第三章常用传感器与敏感元件

1、太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件第三章第三章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件u常用传感器分类常用传感器分类u机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器u电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器u磁电、压电与热电式传感器磁电、压电与热电式传感器u光电传感器光电传感器u光纤传感器光纤传感器u半导体传感器半导体传感器u传感器的选用原则传感器的选用原则太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件1 1、传感器定义、传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息

2、的装置。换成另一种信息的装置。 物理量物理量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。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。号转换成电信号的装置。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件 2 2、传感器的构成、传感器的构成 传感器由传感器由敏感器件敏感器件与与辅助器件辅助器件组成。敏感器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、辅助器件则是

3、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。阻抗匹配，以便于后续仪表接入。 dV太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件敏感元件：被测非电量敏感元件：被测非电量其他形式信号其他形式信号 （易于转换成电量（易于转换成电量: :形变）形变）变换元件：非电量变换元件：非电量电量（电阻、电感、电容等电量（电阻、电感、电容等) )辅助元件：信号调节与转换等。辅助元件：信号调节与转换等。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件3、传感器的作用、传感器的作用变换作用：将非电量变换成电量。变换作用：将非电量变换成电量。传

4、感器是测试系统中的第一个环节，它具有两个作用：传感器是测试系统中的第一个环节，它具有两个作用：敏感作用：感受物理量的变化，以完成对被测信号的拾取。敏感作用：感受物理量的变化，以完成对被测信号的拾取。对应这两个作用，传感器一般由两部分对应这两个作用，传感器一般由两部分组成，即敏感元件与变换元件，二者有组成，即敏感元件与变换元件，二者有时很容易分开，有时合二为一。时很容易分开，有时合二为一。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件1)1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常

5、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, ,压力压力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, , 风速风速, ,流速流速, ,流量流量; ;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，色彩太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件传感器按被测量分类传感器按被测量分类被测量类别被测量类别被被测测量量热工量热工量温度、热

6、量、比热容；压力、压差、真空度；流量、流速、风速温度、热量、比热容；压力、压差、真空度；流量、流速、风速机械量机械量位移位移(线位移、角位移线位移、角位移)、尺寸、形状；力、重量、力矩、应力；质量；转速、尺寸、形状；力、重量、力矩、应力；质量；转速、线速度；振动幅值、频率、加速度、噪声线速度；振动幅值、频率、加速度、噪声物性和成分量物性和成分量气体化学成分、液体化学成分；酸碱度气体化学成分、液体化学成分；酸碱度(pH值值)、盐度、浓度、黏度、密度、相、盐度、浓度、黏度、密度、相对密度对密度状态量状态量颜色、透明度、磨损量、材料内部裂纹或缺陷、气体漏泄、表面质量颜色、透明度、磨损量、材料内部裂纹

7、或缺陷、气体漏泄、表面质量 太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件机械式机械式, ,电气式电气式, ,光学式光学式, ,流体式等流体式等. .2)2)按工作原理分类按工作原理分类: :太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件3)3)按信号变换特征分类按信号变换特征分类: :物性型物性型: :依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换实现信号变换. .如如: :水银温度计、压电测力计水银温度计、压电测力计. .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

8、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. .太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件4)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. .太原理工大学机械工

9、程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件(5) (5) 按输出信号分类按输出信号分类 模拟式传感器：模拟式传感器：输出量为连续变化的模拟量输出量为连续变化的模拟量 （I(t)I(t)，V(t)V(t)） 数字式传感器：数字式传感器：输出量为数字量输出量为数字量 （数字量，频率量）（数字量，频率量）太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件以以作为传感器的敏感元件作为传感器的敏感元件输入量：力、压力、温度等输入量：力、压力、温度等输出量：弹性元件的弹性变形（或应变）输出量：弹性元件的弹性变形（或应变）仪表指针的偏转仪表指针的偏转放大放大太原理工

10、大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件温度计温度计压力计（用于测量流体压力压力计（用于测量流体压力:波纹膜片、波纹管）波纹膜片、波纹管）测力计（用于测力或称重测力计（用于测力或称重:环形测力计、弹簧秤）环形测力计、弹簧秤）典型机械式传感器典型机械式传感器太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件u结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直 观等。观等。u弹性变形不宜大弹性变形不宜大，以减小线性误差。，以减小线性误差。u由于放大指示环节多为机械传动，不仅受间隙影由于放大指示环节多为机械传动，

11、不仅受间隙影 响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓检测缓 变和静态被测量变和静态被测量。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件u提高测量的频率范围，可采用：提高测量的频率范围，可采用：u应用弹性元件时，应从结构设计、材料选择、应用弹性元件时，应从结构设计、材料选择、处理工艺等方面采取措施，减小蠕变、弹性后效处理工艺等方面采取措施，减小蠕变、弹性后效等现象对输入输出线性关系的影响。等现象对输入输出线性关系的影响。被测量被测量位移位移电信号输出电信号输出弹性元件弹性元件其他形式传感器其他形式传感器如电阻、电容、电涡流等

12、如电阻、电容、电涡流等太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件一、电阻式传感器一、电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感是把被测量转换为电阻变化的一种传感器器, ,按工作的原理可分为按工作的原理可分为: :变阻器式、电阻应变式。变阻器式、电阻应变式。1 1 、变阻器式传感器、变阻器式传感器 (1) (1) 工作原理工作原理根据导体的电阻根据导体的电阻R R与其电阻率与其电阻率及长度及长度l成正比、与截面积成正比、与截面积A成反比成反比的关系，即的关系，即由被测物理量由被测物理量( (如压力、温度、流量等如压力、温度、流量等)

13、)引起式中引起式中 ，l l，A A中任一中任一个或几个的变化来使电阻个或几个的变化来使电阻R R改变的原理构成。改变的原理构成。 lRA 太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件若移动若移动x x，B B点和点和A A点间的电阻值点间的电阻值灵敏度灵敏度 单位长度的电阻值单位长度的电阻值lRk xldRSkdxlk若电刷转角若电刷转角，C C点和点和A A点间的电阻值点间的电阻值灵敏度灵敏度 单位弧度对应的电阻值单位弧度对应的电阻值 Rk dRSkd k太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件0,LPypyuRRuxxu

14、x当当时时与与位位移移 成成线线性性关关系系：电阻分压电路电阻分压电路01()()epPLPuuxRxxRx太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件变阻器式传感器变阻器式传感器：结构简单、性能稳定、可靠，但精度低，动态响应差。且结构简单、性能稳定、可靠，但精度低，动态响应差。且由于磨损与尘埃等，引起接触电阻变化，引入噪声。由于磨损与尘埃等，引起接触电阻变化，引入噪声。适合于适合于测量变化较缓慢的量。测量变化较缓慢的量。 ：可用来测线位移、角位移及可变成位移的物理量。可用来测线位移、角位移及可变成位移的物理量。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第

15、三章 常用传感器与敏感元件2 2 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片工作原理：工作原理： 基于金属导体的基于金属导体的应变效应应变效应，即金，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，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其电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩伸长或缩短短) )的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。 电阻应变片的种类：电阻应变片的种类： 1 1） 金属电阻应变片（金属电阻应变片（基于金属导体的基于金属导体的“电阻应变效应电阻应变效应”）有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。 2 2） 半导体应变片（半导体应变片（基

16、于半导体材料的基于半导体材料的“压阻效应压阻效应”） 半导体应变片分为体型、薄膜型和扩散型三大类。半导体应变片分为体型、薄膜型和扩散型三大类。 太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件(a) (a) 丝式应变片丝式应变片 (b) (b) 箔式应变片箔式应变片1）金属电阻应变片 电阻丝应变片是用直径为电阻丝应变片是用直径为0.025mm0.025mm具有高电阻率的电阻丝具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅状，称为敏制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基底上。电阻丝的两端焊接引线。敏感栅，并粘贴在绝缘

17、的基底上。电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护作用的覆盖层。感栅上面粘贴有保护作用的覆盖层。引出线引出线 电阻丝（敏感栅）电阻丝（敏感栅） 引出线引出线 金属箔金属箔覆盖绝缘层覆盖绝缘层基片及覆盖绝缘层基片及覆盖绝缘层基片基片太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件l l 称为栅长称为栅长( (标距标距) )， b b称为栅宽称为栅宽( (基宽基宽) )， b bl l称为应变片的使用面称为应变片的使用面积。积。 应变片的规格一般以使用应变片的规格一般以使用面积和电阻值表示，如面积和电阻值表示，如3 320mm20mm2 2，120120。多栅组合应变

18、片又称作多栅组合应变片又称作应应变花变花太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件工作原理工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化上述任何一个参数变换均会引起电阻变化, ,求导数求导数金属应变片的电阻为金属应变片的电阻为AlR/dAldAAldlAdR2代入代入AlR/dRAdARldlRdR太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件：电阻丝材料的泊电阻丝材料的泊松比松比dAdAldlRdR有：有：金属丝：金属丝：2rAdrdrldlRdR2金属丝体积不变：金属丝体积不变：横向应变横向应变纵向应变纵向应变ldlrdr太原理

19、工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件有：有：dRdR2对金属材料，电阻应变效应是主要的。对金属材料，电阻应变效应是主要的。由于压阻系数很小，电阻率的变化可以由于压阻系数很小，电阻率的变化可以忽略不计忽略不计)21(RdR金属丝应变片：金属丝应变片：电阻相对变化率电阻相对变化率与应变成正比与应变成正比电阻应变片的灵敏度电阻应变片的灵敏度(其物理意义是单位应变所其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化引起的电阻相对变化 )21ldlRdRSg几何尺寸改变引起几何尺寸改变引起电阻率改变引起电阻率改变引起太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感

20、器与敏感元件2）半导体应变片）半导体应变片对于半导体材料来说，其压阻效应远大于其应变效应对于半导体材料来说，其压阻效应远大于其应变效应dRdRE半导体应变片的灵敏度半导体应变片的灵敏度ERdRSg单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件半导体应变片有体型、薄膜型和扩散型三种半导体应变片有体型、薄膜型和扩散型三种(a) (a) 体型体型 (b) (b) 薄膜型薄膜型 (c) (c) 扩散型扩散型太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件u金属丝金属丝电阻应变片与

21、半导体应变片的主要区别电阻应变片与半导体应变片的主要区别：前者利用导体形变引起电阻变化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引起电阻变化后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化u和金属电阻应变片相比，半导体应变片具有和金属电阻应变片相比，半导体应变片具有等优点，但是，半导体应等优点，但是，半导体应变片多数用薄硅片制成，变片多数用薄硅片制成，其测试时的可测应变范，其测试时的可测应变范围通常限制在围通常限制在30003000左右，而金属电阻应变片的可测应变左右，而金属电阻应变片的可测应变值达值达4000040000。另外，半导体应变片的。另外，半导体应变片的，所以其应用仍然受到一定的限制

22、。，所以其应用仍然受到一定的限制。 太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 1.1.目测电阻应变片有无折痕、断丝等目测电阻应变片有无折痕、断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.2.用数字万用表测量应变片电阻值大用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于相差不得大于0.50.5欧姆。欧姆。3.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球

23、无黑迹为止。酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.4.应变片粘贴应变片粘贴: :在应变片基底上挤一小滴在应变片基底上挤一小滴502502胶水，胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件5.5.焊线焊线: :用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于大于500M500M欧。欧。7.7.应变片保护：用应变片保护：用704704硅橡胶覆于应变片上，防

24、止硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。受潮。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件电阻应变式传感器应用电阻应变式传感器应用1 1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变）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

25、校核或构件破力、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。坏的预测等提供可靠的实验数据。 (a) (a) 立柱应力立柱应力(b) (b) 桥梁应力桥梁应力 构件应力测定构件应力测定 太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件2 2）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传应变式传感器感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。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，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正

26、比的应变，再通过应变片转换为电阻变化的输出。通过应变片转换为电阻变化的输出。加速度传感器由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定振动体加速度传感器由悬臂梁、质量块、基座组成。测量时，基座固定振动体上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的上，振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统的“弹弹簧簧”，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范，在惯性力作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。围内与振动体的加速度成正比。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件案例：案例：电子称电子称

27、原理原理将物品重量通过悬臂梁转化结将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电构变形再通过应变片转化为电量输出。量输出。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件应变片的测量电路应变片的测量电路应变是相当微小的变应变是相当微小的变化，所产生的电阻变化，所产生的电阻变化是极其微小的。化是极其微小的。例如计算例如计算的应变产生的的应变产生的120电阻变化：电阻变化：61000 106120 2 1000 10/R 6120 2 1000 10024.R 024 120 02/./.

28、 %R R-惠斯通电桥惠斯通电桥太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件二、电容式传感器二、电容式传感器变换原理变换原理: :将被测量的变化转化为电容量变化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: :AC0、A A或或发生变化发生变化时，都会引起电容时，都会引起电容的变化。的变化。+ ：极板间距离：极板间距离A A：极板面积：极板面积 ：介质的

29、相对介电：介质的相对介电系数系数 0：真空的介电常数真空的介电常数8.85410-12F/m； 太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件分类分类 a)a)极距变化型极距变化型+c)c)介质变化型介质变化型AC0b)b)面积变化型面积变化型: :角位移型角位移型, ,平面线位移型平面线位移型, ,柱面线位移型柱面线位移型. .+太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件a)a)极距极距变化型变化型+AC0+太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件两极板相互覆盖面积两极板相互覆盖面积A A及极

30、间介质及极间介质不变，则当两极板在不变，则当两极板在被测对象作用下发生位移变化被测对象作用下发生位移变化d d时所引起的电容量变化时所引起的电容量变化dAdC201201AddCS太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件u灵敏度灵敏度S S与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，与极距的平方成反比，极距越小，灵敏度越高，但极距减小受电容极板间击穿电压的限制。一般但极距减小受电容极板间击穿电压的限制。一般0 00.10.11mm1mm左右。左右。u电容量电容量C C与极距与极距呈非线性关系，为了减小非线性误差，呈非线性关系，为了减小非线性误差，通常极距变化范

31、围通常极距变化范围/0 00.010.010.10.1。u此类电容传感器仅适于微小位移的测量（此类电容传感器仅适于微小位移的测量（0.01m0.01m数数百微米）；非接触测量百微米）；非接触测量太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、增大线性工作范围和克服外界条件（如电增大线性工作范围和克服外界条件（如电源电压、环境温度等）的变化对测量精度源电压、环境温度等）的变化对测量精度的影响，常常采用的影响，常常采用差动型电容式传感器差动型电容式传感器。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程

32、学院第三章 常用传感器与敏感元件b)b)面积变化型面积变化型常数灵敏度220220rddCSCr角位移型角位移型覆盖面积对应的中心角覆盖面积对应的中心角 r r极板半径极板半径太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件柱面线位移型柱面线位移型. .常数灵敏度)ln(20)ln(02dDdxdCSCdDxD D圆筒孔径圆筒孔径d d圆柱外径圆柱外径太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件平面线位移型平面线位移型常数灵敏度bdxdCSCbx00b b极板宽度极板宽度太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感

33、器与敏感元件c) c) 介质变化型介质变化型AC0常用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间常用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。度、湿度、容量等。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件测量电路测量电路目前较常采用的有电桥电路、谐振电路、调频电路、运目前较常采用的有电桥电路、谐振电路、调频电路、运算放大电路、差动脉冲宽度调制电路等。算放大电路、差

34、动脉冲宽度调制电路等。1 1、电桥电路、电桥电路 电容传感器为电桥的一部分。通常采用电阻、电容或电感、电容传感器为电桥的一部分。通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥，该图所示为一种电感、电容组成的电电容组成交流电桥，该图所示为一种电感、电容组成的电桥。由电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检桥。由电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。波、滤波后，再推动显示、记录仪器。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件2、谐振电路电容传感器的电容电容传感器的电容CxCx作为谐振回作为谐振回路路(L2(L2、C2C2、C

35、x)Cx)调谐电容的一部调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，谐振回路的阻抗发生相应的变化，被转换为电压或电流，再经过放被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。大、检波即可得到相应的输出。为了获得较好的线性关系，一般为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内，最大振幅的线性区域内，最大振幅70%70%附近附近的地方，且工作范围选在的地方，且工作范围选

36、在BCBC段内。段内。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件3、调频电路传感器的电容器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量传感器的电容器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化时，振荡器的振荡频率将发生变化，频使电容量发生变化时，振荡器的振荡频率将发生变化，频率的变化经过鉴频器转换为电压的变化，经过放大处理后率的变化经过鉴频器转换为电压的变化，经过放大处理后输入显示或记录等仪器。输入显示或记录等仪器。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件4 4、 运算放大器电路运算放大器电路 采用比例运算放大器电路，可以使

37、输出电压与位移的关系采用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系。反馈回路中的转换为线性关系。反馈回路中的C Cx x为极距变化型电容式传为极距变化型电容式传感器，输入电路采用固定电容感器，输入电路采用固定电容C C0 0，u u0 0为稳定的工作电压。为稳定的工作电压。由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关由于放大器的高输入阻抗和高增益特性，比例器的运算关系为系为 代入代入 ，得，得 xxyccuucjcju000011太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件电容式传感器的优点：电容式传感器的优点：(1)(1)输入能量小而灵

38、敏度高。输入能量小而灵敏度高。(2)(2)精度高达精度高达0.01%0.01%。 (3)(3)动态特性好，适合测量动态参数。动态特性好，适合测量动态参数。(4)(4)能量损耗小。能量损耗小。(5)(5)结构简单，环境适应性好（高温、辐射等）。结构简单，环境适应性好（高温、辐射等）。电容式传感器的缺点：电容式传感器的缺点： 电缆分布电容影响大。电缆分布电容影响大。集成电路、双屏蔽传输电缆等集成电路、双屏蔽传输电缆等降低分布电容的影响降低分布电容的影响太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件产品产品. .电容式液位传感器（液位计电容式液位传感器（液位计/ /料位

39、计）料位计）太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件电容式接近开关电容式接近开关振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的距离发生变化，使得和测量关的距离发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变头相连的电路状态也随之发生变化化. .接近开关的检测物体，并不接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。液体或粉

40、状物体。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件C C1 1、C C2 2工作极板与带材工作极板与带材之间形成两个电容之间形成两个电容， 其其总电容为总电容为C= CC= C1 1+C+C2 2 。当当金属带材在轧制中厚度金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的并转换和显示出带材的厚度。厚度。测量金属带材在轧制过程中厚度测量金属带材在轧制过程中厚度太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件当齿轮转动时，

41、电容量发当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为速大小。设齿数为z z, ,频率频率为为f f, ,则转速为则转速为: : 电容式转速传感器电容式转速传感器太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件三、电感式传感器三、电感式传感器 电感式传感器是基于电感式传感器是基于电磁感应电磁感应原理，它是把被测量原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。转化为电感量的一种装置。分类分类:电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡

42、流式涡流式互感型（互感型（差动变压器式差动变压器式）太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件1.1.自感式传感器自感式传感器 可变磁阻式可变磁阻式 线圈的自感与磁路的磁阻有关。线圈的自感与磁路的磁阻有关。N N线圈匝数，线圈匝数，R Rm m磁路磁阻磁路磁阻 , ,与磁路各段的性质有关，与磁路各段的性质有关，磁路通常由铁芯及铁芯间的空气隙组成。磁路通常由铁芯及铁芯间的空气隙组成。, ,0 0分别为铁芯和空气隙的磁导率。分别为铁芯和空气隙的磁导率。A,AA,A0 0为铁芯及空气隙的截面积。为铁芯及空气隙的截面积。l l和和分别为铁芯导磁长度和气隙长度。分别为铁

43、芯导磁长度和气隙长度。mRNL2002AAlRm太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件R Rm m主要由空气的磁阻构成。主要由空气的磁阻构成。2200200ANLARm自感自感L L与气隙与气隙成反成反比，而与气隙导磁比，而与气隙导磁截面积截面积A A0 0成正比。成正比。灵敏度灵敏度20022ANS灵敏度灵敏度S S与气隙与气隙的的平方成反比，平方成反比，越小，越小，灵敏度越高。灵敏度越高。为保证传感器的线性度，限制非线性误差，这种传感器多为保证传感器的线性度，限制非线性误差，这种传感器多用于用于微小位移测量微小位移测量。实际应用中，一般取。实际应用中，

44、一般取 ，位，位移测量范围为移测量范围为0.001mm0.001mmlmmlmm。1 . 00太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件a)可变导磁面积型可变导磁面积型b）差动型）差动型c）单螺管线圈型）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动）双螺管线圈差动几种常用可变磁阻式传感器的典型结构几种常用可变磁阻式传感器的典型结构太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件 双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有，被用于电感测微计上，其测量范围为，被用于电感测微计上，其测量范围为0 0300m300m，最小分

45、辨力为最小分辨力为0.5m0.5m。将传感器两线圈接于电桥的相邻桥将传感器两线圈接于电桥的相邻桥臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了非线性特性，臂时，其输出灵敏度可提高一倍，并改善了非线性特性，补偿干扰影响。补偿干扰影响。 因此，使用因此，使用，如差动变气隙，如差动变气隙，差动变面积，差动螺管式。通常接入电桥进行测量，用来差动变面积，差动螺管式。通常接入电桥进行测量，用来测量位移量。测量位移量。 太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件涡流式涡流式 线圈的自感与磁路的磁阻有关。线圈的自感与磁路的磁阻有关。原理：利用金属导体在交流磁场中的原理：利用金属导体在

46、交流磁场中的涡电流效应涡电流效应。金属板置于一只线圈的附近，间距为金属板置于一只线圈的附近，间距为，当线圈输入一交变电流，当线圈输入一交变电流i i时，便时，便产生交变磁通量产生交变磁通量，金属板在此交变，金属板在此交变磁场中会产生感应电流磁场中会产生感应电流i i1 1，这种电流，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流涡电流”或或“涡流涡流”。涡流的大小。涡流的大小与金属板的电阻率与金属板的电阻率、磁导率、磁导率、厚、厚度度h h，金属板与线圈的距离，金属板与线圈的距离，激励，激励电流角频率电流角频率等参数有关。若改变其等参数有关。若改变其中某个参数，而

47、固定其他参数不变，中某个参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。就可根据涡流的变化测量该参数。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ 改变其中某一因素，即可达到不同的变换目的。如：改变其中某一因素，即可达到不同的变换目的。如：改变改变，可作位移、振动测量，可作位移、振动测量 改变改变或或，可作材质鉴别和探伤，可作材质鉴别和探伤太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件发射线圈发射线圈1 1 和接收线圈和接收线圈2 2分别放在分别放在被测材料被测材料

48、G G的上下的上下, ,低频低频( (音频范围音频范围) )电电压压e e1 1 加到线圈加到线圈1 1 的两端后，在周围的两端后，在周围空间产生一交变磁场空间产生一交变磁场, ,并在被测材料并在被测材料G G中产生涡流，此涡流损耗了部分能量，中产生涡流，此涡流损耗了部分能量，使贯穿使贯穿2 2的磁力线减少，从而使的磁力线减少，从而使2 2产生的感应电势产生的感应电势e e2 2 减小。减小。e e2 2 的大小与的大小与G G的厚度及材料性质有关，实验与理论证明，的厚度及材料性质有关，实验与理论证明，e e2 2 随材料厚度随材料厚度h h增加按负指数规律减小。增加按负指数规律减小。太原理工

49、大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件测量电路：测量电路： 传感器线圈传感器线圈L L与电容与电容C C共同组成并联谐振回路，谐振频率共同组成并联谐振回路，谐振频率LCf21线圈等效电感改变，必然导致回路阻抗或谐振频率变化，线圈等效电感改变，必然导致回路阻抗或谐振频率变化，从而可间接测量被测参数，对应测量电路：从而可间接测量被测参数，对应测量电路：太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件调幅电路调幅电路传感器由振荡器提供高频电源，当传感器谐振频率与电传感器由振荡器提供高频电源，当传感器谐振频率与电源频率相同时，输出电压源频率相同

50、时，输出电压u u最大。最大。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件测量时，传感器等效电感随测量时，传感器等效电感随x x而改变，而改变，LCLC回路失谐，输出信回路失谐，输出信号频率虽仍为电源频率，但幅值随号频率虽仍为电源频率，但幅值随x x变化，即变化，即x x对输出信号对输出信号存在调幅作用。存在调幅作用。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件调频电路调频电路 以以LCLC振荡回路的谐振频率作为输出量。振荡回路的谐振频率作为输出量。鉴频器：将调频信号转换为电压信号输出。鉴频器：将调频信号转换为电压信号输出。太原理

51、工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件非接触测量，抗干扰能力强非接触测量，抗干扰能力强灵敏度高灵敏度高分辨力高，位移检测范围：分辨力高，位移检测范围：1mm1mm10mm10mm，最高分辨率可达最高分辨率可达0.1%0.1%。结构简单，使用方便，不受油液等介质影响结构简单，使用方便，不受油液等介质影响太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件位移、振动、转速、距离、厚度等参数测量位移、振动、转速、距离、厚度等参数测量太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件涡流式传感器检测振幅涡流式传感器检测振

52、幅 涡流传感器检测转速涡流传感器检测转速 (a) (a) 测转轴的径向振动测转轴的径向振动 (b) (b) 测片状机件的振幅测片状机件的振幅 (c) (c) 测构件的振幅测构件的振幅 太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件2.2.互感式传感器互感式传感器工作原理工作原理: :利用电磁感应中的利用电磁感应中的互感现象互感现象，将被测，将被测量转换成线圈互感的变化。量转换成线圈互感的变化。这种传感器一般都做成这种传感器一般都做成差动式差动式结构，所以称为差动结构，所以称为差动变压器式电感传感器。实际变压器式电感传感器。实际使用中的差动变压器多是螺使用中的差动变

53、压器多是螺线管式的。线管式的。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈，当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感压电动势电压时，次级线圈将产生感压电动势e e1 1和和e e2 2。由于两个次级线圈极性反接，。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即因此，传感器的输出电压为两者之差，即e ey y=e=e1 1-e-e2 2。活动衔铁能改变线圈之间的耦合程度。活动衔铁能改变线圈之间的耦合程度。e ey y的大小随活动衔铁的位置而

54、变。的大小随活动衔铁的位置而变。 活动衔铁的位置居中时，即活动衔铁的位置居中时，即e e1 1=e=e2 2，e ey y=0=0； 向上移时，即向上移时，即e e1 1ee2 2，e ey y0;0; 向下移时，即向下移时，即e e1 1ee2 2，e ey y0ZZ0 0时，放大器输入电压时，放大器输入电压u uL Lee0 0。感应电动势经放大、检波后，即可推动指示仪表。使用感应电动势经放大、检波后，即可推动指示仪表。使用动圈式磁电传感器，如果测量电路中接有微分网络或积动圈式磁电传感器，如果测量电路中接有微分网络或积分网络，则可以得到分网络，则可以得到加速度或位移加速度或位移。 太原理工

55、大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件 磁阻式传感器磁阻式传感器 工作原理：工作原理：工作时线圈与磁钢都不动，由运动着的物体工作时线圈与磁钢都不动，由运动着的物体( (导磁材料导磁材料) )改变磁路的磁阻，引起通过线圈的磁力线增改变磁路的磁阻，引起通过线圈的磁力线增强或减弱，使线圈产生感应电势。强或减弱，使线圈产生感应电势。 由永久磁钢及缠绕其上的线圈组成。由永久磁钢及缠绕其上的线圈组成。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件线圈线圈3 3和磁铁和磁铁5 5静止不动，静止不动，测量齿轮测量齿轮1 1（导磁材料制成）（导磁材料制

56、成）每转过一个齿，传感器磁每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈路磁阻变化一次，线圈3 3产产生的感应电动势的变化频生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮率等于测量齿轮1 1上齿轮的上齿轮的齿数和转速的乘积。齿数和转速的乘积。变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150-1509090的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz50Hz，上，上限可达限可达100Hz100Hz。太原理工大学机械工程学院太原理

57、工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件磁阻式磁电传感器工作原理及应用磁阻式磁电传感器工作原理及应用(a) (a) 测频数测频数 (b) (b) 测转速测转速(c) (c) 偏心测量偏心测量 (d) (d) 振动测量振动测量太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件二、压电式传感器（发电型传感器）二、压电式传感器（发电型传感器） 1 1工作原理工作原理某些材料如石英晶体和钛酸钡陶瓷，在某一方向受力时，某些材料如石英晶体和钛酸钡陶瓷，在某一方向受力时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电

58、荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为现象称为。与压电效应相反，如果将具有压电效应的物质置于电场中，与压电效应相反，如果将具有压电效应的物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物体机其几何尺寸也发生变化，这种由于外电场作用导致物体机械变形现象称为械变形现象称为。是一种可逆型换能器，既可以将机械能转变为电能，又能将电是一种可逆型换能器，既可以将机械能转变为电能，又能将电能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的能转变成机械能。其工作原理是利用某些物质的。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用

59、传感器与敏感元件不同的材料虽然压电机理不同，但最终产生的效应是等同的。不同的材料虽然压电机理不同，但最终产生的效应是等同的。表面产生的电荷，电荷量的改变与受力情况有关，即表面产生的电荷，电荷量的改变与受力情况有关，即QDFD D ：压电系数；：压电系数；F F ：施加力的大小：施加力的大小太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件石英晶体的压电效应石英晶体的压电效应理想形状：六棱柱，两端为对理想形状：六棱柱，两端为对称的棱锥，共称的棱锥，共3030个晶面。个晶面。纵轴纵轴z-zz-z称作称作，通过六棱，通过六棱柱棱线而垂直于光轴的轴线柱棱线而垂直于光轴的轴线x

60、-xx-x称作称作，垂直于棱面的，垂直于棱面的轴线轴线y-yy-y称作称作太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件通常从晶体上沿三轴线切下一个平行六面体切片，即其晶面通常从晶体上沿三轴线切下一个平行六面体切片，即其晶面分别平行于分别平行于z-zz-z、y-yy-y、x-xx-x轴线轴线 。切片在受到沿不同方向的。切片在受到沿不同方向的作用力时，会产生不同的极化作用，主要的压电效应有作用力时，会产生不同的极化作用，主要的压电效应有三种。三种。太原理工大学机械工程学院太原理工大学机械工程学院第三章 常用传感器与敏感元件：沿电轴：沿电轴(x(x轴轴) )施加作用力