《第三章传感器》ppt课件

1、西南石油大学机电院西南石油大学机电院第三章、传感器第三章、传感器本章学习要求：本章学习要求：1.1.了解传感器的分类了解传感器的分类2.2.掌握传感器的性能目的和选用原那么掌握传感器的性能目的和选用原那么 3.3.掌握常用传感器原理掌握常用传感器原理4.4.了解传感器运用了解传感器运用机械测试机械测试西南石油大学机电院西南石油大学机电院3.1 3.1 概述概述3.1.1. 3.1.1. 传感器定义传感器定义 传感器是将被测的某一物理量或信号按一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定规律转换为另一种或同种与之有确定对应关系的、便于运用的物理量或信号输出的安

2、装。系的、便于运用的物理量或信号输出的安装。 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。因此从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的安装。西南石油大学机电院西南石油大学机电院 传感器的组成：传感器的组成： 敏感元件：传感器中直接感受或呼应被丈量输敏感元件：传感器中直接感受或呼应被丈量输入量的部分；入量的部分； 转换元件：将敏感元件感遭到的或呼应的被丈量转换元件：将敏感元件感遭到的或呼应的被丈量转换成适于传输或处置的电信号。转换成适于传输或处置的电信号。西南石油大学机电院西南石油大学机电院3.1.2. 3.1.2. 传感器的分类传感器的分类 按被丈量分类按被丈量分

3、类 位移、力、温度、压力、流量、速度传感器位移、力、温度、压力、流量、速度传感器等。等。 按传感器的任务机理分类按传感器的任务机理分类 物理型、化学型和生物型。物理型、化学型和生物型。 按传感器的构成原理分类按传感器的构成原理分类 物性型：依托敏感元件资料本身物理性质的变物性型：依托敏感元件资料本身物理性质的变化来实现信号变换的。如水银温度计、压电式传感化来实现信号变换的。如水银温度计、压电式传感器等。器等。 构外型：依托传感器构造参数的变化而实现信号构外型：依托传感器构造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。转换的。如电容式传感器、电感式传感器等。 西南石油大学机电院西

4、南石油大学机电院 按传感器的能量转换情况分类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任务的，例如，热电偶温度计、弹象输入能量使其任务的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。性压力计等。 能量控制型：能量控制型传感器是从外部供应辅能量控制型：能量控制型传感器是从外部供应辅助能量使其任务的，并由被丈量来控制外部供应能助能量使其任务的，并由被丈量来控制外部供应能量的变化。例如，电阻应变丈量中，应变计接于电量的变化。例如，电阻应变丈量中，应变计接于电桥上，电桥任务能源由外部供应，而由于被丈量变桥上，电桥任务能源由外部供

5、应，而由于被丈量变化所引起应变计的电阻变化来控制电桥的不平衡程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度。如电感式测微仪、电容式测振仪等均属此种类型。型。 西南石油大学机电院西南石油大学机电院 按传感器的物理原理分：按传感器的物理原理分：u 电参量式传感器电参量式传感器u 压电式传感器压电式传感器u 磁电式传感器磁电式传感器u 光电式传感器光电式传感器u 气电式传感器气电式传感器u 热电式传感器热电式传感器u 射线式传感器射线式传感器u 波式传感器波式传感器u 半导体式传感器半导体式传感器u 其他原理传感器其他原理传感器 按传感器的输出量分：按传

6、感器的输出量分：u 模拟式模拟式u 数字式数字式 按转换过程能否可逆分：按转换过程能否可逆分：u 双向传感器双向传感器u 单向传感器单向传感器西南石油大学机电院西南石油大学机电院3.1.3. 3.1.3. 传感器的性能要求传感器的性能要求 灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系；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；噪声小，并且具有抗外部噪声的性能； 滞后、漂移误差小；滞后、漂移误差小； 动态特性良好；动态特性良好； 在接入丈量系统时，对被丈量不产生影响；在接入丈量系统时，对被丈量不产生影响； 功耗小，复现性好，有互换性；功耗小，复现性好，有互

7、换性； 防水及抗腐蚀等性能好，能长期运用；防水及抗腐蚀等性能好，能长期运用； 构造简单，容易维修和校正；构造简单，容易维修和校正； 低本钱、通用性强。低本钱、通用性强。西南石油大学机电院西南石油大学机电院3.1.4 3.1.4 传感器选用原那么传感器选用原那么 灵敏度：高，方向性灵敏度：高，方向性 线形范围：线形范围： 稳定性：稳定性： 准确度：准确度： 呼应特性：快，不失真呼应特性：快，不失真 测试方式：测试方式： 可靠性：可靠性： 体积、价钱、易维护性等体积、价钱、易维护性等西南石油大学机电院西南石油大学机电院选用传感器时应留意的问题：选用传感器时应留意的问题： 1.必需在任务频率范围内满

8、足不失真测试的条件。必需在任务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。传感器应有适当的灵敏度或分辨力。 留意：灵敏度越高越容易受噪声干扰，丈量范围留意：灵敏度越高越容易受噪声干扰，丈量范围越窄。因此同一种传感器常长做成一个系列。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：常用压电式加速度传感器的参数： 型号型号 量程量程 灵敏度灵敏度 分辨力分辨力 分量分量 运用及运用及特点特点 350B04 5000g 0.5mv/g 0.02g 4.5g 爆破、撞击爆破、撞击 393C 5g 1v/g 0.0001g 1000g 超低频地震传感器

9、超低频地震传感器西南石油大学机电院西南石油大学机电院 3. 足够的准确度足够的准确度 留意：准确度越高，价钱越高，对丈量环境要求留意：准确度越高，价钱越高，对丈量环境要求也越高。也越高。 4.高度的可靠性高度的可靠性 留意了解任务环境对传感器的影响。留意了解任务环境对传感器的影响。 5.对被测对象影响小对被测对象影响小 在传感器与被测对象建立衔接关系时，尽能够减在传感器与被测对象建立衔接关系时，尽能够减小对被测对象运转形状以及特性参数的影响，如质量小对被测对象运转形状以及特性参数的影响，如质量和体积要尽能够小，或选择非接触传感器。和体积要尽能够小，或选择非接触传感器。西南石油大学机电院西南石油

10、大学机电院3.2 3.2 压电式传感器压电式传感器 3.2.1 3.2.1 变换原理变换原理: :压电效应压电效应 +并联并联+串联串联 某些物质，如石英，遭到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，某些物质，如石英，遭到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，外表产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的而且内部会被极化，外表产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的形状，这种景象称为压电效应。形状，这种景象称为压电效应。F+西南石油大学机电院西南石油大学机电院 逆压电效应逆压电效应 假设在这些物质的极化方向施加电场，这些物质假设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活

11、力械变形或机械应力，当外电场就在一定方向上产活力械变形或机械应力，当外电场撤去时，这些变形或应力也随之消逝，这种景象称之撤去时，这些变形或应力也随之消逝，这种景象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。 压电资料压电资料 定义：明显呈现压电效应的敏感功能资料定义：明显呈现压电效应的敏感功能资料 p 压电单晶体：石英压电单晶体：石英p 多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷西南石油大学机电院西南石油大学机电院3.2.2 3.2.2 压电式传感器及其等效电路压电式传感器及其等效电路 当压电元件两电极间的压电当压电元件两电极间的压电陶瓷或石英为绝缘体，而两个任陶瓷或石英为绝缘体

12、，而两个任务面上进展金属蒸镀，构成金属务面上进展金属蒸镀，构成金属膜，因此就构成一个电容器。膜，因此就构成一个电容器。 丈量电路丈量电路 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。阻抗变换后，方可输入到后续仪表。 西南石油大学机电院西南石油大学机电院 前置放大器分为电压放大器和电荷放大器。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电压放大器：输出电压与输入电压成正比 特

13、点：构造简单、元件少、造价低廉、运用可靠，特点：构造简单、元件少、造价低廉、运用可靠，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；且低频频置放大器之间电缆长度的变化非常敏感；且低频频率呼应较差。率呼应较差。 电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比电荷放大器：输出电压与输入电荷成正比 优点：电缆长度变化可忽略，且低频呼应较好。优点：电缆长度变化可忽略，且低频呼应较好。 西南石油大学机电院西南石油大学机电院压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 3.2.3 3.2.3 压电式传感器的运用压电式传感器的运用西

14、南石油大学机电院西南石油大学机电院案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析西南石油大学机电院西南石油大学机电院3.3 3.3 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器任务原理是把被测物理量的变化电阻式传感器任务原理是把被测物理量的变化转换为电阻变化，再经相应的丈量电路显示或转换为电阻变化，再经相应的丈量电路显示或记录被丈量值的变化。记录被丈量值的变化。3.3.1 3.3.1 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 应变式传感器是基于丈量物体受力变形所应变式传感器是基于丈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产生应变的一种传感器，最常用的传感元件为电阻应变片。电阻应变片。 西南石油大学机电

15、院西南石油大学机电院 运用范围：可丈量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。 精度高，丈量范围广；精度高，丈量范围广； 运用寿命长，性能稳定可靠；运用寿命长，性能稳定可靠； 构造简单，体积小，分量轻；构造简单，体积小，分量轻； 频率呼应较好，既可用于静态丈量又可用于动态丈量；频率呼应较好，既可用于静态丈量又可用于动态丈量； 价钱低廉，种类多样，便于选择和大量运用。价钱低廉，种类多样，便于选择和大量运用。 应变式传感器特点：应变式传感器特点： 西南石油大学机电院西南石油大学机电院1 1 应变式传感器的任务原理应变式传感器的任务原理1) 1) 金属的电阻应变效应金属的电阻应变效应 电阻应变片任务

16、原理是基于金属导体的电阻应电阻应变片任务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活力械变形时，变效应，即金属导体在外力作用下发活力械变形时，其电阻值随着所受机械变形其电阻值随着所受机械变形( (伸长或缩短伸长或缩短) )的变化而的变化而发生变化的景象。发生变化的景象。 西南石油大学机电院西南石油大学机电院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金属应变片的电阻R R为为AlR/dAldAAldlAdR2代入代入AlR/dRAdARldlRdR金属丝长金属丝长l l，截面积，截面积A A，电阻率，电阻率，那么，那

17、么西南石油大学机电院西南石油大学机电院dAdAldlRdR有：有：金属丝：金属丝：2rAdrdrldlRdR2西南石油大学机电院西南石油大学机电院西南石油大学机电院西南石油大学机电院有：有：dvdvRdR)21(2形变效应形变效应压阻效应压阻效应/)21 (/0dvRdRS灵敏度系数灵敏度系数单位应变所引起的电阻相对变化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，即受的轴向应变是成正比的，即S0为常数，于是为常数，于是 ：0/SRdR通常金属电阻丝的通常金属电阻丝的S0=1.74.6。 西

18、南石油大学机电院西南石油大学机电院2) 2) 应变片的根本构造及丈量原理应变片的根本构造及丈量原理西南石油大学机电院西南石油大学机电院 应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体外表或应变式传感器是将应变片粘贴于弹性体外表或者直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件者直接将应变片粘贴于被测试件上。弹性体或试件的变形经过基底和粘结剂传送给敏感栅，其电阻值的变形经过基底和粘结剂传送给敏感栅，其电阻值发生相应的变化，经过转换电路转换为电压或电流发生相应的变化，经过转换电路转换为电压或电流的变化，即可丈量应变。假设经过弹性体或试件把的变化，即可丈量应变。假设经过弹性体或试件把位移、力、力矩、加速度、压力等物

19、理量转换成应位移、力、力矩、加速度、压力等物理量转换成应变，那么可丈量上述各量，而做成各种应变式传感变，那么可丈量上述各量，而做成各种应变式传感器。器。 西南石油大学机电院西南石油大学机电院金属电阻应变片分为：丝式、箔式和金属膜式。金属电阻应变片分为：丝式、箔式和金属膜式。3) 3) 电阻应变片的分类及资料电阻应变片的分类及资料 金属丝式应变片是用金属丝式应变片是用0.010.05mm的金属丝做成敏感栅，的金属丝做成敏感栅，有回线式和短接式两种。它制造简单、性能稳定、本钱低、有回线式和短接式两种。它制造简单、性能稳定、本钱低、易粘贴，但因圆弧部分参与变形，横向效应较大。易粘贴，但因圆弧部分参与

20、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。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堆积等方法，金属薄膜应变片是是采用真空蒸发或真空堆积等方法，在薄的绝缘基片上构成厚度在在薄的绝缘基片上构成厚度在0.1m以下的金属电阻资料薄膜以下的金属电阻资料薄膜的敏感栅，最后再加上维护层。它的优点是应变灵敏系数大，的敏感栅，最后再加上维护层。它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，任务范围广，可达允许电流密度大，任务范围广，可达197317。西南石油大学机电院西南石油大

21、学机电院应变计金属应变计金属应变计西南石油大学机电院西南石油大学机电院电阻应变式传感器的运用：电阻应变式传感器的运用：p 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。和应力。 西南石油大学机电院西南石油大学机电院p 将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一同构成应变式传将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一同构成应变式传感器。这种传感器常用来丈量力、位移、加速度等物理参数。感器。这种传感器常用来丈量力、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，再经过

22、应变片转换为电阻变化输出。应变，再经过应变片转换为电阻变化输出。西南石油大学机电院西南石油大学机电院1、根本任务原理、根本任务原理drdrldlRdR2简化为：简化为：dRdRE3.3.2 3.3.2 压阻式传感器压阻式传感器 压阻式传感器的任务原理是压阻效应，即半导压阻式传感器的任务原理是压阻效应，即半导体资料遭到应力作用时，其电阻率会发生变化。体资料遭到应力作用时，其电阻率会发生变化。机械变形引起电阻变化可忽略，电阻变化率主要由机械变形引起电阻变化可忽略，电阻变化率主要由 引起引起/d西南石油大学机电院西南石油大学机电院2、压阻式传感器的特点、压阻式传感器的特点n 压阻式传感器优点压阻式传

23、感器优点n 灵敏度非常高灵敏度非常高n 分辨率高分辨率高n 频率呼应高频率呼应高n 可丈量低频加速度和直线加速度可丈量低频加速度和直线加速度n 缺陷是温度误差大，故需温度补偿或恒温缺陷是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下运用。条件下运用。西南石油大学机电院西南石油大学机电院3、压阻式传感器的运用、压阻式传感器的运用压阻式传感器主要用于丈量压力和加速度等物理量。压阻式传感器主要用于丈量压力和加速度等物理量。 西南石油大学机电院西南石油大学机电院 电阻元件及电刷电阻元件及电刷( (活动触点活动触点) )两个根本部分组成。利用两个根本部分组成。利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器，可丈量电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器，可丈量位移及可以转换为位移的其它物理量参数，如压力、加速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。度等。1 1、变阻式传感器的构造及分类、变阻式传感器的构造及分类3.3.3 3.3