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1、第6章、传感器原理与测量电路,本章学习要求：,1.了解传感器的分类,6.1 概述,1. 传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式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。,2. 传感器的构成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，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。,3. 传感器的分类,1)按被测物理量分类,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
2、,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,机械式,电气式,光学式,流体式等.,2)按工作的物理基础分类:,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.,4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,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.如:水银温度计.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.,传感器是测量装置与被测量之间的接口，处于测量系统的输入端，其性能直接影响着整
3、个测量系统，对测量精确度起着主要的作用。,在选择和使用传感器时还应该注意以下几点: 首先应该满足不失真测试的条件。1)适当的灵敏度 灵敏度高意味着传感器能检测微小的信号，当被测量稍有变化，传感器就有较大的输出。但高灵敏度的传感器测量范围也较窄，较容易受噪声的干扰。 2)足够的精确度 传感器的精确度表示其输出电量与被测量的真值的一致程度。 3)高度的可靠性 4)对被测对象的影响小 传感器与被测物之间的相互作用要小 。,6.2 电阻式传感器,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,等效电路分析:,x,
4、L,L-变阻器总长;x-电刷移动量.R-总电阻; RL电刷电阻;,R=K*l,x=L*E1 / E,(2) 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围; 2)分辨率; 5)电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差; 6)寿命;,(3)变阻器式传感器的分类,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,按制作方式：,线绕电位器,变阻器式传感器产品,案例：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数 -电位器 -电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理：电机-转角 -电位器 -电阻,2
5、电阻应变式传感器-应变片,电阻应变片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，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。,1) 工作原理,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,金属应变片的电阻R为,代入,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,有：,对金属材料，导电率不变：,金属丝应变片：,应变计,金属应变计,半导体应变计,简化为：,优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,3) 应变片的主要参数,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）。,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，
6、制造厂常用 bL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。,3) 应变片测量电路,令：,金属丝应变片：,V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变,电阻应变片的选择、粘贴技术,缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆.,3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于5
7、00M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,电阻应变式传感器的应用：测力,标准产品,案例：桥梁固有频率测量,案例：电子称,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。,案例：冲床生产记数 和生产过程监测,案例：机器人握力测量,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,6.3 电感式传感器,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,1 可变磁阻式,原理:电磁感应,电感式接近传感器（金属）,教学用低成本四线制无二次仪表传感器,2 涡流式,原理:
8、涡流效应,原线圈的等效阻抗Z变化：,产品：,案例：连续油管的椭圆度测量,案例：无损探伤,原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,3 差动变压器,差动变压器测量电路,差动变压器位移传感器,案例：板的厚度测量,案例：张力测量,6.4 电容式传感器,变换原理: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:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,a)极距变化型,驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,b)面积变化型,平面
9、线位移型,柱面线位移型.,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,c) 介质变化型,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,3 测量电路,a)电桥电路,b) 谐振电路,d) 运算放大器电路,1.变换原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；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。,2、测量电路,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。,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,案例：飞机模态分析,案例：热轧设备诊断,6.6 磁电式传感器,1.变换原理:,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e为,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，都会改变感应电动势。,2 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,动圈式传感器,线速度型,角速度型,测速电机,磁阻式传感器,