第三章常用传感器与敏感元件优秀课件

第三节 电阻、电容与电感式传感器
一、电阻式传感器 电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。
按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。 1．变阻器式传感器
a）直线位移型 b）角位移型 c）非线性型
变阻器式传感器通过改变电位器触头位置，实现将位移 转换为电阻的变化。其表达式为
R l
A
▲直线位移型
结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转 变的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量 的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。
按敏感元件与被测对象之间的能量关系分：
能量转换型传感器与能量控制型传感器。
能量转换型传感器，也称无源传感器，是直接由被测对象输 入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。 在这种情况下，由于被测对象与传感器之间的能量交换，必 然导致被测对象状态的变化和测量误差。
优点：体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。
缺点：温度稳定性能差，在较大应变作用下，非线性误差大等。
应用：用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。
（2）半导体应变片
1—胶膜衬底 2—P-Si 3—内引线 4—焊接板 5—外引线
工作原理:是基于半导体材料的压阻效应。
压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时， 原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度
的变化，从而引起电阻率 变化的现象。
x RL
xp
优点：是结构简单、性能稳定、使用方便。 缺点：是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。
应用：用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录 仪器或电子电位差计等。 2．电阻应变式传感器 电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式 两类。 （1）金属电阻应变片 工作原理：应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。
表3-1汇总了机械工程中常用传感器的基本类型及其名称、被测量、性能 指标等。
第二节 机械式传感器及仪器
机械式传感器应用很广。在测试技术中，常常以弹性体作 为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物 理量，而输出则为弹性元件本身的弹性变形(或应变)。这种变 形可转变成其他形式的变量。例如被测量可放大而成为仪表指 针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。
另一类传感器是以外信号(由辅助能源产生)激励被测对象， 传感器获取的信号是被测对象对激励信号的响应，它反映了 被测对象的性质或状态。例如，超声波探伤仪、γ射线测厚 仪、X射线衍射仪等。
需要指出的是，不同情况下，传感器可能只有一个，也可 能有几个换能元件，也可能是一个小型装置。例如，电容式 位移传感器是位移-电容变化的能量控制型传感器，可以直接 测量位移。而电容式压力传感器，则经过压力-膜片弹性变形 (位移)-电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量-机 械量的换能件，由它实现第一次变换；同时它又与另一极板 构成电容器，用来完成第二次转换。再如电容型伺服式加速 度计（也称力反馈式加速度计），实际上是一个具有闭环回 路的小型测量系统。这种传感器较一般开环式传感器具有更 高的精确度和稳定性。
传感器有多种分类方法。
按被测物理量的不同分：
位移传感器、力传感器、温度传感器等。
按传感器工作原理的不同分： 机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感 器等。
按信号变换特征分：
物性型传感器与结构型传感器。
物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实 现信号变换的。例如，水银温度计是利用了水银的热胀冷缩 性质；压力测力计利用的是石英晶体的压电效应等。
金属丝电阻应变片
1一电阻丝 2—基片 3一覆盖层 4—引出线
金属箔式应变片
a）单轴 b）测扭矩 c）多轴 d）平行轴多栅 e）同轴多栅
电阻丝的电阻值
R l A
电阻丝即随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化
dR R ld l R AdA Rd
Ar2
或
dRRdl l2rdrd
dl l
d E
能量控制型传感器，也称有源传感器，是从外部供给能量使 传感器工作的，并且由被测量来控制外部供给能量的变化。 例如，电阻应变计中电阻接于电桥上，电桥工作能源由外部 供给，而由被测量变化所引起电阻变化来控制电桥输出。电 阻温度计、电容式测振仪等均属此种类型。
按输出信号类型分：
模拟式传感器和数字式传感器等。
优点：具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直 观等。
缺点：惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测 量。
近年来，在自动检测、自动控制技术中广泛应用的微型 探测开关亦被看做机械式传感器。这种开关能把物体的运动、 位置或尺寸变化，转换为接通、断开信号。
a）测力计 b）压力计 c）温度计
1—工件 2—电磁铁 3—导槽 4—簧片开关 5—电极 6—惰性气体 7—簧片
第三章常用传感器与敏感元件
第一节 常用传感器分类
将被测量转换为与之对应的，易检测、易传输或易处理 信号的装置，称为传感器。直接受被测量作用的元件称为传 感器的敏感元件。
传感器处于测试装置的输入端，是测试系统的第一个环 节，其性能直接影响整个测试系统，对测试精度至关重要。
工程中常用传感器的种类繁多，往往一种物理量可用多种 类型的传感器来测量，而同一种传感器也可用于多种物理量 的测量。
Rk1x
灵敏度
S
dR dx
k1
▲角位移型
R k
灵敏度
S
dR
d
k
▲非线性型
f (x)kx2
为了使输出电阻值 R( x)与 f (x)呈线性关系，变阻器骨架应做成
直角三角形。
f (x) kx3
变阻器骨架应做成抛物线形。变阻器式传ຫໍສະໝຸດ 器的后 接电路一般采用电阻 分压电路。
u0
xp
ue (RP )(1
x
)
dr dl
r
l
d R 2 E (12 )E
R
(12) ——是由电阻丝几何尺寸改变所引起的，对于同一种
材料，项是常数。
E 项则是由于电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的，对于
金属丝来说，是很小的，可忽略。上式可简化为
dR(12)
R
灵敏度
Sg
dRR12常数
dll
一般市售电阻应变片的标准阻值有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω 和1000Ω等。其中以120Ω最为常用。应变片的尺寸可根据使用 要求来选定。