第三章 常用传感器与敏感元件1概述
传感器的弹性敏感元件第三章
一般取μ=0.3时，通用公式简化为：
ymax0.E 1R 3 7h 4P
(3.1)9
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
当 ymax时，h挠度与压力的关系具有非线性，
为：
P E 4 4 R h 3 (1 1 y 2 6 )h 2 22 1 1 3 9(h y )3
图3.7 圆形平膜片
h 当膜片的两面受到不同 的压力（或力）的作用 时，膜片向压力低的一 面应变移动，使其中心 产生与压力差成一定关 系的位移。
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
压力P作用下，中心最大挠度为：
312 R 4
yma 1 x 6Eh 3P
(3 1)8
该式使用条件： ymax，h即小挠度情况下，
(2.2)2
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
(2)圆形波纹膜片
一般用来测量压力(压差)
波纹膜片通常采用的波纹 形状有正弦形、梯形、锯 齿形。
图3.8 波纹膜片
波纹形状对膜片的P-y特性 有一定影响。
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
(2)圆形波纹膜片
一定压力下，正弦波纹 膜片的挠度最大，锯齿 形波纹膜片的挠度最小。
§4 弹性敏感元件的材料
制造高精度的弹性敏感元件 制造承交变载荷的重要敏感元件 制造受力不大的弹簧及要求不高的膜片 制造抗腐蚀的弹性敏感元件 制造精度高强度好的敏感元件
谢谢! 祝同学们天天开心！
谢谢！
作用力F必须加在梁的 两斜边的交汇点处§3 弹性敏感元件的特性源自数计算等强度梁各点的应变值：
E60lbh2F
自由端的挠度：
6l3 yE0bh3F
固有振动频率：
(3.1)3 (3.1)4
机械工程测试技术_课后习题及答案
第三章 常用传感器与敏感元件3-1 在机械式传感器中，影响线性度的主要因素是什么？可举例说明。
解答：主要因素是弹性敏感元件的蠕变、弹性后效等。
3-2 试举出你所熟悉的五种机械式传感器，并说明它们的变换原理。
解答：气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等。
3-3 电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况来选用？解答：电阻丝应变片主要利用形变效应，而半导体应变片主要利用压阻效应。
电阻丝应变片主要优点是性能稳定，现行较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。
半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性差、灵敏度离散度大、非线性大。
选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。
3-4 有一电阻应变片（见图3-84），其灵敏度S g ＝2，R ＝120。
设工作时其应变为1000，问R ＝？设将此应变片接成如图所示的电路，试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变时电流表示值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读出？解：根据应变效应表达式R /R =S g 得 R =S g R =2100010-6120= 1）I 1=R =120=0.0125A=2）I 2=(R +R )=(120+0.012475A= 3）=(I 2-I 1)/I 1100%=%4）电流变化量太小，很难从电流表中读出。
如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量程不够，无法测量的电流；如果采用毫安表，无法分辨的电流变化。
一般需要电桥来测量，将无应变时的灵位电流平衡掉，只取有应变时的微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。
3-5 电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施？采取这些措施会带来什么样后果？解答：以气隙变化式为例进行分析。
20022N A dLS d μδδ==- 又因为线圈阻抗Z =L ，所以灵敏度又可写成20022N A dZ S d μωδδ==-图3-84 题3-4图由上式可见，灵敏度与磁路横截面积A 0、线圈匝数N 、电源角频率、铁芯磁导率0，气隙等有关。
chapter3 常用传感器和敏感元件new
敏感元件 转换元件 RLC 基本转换电路
电量
第3章 常用传感器和敏感元件
例：压力传感器：
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基本转 换电路
电感线圈 磁芯
转换元件
大 气 压 输入P 被测量
敏感元件 转换元件
膜盒
敏感元件
壳体 RLC 基本转换电路
电量
第3章 常用传感器和敏感元件
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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,风速,流速 , 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热.
第3章 常用传感器和敏感元件 2)按工作的物理基础分类:
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。
3.3.1 电阻式传感器
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1) 工作原理
金属应变片的电阻R为
R l / A
l
上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数
案例：桥梁固有频率测量
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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。
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案例：冲床生产记数 和生产过程监测
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案例：机器人握力测量
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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。
代入
重庆大学《生物医学传感器原理与应用》第三章--敏感元件
第三章 敏感元件作用：把物理量转换为电量，是传感器中的主要元件。
必备两个基本功能：①敏感被测量（物理量、化学量）②对应产生输出量（电量）。
§3-1 变换力和压力的弹性敏感元件一、弹性敏感元件的作用非电量—→弹性元件—→应变量—→换能元件—→电量 弹性元件两种类型：①弹性敏感元件：感受力、压力、力矩等－→变换为元件本身的应变、位移等； ②弹性支承：起支承导向作用，不作为测量敏感元件。
二、弹性特性：作用在弹性元件上的外力与其相应变形间的关系。
1．刚度：弹性元件受外力作用下变形大小的量度。
dx dFk =F —作用外力 x —变形弹性特性曲线上某点切线水平线夹角的正切为该点处的刚度。
dx dF tg k ==θ2．灵敏度：单位力产生变形的大小，是刚度的倒数。
dF dx K =并联时，系统的灵敏度：∑==ni i K K 111灵敏度低，刚度大串联时，系统的灵敏度：1n ii K K ==∑ 灵敏度高，刚度小 三、弹性滞后和弹性后效1．弹性滞后——弹性特性曲线的加载曲线与去载曲线不重合现象。
滞后误差：弹性变形之差，直接产生测量误差。
2．弹性后效——当载荷改变后，在一定时间间隔逐渐完成变形的现象。
使弹性敏感元件的变形始终不能迅速跟随作用力的改变而改变，造成测量误差，尤其在动态测量中影响较大。
4．固有振动频率：——由振动质量和材料刚度综合表征的弹性元件特征。
决定弹性元件的动态特性和变换被测参数的滞后作用，希望0f （或0ω）高。
因em k =0ωem k f π210=， k — 弹簧刚度，m e — 等效振动质量所以 提高灵敏度K ，会使线性变差，固有振动频率0ω、0f ↓。
k K 1=Θ提高0ω、0f↑，灵敏度K 会降低，需综合考虑。
5．固有频率f 0与弹性元件的变形dx 以及材料性能的关系ρ⋅⋅=l S m ， S —截面积，l —长度，ρ—密度弹性元件相对变形：E l dx σδ== ，式中 E —弹性摸数，σ—应力，∴dxl E ⋅=σ()202111/11222221122SEdx dx k dF dx dx dx l f m Sl Sl l l dx E E dx σσσσππρπρπρπρσσππρρ⋅⋅=======最后可得：ρπσ⋅=⋅E dx f 20可知弹性元件dxf ⋅0的乘积对于特定材料是有一个极限值的，σ达到许用应力时， dx 大，f 0就只能小，反之亦然。
机械工程测试基础 第三章 传感器
3.3.1 电阻式传感器 R / R Sg E
x
●优点：尺寸、横向效应、机械滞后都很小，灵 敏系数大，输出大，可不需放大器连接，使得测量系 统简化。 ●缺点：电阻值和灵敏系数的温度稳定性差；测 量较大应变时非线性严重；灵敏系数随受拉或压而变， 且分散度大 。 分析表明，金属丝应变片与半导体应变片工作原 理的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻变化， 后者利用半导体电阻率变化引起电阻变化。
3.1 概述 2)按工作的物理基础分类: 见表3-1：机械式,电气式,光学式,流体式等.
3.1 概述 3)按信号变换特征: 能量转换型和能量控制型. 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.
dR d (1 2 ) x R
或
dR / R
x
1 2
d /
x
灵敏系数： 令
Sg dR / R
x
1 2 E , (d / E x )
Sg称为金属丝的灵敏系数，表示金属丝产生单 位变形时，电阻相对变化量的大小。 显然，sg 越大，单位变形引起的电阻相对变化 量越大。
机械工程测试技术基础
第三章
常用传感器与敏感元件
本章学习要求：
1.掌握传感器的分类方法 2.掌握常用传感器测量原理、 特点及其应用 3.掌握传感器选用原则
第三章 常用传感器与敏感元件
3.1 概述
1. 传感器定义 传感器是直接感受规定的被测量，并能按一定 规律将被测量转换成同种或别种量值输出的装置。 物理量 电量
Rp
xp
《测试技术第三章》PPT课件
运算放大器电路（位移测量传感器）
4)应变片测量电路
R1
R2
E
V
R4 R3
V R2R4R1R3 E (R1R4)(R2R3)
V R2R4R1R3 E (R1R4)(R2R3)
令： R1 R R2 R3 R
R4 RdR
V R(RdR )RRE E dR (RRdR )(RR) 4 R
金属丝应变片：
dR (1 2 )
R
V与应变成线性关系，可以用电桥测量电压测量应变
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500M欧。
7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。
6) 标准产品
7) 应用 电阻应变式传感器的应用：测力
7) 应用
案例：
案例：桥梁固有频率测量
案例：冲床生产记数 和生产过程监测
电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器
R l
A
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
电阻应变式传感器--应变片
金属电阻应变片的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 阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变 化的现象。
电阻丝应变片(康铜)
金属箔式应变片
1) 工作原理
R 金属应变片的电阻R为
l
A
dR R ldl R d R AdA
A r2 d A 2 rd r
dR dl
Rl
d2drr
d r r ll ,d E
dR R(12E)
(1) 金属应变片（不变）
第3章 安全检测常用传感器
第三章安全检测常用传感器1. 传感器的分类温度传感器物理量传感器压力传感器按输入量（被测对象）分类化学量传感器位移传感器生物量传感器从传感器的转换原理来说：结构型、物性型按转换元件的能量转换方式：有源型（能量转换型）和无源型（能量控制型或参数型）按输出信号的形式传感器可分为：开关式、模拟式和数字式按输入、输出特性传感器可分为：线性和非线性2. 结构型传感器：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器2.1电阻应变式传感器：利用电阻应变片将应变转换为电阻的变化，从而实现电测非电量的传感器（原理基于电阻应变效应）2.1.1 电阻应变效应：电阻材料的电阻值随机械变化的物理现象2.1.2 压阻效应：电阻材料受到载荷作用产生应力时、其电阻率发生变化的物理现象2.1.3 金属材料的电阻率相对变化正比于体积的相对变化2.1.4 金属材料的应变电阻效应：金属材料的电阻相对变化与其线应变ε成正比2.1.5 应变灵敏度系数：K s=(1+2μ)+πE2.1.6 应变片测量应变的基本原理：外力作用而引起的轴向应变，将导致电阻丝的电阻成比例地变化，通过转换电路可将这种电阻变化转换为电信号输出2.1.7 电阻应变计：把应变丝制成栅状的应变敏感元件2.1.8 电阻应变片(简称应变片）由敏感栅、基底、覆盖层、引线和粘合剂构成2.1.9按加工方法,可以将应变片分为以下四种：丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片、薄膜应变片按敏感栅的材料,可将应变计分为金属应变计和半导体应变计两大类2.1.10电阻应变片静态特性：灵敏度系数、机械滞后、蠕变、应变极限2.1.10.1横向效应：将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，其灵敏系数降低了的现象2.1.10.2应变计的零漂：粘贴在试件上的应变计，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性2.1.10.3应变计的蠕变：如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，应变计电阻值随时间而变化的特性2.1.10.4应变极限：在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值2.1.11应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。
机械工程测试技术_课后习题和答案B
第三章 常用传感器与敏感元件3-1 在机械式传感器中，影响线性度的主要因素是什么？可举例说明。
解答：主要因素是弹性敏感元件的蠕变、弹性后效等。
3-2 试举出你所熟悉的五种机械式传感器，并说明它们的变换原理。
解答：气压表、弹簧秤、双金属片温度传感器、液体温度传感器、毛发湿度计等。
3-3 电阻丝应变片与半导体应变片在工作原理上有何区别？各有何优缺点？应如何针对具体情况来选用？解答：电阻丝应变片主要利用形变效应，而半导体应变片主要利用压阻效应。
电阻丝应变片主要优点是性能稳定，现行较好；主要缺点是灵敏度低，横向效应大。
半导体应变片主要优点是灵敏度高、机械滞后小、横向效应小；主要缺点是温度稳定性差、灵敏度离散度大、非线性大。
选用时要根据测量精度要求、现场条件、灵敏度要求等来选择。
3-4 有一电阻应变片（见图3-84），其灵敏度S g ＝2，R ＝120Ω。
设工作时其应变为1000με，问∆R ＝？设将此应变片接成如图所示的电路，试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变时电流表示值；3）电流表指示值相对变化量；4）试分析这个变量能否从表中读出？解：根据应变效应表达式∆R /R =S g ε得∆R =S g ε R =2⨯1000⨯10-6⨯120=0.24Ω 1）I 1=1.5/R =1.5/120=0.0125A=12.5mA2）I 2=1.5/(R +∆R )=1.5/(120+0.24)≈0.012475A=12.475mA 3）δ=(I 2-I 1)/I 1⨯100%=0.2%4）电流变化量太小，很难从电流表中读出。
如果采用高灵敏度小量程的微安表，则量程不够，无法测量12.5mA 的电流；如果采用毫安表，无法分辨0.025mA 的电流变化。
一般需要电桥来测量，将无应变时的灵位电流平衡掉，只取有应变时的微小输出量，并可根据需要采用放大器放大。
3-5 电感传感器（自感型）的灵敏度与哪些因素有关？要提高灵敏度可采取哪些措施？采取这些措施会带来什么样后果？解答：以气隙变化式为例进行分析。
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无应变时电流表示值
I U 1. 5 12 .5mA R 120
有应变时电流表示值
I U 1.5 12.475 mA R R 120 .24
电流表指示值的相对变化量
I
12.5 12.475 0. 2 % 12 .5
不能。这个变化量是太小，必须用高灵敏度的微安表方可读出， 一般接入电桥。
成敏感栅 ，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，
由引出导线接于电路上。
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应变片实际使用：将其粘贴于弹性元件或被测物体表面。外 力作用下，金属丝随物体一同变形，电阻值发生变化，将被 测量的变化转换为电阻值的变化。
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依次代入式（3－5），得
(1 2 )由电阻丝几何尺寸改变引起，同一电阻材料， 1 2为常数；
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应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式 传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速 度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测 量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输 出。
华南理工大学广州学院 二、电容式传感器
1、变换原理
定义：电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同
α－触点转角(rad)； ka－单位弧度对应的电阻 值。
C B
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3）非线性型
R kx 2
x
A C B
–非线性型 输出电阻(或电压)与电刷位移(包括线位移或角位移) 之间具有非线性函数关系的一种电位器 。
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★变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路
uo
ue
ue xp RP x RL x 1 xp
uo
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变阻器式传感器的优缺点： –优点：结构简单，性能稳定，使用方便； –缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于20μm；较 大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附 着等原因）。
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华南理工大片 的主要区别是什么？
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• 半导体应变片的优点是: – 灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用 于测量； –体积小，扩大了半导体应变片的使用范围。 • 最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使 用。
导体材质和截面积一定，其阻值随导线长度而线性变化。
变阻器式传感器除可以测量线位移和角位移，还可以测量任 何可以转换为位移的物理参数，如压力、加速度等。
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工作原理： 一个电导体的电阻值：
R
l
A
()
式中：R－电阻（Ω）； ρ－材料的电阻率（Ω· mm2/m）； l－导体的长度（m）； A－导体的截面积（mm2）。 电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。 变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。
分类：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为 极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，前两种应
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2、电阻应变式传感器 可测参数：应变、力、位移、加速度、扭矩等。 电阻应变式传感器:金属电阻应变片和半导体应变片。 （1）金属电阻应变片
基本工作原理：
当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。
华南理工大学广州学院 主要形式：金属电阻应变片有丝式和箔式两种。 –金属丝式应变片是用0.01～0.05mm的金属丝绕
E由电阻丝的电阻率改变引起；对于金属电阻丝而言， E很小，可忽略。式（3－8）简化为
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说明： Sg为应变片系数或灵敏度,金属电阻丝的灵敏度常在1.7— —3.6之中。
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解：因为电阻应变片灵敏度系数
S R
R
所以，电阻变化量
R RS 120 1000 106 2 0.24
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（2）半导体应变片 半导体应变片的结构如图，使用方法同电阻丝应变片。
工作原理：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时， 其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。 实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体 材料的这种效应特别强。 单晶半导体在外力作用下，原 子点阵排列规律变化，导致载流子迁移率及载流子浓度变 化，从而引起电阻率变化。
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第三章 常用传感器与敏感元件
•第一节 •第二节 •第三节 •第四节 •第七节 •第十节 常用传感器分类 机械式传感器及仪器 电阻、电容与电感式传感器 磁电、压电与热电式传感器 半导体传感器 传感器的选用原则
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传感器的定义： 传感器是以一定的精度和规律把被测量 转换为与之有确定关系的、便于应用的某 种物理量的测量装置。
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第三节 电阻、电容与电感式传感器
一、电阻式传感器
电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器。 电阻式传感器分类： – 变阻器式传感器 – 电阻应变式传感器 – 固态压阻式传感器
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1、变阻器式传感器
变阻器式传感器又称为电位计式传感器。它通过改变电位器 触头位置，实现将位移转换为电阻R的变化。
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变阻器式传感器
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–直线位移型
R kl x
kl为单位长度中的 电阻 。 其灵敏度： x R
C
x
s dR dx kl
A C B
当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。
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–角位移型
R k
灵敏度：
A
dR s k d
物理量的变化转换为电容量的变化。 公式：平板电容器的电容可表达为：
0 A F C
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各参数含义：
ε—极板间介质的介电常数，当介质为空气时ε=1； ε0—真空介电常数,ε0=8.85×10-1 2(F/m); A—极板面积（m2）； δ—两极板间距离（m）。
结论：被测量使δ、A或ε变化，均会引起电容C变化。保 持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参 数的变化变换成电容量的变化。