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1、常用传感器及其原理常用传感器及其原理第一页，讲稿共二十二页哦 常用传感器常用传感器 1 概述概述电阻式传感器电阻式传感器3 电感式传感器电感式传感器4 电容式传感器电容式传感器5 压电式传感器压电式传感器 6 光纤传感器光纤传感器7 钢弦式传感器钢弦式传感器8 传感器的选用原则传感器的选用原则 第二页，讲稿共二十二页哦1 1 概述概述 一、传感器的定义一、传感器的定义 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置将所获取的信息转换成另一种信息的装置。一般也称为。一般也称为变换器、换能变换器、
2、换能器和探测器器和探测器。传感器获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，传感器获取的信息可以为各种物理量、化学量和生物量，而转换后的信息也可以有各种形式。而转换后的信息也可以有各种形式。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。在土木工程的非目前，传感器转换后的信号大多为电信号。在土木工程的非电量的电测法中，传感器是把被测量的的非电信号转换成电信号电量的电测法中，传感器是把被测量的的非电信号转换成电信号的装置。的装置。传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可传感器是人类感官的扩展和延伸，借助传感器，人类可以去探测那些无法直接用感官获取的信息。以去探测那些无法直接用感官获取的信息。例如，
3、用超声波探测例如，用超声波探测器可以探测海水的深度，用红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和器可以探测海水的深度，用红外遥感器可以从高空探测地球上的植被和污染信况等等。污染信况等等。第三页，讲稿共二十二页哦1 1 概述概述 二、传感器的组成二、传感器的组成 传感器一般由传感器一般由敏感元件敏感元件与与辅助元件辅助元件组成。组成。敏感器件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，并是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。将信号进行必要的转换输出。辅助元件辅助元件一般指安装、连接、支承敏感元件的一些辅助的装置，一般指安装、连接、支承敏感元件的一些辅助的
4、装置，如传感器的壳体、引线等。如传感器的壳体、引线等。传感器的未来发展是与微处理器相结合，封装在一个检测器中形成传感器的未来发展是与微处理器相结合，封装在一个检测器中形成一种新型的一种新型的“智能传感器智能传感器”。它将具有一定的信号调理、信号分析、。它将具有一定的信号调理、信号分析、误差校正、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别和判断的功能误差校正、环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别和判断的功能。第四页，讲稿共二十二页哦1 1 概述概述 三、传感器的分类三、传感器的分类 1 1、按被测物理量来分类（适用于使用者）、按被测物理量来分类（适用于使用者）根据被测物理量的种类不同，可分为根
5、据被测物理量的种类不同，可分为位移传感器、速度传感位移传感器、速度传感器、力传感器、温度传感器器、力传感器、温度传感器等。等。2.2.按变换原理来分类按变换原理来分类（适用于研究者）（适用于研究者）按传感器的变换原理，可分为以下两种：按传感器的变换原理，可分为以下两种：参量型：参量型：这种传感器在感受到被测量后，输出的不直接是这种传感器在感受到被测量后，输出的不直接是电信号，而是与电量有关的自身参数变化的信号，因而称之为电信号，而是与电量有关的自身参数变化的信号，因而称之为参量型传感器，如参量型传感器，如电阻式、电感式和电容式电阻式、电感式和电容式传感器。传感器。发电型：发电型：这种传感器在感
6、受到被测量后，输出的直接是电这种传感器在感受到被测量后，输出的直接是电信号，因而称之为发电型传感器，如信号，因而称之为发电型传感器，如压电式压电式传感器。传感器。第五页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 一、电阻式传感器的分类一、电阻式传感器的分类 电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换成自身电电阻式传感器的基本原理是将被测物理量的变化转换成自身电阻值的变化阻值的变化,再经相应的变换电路和装置显示或记录被测量值的变化再经相应的变换电路和装置显示或记录被测量值的变化。电阻式传感器按其工作原理可分为以下两种：电阻式传感器按其工作原理可分为以下两种：1 1、变阻器式，、变阻器
7、式，又称为电位器式。又称为电位器式。2 2、应变片式，、应变片式，又分为金属电阻应变式和半导体应变片式两又分为金属电阻应变式和半导体应变片式两种。种。第六页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 二、变阻器式传感器二、变阻器式传感器 1 1、工作原理、工作原理 变阻器式传感器的工作原理是将物体的位移转换为电阻的变阻器式传感器的工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化，由此再进一步转换为电压等电量的变化。变化，由此再进一步转换为电压等电量的变化。常用变阻器式传感器有常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型直线位移型、角位移型和非线性型等，如下图所示。等，如下图所示。第七页，讲
8、稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 二、变阻器式传感器二、变阻器式传感器 2 2、特点、特点 变阻器式传感器的变阻器式传感器的优点优点是：是：(1)(1)结构简单、尺寸小、重量轻、结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定；价格低廉且性能稳定；(2)(2)受环境因素受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰如温度、湿度、电磁场干扰等等)影响小；影响小；(3)(3)可以实现输出可以实现输出输入间任意函数关系；输入间任意函数关系；(4)(4)输出信输出信号大，一般不需要放大。号大，一般不需要放大。变阻器式传感器的变阻器式传感器的缺点缺点是是：(1)(1)因为存在电刷与线圈或电阻因为存在电刷
9、与线圈或电阻膜之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；膜之间的摩擦，因此需要较大的输入能量；(2)(2)由于磨损不仅影响使由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性，而且会降低测量的精度，所以分辨力较低；用寿命和降低可靠性，而且会降低测量的精度，所以分辨力较低；(3)(3)动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的物理量。动态响应较差，适合于测量变化较缓慢的物理量。第八页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 二、变阻器式传感器二、变阻器式传感器 3 3、应用、应用 变阻器式传感器常用于变阻器式传感器常用于角位移和线位移角位移和线位移的测量。的测量。下图是测量线位移的变阻器式传感器的结构图。被测位
10、移使下图是测量线位移的变阻器式传感器的结构图。被测位移使测量轴沿导轨轴移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移测量轴沿导轨轴移动时，带动电刷在滑线电阻上产生相同的位移，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻构成电桥，从而改变电位器的输出电阻。精密电阻与电位器电阻构成电桥测量电路，由此将被测位移量转换为电桥的电压输出。测量电路，由此将被测位移量转换为电桥的电压输出。第九页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 1 1、应变片的组成、应变片的组成 (1)(1)敏感元件：敏感元件：感受应变并将其转换为感受应变并将其转换为自身阻值的变化。一般
11、用康铜、镍铬合金自身阻值的变化。一般用康铜、镍铬合金或半导体材料做成。它要用粘合剂牢牢地或半导体材料做成。它要用粘合剂牢牢地固定在基片上。固定在基片上。(2)(2)基片：基片：固定和保护敏感元件，并将应变固定和保护敏感元件，并将应变准确的传递给敏感元件。材料可以是纸、胶膜、准确的传递给敏感元件。材料可以是纸、胶膜、玻璃纤维布等。玻璃纤维布等。(3)(3)覆盖层：覆盖层：保护敏感元件不受外界环境中保护敏感元件不受外界环境中灰尘、湿气等的影响。灰尘、湿气等的影响。(4)(4)引线：引线：将敏感元件的阻值变化引入后接将敏感元件的阻值变化引入后接电路。电路。第十页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器
12、电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 2 2、应变片的分类、应变片的分类 (1)(1)按敏感元件的材料分为按敏感元件的材料分为金属金属电阻应变片电阻应变片和和半导体应变片半导体应变片两大类两大类。金属电阻应变片根据敏感元件金属电阻应变片根据敏感元件的形状不同又分为的形状不同又分为丝式丝式和和箔式箔式两种两种。(2)(2)按用途分为按用途分为一般应变片一般应变片、应应变花变花和和特殊应变片特殊应变片。第十一页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (1)(1)金属电阻应变片金属电阻应变片
13、应变效应：应变效应：金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值金属导体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随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。的变化而发生变化的现象。推导：推导：dRdAARdllRdRAlR 电电阻阻变变化化量量为为：金金属属导导体体发发生生变变形形，则则则则有有：给给定定金金属属导导体体,第十二页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (1)(1)金属电阻应变片金属电阻应变片 推导：推导：是压阻系数。是压阻系数。，电阻率的相对变化电
14、阻率的相对变化是泊松比。是泊松比。，横向应变横向应变纵向应变纵向应变，则有：，则有：若若 EddldlrdrrdrldldrdrldlRdRrA )2(2第十三页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 )21(21)21(RdREERdR，则有：，则有：对金属导体，对金属导体，综合以上各式可得：综合以上各式可得：三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (1)(1)金属电阻应变片金属电阻应变片 推导：推导：之间。之间。，一般在，一般在系数。系数。灵敏度，又称为应变灵敏度，又称为应变等。等。、标称阻值，有标称阻值，有结论：结论：3.61.721
15、12060 gggSSRSRR第十四页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (2)(2)半导体应变片半导体应变片 压阻效应：压阻效应：单晶单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其半导体材料沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率会发生变化的现象。电阻率会发生变化的现象。推导：推导：ERdREERdR，则则有有：对对半半导导体体，类类似似可可得得：半半导导体体材材料料与与金金属属导导体体21)21(第十五页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应
16、变片的工作原理、应变片的工作原理 (2)(2)半导体应变片半导体应变片倍。倍。，比金属电阻应变片大，比金属电阻应变片大系数。系数。灵敏度，又称为应变灵敏度，又称为应变等。等。、标称阻值，有标称阻值，有结论：结论：705012060ESSRSRRggg 第十六页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 3 3、应变片的工作原理、应变片的工作原理 (3)(3)两种应变片的比较两种应变片的比较 l工作原理不同：工作原理不同：金属电阻应变片基于机械变形引起金属电阻应变片基于机械变形引起 电阻的变化；半导体应变片基于电电阻的变化；半导体应变片基于电 阻率变
17、化引起电阻的变化。阻率变化引起电阻的变化。l灵敏度不同：灵敏度不同：金属电阻应变片的灵敏度取决于泊松金属电阻应变片的灵敏度取决于泊松 比的大小；半导体应变片的灵敏度取比的大小；半导体应变片的灵敏度取 决于压阻系数和弹性模量的大小。决于压阻系数和弹性模量的大小。第十七页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 4 4、应变片的应用、应变片的应用 (1)(1)直接应用直接应用 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、建筑等某些构件在工作状态。例如，为
18、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，可利用形状不同的应变片，粘贴在构件的预下的应力、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、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设测部位，可测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等，从而为结构设计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。计、应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据。第十八页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变片式传感器 4 4、应变片的应用、应变片的应用 第十九页，讲稿共二十二页哦2 2 电阻式传感器电阻式传感器 三、应变片式传感器三、应变
19、片式传感器 4 4、应变片的应用、应变片的应用 (2)(2)间接应用间接应用 将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参传感器。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，弹性元件将被测物理量转换为成正比变数。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应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。化的应变，再通过应变片转换为电阻变化输出。压阻式加速度传感器第二十页，讲稿共二十二页哦第二十一页，讲稿共二十二页哦振动式地音入侵探测器振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。现。第二十二页，讲稿共二十二页哦