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1、第四章、传感器的基本类型及其工作原理,本章学习要求：,1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路,热工测试技术,1.传感器定义,传感器是能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成（GB766587）。,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,电参量,4.1 概述,第四章、传感器类型及工作原理,2.传感器的构成,4.1 概述,敏感元件（或称预变换器，也统称弹性敏感元件）在进行由非电量到电量的变换时，有时需利用弹性敏感元件，先将被测非电量预先变换为另一
2、种易于变换成电量的非电量（例如应变或位移），然后再利用传感元件，将这种非电量变换成电量。,弹性敏感元件是传感器的心脏部分，在电测技术中占有极为重要的地位。它常由金属或非金属材料做成，当承受外力作用时，它会产生弹性变形；当去除外力后，弹性变形消失并能完全恢复其原来的尺寸和形状。右图为弹簧管压力计。,转换元件（或称传感元件）凡是能将感受到的非电量（如力、压力、温度梯度等）直接变换为电参量的元件。例如应变计、压电晶体、压磁式器件、光电元件及热电偶等。它利用各种物理效应或化学效应等原理制成的。说明:并不是所有的传感器都包括敏感元件和转换元件两部分。有时不需要进行预变换这一步，例如热敏电阻、光电器件等。
3、另外一些传感器，敏感元件与转换元件合二为一，如固态压阻式压力传感器等。,4.1 概述,3.传感器的分类,4.1 概述,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,力矩;热工量:温度、热量、比热容、热流、热分布、压力（压强）、压差、真空度、流量、流速、物位、液位、界面。噪声,4.1 概述,电阻式,电感式,电容式,磁电式,热电式,光电式等.,2)按传感器的工作原理分类:,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,磁电式位移计.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:电容式声级计.,4
4、.1 概述,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.,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:电位计式、电阻应变式、压阻式、热电阻式、湿（气、光）敏电阻式。,1 电位计式传感器,第四章、传感器类型及工作原理,4.2 电阻式传感器,4.2 电阻式传感器,案例：重量的自动检测-配料设备,4.2 电阻式传感器,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,4.2 电阻式传感
5、器,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。,2 金属应变式传感器,4.2 电阻式传感器,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,4.2 电阻式传感器,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,4.2 电阻式传感器,有：,对金属材料，导电率不变：,金属丝应变片：,4.2 电阻式传感器,应变计,金属应变片,4.2 电阻式传感器,2)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
6、栅宽度b，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。,4.2 电阻式传感器,3)应变片测量电路,4.2 电阻式传感器,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大，一般用电桥。,单臂电桥,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,4.2 电阻式传感器,双臂电桥,R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻。应变片R1、R2 感受到的应变12以及产生的电阻增量正负号相间，可以使输出电压Uo成倍地增大。,4.2 电阻式传感器,四臂全桥,全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后
7、，应变片R1 R4产生的电阻增量（或感受到的应变14）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。,4.2 电阻式传感器,全桥的温度补偿原理,当环境温度升高时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能克服温漂。,4.2 电阻式传感器,应变效应的应用,应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：第一类是将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转
8、换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。应变式传感器中，敏感元件一般为各种弹性体，传感元件就是应变片，测量转换电路一般为桥路；第二类是将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。,4.2 电阻式传感器,电阻应变式传感器的应用：测力,4.2 电阻式传感器,应变片在悬臂梁上的粘贴及变形,4.2 电阻式传感器,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。,4.2 电阻式传感器,人体秤,4.2 电阻式传感器,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。,4.2
9、电阻式传感器,应变片的粘贴：1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,4.2 电阻式传感器,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。,4.2 电阻式传感器,3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,4.2 电阻式传感器,4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,4.2 电阻式传感器,5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起
10、，防止损坏引线和应变片。,4.2 电阻式传感器,3 半导体压阻式传感器,简化为：,优点：灵敏度大;体积小;固有频率高；缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,对半导体压阻材料，电阻率变化大：,压阻效应:固体材料受到应力作用后，电阻率会发生变化。,4.2 电阻式传感器,压阻式压力传感器的隔离、承压膜片,隔离、承压膜片可以将腐蚀性的气体、液体与硅膜片 隔离开来。,4.2 电阻式传感器,利用扩散工艺制作的四个半导体应变电阻处于同一硅片上，工艺一致性好。,4.2 电阻式传感器,压阻式 压力传感器 内部结构,信号处理电路,4.2 电阻式传感器,高压进气口,低压进气口,4.2 电阻式传感器,小型压阻式
11、固态压力传感器,投入式液位计外形,压阻式压力传感器,光柱 显示器,橡胶 背压管,h=h0+h1=h0+p1/（g）,4.2 电阻式传感器,4 气敏电阻传感器,使用气敏电阻传感器（以下简称气敏电阻），可以把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。,还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。测量还原性气体的气敏电阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金属氧化物粉料添加少量铂催化剂、激活剂及其它添加剂，按一定比例烧结而成的半导体器件。,4.2 电阻
12、式传感器,4.2 电阻式传感器,a）气敏烧结体 b）气敏电阻外形 c）基本测量转换电路 1引脚 2塑料底座 3烧结体 4不锈钢网罩 5加热电极6工作电极 7加热回路电源 8测量回路电源,MQN型气敏半导体器件是由塑料底座、电极引线、不锈钢网罩、气敏烧结体以及包裹在烧结体中的两组铂丝组成。一组铂丝为工作电极，另一组（图中的左边铂丝）为加热电极兼工作电极。气敏电阻工作时必须加热到200300，其目的是加速被测气体的化学吸附和电离的过程并烧去气敏电阻表面的污物（起清洁作用）。,气敏电阻外形,酒精传感器,其他可燃性气体传感器,4.2 电阻式传感器,酒精测试仪,呼气管,4.2 电阻式传感器,家庭用液化气
13、报警器,烟雾报警器,一氧化碳传感器,家庭用煤气报警器,4.2 电阻式传感器,4.2 电阻式传感器,5 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。,湿敏电阻的原理：水是一种强极性的电解质。水分子极易吸附于固体表面并渗透到固体内部，引起半导体的电阻值降低，因此可以利用多孔陶瓷、三氧化二铝等吸湿材料制作湿敏电阻。,湿度传感器的分类,4.2 电阻式传感器,电子湿度计模块,封装后的外形,4.2 电阻式传感器,电子相对湿度仪表
14、的标定仪器,干湿球湿度计外形及原理,干球,湿球,4.2 电阻式传感器,用干湿球湿度计测量相对湿度的原理,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。,风,水槽,棉球,玻璃酒精温度计,4.2 电阻式传感器,6 热电阻传感器,导体和半导体材料的电阻率与温度有关，金属的电阻随温度升高而变大，而半导体的电阻具有负的温度系数。导体的电阻在一定温度范围内与温度具有线性关系,半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、
15、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。,负温度系数（NTC）,4.2 电阻式传感器,热敏电阻外形,MF12型 NTC热敏电阻,聚脂塑料封装热敏电阻,4.2 电阻式传感器,温控器,应用,汽车发动机传感器,水温感应塞,还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,4.2 电阻式传感器,第四章、传感器类型及工作原理,4.3 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,4.3 电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,2 涡流式,原理:涡流效应,4.3 电感式传感器,原线圈的等效阻抗
16、Z变化：,4.3 电感式传感器,4.3 电感式传感器,产品：,4.3 电感式传感器,案例：连续油管的椭圆度测量,4.3 电感式传感器,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,4.3 电感式传感器,2 互感型-差动变压器,4.3 电感式传感器,4.3 电感式传感器,差动变压器测量电路,4.3 电感式传感器,差动变压器位移传感器,4.3 电感式传感器,案例：板的厚度测量,4.3 电感式传感器,4.4 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。,第四章、传感器类型及工作原理,4
17、.4 电容式传感器,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。,4.4 电容式传感器,b)面积变化型,4.4 电容式传感器,平面线位移型,4.4 电容式传感器,柱面线位移型.,4.4 电容式传感器,c)介质变化型,4.4 电容式传感器,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,4.4 电容式传感器,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。,4.4 电容式传感器,
