4常用传感器的变换原理

R1 R3 R 2 R 4
平衡条件
信号放大电路
直流电桥的连接方式
a)半桥单臂 b)半桥双臂 c)全桥
(a)半桥单臂
UO ( R R R1 R R4 )U I UI U 4 R0 2R 4 R0 I R1 R R 2 R 4 R3
4.1 传感器的分类及其特性
4.1.6 传感器的发展趋势
• • • • • • 采用新原理，开发新型传感器 大力开发物性型传感器 传感器的集成化 传感器的多功能化 传感器的智能化 仿生传感器
4.1 传感器的分类及其特性
4.1.7 传感器选用原则
选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、 稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。 1、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵 敏度时，要考虑以下几个问题。
第四章 常用传感器 4.1 传感器的分类及其特性
4.1.1 传感器定义
4.1.2 传感器的构成 4.1.3 传感器的分类 4.1.4 常见的被测物理量
4.1.5 传感器的性能要求
4.1.6 传感器的发展趋势 4.1.7 传感器选用原则
4.1 传感器的分类及其特性
4.1.1 传感器定义
传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并 按一定的规律将所获取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。
第四章 常用传感器
4.2 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:变阻式、电阻应变式、热敏式、光 敏式、电敏式.
4.2.1 变阻式传感器 4.2.2 电阻应变式传感器
4.2 电阻式传感器 4.2.1 变阻器式传感器
（1） 工作原理
R
R kl x
k l 为单位长度的电阻 灵敏度S= k l
R k
R k ' (k x 2)
函数电位器 用于测量控制系统、 对某些传感器的非 线性环节进行补偿 等
k a为单位弧度的电阻 灵敏度S= k a
k l k a 当导线材质分布均匀时是一常数
4.2 电阻式传感器
等效电路分析: Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量. 2 Rp-Rx 1 3 Ein x xp Eout Rx RL
物理量
电量
4.1 传感器的分类及其特性
4.1.2 传感器的构成
传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是 传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，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。
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4.1 传感器的分类及其特性
4.1.3 传感器的分类
单圈电位器 多圈电位器 直线滑动式电位器
(3)变阻器式传感器的分类:
按电位器结构分
变阻器
按电阻元件分
线绕电位器 金属陶瓷电位器 导电塑料电位器 混合式电位器
4.2 电阻式传感器
(4)变阻器式传感器的特点：
电阻器
绕线式
制作
直径0.012-0.1mm的镍铬合金的精密电阻 丝绕在绝缘的薄膜铜丝或绝缘的胶木板 等卷心上而制作
导电-塑料式
混合式
4.2 电阻式传感器
(5) 应用 案例1：重量的自动检测--配料设备
原材料
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
比较
设定值
ey
e0
xp Rp ( R x L
)(1 xx )
p
4.2 电阻式传感器
案例2：煤气包储量检测
特点： （1）测量量程大； （2）防爆； （3）可靠；
4.2 电阻式传感器
6）应用 案例1：桥梁固有频率测量
原理 在桥中设置一三角形障碍物，利 用汽车碍时的冲击对桥梁进行激 励，再通过应变片测量桥梁动态 变形，得到桥梁固有频率。
4.2 电阻式传感器
案例2：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
dl 纵向应变 l 泊松比 dr dl 压阻系数 r l d E

R (1 2 E )
弹性模量
电阻的变化由两种因素引起：1、电阻丝几何形状的改变； 2、材料电阻率的改变
4.2 电阻式传感器
电 (1)当不变时 阻 R dl R dA R(1 2 ) dR 丝 l A 的 dR / R 1 2 常数（ S g 1.7 ~ 3.6） Sg 应 dl / l 金属应变计 变 (2)当变化时 灵 R d l d R d RE dR 敏 A 半导体应变计 度 dR / R ' E（一般 S 'g （50 ~ 70） 系 Sg S g） dl / l 数 金属材料：电阻率的改变对电阻的变化影响很小，电阻的 变化主要由几何形状改变引起； 半导体材料：电阻率变化的影响远大于几何形状变化的影 响；
B 能量转换型和能量控制型传感器 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.
4.1 传感器的分类及其特性
4.1.4 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. • 光： 亮度，色彩. 电参量式传感器：电阻式、电容式、电感式
压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、气电 式传感器、热电式传感器、射线式传感器、波式传感 器、半导体式传感器、其它传感器
4.1 传感器的分类及其特性
4.1.5 传感器的性能要求
• • • • • • • • • 灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系 噪声小，并且具有抗外部噪声的性能 滞后，漂移误差小 动态性能良好 接入测量系统时对测量产生影响小； 功耗小，复现性好，有互换性 防水及抗腐蚀性能良好，能长期使用 结构简单，容易维修和校正 低成本，通用性强
应变计
4.2 电阻式传感器
2）金属应变片 敏感栅：感应应变，并将其转化 为电阻变化 基底和覆盖层：固定和保护敏感 栅，使敏感栅与试件绝缘，并传 递试件变形给敏感栅。 引出线：将敏感栅的电阻变化引 入到测量电路中。 应变片的基本工作原理：P76
粘贴胶层的要求：P77
应变片的灵敏度系数（4-11）：K与K0的区别：测定应变片的灵敏度K时， 应变片的横向部分承受了试件横向方向的应变变形，使应变片总的电阻增 量R变小，从而导致应变片的灵敏度K小于电阻丝的灵敏度K0
特点
电阻温度系数非常好，为±(5－ 20)×10-6 /℃；精度、稳定性、重复 性比薄膜式好；分辨力低于薄膜式
金属陶瓷式
电阻胶印在陶瓷基板上，并用高温烧制 而成 将基板的树脂与电阻膜制成一体，或将 电阻胶涂于薄膜基片上
导电型树脂涂于线绕式电阻元件上
分辨力高，环境适应性强，电阻温 度系数为±200×10-6 /℃左右 分辨力高，寿命长，线响应特性好， 电阻温度系数为±400×10-6 /℃ 兼有绕线式、导电－塑料式的优点， 电阻温度系数为±150×10-6 /℃
应变计
4.2 电阻式传感器
2）金属应变片 应变片的横向效应：应变片对垂直于自身轴线方向的横向 应变的反应。 应变片的温度效应：应变工作时，周围环境和自身环境发 生变化，由于电阻温度效应使敏感栅电阻发生变化，或由于敏 感栅与被测试件的热变形不同使得敏感栅电阻受到附加的拉伸 （或压缩)而造成电阻变化的现象。
第四章 常用传感器的变换原理
4.1 传感器的分类及其特性 4.2 电阻式传感器的变换原理 4.2 电感式和电容式传感器的变换原理 4.4 压电式传感器的变换原理 4.5 光电式传感器的变换原理 4.6 光纤式传感器的变换原理 4.7 其它新型传感器 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
4.2 电阻式传感器 1）工作原理
金属应变片的电阻R为
dR R dl R dA R d l A
R l
电阻的变化量dR
A r2
A l dR dl 2 dr l d r2 r3 r2 d R( dl 2 dr ) l r
4.1 传感器的分类及其特性 4 稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特 性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间 与环境。 5 精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对 应程度。
6 测量方式
传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要 因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、 在线与非在线测量等。
案例3：桶式测力传感器
信号放大电路 电桥
1）直流电桥
I1 I4 UI R1 R 2 UI R 4 R3 U ba I 1 R1 U bc I 4 R 4 R1 UI R1 R 2 R4 UI R 4 R3
R1 R3 R 2 R 4 R1 R4 )U I U O U ba U bc ( UI ( R1 R 2)( R 4 R3) R1 R 2 R 4 R3
a)灵敏度过高引起的干扰问题；
b)量程范围。
c)交叉灵敏度问题。
4.1 传感器的分类及其特性 2 响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不 失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但 总希望延迟的时间越短越好。 3 线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围 内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感 器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证 测量精度的基本条件。
（4）成本低。
钢丝
煤气包
原理 直接将代表煤气包储量的高度 变化转换为钢丝的电阻变化
4.2 电阻式传感器
案例3：玩具机器人（广州中鸣数码 ）
原理
直接将关节驱动电机的转动角 度变化转换为电阻器阻值变化
4.2 电阻式传感器 4.2.2 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。 可用于测量应力、应变、加速度、 扭矩等参数，具有体积小、动态响应 好、测量精度高等优点。
温度补偿方法：
应变计
4.2 电阻式传感器
3）半导体应变片
• •
优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件. 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片.
4.2 电阻式传感器
4）应变片的主要参数 1）几何参数：标距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L 表示。
2）电阻值：应变计的原始电阻值。
(1)按被测物理量分类: 位移,力,温度等. (2)按工作的物理基础分类: 机械式,电气式,光学式,流体式等.
(3)按传感器的构成原理: 物性型,结构型. (4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:
能量转换型和能量控制型.
4.1 传感器的分类及其特性
A 物性型与结构型传感器 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. 例如:水银温度计,压电测力计. 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.
Eout
Ein 1
R p Rx Rx RL Rx RL
100%
负载效应
Output
Ein
Rp RL R R Rp R x x L
Ein
xp x
( R p )(1 xx )
L p
R
0
0
x
100%
4.2 电阻式传感器
(2) 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;
3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 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）。
应变计
4.2 电阻式传感器
2）金属应变片
• 金属应变片有： 丝式、箔式 • 优点： 稳定性和温度特性好 • 缺点： 灵敏度系数小
4.2 电阻式传感器
5）应变片的测量电路 第四章中“电桥” 内容