第三章 常用的传感器

1、第三章通用传感器、正惠坪河北科技大学机械电子工程学院、内容摘要、基本概念、传感器分类传感器分类传感器机械传感器电阻传感器感应传感器感应传感器电容传感器压电传感器、磁电传感器热电传感器光电传感器光纤传感器半导体传感器半导体传感器红外测试系统激光测试系统传感器选择原理、基本概念、传感器直接作用于测量中的设备，根据一定规律将可转换为动态量或其他值输出的设备传感器的作用转换为测量指标，发送到测量系统的信号位于测试设备输入端的传感器根据传感器工作原理，按机械、电气、光学、流体对信号转换特性对物理类型进行分类，结构型根据敏感组件和被测量对象之间的能量关系对能量转换(手动传感器)、能量控制(主动传感器)输出

2、信号进行模拟、数字水银温度计：水银的热膨胀和收缩现象压力测量仪：石英晶体的压电效应结构传感器根据传感器结构参数的变化进行信号转换。电容式传感器：电极板距离电容变化电感传感器：电枢位移磁电感或互感传感器、返回、能量转换、能量控制传感器、能量转换(手动)传感器：直接从被测量对象输入能量并工作；热电偶温度计弹性压力计等，能量转换型(主动)传感器：通过从外部供给能量，使传感器工作，并测量外部供给能量的变化来控制。电阻应变计桥，返回，机械传感器1，工作原理：将弹性体作为传感器的敏感组件，输出为弹性组件本身的弹性变形。机械传感器2，特性：简单、可靠、易于使用、价格实惠、阅读直观。弹性变形不应很大，机械传动

3、受间隙影响，惯性大、固有频率低、应用速度慢或静态测量的测量频率范围的测量方法也由变形(位移)电信号测量，弹性元件、敏感元件、机械传感器3、自动检测、自动控制技术中广泛使用的小探头开关也被视为机械传感器。电阻传感器1，定义：将正在测量的传感器转换为电阻变化的传感器。分类(按工作原理):可变电阻(电位差计)传感器电阻应变计传感器金属电阻应变计半导体应变计、可变电阻传感器1、工作原理：位移可变电阻变化、电位器接触位置、可变电阻传感器2、骨骼形状、可变电阻传感器背面缺点是受电阻线直径的限制，所以分辨率不高。要提高分辨率，必须使用更细的电阻线，迂回更困难。因此，压敏传感器的分辨率很难超过20米。由于结构

4、特性，这个传感器仍然有很大的噪音。应用：用于直线位移、角度位移测量，用于伺服记录装置或电子电位器等。电阻应变传感器-金属电阻应变计1，工作原理：基于应变计发生机械变形时电阻发生变化。两种常用的导线和箔。电阻应变传感器-金属电阻应变计2、电阻应变传感器-金属电阻应变计3、电阻应变传感器-金属电阻应变计4、电阻应变计应变计应变系数或灵敏度、电阻应变传感器-金属电阻应变计5、制造应变计的电阻线的灵敏度为1.73.6或更高一般市面上的电阻拉伸器的标准电阻为60，120，350，600，1200等。其中120最常用。应变计的大小可以根据使用要求选择。常用电阻线材料的物理特性见表3-2。电阻应变传感器-半

5、导体应变计1，工作原理：基于半导体材料的压阻效应。压阻效应是指单晶半导体材料沿特定轴受外力作用时电阻率发生变化的现象。灵敏度比线电阻应变计大5070倍，电阻应变传感器-半导体应变计2，优点：高灵敏度、低机械滞环、小侧向效应和小体积缺点：温度稳定性差、高灵敏度分散(由晶体方向、杂质等因素引起)和大应变作用下的非线性误差常用的一些半导体材料特性表3-注：线电阻应变计和半导体应变计最大的区别是利用导体变形引起电阻器的变化，而利用半导体电阻变化引起电阻器的变化。电阻应变传感器应用实例1，直接用于结构的应变或应力测量，电阻应变传感器应用实例2，应变仪作为测量力、压力、加速度等物理参数的传感器附着在弹性元

6、件上。弹性元素与正在测量的变形成比例变形，然后从拉伸切换到电阻。电阻应变传感器应用注意事项，电阻应变计测量元件或弹性元件特定位置的变形，而不是应力、力或位移。粘合剂和粘合技术直接影响测量结果。在用于动态测量时，必须考虑应变计的动态响应特性。其中，最大应变计测量频率是使用的桥接器是电源的频率和应变计的基本长度。一般上限测量频率必须小于桥激励电源频率的1/51/10。默认长度越短，上限测量频率越高。正常基本长度为l0mm时，上限测量频率最高为25kHz。应采取适当的温度补偿措施，消除温度变化引起的错误。感应传感器、工作原理：将测量值(如位移)转换为电感变化的装置。其转换基于电磁感应原理。根据转换方

7、法，磁感类型(可变磁阻、涡流)互感(差动变压器类型)、感应传感器可变磁阻(磁感)1、线圈自感l、感应传感器可变磁阻(磁感)2、可变气隙自感传感器、小涡流磁场改变线圈的等效阻抗z。影响z的因素包括金属板的电阻率、磁导率和线圈临界源频率。变更其中一个因素，以达到其他测试目的。涡电流传感器测量电路1、阻抗分压幅度调制电路、涡电流传感器测量电路2、FM电路、涡电流传感器应用、用于动态非接触测量、测量范围1mm10mm、最大分辨率0.1m径向摆动、旋转轴错误行为、速度和厚度测量及部件数、表面裂纹和缺陷测量。感应传感器-差动变压器(互感)，工作原理：使用电磁感应的互感现象测量的位移量为线圈互感的变化，实质

8、上是变压器。差动变压器传感器工作原理，差动变压器传感器注意事项，输出电压为交流量，其振幅与核心位移成正比，输出电压只能反映核心位移的大小，如交流电压表所示，不反映移动方向。交流电压输出具有一定的零剩余电压。零剩余电压是由两个二次线圈结构不对称、一次线圈电阻、铁磁材料不均匀、线圈间分布电容器等形成的。因此，即使核心位于中间位置，输出也不是零。为此，需要差动直流输出电路反映铁心位移方向，补偿零剩余电压，并采用差动变压器传感器的后回路形式。，差动变压器传感器功能和应用，特性：高精度(可扩展到0.1米)，线性范围大(可扩展到100毫米)，稳定性好，使用方便；但是，最大实际测量频率受传感器中包含的机械结

9、构的限制。广泛应用于直线位移测量。电容传感器定义为可变因素可用于压力、重量测量：将测试的物理量转换为电能容量变化的装置。本质上是具有可变参数的电容器。工作方式：分类：极轴变化、面积变化和介质变化、电容传感器-极轴变化1，通常用于近似线性关系的小间距变化。典型范围大约为/=0.1。在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、线性性，克服特定外部条件(例如电源电压、环境温度等)的变化对测量精度的影响，经常采用差分方法。电容式传感器-极坐标变化类型2，优点：可动态非接触测量，对测试目标系统的影响较小；灵敏度高，适用于小位移(0.01数百微米)测量。缺点：存在线性误差，带传感器的杂散电容也影响灵敏度和测量精

10、度，与传感器一起使用的电子线也更加复杂。电容传感器面积变化类型2，电容传感器面积变化类型3，特征：输出和输入是线性的。但是，灵敏度比极轴变化类型低，适用于大的直线位移和角度位移测量。电容传感器介质变化型，测量使用介电介电常数的变化。可用于测量介质的水平或某些材料的厚度、温度和湿度等，也可用于测量空气的湿度。电容式传感器-测量电路1，1。桥类型电路、直流极化电路(用于电容式麦克风或压力传声器)、电容传感器-测量电路2、谐振电路、电容传感器-测量电路3、FM电路运算放大器电路、电容传感器-注意事项、注意事项：1)电容传感器具有很小的电气容量，通常为数十或数百PPS操作：减少传感器和测量电路之间的电

11、缆，将测量电路的一部分和传感器组合在一起，或使用专用驱动器电缆。压电传感器1，定义：将机械能转换为电能或将电能转换为机械能的可逆转换器。工作原理：使用特定材料的压电效应。基本概念：压电效应逆压电效应(电伸缩效应)、压电材料、常用压电材料主要可分为压电单晶、压电陶瓷和有机压电膜三类。压电单晶体是单晶，有常用的石英晶体(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)等。压电陶瓷使用多晶、钛酸钡(BaTiO3)、锆酸铅(PZT)等。聚合物压电薄膜最有名的是聚偏氟乙烯(PVdF)。压电传感器和等效电路，在测量静态批准静态量时，应使用极高负载的阻抗；适合动态测量，压电传感器测量电路1，前置放

12、大器输出电信号是很弱的电荷，传感器本身的内阻很大，因此输出能量很少，后电路有一些困难。为此，通常先将传感器信号发送到高输入阻抗的前导码。前导码的主要作用是压电传感器测量电路2，将传感器的高阻抗输出转换为低阻抗输出放大传感器输出的弱电信号，将前导码电路形式的电阻反馈电压放大器，输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比。(电缆长度和形状的变化会改变传感器灵敏度，影响测量结果)具有输出电压与输入电荷成比例的电容反馈的电荷放大器；(与特定条件下的电缆对接地电容无关)，压电传感器测量电路3，时，压电传感器应用，应用一般用于测量力、压力、振动的加速度，用于测量压电传感器类型压电力传感器，如声学(包括超声

13、波)和声发射：10-3N至104kN是；测量方向有单个或多个方向。压电压力传感器：1)膜片弹性元件的使用；2)使用活塞压电加速度传感器：必须使用系列产品(灵敏度、范围、大小差异)、敏感阈值10-6gn、注意事项、阻抗转换器或电荷放大器。已经有整合阻抗转换器和传感器的集成传感器，输出阻抗很低。在低频振动中，压电加速度计振源频率小，受灵敏度限制，输出信号弱，信噪比低。使用时，应选择水平灵敏度较小的传感器，以便使最小水平灵敏度方向和最大水平干涉力方向一致。需要定期校准压电传感器。磁电传感器，定义：一种将测量中的物理量转换为感应电动势的传感器，也称为电磁感应式或电传感器。工作方式：结构分类：动态圆、磁

14、阻、注意：线圈和磁场的相对速度、惯性测速仪工作原理、磁电传感器测量电路、不使用特殊延长线时的放大器输入电压、磁阻电磁传感器1、原理：线圈和磁铁不进行相对运动而移动的物体(导向材料)配置：由永磁体和绕组线圈组成。磁阻电磁传感器2，热电传感器，工作原理：将测量对象(主要是温度)转换为功率变化的设备。转换是基于金属的热电效应。分类(转换方式):热电偶热电阻传感器、热电偶1、工作方式：热电偶属于结构传感器；将两个不同的导体或半导体连接到图标的闭合回路，将两个触点分别放在t和T0(假定为TT0)的热源上，在该电路内产生被称为热电效应的热功率。热电偶2，温差电动势是同一导体两端温度不同的一种热电动势。热电

15、偶电路的特性，1)构成热电偶的电路的两个导体相同的情况下，无论两个触点温度如何，热电偶电路的总热电动势为零。2)热电偶2触点温度相同，即使导体a、b的材料不同，热电偶电路的总热电动势也为零。3)热电偶AB的热电势与导体材料AB的中间温度无关，仅与触点温度有关。热电偶电路的特性2，4)触点温度T1，T3处热电偶AB的热电动势等于触点温度T1，T2和T2，T3处热电偶热电动势的和。5)在热电偶回路中连接第三材料的引线的情况下，如果第三导体两端温度相同，第三导体的引入不会影响热电偶的热电动势，此特性称为中间导体的定律。6)温度为T1，T2时，由导体a，b组成的热电偶的热电动势等于交流电热电偶和CB热

16、电偶的热电动势之和。应用中间导体定律，热电偶分类，铂铑铂热电偶镍铬镍硅(镍铬镍铝)热电偶镍铬铜热电偶铂铑30铂铑6热电偶选择注意事项：温度测量范围，温度测量状态，热阻传感器，热阻传感器，利用随着温度变化的电阻而制造的传感器，主要用于测量温度和温度相关参数。根据热阻的性质，可分为金属热阻和半导体热阻两类，前者一般称为热阻，后者称为热阻。热电阻由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要组件组成，其中电阻体是热电阻最重要的部分。铂电阻，铜电阻等。热敏电阻半导体属于半导体传感器。光电传感器，定义：光电传感器是将光信号转换为电信号的传感器。在测量其他非电量时，首先将这些非电量的变化转换为光信号的变化。特点：结构简单、可靠性高、准确度高、非接触、反应快等优点广泛应用于各种自动检测系统。光电测量原理，光电传感器的工作依据是光电效应。每个光子具有的能量为h(光的频率，h=6.6262010-34JS是普朗克常数)。用光照亮