第三章 常用传感器PPT课件

4、涡流传感器的应用
涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转 速、距离、厚度等参数测量，它可实现非线性测 量，下图是涡流式传感器测厚和涡流式传感器用 于零件计数的例子。
电阻分压电路
x 输入位移 输出电压 u y
uy
u0 x p R p (1
x
)
x RL
xp
当 RL

R p时：u y

u0 xp
x
uy

x xp
u0
负载效应
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; 4. 移动或旋转角度范围; 5. 电阻温度系数; 6. 寿命;
]
2L0x0[1(x0)2 ]
当x01 ， 有 L差2L0x0
S L差 x
2L0
0
2W22u002A0
2S单
当
x
0

1，有
L差

2 L0
x
0
差动连接的优点
灵敏度提高一倍 非线性误差减小 稳定性好 有补偿作用
L2 LL1
L1L2
0
x
L2
L W 2u0 A0
dR2E
R
dR
S R 12 E
2、金属电阻应变片：
①工作原理： dR (1 2 )
R dR
S R 1 2 常量
金属应变片：应变效应为主，压阻效应很小
②结构：
丝式 箔式
a．丝式：
四个基本部分组成：
丝式
敏感栅（电阻丝） 基片 覆盖层 引出线
设一根电阻丝，未 受力时的原始电阻值：
R l
A

成正比。
L L=f(A)
L=f(δ) δ, A
图4-2 变面积型电感传感器
1-衔铁 2-铁芯 3-线圈
图4-3 电感传感器特性
6
变 面 积
L N 20A 2
传感器灵敏度为：
k dL N 20 dA 20
式
变面积型自感传感器的自感与面积成线性关系， 但这种传感器的灵敏度较低。
7
变
L N 20A
1
44
3
3
12 （a） 变气隙型
4 （c） 螺管型
1-线圈 2-铁芯 3-衔铁 4-导杆
13
变气隙型差动式自感传感器
衔铁下移：
L
N 2 A 0
1 2( )
0
N 2 A
L
0
2 2( )
0
L1L01 0 0 2 0 3......
L2L01 0 0 2 0 3......
忽略高次项：K
2L0 0
1
3
2lc
x 2l
4
线圈Ⅰ
将两差动电感接入交流电桥的相邻桥臂
Δlc
r
线圈Ⅱ
差动式螺管式传感器是一种开磁路的电感传感器，磁路中相当部分
是空气，无明显的边界，因此分析复杂。主要特点是可构成较长 的线性区，用于测量大线位移。缺点是灵敏度比变气隙传感器低，
体积较大。
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3）自感传感器测量电路-交流电桥：
前面已提到差动式结构可以提高灵敏度，改善线性，所以交流电桥也多采 用双臂工作形式。通常将传感器作为电桥的两个工作臂，电桥的平衡臂可 以是纯电阻，也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈。
11
2）差动式自感传感器:
在实际使用中，常采用两个相同的传感线圈共用一个衔 铁，构成差动式自感传感器，两个线圈的电气参数和几 何尺寸要求完全相同。这种结构除了可以改善线性、提 高灵敏度外，对温度变化、电源频率变化等的影响也可 以进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。

. 机械工程测试技术基础
1
第一节 传感器的分类
1、按被测量分类
位
力
温
湿
移
传
度
度
传
感
传
传
感
器
感
感
器
器
器
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. 机械工程测试技术基础
2
机械式
3、按信号变换特征
2、
按
电气式
物性型
结构型
工
作
光学式
4、按能量关系
原
流体式
理
能量转换
能量控制
型(无源)
型(有源)
5、按输出信号：数字式、模拟式
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第三节 电阻式传感器
电阻式传感器—一种把被测量转换为电阻变化的传感器。 分类— （一）变阻器式； （二）电阻应变式 一．变阻器式传感器（电位差计式） 定义：通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的
变化。 根据电阻公式电阻R 为
R l
A
（3-1）
式中：ρ—电阻率；l—电阻丝长度； A—电阻丝截面积
从式中看出当电阻丝直径和材质一定时，电阻值随导线
长度而变化。
分类：（1）直线位移型 （2）角位移型 （3）非线性型
如图3-5 所示
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. 机械工程测试技术基础
9
R
Δα
α
Δx C x
A
C
B a)
A B
C b)
x
A
B
c)
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图3-5 变阻器式传感器
a) 直线位移型 b) 角位移型
C
c)非线性型
. 机械工程测试技术基础

1－外壳（接地）2－安装螺栓 3－搭铁线 4－保护管
5—补偿电阻 6－陶瓷片 7－TiO2氧敏电阻 8－进气口
9－引脚 10.10.2020
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氧浓度传感器外形
可用于汽车 尾气测量
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汽车尾气分析
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有毒气体传感器的使用
伊拉克战争中美国士兵就配备了一个可探测有毒 气体的传感器(工作时间仅为20多秒)
3.3 气敏电阻
在现代社会的生产和生活中，人们往往会 接触到各种各样的气体，需要对它们进行检 测和控制。比如化工生产中气体成分的检测 与控制；煤矿瓦斯浓度的检测与报警；环境 污染情况的监测；煤气泄漏：火灾报警；燃 烧情况的检测与控制等等。气敏电阻传感器 就是一种将检测到的气体的成分和浓度转换 为电信号的传感器。
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甲醛传感器CH2O/S-10: 测量范围 : 0- 10 ppm(百万分之一 ) 最大负荷 : 50ppm 工作寿命 : 空气中3年
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3.2 湿敏电阻传感器
绝对湿度：是指大气中水汽的密度，即每 一立方米大气中所含水汽的质量(克数)。
相对湿度：是大气中实有水汽压与当时温 度下饱和水汽压的百分比，是日常生活中常用 来表示湿度大小的方法。当相对湿度达100%时， 称饱和状态。
其电阻率 变化约有多少 个数量级？
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电子相对湿度仪表的标定仪器 干球
湿球
干湿球湿度计外形及原理量相对湿度
风
玻璃酒精 温度计
棉球 水槽
上页中，左边的玻璃温度计（湿球）用湿棉 球包裹，并浸没在水槽里。湿棉球由于水份蒸 发，所以其温度低于室温，致使湿球的示值低 于干球。查对应的湿度表就可知道空气的相对 湿度。虽然干湿球湿度计的历史悠久，但现在 还经常用它作为电子相对湿度仪表的标定仪器。

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3.2电容传感器的性能改善
电容传感器虽然有许多独具的优点，但由于它的工作 原理、结构特点而使它也存在一些缺点，在实际使用时需采 取相应的技术措施来改善。
1.静电击穿问题
该问题在3.1节中作过介绍,具体办法就是在电容中
加 容
入 为
介 :
质
,
防
止
静c
电
击穿
dg
,A见
图3
d0
-
3
所
示
说明：
电容C的相对变化△C/C0与角位移也呈线性关系，因此可用来测量角位移
的变化，理论测量范围0-π，但实际由于边缘效应等原因达不到该测量范 围。
3.齿形极板的电容式线性位移传感器 图3-1（j）是一齿形极板的电容式线性位移传感器的原理图。它是
图3-2的一种变形。采用齿形极板的目的是为了增加遮盖面积，提高灵敏 度。
01
d2 2
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３.１电容传感器的结构原理
则有:
1 1
C
C C0
C0
x a
d1
2 1
d2 2
说明:
(1)变面积介质传感器电容量的相对变化△C/C0与位 移△x呈线性关系。
(2) 该类型传感器可用来测介质厚度,鉴别介质种类或 测量介质位移变化等.
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３.１电容传感器的结构原理
体（包括仪器中的各种元件甚至人体）之间产生电容联系，这 种电容称为寄生电容。由于传感器本身电容很小，所以寄生电 容可能使传感器电容量发生明显改变；而且寄生电容极不稳定， 从而导致传感器特性的不稳定。
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3.2电容传感器的性能改善
为了克服上述寄生电容的影响，必须对传感器进行静电屏蔽，即将电容器极板放 置在金属壳体内，并将壳体良好接地。出于同样原因，其电极引出线也必须用屏蔽线， 且屏蔽线外套须同样良好接地，但屏蔽线本身的电容量较大，且由于放置位置和形状不 同而有较大变化，也会造成传感器的灵敏度下降和特性不稳定。目前解决这一问题的有 效方法是采用驱动电缆技术，也称双层屏蔽等电位传输技术。

被测物理量，并将信号进行必要的转换输出。 一般把信号调理与转换电路归为辅助器件
例：
V
智能传感器 ——具有一定的信号调理、信号分析、误差校证、 环境适应等能力，甚至具有一定的辨认、识别、判 断的功能。
四、常用传感器的分类
位移传感器 按被测量 力传感器
温度传感器
机械式
按工作原理
电气式 光学式
流体式
模拟式 按输出信号 数字式
2. 测量电路：注意：零点残余电压的补偿； 位移正负的判断：相敏检波
3. 特点：精度高，可达0.1 m 线性范围大: 达 100 m
(3) 发展智能型传感器。
第二节 机械式传感器及仪器
敏感元件：直接感受被测物理量
敏感组件： 弹性体 输入：力，压力，温度等
输出： 弹性组件本身的变形 特点： 简单、可靠、使用方便，价低， 读 数直观；但固有频率低 弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象 适宜： 检测缓变或静态被测量
蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随 时间缓慢增长的现象
u0 xp
x
变阻器式传感器的优点：
简单、性能稳定、使2用0方m便
缺点：分辨力低，<20微米， 噪音较大 应用：测线位移，角位移
电阻式传感器应用
案例1：重量的自动检测--配料设备
原材料
比较 设定值
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
二．电阻应变式传感器
应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等
变化过程： 机械量—— 变— L 变
此传感器适： 测较小位移，约为 0.001—1 mm 其它几种常用的可变磁阻式传感器：
1.面积变化型 机械量 x A0 L L W 20 A0 2

图 3-2 应变式加速度传感器
图3-3是热电偶传感器，由两种不同的金属材料A、B烧 结的测量端用于测量被测温度T，另一端为参考端，其温度 为T0。当T≠T0时，由热电效应使回路中产生电动势，从而完 成温度的测量。在这里，两种不同的金属所组成的热电偶既
各种不同的传感器，其敏感元件、转换元件的表现形式 各不相同，组成方式也各有特点。
3.1 传感器的定义和组成 3.2 传感器的分类 3.3 传感器的一般特性 3.4 传感器的标定 思考题与习题
3.1 传感器的定义和组成
3.1.1 传感器的定义 传感器是能够感受规定的被测量，并按照一定的规律转
换成可用输出信号的器件或装置。传感器的定义有三层含义: (1) 传感器对规定的被测量有响应； (2) 传感器的输出与被测量之间成有规律的一一对应关
(线性回归分析)，此时拟合的直线其非线性误差较小。
曲线经线性化处理后将带来误差，这个误差称为非线性
误差，用γL表示。
L
Lmax YFS
100 %
(3-2)
2. 灵敏度
灵敏度是指被测量的单位变化引起的输出变化量，用S
表示。
y dy
S
lim x0
x
dx
(3-3)
当输入/输出完全呈线性关系时，S为常数；当输入/输出
图 3-1 传感器的组成
随着科技的进步，尤其是电子技术的迅速发展，已经出 现将传感器的敏感元件与信号调理电路集成在同一芯片上的 例子，或者甚至与MCU封装在一起，构成智能传感器，不 仅具备模拟信号的调理功能，还具备数字信号处理功能，因 此传感器组成的概念也在不断拓展和延伸。
图3-2所示为应变式加速度传感器，测量垂直方向的加 速度。当加速度变化时，质量块2的惯性力改变，导致应变 梁1变形，由应变片3输出加速度的变化。在这里，质量块2 是敏感元件，应变片3是转换元件。将应变转化为与加速度 变化对应的电信号的电路就是信号调理电路。

第2章 电阻式传感器
电阻式传感器的种类繁多，应用广泛，其基本原 理是将被测物理量的变化转换成电阻值的变化，再 经相应的测量电路而最后显示被测量值的变化。
电阻式传感器与相应的测量电路组成的测力、测 压、称重、测位移、测加速度、测扭矩、测温度等 测试系统。目前已成为生产过程检测以及实现生产 自动化不可缺少的手段之一。
输入变化量 输入
Rmax S 2(b h)n
xmax nt
kR
Rmax xmax
2(b h) St
ku
U max xmax
I • 2(b h) St
式中SR、SU分别为电阻灵敏度、电压灵敏度;ρ为导线电阻率;A为导线横截面 积;n为线绕电位器绕线总匝数；t为两线圈间的距离。
线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度除与电阻率ρ有关外,还与骨架尺寸 h和b、导线横截面积A(导线直径d）、绕线节距t等结构参数有关;电压灵敏度还与
电位器式传感器具有一系列优点，如结构简单、尺寸小、 重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意 函数。其缺点是要求输入能量大，电刷与电阻元件之间容 易磨损。
电位器的种类很多，按其结构形式不同，可分为线绕式、 薄膜式、光电式等；按特性不同，可分为线性电位器和非 线性电位器。目前常用的以单圈线绕电位器居多。
带来一定误差,这就是阶梯误差。电位器的阶
梯误差δj通常以理想阶梯特性曲线对理论特 性曲线的最大偏差值与最大输出电压值的百分
数表示,即
j
( 1 Umax 2n U max
)
1 2n
100%
❖ 电压分辨率和行程分辨率
❖
通常以没有小跳跃的理想阶梯特性来定义电
位器的电压分辨率（分辨物理量细节的能力）:在电

一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20~100pF之 间， 极板间距离在25~200μm 的范围内。最大位移应小于间距的 1/10， 故在微位移测量中应用最广。
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2 、变面积型电容式传感器
图3-5是变面积型电 容传感器原理结构 示意图。 被测量通
b
a d
x S
过动极板移动引起
两极板有效覆盖面
a）平行板
b）扇形
c）圆筒形
1——定极板
2——动极板
图 3-6 变面积型电容传感器结构图 17
电容b
d
x
(3-8)
平行板电容传感器的灵敏度为
S C b
(3-9)
x d
可见，平板形电容传感器的输出特性是线性的，适合测
量较大的位移，其灵敏度 为常数。增大极板长度 或减小间
距 ，均可使灵敏度提高。极板宽度 的大小不影响灵敏度，
由运算放大器的原理可得：
U0
1 ( jwC x ) U 1 ( jwC )
C Cx
U
（3-18）
S
对于平板电容器，Cx d ，代入（3-18）后可得：
U0
UC
S
d
（3-19）
由式（3-19）可见，输出电压与d是线性关系，负 号表明输出与电源电压反相。这从原理上克服了变极 距型电容式传感器的非线性。但是仍然存在一定的非 线性误差。另外，为保证仪器精度，还要求电源电压U 的幅值和固定电容C值稳定。
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变介电常数型电容传感器图3-8 如下所示：
a）
b）
例： 极板
带条
c）
滚轮
电容传感器测量
绝缘带条的厚度
25
若忽略边缘效应，圆筒式液位传感器如下图，传

缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有 何共性和差异，不便于使用者比较各种传感 器的原理异同点。
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传感器的分类
▪ 按原理分类：
优点是：对传感器的工作原理比较清楚，类 别少，有利于传感器专业工作者对传感器的 深入研究分析。
缺点：不便于使用者根据用途选用。
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四、传感器的命名法
▪ 由于结构上的特点，这种传感器还有较大的噪声。 电刷和电阻元件之间接触面的变动和磨损、尘埃 附着等，都会使电刷在滑动中的接触电阻发生不 规则的变化，从而产生噪声。
▪ 变阻器式传感器被用于线位移、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。
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3.2 电阻式传感器 变阻器式传感器产品
➢ 能量控制型传感器在信息变化过程中，其能 量需要外电源供给；(无源传感器)
➢ 能量转换型传感器主要由能量变换元件构成， 不需外加电源；(有源传感器)
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传感器的分类
▪ 按测量原理分：
➢ 电参量式传感器(电阻式、电感式、电容式) ➢ 磁电式传感器(磁电感应式、霍尔式、磁栅式)； ➢ 压电式传感器； ➢ 光电式传感器； ➢ 气电式传感器； ➢ 热电式传感器； ➢ 波式传感器； ➢ 射线式传感器； ➢ 半导体式传感器； ➢ 其他原理的传感器。
④输出、输入有对应关系，且应有一定的精 确程度。
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传感器的应用领域
▪ 1.传感器在工业检测和自动控制系统中的 应用
➢ 工业自动化、全自动、半自动生产线 （石油、化工、钢铁、铁路、机械、电力） ➢ 自动控制系统 （正确的信息检测 准确的控制）
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