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1、第三章第三章 常用传感器常用传感器主要研究内容：主要研究内容：1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.常用传感器测量原理常用传感器测量原理3.传感器选用传感器选用测测试试技技术术基基础础 3.1 概概 述述1.传感器传感器(Sensor)定义定义 传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律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。通常由转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件敏感元件和和转换元件转换元件组成组成(GB766-87)。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从目前，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
2、电信号转换成电信狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的器件或装置。号的器件或装置。第第三三章章常常用用传传感感器器传感器在非电量电测系统中的作用：传感器在非电量电测系统中的作用：F一是一是 敏感作用：敏感作用：感受并拾取被测对象的信号感受并拾取被测对象的信号F二是变换作用：二是变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电被测信号转换成易于检测和处理的电信号信号概概述述 获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变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）；将物理量变换成电信号的变化（水化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。位、压力等）。2.
3、传感器的分类传感器的分类(1)(1)按被按被测测物理量分物理量分类类:(2)(2)按按传传感器元件的感器元件的变换变换原理分原理分类类:位移位移传传感器感器,流量流量传传感器感器,温度温度传传感器等感器等.电电阻式阻式,电电容式容式,电电感式感式,压电压电式、光式、光电电式等式等.物性型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如例如:水银温度计水银温度计,压电测力计压电测力计.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.概概述述能量
4、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供给能量的变化从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如例如:电阻应变片电阻应变片.能量传递型能量传递型: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.例如例如:超声波发生器和接受器超声波发生器和接受器.(3)(3)按按传传感器的能量感器的能量传递传递方式分方式分类类:概概述述3.传感器的性能要求传感器的性能要求足够的容量足
5、够的容量匹配性好，转换灵敏度高匹配性好，转换灵敏度高精度适当，稳定性高精度适当，稳定性高反应速度快，工作可靠性高反应速度快，工作可靠性高适应性和适用性强适应性和适用性强概概述述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按工作的原理可分为:F热敏式热敏式F电阻应变式电阻应变式F变阻器式变阻器式F光敏式光敏式F电敏式电敏式3.2 电阻式传感器电阻式传感器第第三三章章常常用用传传感感器器 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变应变效应效
6、应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电，即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阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变的变化而发生变化的现象。化的现象。电电阻阻式式传传感感器器1)工作原理工作原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R为为电电阻阻式式传传感感器器(1)(1)金属金属应变应变片（片（不不变变）金属金属应变计应变计(2)(2)半半导导体体应变应变片（片（变变化）化）半半导导体体应变计应变计电电阻阻式式传传感感器器2)金属应变计金属应变计金属应变计有金属应变计有:丝式和丝式和箔式箔式优点优点:稳定性和温度稳定性和温度特性好特性好.缺点
7、缺点:灵敏度系数小灵敏度系数小.应变计电电阻阻式式传传感感器器3)半导体应变计半导体应变计优点：优点：应变灵敏度大应变灵敏度大;体积小体积小;能制成具有一定应变电阻的能制成具有一定应变电阻的元件元件.缺点：缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片温度稳定性和可重复性不如金属应变片。应变计电电阻阻式式传传感感器器体型体型薄膜型薄膜型扩散型扩散型 案例：案例：4)应用应用电电阻阻式式传传感感器器案例：案例：电子称电子称原理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量输出。德国HBM电阻应变式传感器 电电阻阻式式传传感感器器3.3 电容式传感器电容式传感器 1.变换原理变换原理:将被测量的
8、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两平行极板组组成的成的电电容器容器,它的它的电电容量容量为为:+A 当当被被测测量量、A或或发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电电容容的的变变化化。如如果果保保持持其其中中的的两两个个参参数数不不变变，而而仅仅改改变变另另一一个个参参数数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。第第三三章章常常用用传传感感器器2 分类分类 a)a)极距极距变变化型化型;+c)c)介介质变质变化型化型电电容容式式传传感感器器 b)b)面面积变积变化型化型:角位移型角位移型,平面平面线线位移型位移型,柱面柱
9、面线线位移型位移型.3 应用应用1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度2.位移，移动，位置，膨胀3.挠度，变形，波动，倾斜4.尺寸，公差，分选，零件识别5.冲击，应变，轴向振动6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心电电容容式式传传感感器器 3.4 电感式传感器电感式传感器 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。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流式涡流式互感型互感型第第三三章章常常用用传传感感器器1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式a)变间隙型原理原理:电磁感应电磁感应
10、电电感感式式传传感感器器b)变面积型c）螺线管型电电感感式式传传感感器器d)差动型电电感感式式传传感感器器2 涡流式涡流式原理原理:涡流效应涡流效应原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：电电感感式式传传感感器器a)高频反射式：（高频反射式：（集肤效应）集肤效应）电电感感式式传传感感器器b)低频透射式：（互感原理）低频透射式：（互感原理）案例：案例：连续油管的椭圆度测量连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：电电感感式式传传感感器器案例：案例：无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测
11、油管检测电电感感式式传传感感器器案例：案例：测厚测厚案例：案例：零件计数零件计数电电感感式式传传感感器器3 变压器式变压器式-差动变压器差动变压器工作原理工作原理:互感现象互感现象.电电感感式式传传感感器器应用应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：案例：板的厚度测量板的厚度测量 案例：案例：张力测量张力测量电电感感式式传传感感器器3.5 磁电式传感器磁电式传感器 1.变换原理变换原理:磁磁电电式式传传感器是把被感器是把被测测量的物理量量的物理量转换为转换为感感应电动应电动势势的一种的一
12、种转换转换器。器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势U U为为 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。第第三三章章常常用用传传感感器器2 分类分类 磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N磁磁电电式式传传感感器器3 动圈式传感器动圈式传感器 磁磁电电式式传传感感器器4 磁阻式传感器磁阻式传感器 磁磁电电式式传传感感器器5 应用应用b)测速电机测速电机a)磁电式车速传感器磁电式车速传感器磁磁电电式式传传感感器器3.6压电式传感器压电式传感器 1.变换原理
13、变换原理:压电效应压电效应 某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。第第三三章章常常用用传传感感器器压电效应压电效应q=DF压压电电式式传传感感器器F+2、测量电路、测量电路 a)a)电压放大器电压放大器压压电电式式传传感感器器 b)b)电荷放大器电荷放大器F+压压电电式式传传感感器器3 应用应用b)压力变送器压力变送器a)加速度计，力传
14、感器加速度计，力传感器 压压电电式式传传感感器器案例：案例：飞机模态分析飞机模态分析压压电电式式传传感感器器3.7传感器选用原则传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。1、灵敏度、灵敏度 一一般般说说来来，传传感感器器灵灵敏敏度度越越高高越越好好，但但在在确确定定灵灵敏敏度时，要考虑以下几个问题。度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。量程范围。c)交叉灵敏度问题。交叉灵敏度问题。第第三三
15、章章常常用用传传感感器器3 响应特性响应特性 传传感感器器的的响响应应特特性性是是指指在在所所测测频频率率范范围围内内，保保持持不不失真的测量条件。失真的测量条件。实实际际上上传传感感器器的的响响应应总总不不可可避避免免地地有有一一定定延延迟迟，但但总希望延迟的时间越短越好。总希望延迟的时间越短越好。2 线性范围线性范围 任任何何传传感感器器都都有有一一定定的的线线性性工工作作范范围围。在在线线性性范范围围内内输输出出与与输输入入成成比比例例关关系系，线线性性范范围围愈愈宽宽，则则表表明明传传感感器器的的工工作作量量程程愈愈大大。传传感感器器工工作作在在线线性性区区域域内内，是是保保证证测量精
16、度的基本条件。测量精度的基本条件。传传感感器器选选用用原原则则 4 稳定性稳定性 稳稳定定性性是是表表示示传传感感器器经经过过长长期期使使用用以以后后，其其输输出出特特性性不不发发生生变变化化的的性性能能。影影响响传传感感器器稳稳定定性性的的因因素素是是时时间间与环境。与环境。5 精确度精确度 传传感感器器的的精精确确度度是是表表示示传传感感器器的的输输出出与与被被测测量量的的对对应程度。应程度。6 测量方式测量方式 传传感感器器工工作作方方式式，也也是是选选择择传传感感器器时时应应考考虑虑的的重重要要因因素素。例例如如，接接触触与与非非接接触触测测量量、破破坏坏与与非非破破坏坏性性测测量量、在线与非在线测量等。在线与非在线测量等。传传感感器器选选用用原原则则