武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 1 第五章 常用传感器 5.1 概 述 5.2 电阻传感器 5.3 电容传感器 5.4 电感传感器 5.5 磁电传感器 5.6 压电传感器 5.7 磁敏传感器 5.8 传感器选用原则 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 2 5.1 概 述 1. 传感器(Sensor)定义 传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律 转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和 转换元件组成(GB766-87)。 狭义上，非电信号 电信号。 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 3 将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。 获得传感器信号的两种方法 直接获得电信号的变化（开关传感器）； 在非电量电测系统中的作用 F 敏感作用：感受并拾取被测对象的信号 F变换作用： 被测信号转换成易于检测和处理 的电信号 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 4 2. 传感器的分类 (1)按被测物理量分类 (2)按传感器元件的变换原理分类 位移传感器,流量传感器,温度传感器等. 电阻式,电容式,电感式,压电式,光电式等. 能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. 例如:电阻应变片. 能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现 敏感检测. 例如:超声波发生器和接受器. (3)按传感器的能量传递方式分类 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 5 3. 传感器的性能要求 工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力 与检测系统匹配性好，转换灵敏度高 精度适当，稳定性高 反应速度快，工作可靠性高 适应性和适用性强 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 6 4. 常见的被测物理量 机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数, 质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 7 电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。 按工作的原理可分为: F热敏式 F电阻应变式 F变阻器式 F光敏式 F湿敏式 5.2 电阻式传感器 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 8 1.可调电位器 为输出电压(V)； 为外加固定电压(V) ; 为材料的总电阻( ); 为固定端至滑块的电阻( ) 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 9 2.应变式电阻传感器 丝式应变片 箔式应变片 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 10 (1).应变效应 导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半 导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。 传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量 转换成电阻变化量的传感元件。 应变片受力 应变 比例关系 比例关系 应变片电阻的变化 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 11 (2).工作原理 式中，导线的电阻率，又称为电阻系数 金属导线的应变电阻效应： 当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减 小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即 长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 12 S由两部分组成： 前一部分(1+2)是由金属导线的几何变形引起的； 后一部分E除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属 本身的特性有关。 ：泊松系数，E:弹性模量，:纵向应变，:压阻系数 推导 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 13 金属应变片（不变） 金属应变计 半导体应变片（变化） 半导体应变计 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 14 (3). 应变片的主要参数 1) 几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL 表示。 2) 电阻值：应变计的原始电阻值。 3) 灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4) 其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 15 (4).金属电阻应变片 金属电阻应变片有: 1、丝式 2、箔式 3、薄膜式 优点:稳定性和温度 特性好. 缺点:灵敏度系数小. 应变计 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 16 (5).半导体应变片 优点：应变灵敏度大;体积小;能 制成具有一定应变电阻的元件. 缺点：温度稳定性和可重复性不 如金属应变片。 应变计 体型 薄膜型扩散型 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 17 立柱应力 桥梁应力 (6).应变式电阻传感器的应用 德国HBM电阻应变式传感器 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 18 质量传感器 位移传感器 加速度计 压力传感器 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 19 压力传感器 转矩传感器 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 20 3.其他电阻传感器 (1).热电阻传感器 利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电 阻效应制成的传感器。 温度(热量)的变化电阻的变化 温度检测 :-200+500 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 21 (2).热敏电阻传感器 圆形热敏电阻 柱形热敏电阻 珠形热敏电阻 热敏电阻在电路中的符号 非线性元件:它的温度-电阻关系是指数关系 温度为-50350 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 22 (3).光敏电阻传感器 (4).湿敏电阻传感器 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 23 5.3 电容式传感器 1. 变换原理 将被测物理量的变化转化为电容量变化。 两平行极板组成的电容器,它的电容量为: + + + A 当被测量、A或发生变化时，都会引起电容的变化 。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。 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 24 2. 分类 a) 极距变化型 + + + c) 介质变化型 b)面积变化型:平面线位移型,角位移型, 柱面线位移型 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 25 3. 灵敏度 a) 极距变化型 传感器的灵敏度近似为： 变极距电容传感器 平板电容器 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 26 传感器灵敏度 b)面积变化型 a)直线位移型 直线位移型 b)角位移型 传感器灵敏度 角位移型 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 27 c)介质变化型 介质常数变化型电容式传感器 大多用于测量电介质的厚度( 图a)、位移(图b)、液位(图c) 根据极板介质的介电常数随 温度、湿度、容量改变而改变 来测量温度、湿度、容量(图 d)等 。 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 28 4.电容式传感器的应用 振动测量 旋转轴的偏心量的测量 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 29 电容式氢液高度传感器 纱条均匀度测试仪 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 30 5.4 电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转 化为电感量的一种装置。 分类: 电感式传感器自感型可变磁阻型 涡流式 互感型 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 31 1. 可变磁阻式(自感型) 原理:电磁感应 W:线圈匝数； L1:软铁长度； 1：软铁磁导率； 0：空气磁导率 A1：铁芯导磁截面 A0：空气导磁截面 可变磁阻式传感器基本原理 1线圈 2. 铁芯 3. 衔铁 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 32 (1).间隙变化型 间隙变化型可变磁阻式传感器结构 当0 、A0固定不变，改变时，L 与呈非线形（双曲线）关系， L与的双曲线关系 传感器灵敏度： 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 33 (2).面积变化型 面积变化型可变磁阻式传感器结构 当0 、 固定不变，改变A0时 ，L与A0呈线形关系， 传感器灵敏度 L与A0的线形关系 =常数 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 34 (3).螺线管型 当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而 产生电感的变化。 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Technology 测试技术基础第五章 常用传感器 35 (4).差动型 变间隙型差动变压器 输出特性 传感器灵敏度 武汉理工大学机电工程学院 Wuhan University of Tech