输出位移或力。弹性元件的特点：构造简单，价格便宜，测压范围宽，被测压力低至几帕，高达弹性元件的

7、特点：构造简单，价格便宜，测压范围宽，被测压力低至几帕，高达数百兆帕都可使用，测量精度也较高，在目前的测压仪表中占有统治地位。数百兆帕都可使用，测量精度也较高，在目前的测压仪表中占有统治地位。11典型的机械式传感器典型的机械式传感器弹簧秤弹簧秤原理：弹簧秤测力原理是根据胡克定律原理：弹簧秤测力原理是根据胡克定律F=kx，其中，其中F为弹簧弹力，为弹簧弹力，k为弹簧劲度系为弹簧劲度系数，数，x为弹簧的形变量，由于弹簧伸长度与为弹簧的形变量，由于弹簧伸长度与弹簧弹力之间是成正比关系，所以弹簧秤弹簧弹力之间是成正比关系，所以弹簧秤的刻度是均匀的。的刻度是均匀的。12 单圈弹簧管单圈弹簧管 测量元件是

8、一个弯成圆弧形的空心管测量元件是一个弯成圆弧形的空心管子。子。一般弹簧管压力计的测压范围为一般弹簧管压力计的测压范围为-105+109 Pa；精确度最高可达；精确度最高可达0.1。13膜盒型压力计膜盒型压力计测量介质的压力作用在膜盒腔测量介质的压力作用在膜盒腔内侧，由此所产生的变形可用内侧，由此所产生的变形可用来间接测量介质的压力。来间接测量介质的压力。膜盒敏感元件由两块连接在一起的显圆形波浪的膜片组成。膜盒敏感元件由两块连接在一起的显圆形波浪的膜片组成。14空速管空速管原理：总压原理：总压=静压静压+动压，即动压，即 P(t)=P(s)+*V2 /2总压：就是当气流被迎面阻挡，流速降为零时的

9、压强。总压：就是当气流被迎面阻挡，流速降为零时的压强。静压：空气静止时的压力，同飞机飞行高度有关的。静压：空气静止时的压力，同飞机飞行高度有关的。15空速管结构空速管结构总压管：飞行时保持总压管和飞行方向同向。总压管：飞行时保持总压管和飞行方向同向。在空速管的后部设有一个静压室，在侧壁开设一在空速管的后部设有一个静压室，在侧壁开设一通孔和外界相联，并保持和飞行方向的垂直，此通孔和外界相联，并保持和飞行方向的垂直，此时静压室内的压强就是大气静压了。时静压室内的压强就是大气静压了。16高度表高度表高度表：高度表壳密封高度表：高度表壳密封,空气静压力空气静压力P由传压由传压管送入高度表内腔。高度增加

10、表内压力减小管送入高度表内腔。高度增加表内压力减小,置于表壳内的真空膜盒置于表壳内的真空膜盒(内腔抽真空后密封内腔抽真空后密封)随之膨胀而产生变形随之膨胀而产生变形,膜盒中心的位移经传膜盒中心的位移经传动机构传送动机构传送, 指示出与气压指示出与气压P相对应的高度数相对应的高度数值。值。17升降速度表升降速度表测量飞机高度变化快慢。膜盒内腔经一个粗的传测量飞机高度变化快慢。膜盒内腔经一个粗的传压管与空气静压相通，而膜盒的外部（即仪表内压管与空气静压相通，而膜盒的外部（即仪表内腔）通过一毛细管也与空气静压相连。这样腔）通过一毛细管也与空气静压相连。这样,当飞当飞机上升或下降时机上升或下降时,膜盒

11、内腔压力基本上随高度的变膜盒内腔压力基本上随高度的变化而变化化而变化,但膜盒外部即表壳内的气压因受毛细管但膜盒外部即表壳内的气压因受毛细管的阻滞作用的阻滞作用,变化缓慢变化缓慢,产生压力差。产生压力差。18重要性重要性飞机在停场时进行了清洗工作，由于洗完飞机后没有及时将为了防止空速管进水飞机在停场时进行了清洗工作，由于洗完飞机后没有及时将为了防止空速管进水而封堵的胶布拆除，在凌晨执行航班前又没有被检查出来，飞机起飞离港后由于而封堵的胶布拆除，在凌晨执行航班前又没有被检查出来，飞机起飞离港后由于气压高度指示出现问题，时高时低，飞行员无法正确判断飞机高度，最终飞机坠气压高度指示出现问题，时高时低，

12、飞行员无法正确判断飞机高度，最终飞机坠入到大海里，导致机毁人亡！入到大海里，导致机毁人亡！ 19重要性重要性二战中日本海军发生的一次大丢颜面的二战中日本海军发生的一次大丢颜面的“海军乙事件海军乙事件”（甲事件，就是著名的山（甲事件，就是著名的山本五十六事件）：本五十六事件）：1944年年3月月31日，日本联合舰队参谋长福留繁中将等日，日本联合舰队参谋长福留繁中将等11人乘坐人乘坐一架水上飞机从帛硫群岛出发。由于起飞仓促，机长竟忘记打开空速管的盖子。一架水上飞机从帛硫群岛出发。由于起飞仓促，机长竟忘记打开空速管的盖子。于是一行人就在没有空速和高度数据的情况下飞行，途中因台风迫降，由于没有于是一行

13、人就在没有空速和高度数据的情况下飞行，途中因台风迫降，由于没有准确的高度数据导致飞机坠毁。准确的高度数据导致飞机坠毁。1995年美国的年美国的X-31验证机作第验证机作第292次飞行，在次飞行，在7000米上完成了规定动作后发现飞米上完成了规定动作后发现飞机速度表的速度显示有问题。起先以为是结冰所致，飞行员打开加热和除冰装置，机速度表的速度显示有问题。起先以为是结冰所致，飞行员打开加热和除冰装置，但毫无效果。在各种操作都没有反应时，飞行员被迫弃机。但毫无效果。在各种操作都没有反应时，飞行员被迫弃机。20措施措施结冰：空速管内部都设有电加热元件。结冰：空速管内部都设有电加热元件。雷击：突出的空速

14、管通常会成为雷电电流的主要通道，在雷击造成的强大电流和雷击：突出的空速管通常会成为雷电电流的主要通道，在雷击造成的强大电流和热能，会严重损坏空速管。因此空速管必须通过雷电防护测验。热能，会严重损坏空速管。因此空速管必须通过雷电防护测验。21第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器：是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按工作原理一、电阻式传感器：是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按工作原理分为分为变阻器式变阻器式电阻应变式电阻应变式22一、电阻式传感器一、电阻式传感器1.变阻器式传感器：通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻的变化。变阻器式传感器

15、：通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻的变化。工作原理工作原理lRAAlAlR常量，则为、定时，当电阻丝直径和材质一电阻丝截面积。电阻丝长度；电阻率；式中23一、电阻式传感器一、电阻式传感器直线位移型直线位移型角位移型角位移型constddkxRSkRconstddllkxRSxkR24一、电阻式传感器一、电阻式传感器非线性型非线性型:根据所要求的输出电阻根据所要求的输出电阻(或电压或电压)与电刷位移与电刷位移(包括线位移或角位移包括线位移或角位移)之间之间的非线性函数关系的非线性函数关系2xkRs25一、电阻式传感器一、电阻式传感器电阻分压电路电阻分压电路 pLppyxxRRxxuu

16、10pLppyxxRRxxuu1000uxxxxuuRRppypL26应用应用节气门开度传感器节气门开度传感器27汽油表系统汽油表系统工作过程如下：当油箱内没油时，由于浮工作过程如下：当油箱内没油时，由于浮漂有一定重量，它会在油箱的最底部，这漂有一定重量，它会在油箱的最底部，这时汽油表指示为时汽油表指示为0，随着汽油的加入，油面，随着汽油的加入，油面越来高，浮漂随着油面也越来越高，杠杠越来高，浮漂随着油面也越来越高，杠杠臂在滑动电阻一端也逐渐向另一端滑动，臂在滑动电阻一端也逐渐向另一端滑动，电阻的阻值也越来越小，通过油量表的电电阻的阻值也越来越小，通过油量表的电流也越来越大，表针也由流也越来越

17、大，表针也由0逐渐上升到一定逐渐上升到一定数值。表盘上的刻度是按油量刻度的，所数值。表盘上的刻度是按油量刻度的，所以指示出了剩余油量了。以指示出了剩余油量了。28水池水位自动控制系统水池水位自动控制系统 希望水位高度由电位器触头希望水位高度由电位器触头A设定。由浮子带动的电位计触头设定。由浮子带动的电位计触头B的位置反映实际水的位置反映实际水位高度。位高度。A、B两点的电位差反映希望水位的偏差。两点的电位差反映希望水位的偏差。放大器AB进水进水阀门减速器电动机浮子实际水位出水水池1Q2Q29优点：结构简单，性能稳定，使用方便。缺点：受电阻丝直径的限制，分辨力不高。分辨力很难优于20m。噪声较大

18、。被测量：线位移，角位移。30一、电阻式传感器一、电阻式传感器2.电阻应变式传感器电阻应变式传感器工作原理：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工作原理：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(伸伸长或缩短长或缩短)的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。31工作原理工作原理设有一长度为设有一长度为l、截面积为、截面积为A、半径为、半径为r、电阻率为、电阻率为的电阻，它的电阻值的电阻，它的电阻值R可表示可表示为为 、r、l的变化，都会导致电阻值的变化，都会导致电阻值R发生变化。发生变化。2llRAr32工作原理工作原理llddd2ddrrllRR各可变

19、因素引起的电阻的相对变化各可变因素引起的电阻的相对变化应变应变各可变因素与应变的关系各可变因素与应变的关系EErrllRR212dd2dd33工作原理工作原理21dRR金属电阻应变片金属电阻应变片半导体电阻应变片半导体电阻应变片前者利用导体形变引起电阻变前者利用导体形变引起电阻变化；后者利用半导体电阻率变化化；后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化引起电阻变化ERRd34金属应变片灵敏度金属应变片灵敏度电阻应变片的应变或灵敏度一般用电阻应变片的应变或灵敏度一般用Sg表征表征金属应变片的灵敏度金属应变片的灵敏度金属应变片的电阻丝灵敏度多在金属应变片的电阻丝灵敏度多在1.7-3.6之间之间llRRS

20、gdd const 2135半导体应变片灵敏度半导体应变片灵敏度半导体应变片的灵敏度：半导体应变片的灵敏度：半导体应变片的灵敏度比金属丝的大半导体应变片的灵敏度比金属丝的大50-70倍倍EllRRSgdd36半导体应变片特点半导体应变片特点优点：灵敏度高、横向效应小、机械滞后小和体积小等优点。优点：灵敏度高、横向效应小、机械滞后小和体积小等优点。缺点：温度稳定性差、灵敏度分散度大以及在较大应变作用下，非线性误差大。缺点：温度稳定性差、灵敏度分散度大以及在较大应变作用下，非线性误差大。37电阻应变片应用电阻应变片应用将应变片贴于被测试件上，将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可然后将其

21、接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试直接从应变仪上读取被测试件的应变量。件的应变量。 38电阻应变片应用电阻应变片应用将应变片粘贴于某些弹性体上，将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。变式传感器。39人体秤人体秤 40电子天平电子天平电子天平的精度可达十万分之一电子天平的精度可达十万分之一41电阻应变式传感器的注意事项电阻应变式传感器的注意事项必须被粘在试件或弹性元件上才能工作，黏合剂和粘合技术对测量结果有直接影必须被粘在试件或弹性元件上才能工作，黏合剂和粘合技术对测量结果有直

22、接影响。响。用于动态测量时应考虑应变片本身的动态响应特性。测量频率受应变片影响不能用于动态测量时应考虑应变片本身的动态响应特性。测量频率受应变片影响不能太高。太高。温度的变化会引起电阻值的变化，从而需要采取温度补偿措施。温度的变化会引起电阻值的变化，从而需要采取温度补偿措施。423.固态压阻式传感器固态压阻式传感器利用单晶硅材料的压阻效应和集成电利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。的电信号输出。

23、2llRAr433.固态压阻式传感器固态压阻式传感器与半导体应变片的区别是：与半导体应变片的区别是：半导体应变片由单晶半导体材料构成的，是利用半导体半导体应变片由单晶半导体材料构成的，是利用半导体电阻做成的粘贴式敏感元件。电阻做成的粘贴式敏感元件。压阻式固态压力传感器是由在半导体材料的基片上用集压阻式固态压力传感器是由在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻。这种元件以单晶硅为基底成电路工艺制成的扩散电阻。这种元件以单晶硅为基底材料，按一定晶向将材料，按一定晶向将P型杂质扩散到型杂质扩散到N型硅底层上，形成型硅底层上，形成一层极薄的导电一层极薄的导电P型层。型层。44投入式液位计外形投

24、入式液位计外形光柱光柱 显显示器示器 橡胶橡胶 背背压管压管 压阻式固态压力传感器压阻式固态压力传感器 45投入式液位计液位的计算投入式液位计液位的计算 h=h0+h1 =h0+p1 /(g)46固态压阻式加速度传感器固态压阻式加速度传感器当梁的自由端的质量块受到加速度作当梁的自由端的质量块受到加速度作用时，在梁上受到弯矩和应力，使电用时，在梁上受到弯矩和应力，使电阻值发生变化。电阻相对变化与加速阻值发生变化。电阻相对变化与加速度成正比。度成正比。47固态压阻式加速度传感器固态压阻式加速度传感器在汽车防盗系统中的应用：现代汽车的防盗在汽车防盗系统中的应用：现代汽车的防盗系统通常采用对车体的冲击

25、、振动监测的方系统通常采用对车体的冲击、振动监测的方式防盗预警。另外，拖车或整车搬运的方法式防盗预警。另外，拖车或整车搬运的方法也是目前窃贼盗窃汽车常用的手段。加速度也是目前窃贼盗窃汽车常用的手段。加速度传感器可以对车体微小振动和整车的倾斜角传感器可以对车体微小振动和整车的倾斜角度同时进行监测。度同时进行监测。48二、电容式传感器二、电容式传感器1. 原理：将被测量的变化转化为电容量变化原理：将被测量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器,它的电容量为它的电容量为:当被测量当被测量、A或或发生变化时，都会引起电容的变化。发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的

26、两个参数不变，而仅改变另一个参数，如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。+AAC0492.电容式传感器分类电容式传感器分类极距变化型极距变化型灵敏度灵敏度灵敏度与极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高，极距的变化将引起非线灵敏度与极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高，极距的变化将引起非线性误差。通常取极距变化范围为性误差。通常取极距变化范围为20ddACS1 . 0502.电容式传感器分类电容式传感器分类面积变化型面积变化型平面线位移型平面线位移型灵敏度灵敏度ConstbxCSxCbxC00dd512.

27、电容式传感器分类电容式传感器分类角位移型角位移型灵敏度灵敏度CrC220ConstrCS2dd20522.电容式传感器分类电容式传感器分类圆柱体线位移型圆柱体线位移型面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大系，但与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于较大角位移及直线位移的测量。角位移及直线位移的测量。ConstdDxCSxCdDxC/ln2dd/ln200532.电容式传感器分类电容式传感器分类介质变化型介质变化型变介电常数型电容传感器由于存在边缘效应变介电常数型电容传感器由于存在边缘效应,仍然有非

28、线性仍然有非线性543.测量电路测量电路电容传感器的特点：电容量小，变化更小（电容传感器的特点：电容量小，变化更小（PF级）。理论上，交流电桥可作为电级）。理论上，交流电桥可作为电容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。容传感器的测量电路，但由于电容及变化太小，不易实现。553.测量电路测量电路电桥型电路：将电容的变化转化为电压的输出电桥型电路：将电容的变化转化为电压的输出563.测量电路测量电路调频电路：将电容的变化转化为频率的变化调频电路：将电容的变化转化为频率的变化LCf21573.测量电路测量电路运算放大器电路：使极距的变化与电容的变化量间成线性关系运算放大器电路：使极距的

29、变化与电容的变化量间成线性关系AC00 xyCCuu00ACuuy000584.电容传感器的应用电容传感器的应用电容式加速度传感器电容式加速度传感器594.电容传感器的应用电容传感器的应用在汽车悬挂系统中的应用在汽车悬挂系统中的应用604.电容传感器的应用电容传感器的应用在汽车气囊系统中的应用：当汽车发生碰在汽车气囊系统中的应用：当汽车发生碰撞事故时，汽车和障碍物之间碰撞的结果撞事故时，汽车和障碍物之间碰撞的结果导致汽车速度急剧下降，速度从导致汽车速度急剧下降，速度从35km/h降降到零的时间约到零的时间约150ms左右。左右。 61三、电感式传感器三、电感式传感器电感式传感器把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。电感式传感器把被测量如位移等，转换为电感量变化的一种装置。分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型涡流式