第三章 传感器

1. 第三章　传感器 • 3.1电阻应变片式传感器 • 3.2电感式传感器 • 3.3电容式传感器 • 3.4压电式传感器 • 3.5磁电式传感器 • 3.6光电式传感器 • 3.7热电式传感器

2. 传感器： • 将被测物理量转换为与之相对应的，容易检测、传输或处理的信号的装置。 • 组成： • 敏感元件（核心元件）、其它辅助件。 • 分类： • 发电式传感器：将非电量转换成电动势。如小发电机为测量转速的传感器。 • 参量式传感器：将所测非电量转换成电阻、电感、及电容等电参量。如电阻应变片式传感器。 物理量 电量

3. 3.1电阻应变片式传感器 3.1.1电阻应变片 3.1.2应变片式传感器

4. 3.1.1电阻应变片 • 1.定义： • 一种将应变转换成电阻变化的置换元件。 • 不仅能测应变，而且对任何物理量，如力、转矩、压强、位移、温度及加速度等，在测试中应用非常广泛。 • 2.应变片的构造和工作原理 • 组成：敏感元件、基底（分纸基和胶基）、盖片和引线

5. 3.1.1电阻应变片 横应变 • 工作原理： • 应变效应，即将应变片用粘合剂贴在试件上，试件受力产生变形时，应变片也同时发生变形，其电阻随之改变的现象。 R——电阻（Ω）。 L——导线长度 A——导线截面积（mm2） ρ ——电阻率（Ω·mm2·m-1） 材料电阻率发生变化而引起的部分 几何形状发生变化而引起的部分 K0——单位应变的电阻变化率，称为导线材料的灵敏系数。 表示了金属导线的电阻变化率与其轴线方向的关系

6. 3.1.1电阻应变片 　　由于横向效应和胶层传递应变失真等因素，K小于金属导线的灵敏系数K0。 • 3.应变片的特性 • 应变片灵敏系数K • 当试件在一维应力作用下，应变片主轴线与主应力方向一致时，应变片的电阻变化率（dR/R）与试件主应力方向的应变ε之比。 • 应变片的横向效应 • 应变片对垂直于其主轴线方向应变的响应称为应变片的横向效应 • 线栅纵向应变与线栅横向应变的关系为ε⊥＝－με－ • 使应变片电阻值的变化减小，降低了应变片的灵敏系数。 • 应变片的动态特性 （略）

7. 3.1.1电阻应变片 • 3.应变片的特性 • 应变片的温度特性 • 电阻丝的电阻率随温度的变化而改变，所以当温度变化时，应变片的电阻值也发生变化。 • 当环境温度变化时，贴在试件上的应变片不仅存在上述电阻值的变化，还由于试件和电阻丝的线膨胀系数不同而产生附加变形（或称热应变），这也将引起电阻变化。 • 由于应变片存在电阻温度系数αt，试件虽无外力作用，仅仅环境温度变化，应变片的电阻值也会变化，从而给测量结果带来误差。为了消除温度影响，常采用温度补偿措施。

8. 3.1.1电阻应变片 • 3.应变片的特性 • 应变片的线性及滞后 • 应变片的线性：其电阻变化率dR/R和应变ε之比为常数。一般应变片线性较好（即dR/R—— ε 特性曲线呈直线）。 • 应变片的滞后：dR/R ——ε特性曲线时，其加载与卸载曲线不重合。 滞后现象对静态、动态测试均带来误差，故新粘贴的应变片，在正式测试之前要反复进行多次加载和卸载，以减少非线性和滞后现象的影响。

9. 3.1.1电阻应变片 • 3.应变片的特性 • 应变片的零漂和蠕变 • 零漂：指在试件不受力的情况下，在某恒定温度时，粘贴在试件上的应变片的指示应变值随时间而变化的情况。 • 蠕变：指粘贴在试件上的应变片，在某恒定应变下及不变的温度环境中，其指示应变随时间而改变的情况。 • 应变片的应变极限 • 定义：指应变片能够测量的最大应变值。 • 应变片的电阻值 • 应变片在未经安装也不受外力的情况下，于室温时测得的电阻值。 • 推荐值为60，120，200，350，500和1000Ω。

10. 3.1.1电阻应变片 • 3.应变片的特性 • 应变片的几何尺寸 • 1基长l，又称标距，即敏感栅的纵向长度。一般在2～30mm。 • 2基长小的应变片横向效应较大，粘贴和定位较困难，所以尽可能使用基长较大的应变片。 • 3基宽b，即敏感栅的横向宽度。一般在10mm以内。

11. 3.1.1电阻应变片 • 4.应变片的种类与结构特点 • 金属丝式应变片 分类：圆角线栅式、直角线栅式。圆角线栅式(最常见)：制造容易、成本低，但其横向效应较直角线栅式大。 • 金属箔式应变片工作原理：同金属丝式应变片。敏感元件不是金属丝栅，而是把康铜、镍铬合金等制成很薄的金属箔片，用光刻、腐蚀等方法制成的一种很薄的金属箔栅，故称箔式应变片，其基底全部为胶基。

12. 3.1.1电阻应变片 • 4.应变片的种类与结构特点 • 金属箔式应变片 • 优点： • 1.箔式应变片箔栅的尺寸、形状十分准确，能够较容易地按需要制成任何形状，并且能作出定向标志或其它符号。 • 2.箔式应变片与粘合层的接触面大，因而能更好地随同试件变形。在受交变载荷时疲劳寿命长，在长时间测量中蠕变小。 • 3.因其敏感栅的表面积大，散热条件好，允许通过较大的电流，这样就可以采用较高的电压供给测量电桥，以增加输出。 是用来测量切应变或转矩的箔式应变片 普通箔式应变片，其横向部分特别粗，可大大减小横向效应 用于测量流体压力的液压传感器膜片上的各种箔式应变片，其线栅形状与膜片上的应力分布特点相适应。

13. 3.1.1电阻应变片 • 4.应变片的种类与结构特点 • 半导体应变片 • 即用半导体作为敏感栅材料的应变片。 • 优点： • 灵敏系数高（一般大于100）、机械滞后小以及横向效应小。 • 由于灵敏系数高，使用时可直接与记录器连接，使测量系统大为简化。 • 缺点： • 1应变片的电阻和灵敏系数的温度稳定性差； • 2测量大应变时非线性较严重； • 3由于半导体材料的电阻率离散程度大，使得应变片的灵敏系数的离散程度也大，一般在±3% ～±5% ，使测量结果的误差较大。

14. 3.1.1电阻应变片 • 5.应变片的粘贴技术 （不作要求） • 粘合剂：有机粘合剂和无机粘合剂两类。 • 有机粘合剂适用于低温、常温和中温； • 无机粘合剂适用于高温。 • 粘贴工艺： • 试件表面清理。 • 应变片的粘贴。 • 固化。 • 粘贴质量的检查。 • 连接线的安装 • 应变片的防潮与保护。

15. 3.1.2应变片式传感器 （介绍一至两类即可） • 应变片式传感器 测量应变、应力、力、转矩、压力、加速度。 • 组成 弹性元件、应变片、附件（如补偿元件、防护罩、接线插座、加载件）

16. 3.1.2应变片式传感器 • 拉、压力传感器（不深入介绍三类弹性元件优缺点） 弹性元件：柱式、环形、梁式

17. 3.1.2应变片式传感器 • 转矩传感器 （一定介绍） • 弹性元件：转轴。 • 贴片原则： • 根据材料力学，当圆轴受纯转矩时，在与其轴母线成45º的方向为主应力方向。而且相互垂直方向上的拉、压主应力绝对值相等，符号相反，因此在这两个方向上贴应变片，组成电桥电路，可提高输出。 • 为了消除轴向力和弯矩的影响，可按图3-8a的方式布片，四片应变片在圆周上每隔90º作均匀分布。图3-8b是展开图，电桥电路如图3-8c所示。

18. 3.1.2应变片式传感器 • 压力(压强)传感器（要求自学） • 为测量物体的压力（压强），可使用应变片配合适当的弹性元件组成压力传感器。 • 压力传感器广泛用于测量液体或气体压力、内燃机气缸的指示压力、波压、压差和喷射压力等。 • 在汽车或拖拉机行走装置与路面或土壤接触面间的压力分布的研究测定中，也采用了这种传感器。

19. 3.1.2应变片式传感器 • 加速度传感器（简单介绍，不要求） • 工作原理： • 端部固定有重块m的悬臂梁，根部贴有应变片R1和R2。如果将梁的底座固定在沿箭头v方向运动的汽车上，当汽车突然制动时，加速度的方向如加速度a的箭头所示。重块m 受惯性力F的作用以箭头1的方向相对于底座运动，使梁发生变形，应变片电阻发生变化。当汽车加速时，重块m沿箭头2的方向运动。这时电桥输出电压极性与前一种运动相反。

20. 3.2电感式传感器 3.2.1电感式传感器工作原理和类型 3.2.2电感式传感器的应用

21. 3.2.1电感式传感器工作原理和类型 • 工作原理： • 电磁感应原理 • 类型 • 磁路气隙变化式 • 可动铁心式 N——线圈1的匝数； Rm——磁路的磁阻。 δ——空气隙的厚度（m）； μ0——真空的磁导率（H/m）4π×10-7H/m； S——空气隙的截面积（㎡）。 a改变气隙厚度式 b改变通磁气隙截面积式 c螺旋管式电感传感器

22. 3.2.1电感式传感器工作原理和类型 • 差动式电感传感器： • 原理： • 有两个完全相同的线圈和一个公共衔铁。当衔铁的位置变动时，一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减少，把这两个电感线圈接入（差接）基本测量电路，就产生电流和输出电压，其大小表示衔铁的位移量，同时衔铁的移动方向不同，输出电压的极性也不同。

23. 3.2.1电感式传感器工作原理和类型 • 差动式电感传感器： • 优点： • 传感器的灵敏度可增加一倍 • 大大减少了环境温度变化、电源电压波动和非线性等引起的误差。

24. 3.2.1电感式传感器工作原理和类型 • 电感式传感器的应用 （主要讲应用范围，可不必举例） • 优点： • 结构简单、测量力小、工作可靠，测量范围广、零点稳定、灵敏度高及输出功率大等。 • 缺点： • 传感器本身频率响应差，不宜用于快速动态测量。 • 传感器分辨率与测量范围有关。测量范围大，分辨率低，反之，则高。 • 应用： • 可以对位移和角位移进行直接测量，还可以通过一定感受机构对能够转换成位移量的其它物理量如振动、张力、压力和流量进行测量。

25. 3.3电容式传感器 3.3.1电容式传感器 3.3.2电容式传感器类型 3.3.3电容式传感器的应用

26.  + + + A  3.3.1电容式传感器 • 工作原理 • 变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化。 • 当忽略电容器边缘效应时，两个平行极板组成的电容器，其电容量为 • 如果被测物理量能使电容器结构参数A、d或εr发生变化，则电容器的电容量C必然随之改变。 • 通过有关电路测量电容的变化量，即可实现被测物理量的间接测量。 A——两金属板间的相对有效面积；d ——两金属板间的距离；εr——板极间介质的相对介电常数，在空气中εr=1；ε0——真空介电常数。εr=8.85×10-12F/m；

27. + + + + + + + + + 3.3.2电容式传感器类型 • 类型 • 改变极板间距式 • 改变极板相对有效面积式 • 改变极板间介电常数式

28. 3.3.2电容式传感器类型 • 改变极板间距式 • 测量电容变化量△C，即可测得位移量△d。 • 由前面公式可知极扳间距d与电容量C之间具有非线性关系。

29. 3.3.2电容式传感器类型 • 改变极板间距式 • 线性化条件： • 初始电容值C0为 • 如果间距减小△d，设电容增量为△C，则定义电容传感器的灵敏度为 • 结论：可以证明，在△d/ d0<<1的前提下，　　　　　　　，传感器输入与输出间具有较好的线性关系。 假定电容器极板面积为A，初始极板间距为d0，介电常数为ε0 1.为提高传感器灵敏度，应降低电容器原始间距(0.2~0.5mm)2.为了提高输出灵敏度，减小非线性，电容式传感器在实际应用中大多采用差动式结构，其传感器灵敏度为3.电容传感器仅适用于小位移测量。

30. 3.3.2电容式传感器类型 • 改变极板相对有效面积式 • 线性分析： • 初始状态时 • 改变极板间相对有效面积后，有电容量Cx， • 1. 传感器输入与输出间具有线性关系2.适于进行大位移测量。3.传感器也可作成差动式。

31. 3.3.2电容式传感器类型 • 改变极板间介电常数式 • 线性分析： • 传感器具有线性输入输出特征。 • 电容器的电容量可由下式表示C=C0+kh 式中 C0——初始电容值；k——电容器结构特性常数；h——被测介质高度。 • 应用场合： • 测量液面高度 • 片状材料厚度等。

32. 3.3.3电容式传感器的应用 • 特点： • 体积小 • 功耗低 • 精度高 • 稳定性好 • 所需驱动机械力小 • 应用： • 1直接用于测量线位移、角位移及物料位置等； • 2通过转换手段，还可以测量振动、噪声及压力等物理量。 　　噪声测试中多采用电容式微音器。 1和2构成测量电容器。

33. 3.4压电式传感器 3.4.1 压电式传感器工作原理 3.4.2 压电式传感器的类型 3.4.3 压电式传感器的应用

34. + F 串联 + + q=KF 并联 3.4.1压电式传感器工作原理 • 工作原理： • 基于某些物质（如石英、压电陶瓷及锆钛酸钡等）具有的压电效应。 • 一些晶体如石英、压电陶瓷及锆钛酸钡等，当沿一定方向对其施加外力时，晶体不仅产生机械变形，而且其内部产生极化现象，从而在相对表面上出现异性电荷，形成电场。当外力去掉后，晶体又恢复到不带电状态，这种物理现象被称为压电效应。

35. + 串联 + 并联 3.4.2压电式传感器的类型 • 类型（根据传感器连接方式及输出信号的不同） • 电荷放大式 • 电压放大式 　　采用两个或两个以上晶片压电材料组成压电传感器时，由于压电材料具有极性，因此有不同的连接方法。　　另外，压电材料均具有很高的内阻，而其输出能量又微弱，因此必须配备具有很高输入阻抗的前置放大装置进行阻抗匹配与前置放大，然后才可能进行一般形式的信号放大。

36. + 并联 3.4.2压电式传感器的类型 • 电荷放大式 • 两片压电材料连接方式：并联。 • 输出信号： • 其电荷输出量是单片压电材料的两倍，而其电容也是单片电容的两倍。 • 前置放大装置： • 压电式传感器等效于一个电容器与其并联的电荷源。 • 采用电荷放大器作为前置放大装置。

37. + 串联 3.4.2压电式传感器的类型 • 电压放大式 • 两片压电材料连接方式：串联。 • 输出信号： • 传感器输出电压高、电容小，适于进行电压输出。 • 前置放大装置： • 这时的传感器等效于一个电压源。 • 适宜采用电压放大器作为前置放大装置。

38. 3.4.3压电式传感器的应用 • 特点： • 尺寸小 • 结构简单 • 重量轻 • 工作可靠 • 频响范围宽等 • 应用： • 在压力、应力、振动及加速度等物理量测量中得到广泛应用。

39. 3.4.3压电式传感器的应用 • 举例： • 在汽车、拖拉机振动测试中得到十分广泛的应用。 • 另外，压电式传感器也广泛应用于压力测量。 • 例如，利用压电式压力传感器可以测量发动机内部燃烧压力及真空度、车轮接地压力等。

40. 3.5磁电式传感器 3.5.1磁电式传感器工作原理 3.5.2磁电式传感器的类型 3.5.3磁电式传感器的应用

41. 3.5.1磁电式传感器工作原理 • 工作原理： • 电磁感应原理 • 将被测非电物理量转换成感应电动势 • 由电磁感应定律可知，当通过闭合导电回路面积内的磁通量发生变化时，回路内就会产生感应电动势，其大小与磁通量的变化率有关，即 • 磁通量变化率与磁场强度、磁路磁阻及导线运动速度有关。改变其中一个因素，都会使感应电动势发生变化。 e——感应电动势（V）；N——导电回路线圈匝数；dΦ/dt——穿过线圈的磁通量变化率（wb/s）。

42. 线速度型 动圈式 磁电式 角速度型 N 磁阻式 3.5.2磁电式传感器的类型 • 动圈式 • 磁阻式

43. 3.5.2磁电式传感器的类型 • 动圈式 • 工作原理： • 1.线速度型 • 线圈在永久磁铁产生的直流磁场内作直线运动。 • 所产生的感应电动势为e=NBlv • 当传感器结构确定后，感应电动势仅与线圈运动速度v有关，且为线性关系。 • 动圈式传感器用于线速度测量。 N——线圈匝数;B——磁场磁感应强度（T）；l——单匝线圈的有效长度（m），v——线圈垂直子磁场方向的相对运动速度（m/s）。

44. 3.5.2磁电式传感器的类型 • 动圈式 • 工作原理： • 2.角速度型 • 线圈在磁场内转动。 • 所产生的感应电动势为e=NBAωsinθ • 当传感器结构确定后，感应电动势大小与圆频率有关，且具有线性关系。 • 应用于角速度测量，这时的传感器本质上就是一个发电机。 A——单匝线圈的截面积；ω——线圈转动圆频率；θ——线圈运动方向与磁场方向的夹角。

45. 3.5.2磁电式传感器的类型 • 动圈式 • 工作原理： • 3.线圈固定，使永久磁铁相对线圈运动。

46. 3.5.2磁电式传感器的类型 • 磁阻式 • 线圈与磁铁均固定，而使某种由导磁材料制成的物体运动，其结果是改变了磁路的磁阻，从而改变了贯穿线圈的磁通量，使线圈内产生的感应电动势发生变化。 • 当导磁物体旋转时，磁阻因两磁极间空气间隙发生变化而改变，从而导致感应电动势发生变化。

47. 3.5.3磁电式传感器的应用 • 磁电式传感器特点： • 具有较高的灵敏度； • 应用场合： • 测量位移、速度和加速度等。

48. 举例： • 相位差式转矩传感器 • 属于变磁阻式磁电式传感器 • 采用了感应式非接触传输方式，具有很好的稳定性和测量精度。 • 测速电机 • 在汽车、拖拉机道路与台架试验中，经常采用永磁式直流测速电机测速。 • 输出是直流电压，所以不需要配套二次仪表，因而具有良好的经济性 • 缺点是在低转速时线性较差。 • 磁电式转速计 • 旋转盘上的每个齿经过磁极时都会在线圈中感应出一个脉冲信号，此信号可送入二次仪表进行整形放大并对其计数。 • 在某一特定时间内，根据所累计的脉冲个数，即可求得转速。 • 同测速电机相比较，具有更高的测量精度，特别适用于低转速测量. • 可以应用于汽车、拖拉机的行驶速度、发动机转速等的测量。

49. 3.6光电式传感器 3.6.1 光电式传感器工作原理 3.6.2光电式传感器的类型 3.6.3光电式传感器的应用

50. 3.6.1光电式传感器工作原理 • 工作原理： • 是一种将光量转换为电量的传感器，其工作原理是光电效应。 • 组成 • 光源、光学元件、光电元件。 • 光电效应的类型 • 外光电效应 • 定义：在光的作用下，光电元件的表面会逸出电子的现象。 • 应用举例：光电管。 • 内光电效应 • 定义：在光的作用下，光电元件的电阻率将发生变化的现象。 • 应用举例：光敏电阻。 • 光生伏特效应 • 定义：在光的作用下，光电元件内部产生电动势的现象。 • 应用举例：光电池、光电晶体管。 光电效应：　　光源发射出一定光通量的光线，经光学元件照射到光电元件上。光的粒子即光子具有能量。当光照射到光电子元件时，光电元件吸收了光的能量而产生电量输出，这就是光电效应。