第二部分 信号的检测
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2.2 常用传感器
2.2.1 传感器概述 2.2.2 电阻式传感器 2.2.3 电感式传感器 2.2.4 电容式传感器 2.2.5 压电式传感器 2.2.6 磁电式传感器 2.2.7 半导体传感器 2.2.8 工程中的新型传感器 2.2.9 传感器的选用原则
2.2 常用传感器 2.2.1 传感器概述 1. 传感器定义
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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。 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电信号转换成电信号的装置。
物理量
电量
1
2.2.1 传感器概述
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2. 传感器的构成
传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。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，并对信 号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号 进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。
V
2.2.1 传感器概述
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3. 传感器的用途
1)人类认识世界需要获取信息； 2) 人类感官获取信息存在局限性
(1)人类通过感觉器官直接获取信息的实验表明,大脑的吸收率分别为：视 觉—83%；听觉—11%；嗅觉—3.5%；触觉—1.5%；味觉—1%。 (2)人类感官获取信息的局限性源于人的感官和大脑具有过滤信息的本能。 (a)感官机能 视觉器官只接收0.38～0.78μm的光信号，听觉器官只接收 20～20kHz声信号。 (b)智力（或知识）结构 同一信源发出的信息，所产生的效果因人而 异。与人的智力、知识结构、职业、爱好、年龄等因素相关。 (c)理性作用 人的一生，每时每刻都在接受信息。然而，接受信息的方式 因人而异，一种是非自觉的，只单凭自身实践；而另一种则是主动积极地 思维。例如，一个懒汉与一个立志成才的人的差异。
2
2.2.1 传感器概述
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4. 传感器的分类
(1)按被测物理量分类: 位移,力,温度等. (2)按工作的物理基础分类: 机械式,电气式,光学式,流体式等. (3)按信号变换特征: 物性型,结构型. (4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: 能量转换型和能量控制型.
4. 传感器的分类
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A 物性型与结构型传感器 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. 例如:水银温度计,压电测力计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.
B 能量转换型和能量控制型传感器 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.
3
2.2.1 传感器概述
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5. 机械工程领域中常见的被测物理量
? 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
2.2 常用传感器
2.2.2 电阻式传感器
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? 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:变阻器式、电阻应变式、热敏式、 光敏式、电敏式. ?1. 变阻器式传感器 (1) 工作原理 2 1
直线型
3
1 2 3
旋转型
4
2.2.2 电阻式传感器
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? 等效电路分析: Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量. 2 1 x xp 3 Ein Rx
Ein 1+
R p ? Rx Rx RL Rx + RL
Rp-Rx Eout RL
Eout = = =
100%
负载效应
Output
Ein
R p R p Rx + ? RL Rx RL
Ein
xp x R + ( Rp L
)(1? xx )
p
0 0 x 100%
1. 变阻器式传感器 (2) 变阻器式传感器的性能参数:
1) 线性(或曲线的一致性); 2) 分辨率; 3) 整个电阻值的偏差;
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4) 移动或旋转角度范围; 5) 电阻温度系数; 6) 寿命;
单圈电位器 单圈电位器 多圈电位器 多圈电位器 直线滑动式电位器 直线滑动式电位器
(3)变阻器式传感器的分类
变阻器 变阻器
按电阻元件分 按电阻元件分
线绕电位器 线绕电位器 金属陶瓷电位器 金属陶瓷电位器 导电塑料电位器 导电塑料电位器
混合式电位器 混合式电位器
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1. 变阻器式传感器 (4)变阻器式传感器的特点
电阻器
绕线式
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制作
直径 0.012 -0.1mm 的镍 铬合金的精密电阻丝绕 在绝缘的薄膜铜丝或绝 缘胶木板等卷芯上而制 作 电阻胶印在陶瓷基板 上 ,并用高温烧制而成 .
特点
电阻温度系数非常好， 为 ± 5-20*10 -6/0C; 精度 , 稳定性 , 重复性比 薄模式好 ,分辨力低于薄模式 .
金属陶瓷式
分辨力高 ,环境适应性强前 , 电阻温度 . 200*10 -6/0C 左右 系数 ,为 ±
导电 -塑料式 将基板的树脂与电阻墨 制成一体 , 获将电阻胶 涂于薄膜基片上 . 混合式 导电性树脂涂于限绕式 电阻元件上
分辨力 , 寿命 , 高速现响应特性好 , 电阻 400*10 -6/0C 温度系数为 ±
- 塑料式的优点 , 兼有绕线式和导电 150*10 -6/0C 电阻温度系数为 ±
1. 变阻器式传感器 (5) 应用 案例： 重量的自动检测--配料设备
原材料 原材料
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原理 用弹簧将力转换为位移;再用变 阻器将位移转换为电阻的变化
比较
重量设定 重量设定
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1. 变阻器式传感器 案例：煤气包储量检测
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特点： （1）测量量程大； （2）防爆； （3）可靠； （4）成本低。 钢丝
煤气包
原理 直接将代表煤气包储量的高度 变化转换为钢丝的电阻变化
1. 变阻器式传感器
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案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）
原理 直接将关节驱动电机的转动角 度变化转换为电阻器阻值变化
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2.2.2 电阻式传感器 2. 电阻应变式传感器--应变片
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金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效 应，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(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。
2. 电阻应变式传感器--应变片
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1) 工作原理
金属应变片的电阻R为
R = ρl A
金属应变计
(1)
当ρ不变时
?R ?l
dR =
dl + ?R dA = R(1 + 2υ )ε ?A
(2)当ρ变化时
半导体应变计
dR =
?R ?ρ
l dρ = A dρ = R dρρ = RλEε
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应变计
2. 电阻应变式传感器--应变片
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2) 金属应变计
? 金属应变计有: ? ? ? ? 丝式和 箔式 优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小.
应变计
2. 电阻应变式传感器--应变片
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3) 半导体应变计
? 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。
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2. 电阻应变式传感器--应变片 4) 应变片的主要参数
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(1) 几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L 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）。
2. 电阻应变式传感器--应变片 5) 应用 案例：桥梁固有频率测量
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原理 在桥中设置一三角形障碍物，利 用汽车碍时的冲击对桥梁进行激 励，再通过应变片测量桥梁动态 变形，得到桥梁固有频率。
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2. 电阻应变式传感器--应变片 案例：电子称
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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。
2.2 常用传感器 2.2.3 电感式传感器
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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
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2.2.3 电感式传感器
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1. 自感型--可变磁阻式
原理: 电磁感应
L=
N 2 μ 0 A0 2δ
a)可变导磁面积型
b）差动型
δ
c）单螺管线圈型
d）双螺管线圈差动
1. 自感型--可变磁阻式 双螺管线圈差动型传感器及测量电路
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交流电桥
~
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2.2.3 电感式传感器
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2. 自感型--涡流式
原理:涡流效应 原线圈的等效阻抗Z变化：
Z = Z (δ , ρ , μ , ω )
2. 自感型--涡流式
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优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。 应用：位移、力、振动测量，NDT，测厚,材质判别 案例： 连续油管的椭圆度测量 原理：
Eddy Sensor
Reference Circle
Coiled Tube
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2. 自感型--涡流式 案例： 无损探伤 火车轮检测
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原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。
油管检测
2. 自感型--涡流式 案例： 测厚
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案例： 零件计数
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2.2.3 电感式传感器
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3. 互感型--差动变压器
工作原理:互感现象.
W1 W W2
Eout Ew -x
Es
x
3. 互感型--差动变压器
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测量电路
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3. 互感型--差动变压器
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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：板的厚度测量 案例：张力测量
~
2.2 常用传感器 2.2.4 电容式传感器
1.变换原理:
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将被测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:
C =
ε 0εA δ
ε
+ + +
A
δ
当被测量δ、S或ε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。
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2.2.4 电容式传感器
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2. 分类
a) 极距变化型;
+ + +
C =
ε 0εA δ
b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型.
+ + + + + +
c) 介质变化型
2.2.4 电容式传感器 3 测量电路 a) 电桥电路
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b) 谐振电路
c) 调频电路 d) 运算放大器电路
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2.2.4 电容式传感器
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4. 应用
案例：电容传声器 案例:液面高度测量
2.2 常用传感器 2.2.5 压电式传感器
1.变换原理: 压电效应
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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，而且内部也会被极化，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。
+
F
+
并联
+
q=DF
串联
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2.2.5 压电式传感器
2、测量电路
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压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器 信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变 换后，方可输入到后续显示仪表中。
2.2.5 压电式传感器 3. 应用
a) 加速度计，力传感器
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b) 压力变送器
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2.2.5 压电式传感器
案例：飞机模态分析
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2.2 常用传感器 2.2.6 磁电式传感器
1.变换原理:
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磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动 势的一种转换器。 感应线圈的感应电动势U为
U = ?N
dφ dt
, φ = B ? S ? cos θ , dφ ∝ ( B, Rm ,υ ) dt
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。
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