常用傳感器及其原理第一頁，共二十二頁，2022年，8月28日

常用傳感器

1概述電阻式傳感器★★★★★3電感式傳感器★★☆☆☆4電容式傳感器★★☆☆☆5壓電式傳感器★★☆☆☆6光纖傳感器★☆☆☆☆7鋼弦式傳感器★★★★☆8傳感器的選用原則★★★★★04二月2023第二頁，共二十二頁，2022年，8月28日1概述

一、傳感器的定義

傳感器是借助于檢測元件接收一種形式的信息，并按一定的規(guī)律將所獲取的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。一般也稱為變換器、換能器和探測器。傳感器獲取的信息可以為各種物理量、化學量和生物量，而轉(zhuǎn)換后的信息也可以有各種形式。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。在土木工程的非電量的電測法中，傳感器是把被測量的的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。傳感器是人類感官的擴展和延伸，借助傳感器，人類可以去探測那些無法直接用感官獲取的信息。例如，用超聲波探測器可以探測海水的深度，用紅外遙感器可以從高空探測地球上的植被和污染信況等等。04二月2023第三頁，共二十二頁，2022年，8月28日1概述

二、傳感器的組成

傳感器一般由敏感元件與輔助元件組成。

敏感器件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，并將信號進行必要的轉(zhuǎn)換輸出。

輔助元件一般指安裝、連接、支承敏感元件的一些輔助的裝置，如傳感器的殼體、引線等。傳感器的未來發(fā)展是與微處理器相結(jié)合，封裝在一個檢測器中形成一種新型的“智能傳感器”。它將具有一定的信號調(diào)理、信號分析、誤差校正、環(huán)境適應等能力，甚至具有一定的辨認、識別和判斷的功能。

04二月2023第四頁，共二十二頁，2022年，8月28日1概述

三、傳感器的分類

1、按被測物理量來分類（適用于使用者）根據(jù)被測物理量的種類不同，可分為位移傳感器、速度傳感器、力傳感器、溫度傳感器等。

2.按變換原理來分類（適用于研究者）按傳感器的變換原理，可分為以下兩種：

參量型：這種傳感器在感受到被測量后，輸出的不直接是電信號，而是與電量有關(guān)的自身參數(shù)變化的信號，因而稱之為參量型傳感器，如電阻式、電感式和電容式傳感器。

發(fā)電型：這種傳感器在感受到被測量后，輸出的直接是電信號，因而稱之為發(fā)電型傳感器，如壓電式傳感器。04二月2023第五頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

一、電阻式傳感器的分類電阻式傳感器的基本原理是將被測物理量的變化轉(zhuǎn)換成自身電阻值的變化,再經(jīng)相應的變換電路和裝置顯示或記錄被測量值的變化。電阻式傳感器按其工作原理可分為以下兩種：

1、變阻器式，又稱為電位器式。

2、應變片式，又分為金屬電阻應變式和半導體應變片式兩種。

04二月2023第六頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

二、變阻器式傳感器

1、工作原理

變阻器式傳感器的工作原理是將物體的位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化，由此再進一步轉(zhuǎn)換為電壓等電量的變化。常用變阻器式傳感器有直線位移型、角位移型和非線性型等，如下圖所示。

04二月2023第七頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

二、變阻器式傳感器

2、特點變阻器式傳感器的優(yōu)點是：(1)結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、重量輕、價格低廉且性能穩(wěn)定；(2)受環(huán)境因素(如溫度、濕度、電磁場干擾等)影響小；(3)可以實現(xiàn)輸出—輸入間任意函數(shù)關(guān)系；(4)輸出信號大，一般不需要放大。變阻器式傳感器的缺點是：(1)因為存在電刷與線圈或電阻膜之間的摩擦，因此需要較大的輸入能量；(2)由于磨損不僅影響使用壽命和降低可靠性，而且會降低測量的精度，所以分辨力較低；(3)動態(tài)響應較差，適合于測量變化較緩慢的物理量。

04二月2023第八頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

二、變阻器式傳感器3、應用變阻器式傳感器常用于角位移和線位移的測量。

下圖是測量線位移的變阻器式傳感器的結(jié)構(gòu)圖。被測位移使測量軸沿導軌軸移動時，帶動電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。精密電阻與電位器電阻構(gòu)成電橋測量電路，由此將被測位移量轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出。04二月2023第九頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

三、應變片式傳感器

1、應變片的組成

(1)敏感元件：感受應變并將其轉(zhuǎn)換為自身阻值的變化。一般用康銅、鎳鉻合金或半導體材料做成。它要用粘合劑牢牢地固定在基片上。

(2)基片：固定和保護敏感元件，并將應變準確的傳遞給敏感元件。材料可以是紙、膠膜、玻璃纖維布等。

(3)覆蓋層：保護敏感元件不受外界環(huán)境中灰塵、濕氣等的影響。

(4)引線：將敏感元件的阻值變化引入后接電路。04二月2023第十頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

三、應變片式傳感器

2、應變片的分類

(1)按敏感元件的材料分為金屬電阻應變片和半導體應變片兩大類。金屬電阻應變片根據(jù)敏感元件的形狀不同又分為絲式和箔式兩種。

(2)按用途分為一般應變片、應變花和特殊應變片。04二月2023第十一頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

三、應變片式傳感器

3、應變片的工作原理

(1)金屬電阻應變片

應變效應：金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。

推導：

04二月2023第十二頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

三、應變片式傳感器3、應變片的工作原理

(1)金屬電阻應變片

推導：

04二月2023第十三頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

三、應變片式傳感器3、應變片的工作原理

(1)金屬電阻應變片

推導：

04二月2023第十四頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

三、應變片式傳感器

3、應變片的工作原理

(2)半導體應變片

壓阻效應：單晶半導體材料沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率會發(fā)生變化的現(xiàn)象。

推導：

04二月2023第十五頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

三、應變片式傳感器

3、應變片的工作原理

(2)半導體應變片04二月2023第十六頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

三、應變片式傳感器

3、應變片的工作原理

(3)兩種應變片的比較工作原理不同：金屬電阻應變片基于機械變形引起電阻的變化；半導體應變片基于電阻率變化引起電阻的變化。靈敏度不同：金屬電阻應變片的靈敏度取決于泊松比的大小；半導體應變片的靈敏度取決于壓阻系數(shù)和彈性模量的大小。04二月2023第十七頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

三、應變片式傳感器4、應變片的應用

(1)直接應用將應變片粘貼于被測構(gòu)件上，直接用來測定構(gòu)件的應變和應力。例如，為了研究或驗證機械、橋梁、建筑等某些構(gòu)件在工作狀態(tài)下的應力、變形情況，可利用形狀不同的應變片，粘貼在構(gòu)件的預測部位，可測得構(gòu)件的拉、壓應力、扭矩或彎矩等，從而為結(jié)構(gòu)設(shè)計、應力校核或構(gòu)件破壞的預測等提供可靠的實驗數(shù)據(jù)。

04二月2023第十八頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

三、應變片式傳感器4、應變片的應用

04二月2023第十九頁，共二十二頁，2022年，8月28日2電阻式傳感器

三、應變片式傳感器4、應變片的應用

(2)間接應用將應變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應變式傳感器。這種傳感器常用來測量力、位移、