關(guān)于常用傳感器與敏感元件第一頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日3.1概述1.傳感器(Sensor)定義 傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。狹義上，非電信號(hào)→電信號(hào)。在非電量電測(cè)系統(tǒng)中的作用:敏感作用:感受并拾取被測(cè)對(duì)象的信號(hào)變換作用:被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于檢測(cè)和處理的電信號(hào)第二頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日2.傳感器的分類(lèi)(1)按被測(cè)物理量分類(lèi)

位移傳感器,力傳感器,溫度傳感器等.(2)按傳感器的工作原理分類(lèi)

機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.(3)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).

能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化.

例如:電阻應(yīng)變片.第三頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日工作范圍或量程應(yīng)足夠大，具有一定的過(guò)載能力與檢測(cè)系統(tǒng)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高精度適當(dāng)，穩(wěn)定性高反應(yīng)速度快，工作可靠性高適應(yīng)性和適用性強(qiáng)(4)按信號(hào)變換特征分類(lèi)物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換.

如:水銀溫度計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變.

例如:電容式和電感式傳感器.3.傳感器的性能要求第四頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日▲4.常見(jiàn)的被測(cè)物理量機(jī)械量:長(zhǎng)度，厚度，位移，速度，加速度，旋轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量，重量，力，壓力，真空度，力矩，流速，流量；聲:

聲壓，噪聲；磁:

磁通，磁場(chǎng)；溫度:

溫度，熱量，比熱；光：亮度，色彩第五頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日機(jī)械式傳感器一類(lèi)傳感器的統(tǒng)稱(chēng)，指只含有機(jī)械的轉(zhuǎn)換方式。把機(jī)械量轉(zhuǎn)換為另一種機(jī)械量的傳感器。（常常以彈性體作為傳感器的敏感元件）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：固有頻率低，可測(cè)頻帶窄，適用于測(cè)量緩慢變化或者靜態(tài)被測(cè)量。（為了提高頻帶，常與其它形式的傳感器聯(lián)合運(yùn)用）3.2機(jī)械式傳感器第六頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。按工作的原理可分為:

?變阻器式?電阻應(yīng)變式

?熱敏式

?光敏式

?濕敏式

3.3電阻式傳感器第七頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日R—總電阻;Rx—電刷電阻;1.變阻器式傳感器第八頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日2.應(yīng)變式電阻傳感器絲式應(yīng)變片箔式應(yīng)變片

半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬應(yīng)變片絲式、箔式半導(dǎo)體應(yīng)變片第九頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日比例關(guān)系

應(yīng)變片受力

應(yīng)變

比例關(guān)系

應(yīng)變片電阻的變化

(1)應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形而引起導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變效應(yīng)。傳感元件：電阻應(yīng)變片，它是一種把被測(cè)試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的傳感元件。第十頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日(2)工作原理式中，r—導(dǎo)線的電阻率，又稱(chēng)為電阻系數(shù)金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)：

當(dāng)金屬絲由于受到軸向力P而伸長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)度增長(zhǎng)，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如細(xì)絲因受壓力而縮短，即長(zhǎng)度變短，截面積變粗時(shí)，則電阻就減小。第十一頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)變片受力后，電阻的變化dR

則兩邊同除以R，同時(shí)R=rl/A，則dl/l=e

——金屬導(dǎo)線長(zhǎng)度的相對(duì)變化，稱(chēng)縱向應(yīng)變。

dr/r——導(dǎo)線電阻率的相對(duì)變化。

dA/A——導(dǎo)線截面積的相對(duì)變化，稱(chēng)為橫向應(yīng)變。

第十二頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日對(duì)于圓形截面積的導(dǎo)線，若半徑為r，則橫向應(yīng)變dr/r和縱向應(yīng)變dl/l之比稱(chēng)為泊松比，即故

第十三頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日E為導(dǎo)線材料的彈性模量，l為壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)。則已知當(dāng)導(dǎo)體材料確定后，m、l、E均為常數(shù)，則(1+2m+lE)為常數(shù)。靈敏度為：應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化率dR/R與應(yīng)變e之間是線形關(guān)系第十四頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日S由兩部分組成：

前一部分(1+2m)單由金屬導(dǎo)線的幾何尺寸變化引起的；后一部分lE是電阻率隨應(yīng)變而引起變化的部分，它除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。

返回第十五頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日<1>金屬應(yīng)變片（不變）金屬應(yīng)變計(jì)<2>

半導(dǎo)體應(yīng)變片（變化）半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)第十六頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日(3)應(yīng)變片的主要參數(shù)1)幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用b×L

表示。2)電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。

3)靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。4)其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。第十七頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日(4)金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)有:

1、絲式

2、箔式

優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點(diǎn):靈敏度系數(shù)小.第十八頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日體型薄膜型擴(kuò)散型(5)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件.缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。第十九頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日立柱應(yīng)力

橋梁應(yīng)力

德國(guó)HBM電阻應(yīng)變式傳感器

(6).應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用第二十頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日壓力傳感器

質(zhì)量傳感器

位移傳感器

加速度計(jì)

第二十一頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日壓力傳感器

扭矩傳感器

第二十二頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日案例：沖床生產(chǎn)記數(shù)和生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)測(cè)第二十三頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日溫度(熱量)的變化電阻的變化溫度檢測(cè)

:-200℃～+500℃

3.其他電阻傳感器(1).熱電阻傳感器

利用導(dǎo)電物體電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度電阻效應(yīng)制成的傳感器。第二十四頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日?qǐng)A形熱敏電阻柱形熱敏電阻珠形熱敏電阻熱敏電阻在電路中的符號(hào)(2).熱敏電阻傳感器非線性元件:它的溫度-電阻關(guān)系是指數(shù)關(guān)系

溫度為-50℃～＋350℃第二十五頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日▲(3)光敏電阻傳感器

(4)濕敏電阻傳感器

第二十六頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日變換原理將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:當(dāng)被測(cè)量d、A或

e

發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。+++

A

3.4電容式傳感器第二十七頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日2.分類(lèi)

c)介質(zhì)變化型a)極距變化型+++

b)面積變化型:平面線位移型,角位移型,柱面線位移型第二十八頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日3.靈敏度

a)極距變化型傳感器的靈敏度近似為：平板電容器第二十九頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日一般取極距變化范圍為極距減小當(dāng)極距增加第三十頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日變極距型電容傳感器（差動(dòng)結(jié)構(gòu)）實(shí)際應(yīng)用中，常把電容傳感器作成差動(dòng)結(jié)構(gòu)，如圖所示。則上半部間隙變?yōu)?/p>

下半部間隙變?yōu)?/p>

相應(yīng)地電容變化為

總的電容變化量差動(dòng)結(jié)構(gòu)的電容傳感器靈敏度提高一倍，而非線性度顯著降低。第三十一頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日振動(dòng)測(cè)量

旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測(cè)量

變極距型電容傳感器的應(yīng)用第三十二頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日第三十三頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日傳感器靈敏度b)面積變化型a)直線位移型

直線位移型b)角位移型

傳感器靈敏度角位移型第三十四頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日電容量當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度變化時(shí)，電容量發(fā)生變化，其靈敏度常數(shù)圓柱體線位移型第三十五頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日介質(zhì)常數(shù)變化型電容式傳感器c)介質(zhì)變化型大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)根據(jù)極板介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量(圖d)等。第三十六頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日變介電常數(shù)型電容傳感器（電容式液位計(jì)）

電容器總電容等于氣體介質(zhì)中的電容與液體介質(zhì)中的電容之和。其靈敏度第三十七頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日電感式傳感器自感型

可變磁阻型

渦流式互感型3.5電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量變化的一種裝置。分類(lèi):第三十八頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日1.可變磁阻式(自感型)原理:電磁感應(yīng)W：線圈匝數(shù)；

l：軟鐵長(zhǎng)度；m：軟鐵磁導(dǎo)率；m0：空氣磁導(dǎo)率A：鐵芯導(dǎo)磁截面A0：空氣導(dǎo)磁截面可變磁阻式傳感器基本原理1.線圈2.鐵芯3.銜鐵第三十九頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日(1).間隙變化型間隙變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)

當(dāng)m0

、A0固定不變，改變d時(shí)，L與d呈非線形（雙曲線）關(guān)系.

L與d的雙曲線關(guān)系

傳感器靈敏度：第四十頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日

測(cè)量范圍允許在0.001mm~1mm之間。lδ銜鐵Δδ第四章常用傳感器第四十一頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日差動(dòng)式電感傳感器圖4-12變氣隙差動(dòng)式電感傳感器第四章常用傳感器第四十二頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日(2).面積變化型面積變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)

當(dāng)m0

、d固定不變，改變A0時(shí)，L與A0呈線形關(guān)系.傳感器靈敏度L與A0的線形關(guān)系=常數(shù)第四十三頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日(3).螺線管型

當(dāng)其它參數(shù)不變，僅改變l，使Rm變化，從而產(chǎn)生電感的變化。

第四十四頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)金屬板置于變化磁場(chǎng)中或者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱(chēng)為渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率r、磁導(dǎo)率m、厚度t，以及金屬板與線圈距離、激勵(lì)電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。渦流式電感傳感器可分為

1）高頻反射式

2）低頻透射式2.渦流式電感傳感器第四十五頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日原線圈的等效阻抗Z變化：(1).高頻反射式（集膚效應(yīng)）

高頻反射式渦流傳感器第四十六頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日(2).低頻透射式（互感原理）低頻透射式渦流傳感器e2隨材料厚度增加變化的規(guī)律第四十七頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日3.渦流式傳感器的應(yīng)用案例：位移、振幅、軸心軌跡的測(cè)量徑向振動(dòng)的測(cè)量構(gòu)件振幅的測(cè)量構(gòu)件振型的測(cè)量軸心軌跡的測(cè)量第四十八頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日其中，n為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速；f為脈沖頻率；z為轉(zhuǎn)軸上的槽數(shù)或齒數(shù)。案例:轉(zhuǎn)速的測(cè)量第四十九頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日案例：測(cè)厚案例：零件計(jì)數(shù)第五十頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日案例：無(wú)損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。

火車(chē)輪檢測(cè)油管檢測(cè)第五十一頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日3.變壓器式--差動(dòng)變壓器工作原理：互感現(xiàn)象.第五十二頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日應(yīng)用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;

壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭矩,

應(yīng)力,動(dòng)力;氣壓,溫度;振動(dòng),速度,加速度;等.▲案例：板的厚度測(cè)量

~第五十三頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日3.6磁電傳感器

1.變換原理

磁電式傳感器是把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為

磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

第五十四頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日2.分類(lèi)

磁電式

動(dòng)圈式

磁阻式

線速度型角速度型

N

第五十五頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日3.動(dòng)圈式傳感器

l:每匝線圈的平均長(zhǎng)度；B:線圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；A:每匝線圈的截面積；q:線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角；k:傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)；w:角速度。第五十六頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日4.磁阻式傳感器

第五十七頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日5.磁電傳感器的應(yīng)用

測(cè)速電機(jī)

磁電式測(cè)速傳感器

第五十八頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日測(cè)頻數(shù)測(cè)轉(zhuǎn)速偏心測(cè)量振動(dòng)測(cè)量▲第五十九頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日3.7壓電傳感器

1.變換原理

某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。第六十頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日壓電效應(yīng)式中，q為電荷[量]；D為壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；F為作用力。q=DF晶片電荷極性與受力方向關(guān)系第六十一頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日ea：開(kāi)路電壓；q:壓電晶片表面上的電荷；Ca

為壓電晶片的電容。2.測(cè)量電路

等效電荷源

Cc:分布電容；Ri:輸入電阻；Ra:漏電阻；Ci:輸入電容第六十二頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日壓電式傳感器突出的特點(diǎn)是固有頻率高，可測(cè)頻帶寬，此外，還具有體積小、重量輕、精確度與靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。在測(cè)量加速度和動(dòng)態(tài)力等方面得到了廣泛地應(yīng)用。在用作加速度和力傳感器時(shí)，可測(cè)頻率范圍從0.1Hz～20kHz，可測(cè)振動(dòng)加速度值達(dá)（10-2～105）ms-2。壓電式傳感器輸出電荷q很少，內(nèi)阻Ra很大，輸出信號(hào)很弱小，因此要進(jìn)行處理：放大微弱的壓電信號(hào)電壓放大器電荷放大器(1).主要作用第六十三頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日放大器的輸入電壓：系統(tǒng)的輸出電壓為：

系統(tǒng)的靈敏度為：當(dāng)電纜長(zhǎng)度變化時(shí)，Cc變化，ei變化，系統(tǒng)的靈敏度發(fā)生變化，此時(shí)測(cè)試比較困難(2).電壓放大器第六十四頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日當(dāng)略去傳感器的漏電阻Ra時(shí)

qt≈ei(Ca+Cc+Ci)

當(dāng)略去電荷放大器的輸入電阻Ri的影響時(shí)qf≈(ei-ey)Cf

則整個(gè)電路中的電荷為：

q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

式中，ei為放大器的輸入端電壓；ey為放大器輸出端電壓；Cf為電荷放大器的反饋電容。(3).電荷放大器第六十五頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日ey=-Kei

其中，K為放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù)q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

所以開(kāi)環(huán)增益K足夠大系統(tǒng)的靈敏度為：在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜的分布電容無(wú)關(guān)；系統(tǒng)輸出靈敏度取決于反饋電容，所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電容ei=(q+eyCf)/(C+Cf)返回第六十六頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日3.壓電傳感器的應(yīng)用壓力變送器加速度計(jì)，力傳感器

第六十七頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日壓電式壓力傳感

壓電式壓力傳感器特性

第六十八頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日阻抗頭的結(jié)構(gòu)原理圖

阻抗頭的安裝結(jié)構(gòu)

▲第六十九頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日3.8磁敏傳感器

1.半導(dǎo)體霍爾元件霍爾效應(yīng)

當(dāng)半導(dǎo)體中流過(guò)一個(gè)電流時(shí)，若在與該電流垂直的方向上外加一個(gè)磁場(chǎng)，則在與電流及磁場(chǎng)分別成直角的方向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓。這種現(xiàn)象也稱(chēng)為霍爾效應(yīng)

。霍爾效應(yīng)原理圖

第七十頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體霍爾元件的結(jié)構(gòu)

第七十一頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日半導(dǎo)體磁敏電阻

半導(dǎo)體磁敏電阻的結(jié)構(gòu)(蛇形元件)

利用磁場(chǎng)造成的電流偏轉(zhuǎn)使元件阻抗增加這種特點(diǎn)制成的雙端磁敏傳感器。第七十二頁(yè)，共八十頁(yè)，2022年，8月28日磁性體磁敏電阻

利用強(qiáng)磁材料的磁場(chǎng)異向性制成的磁敏元件。

磁