《感器技术及应用》第3讲传感器敏感结构的力学特性[精品]

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传感器中的弹性敏感元件(特性)

Chapter3 传感器中的弹性敏感元件
引言
变形：物体在外力作用下，形状或尺寸的改变。弹性变形弹性元件：具有弹性变形特性的物体。弹性敏感元件作用：把力、力矩或压力变换成相应的应变或位移; 然后由各种转换元件，将被测力、力矩或压力转换成电量。
1
h
弹性特性
作用在弹性敏感元件上的外力与其引起的相应变形〔应
2.应变
物体受外力作用时产生的相对变形
纵向应变εl
横向应变εr 切应变:切应力所产生的变形。
8
h
式中， x为力F使角点产生位移， L为固定端至力作用点之间的距离
3.虎克定律与弹性模量
σ=Eε τ=Gγ
式中，E为弹性模量或称杨氏模量，单位为N／m2； G为剪切模量或称刚性模量； τ为切应力。
9
h
11
h
弹性敏感元件的类型 1.变换力的弹性敏感元件
图3-1 变换力的弹性敏感元件 a)实心轴 b)空心轴 c、d)等截面圆环 e)变形的圆环
12 f)等截面悬梁 g)等强度悬臂梁 h)变形的悬臂梁 i)扭h转轴
2.变换压力的弹性元件
图3-2 变换压力的弹性敏感元件
1a3)弹簧管
b)波纹管
c)等截面薄板
5.0 9.5～10.5
2.用于一般传感器
2.7
h
21
d)膜盒
e)薄壁圆简
f)薄壁半球
h
1、根本拉压：材料受力变形的最根本形式是拉压变形，由下式计算： E
式中：ε为应变，即单位长度的变形，
l l
因此它是一个
无量纲，习惯上将10-6称为一个微应变；Δl 是受力后发
生的变形，l为受载变形长度；E为材料的弹性模量，单位

2011_0524_北航_传感器技术及应用_樊尚春_012_to

仪器科学与光电工程学院
School of Instru. Sci. & Opto-electro. Eng.
5.5.1 谐振弦式压力传感器结构与原理特性方程激励方式
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5.5.1 谐振弦式压力传感器结构与原理
F
传力膜片
石英晶体 (敏感元件)
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5.5.4 石英谐振式集中力传感器结构与原理特性方程
f K f f02 F
Kf
与谐波次数，谐振器材料、
F
传力膜片
结构参数，外壳材料、结构
参数等有关的修正系数
——传感器装配 ——功耗高 ——结构复杂
铂电阻基座
——抗干扰能力差
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5.5.2 谐振筒压力传感器
原理结构示意图（压电激励）应用特点
——功耗低
——结构简单 ——抗干扰能力强 ——振型的选择 ——传感器装配 ——接触模式
课程内容
第1讲：绪论第2讲：传感器的输入输出特性第3讲：传感器敏感结构的力学特性第4讲：几种典型的模拟式传感器第5讲：谐振式传感器第6讲：发展中的传感器新技术第7讲：总结

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传感器技术应用

6.2.6 硅谐振式压力微传感器差动输出的微结构谐振式压力传感器
梁谐振子1 梁谐振子2
环形膜真空罩
边界结构
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6.3 智能化传感器
6.3.1 6.3.2 6.3.3 6.3.4 6.3.5 传感器技术智能化的含义基本传感器智能化传感器中的软件典型应用发展前景
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6.3.4 典型应用智能化流量传感器系统
批控罐装流体入科氏效应解算谐振特性解算 f
闭环放大器
f
ห้องสมุดไป่ตู้
基本传感器流体出设定双组分密度信息处理单元双组份流体解算双组分信息
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传感器技术及应用
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传感器技术及应用
主讲教师：主讲教师：樊尚春教授北京航空航天大学
6.2 微机械传感器
6.2.1 6.2.2 6.2.3 6.2.4 6.2.5 6.2.6 概述硅电容式集成压力传感器硅电容式微机械加速度传感器硅电容式表面微机械陀螺微机械科氏质量流量传感器硅谐振式压力微传感器
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2012_0515_北航_传感器技术及应用_017_to

1942年,“膜盒式空速表”—国际首创
林士谔(1913-1987)
利用膜盒的“压力—位移”特性实现测量
——典型的模拟式仪表【指针式】
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5.1 概述
典型案例
谐振式传感器的重要性
1970，电位器式高度、空速传感器在我国飞机上使用[～1％]
5.1 概述
技术视角
谐振式传感器的重要性
谐振式传感器的
特点
k M k eq(M)
meq M (M) eq
数字式高性能
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5.1 概述
技术视角
谐振式传感器的重要性
谐振式传感器的
谐振敏感元件
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5.2.1 谐振现象
谐振状态(实际)
A 1
P n
1 P 2 P
2 2 n
2
当 P 1 2 n 2
Amax 1 2 n 1 n
Q 2π ES Ec
Q
1 Am 2 n
Q
2 1
r
1
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5.2.2 谐振子的机械品质因数
ES Q 2π Ec
1 Q Am 2 n

传感器技术及应用教学大纲

传感器技术及应用——教学大纲一、课程基本信息课程编号：17z8315课程名称：传感器技术及应用Sensor Technology and Application学分/学时：3/42先修课程：主要有：物理、材料力学(工程力学)、电工基础、电子技术基础、自动控制元件、自动控制理论。

二、课程教学目的本课程是仪器科学与光电工程学院测控技术与仪器专业本科生的专业课。

其目标是：提供了解、使用、分析和初步设计常用传感器的敏感元件及系统的理论与实践基础，为后续其他专业课打下较坚实的基础。

三、课程教学任务通过本课程的学习，让学生了解传感器技术的发展现状、特点，在信息技术中的重要地位、作用；掌握信息获取范畴的广义理解；掌握常用传感器的基本工作原理，实现方式与结构；了解传感器技术在国防工业和一般工业领域中的典型应用；同时使学生能够在自动化系统、智能化系统中正确应用常用的传感器技术。

四、教学内容及基本要求本课程理论与实践紧密结合。

主要讲授传感器的性能评估，目前在工业领域中常用的几种典型的、有代表性的传感器的敏感元件的物理效应、变换原理、工作特性、主要结构、信号转换电路、误差及其补偿、合理应用等。

同时本课程也重视对新型传感器技术及应用的介绍。

传感器结构设计、工艺及所用材料只作一般介绍。

本课程主要内容可以分为三部分。

第一部分是关于传感器技术的基础理论与知识，共15个学时；第二部分是关于典型传感器的讨论，这是课程的重点，共21个学时；第三部分是关于近年来出现的新型传感器、应用示例的讨论，共6个学时。

教学的基本知识模块顺序及对应的单元教学任务。

五、教学安排及方式第1章绪论（6学时，基本掌握，讲授为主）1.1 传感器的作用与功能1.2 传感器的分类1.3 传感器技术的特点1.4 传感器技术的发展1.5 与传感器技术相关的一些基本概念1.6 本教材的特点及主要内容第2章传感器的特性（5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）2.1 传感器静态特性的一般描述2.2 传感器的静态标定2.3 传感器的主要静态性能指标及其计算第3章基本弹性敏感元件的力学特性（4学时，掌握，讲授为主）3.1 概述3.2 弹性敏感元件的基本特性3.3 基本弹性敏感元件的力学特性3.4 弹性敏感元件的材料第4章电位器式传感器（1学时，掌握，讨论为主，讲授为辅）4.1 概述4.2 线绕式电位器的特性4.3 非线性电位器4.4 电位器的负载特性及负载误差4.5 非线绕式电位器4.6 典型的电位器式传感器第5章应变式传感器（5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）5.1 应变式变换原理5.2 金属应变片5.3 应变片的动态响应特性5.4 应变片的温度误差及其补偿5.5 电桥原理5.6 典型的应变式传感器第6章压阻式传感器（2.5学时，掌握，讲授为主）6.1 压阻式变换原理6.2 典型的压阻式传感器第7章热电式传感器（2.5学时，掌握，讲授为主，讨论为辅） 7.1 概述7.2 热电阻测温传感器7.3 热电偶测温7.4 半导体P-N结测温传感器7.5 其他测温系统第8章电容式传感器（1学时，掌握，讲授为主，讨论为辅）8.1 基本电容式敏感元件8.2 电容式敏感元件的主要特性8.3 电容式变换元件的信号转换电路8.4 典型的电容式传感器8.5 电容式传感器的结构及抗干扰问题第9章变磁路式传感器（2学时，掌握，讨论为主，讲授为辅）9.1 电感式变换原理9.2 差动变压器式变换元件9.3 电涡流式变换原理9.4 霍尔效应及元件9.5 典型的变磁路式传感器第10章压电式传感器（1学时，基本掌握，讲授为主）10.1 石英晶体10.2 压电陶瓷10.3 聚偏二氟乙烯10.4 压电换能元件的等效电路10.5 压电换能元件的信号转换电路10.6 压电式传感器的抗干扰问题10.7 典型的压电式传感器第11章谐振式传感器（6学时，基本掌握，讲授为主）11.1 谐振状态及其评估11.2 闭环自激系统的实现11.3 振动筒压力传感器11.4 谐振膜式压力传感器11.5 石英谐振梁式压力传感器11.6 谐振式科里奥利直接质量流量传感器第12章微机械与智能化传感器技术（5时，基本掌握，讲授为主，讨论为辅）12.1 概述12.2 几种典型的微硅机械传感器12.3 几种典型的智能化传感器12.4 若干新型传感器应用实例分析课程总结（1学时，讲授为主，讨论为辅）六、教学的基本思路“传感器技术及应用”教学以“一条主线、二个基础、三个重点、多个独立模块”的基本原则来进行。

第三章常用传感器与敏感元件优秀课件

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一种把被测量转换为电阻变化的传感器。
按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。 1．变阻器式传感器
a）直线位移型 b）角位移型 c）非线性型
变阻器式传感器通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻的变化。其表达式为
R l
A
▲直线位移型
结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的。例如，电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化；电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。
按敏感元件与被测对象之间的能量关系分：
能量转换型传感器与能量控制型传感器。
能量转换型传感器，也称无源传感器，是直接由被测对象输入能量使其工作的，例如，热电偶温度计、弹性压力计等。在这种情况下，由于被测对象与传感器之间的能量交换，必然导致被测对象状态的变化和测量误差。
优点：体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。
缺点：温度稳定性能差，在较大应变作用下，非线性误差大等。
应用：用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。
（2）半导体应变片
1—胶膜衬底 2—P-Si 3—内引线 4—焊接板 5—外引线
工作原理:是基于半导体材料的压阻效应。
压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率及载流子浓度
的变化，从而引起电阻率变化的现象。
x RL
xp
优点：是结构简单、性能稳定、使用方便。缺点：是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。
应用：用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。 2．电阻应变式传感器电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。（1）金属电阻应变片工作原理：应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。

传感器及基本特性PPT课件

➢ 温度漂移通常用传感器工作环境温度偏离标准环境温度（一般为20℃）时的输出值的变化量与温度变
化量之比(ξ)来表示，即
yt y20
t
29
第29页/共46页
可靠性：
可靠性是反映检测系统在规定的条件下，在规定的时间内是否耐用的一种综合性的质量指标。
浴盆曲线
30
第30页/共46页
稳定性：
34
第34页/共46页
一、动态参数测试的特殊性
T/℃ 动态误差
T1
T0
测试曲线
o
0
/s
图3.6 热电偶测温过程的动态特性
热电偶测温过程的动态特性
35
第35页/共46页
二、传感器的动态模型
1、微分方程传感器的种类和形式很多，但它们的动态特性一
般都可以用下述的微分方程来描述：
an
dny dt n
n2
y(t)
n2kx(t)
根据二阶微分方程特征方程根的性质不同，二阶系统又可分为： ① 二阶惯性系统：其特点是特征方程的根为两个负实根，
它相当于两个一阶系统串联。 ② 二阶振荡系统：其特点是特征方程的根为一对带负实部
的共轭复根。
39
第39页/共46页
2、传递函数
动态特性的传递函数在线性或线性化定常系统中是指初始条件为0时，系统输出量的拉氏变换与输入量的拉氏变换之比。当传感器的数学模型初值为0时，对其进行拉氏变换，即可得出系统的传递函数
静态灵敏度则说明其静态特性。用方程式描述其动态特性的传
感器就称为一阶系统，一阶系统又称为惯性系统。
38
第38页/共46页
3）二阶系统
二阶系统的微分方程为
a2

第3章压力传感器《传感器技术与应用》课件

为了减少横向效应产生的测量误差，现在一般多采用箔式应变片。
第3章压力传感器及其应用案例
5. 电阻应变片的主要参数
(1) 电阻值 R 电阻值R是指电阻应变片在没有粘贴、也不受力时，在室温下的电阻值。目前电阻应变片的电阻值已经标准化，现有 60Ω、120Ω、350Ω、 600Ω和1000Ω等多种系列。其中最常用的是120Ω。 (2) 最大工作电流 I 最大工作电流 I 是指在电阻应变片正常工作时允许通过电阻应变片的最大电流值。工作电流大，应变片输出信号就大，灵敏系数就高。但过大会使应变片本身过热，甚至把应变片烧毁。通常允许电流值在静态测量时取25mA左右。动态测量时可达 75~100mA，箔式电阻应变片则可更大些。
U0
U BA
U DA
R1R3 R2 R4 (R1 R2 )(R3 R4 )
E
当R1R3=R2R4 时，U0=0，称作电桥平衡。即相对两臂电阻的乘积相等，电桥平衡。
第3章压力传感器及其应用案例
2. 电压灵敏度
理论可以证明，当外加电压E的大小确定后，在R1=R2=R3=R4=R的平衡条件下，由于某个电阻发生微小变化而引起的电桥不平衡输出电压
用。利用这种方法制作的应变片，称作选择式温度温度自补偿应变片。
(2) 组合式温度自补偿应变片
图3-4给出了组合式温度自补偿应变片的结构。它是利用某些电阻材料的温度系数有正、有负的特性，使两段电阻丝栅随温度变化而产生的电阻增量大小相等，符号相反来实现温度自补偿的。
R1
R2 焊接点
图3- 4 组合式自补偿应变片结构
dr dL
r
L
式中: μ——电阻丝材料的泊松比, 负号表示与应变方向相反。
令dL/L=ε，则 dr / r ， dS / S 2dr / r 2

讲解传感器技术及应用教学材料

——电位器电刷位移(传感器输出)
W PW SC , llC PllC PπE4 FA h A 3e R q4 2R p2KE
弹簧
电刷电位器引线壳体
WP
WS,CllC P
4pPlR4 AplCEh3
4.2.7 典型的电位器式传感器 2.电位器式加速度传感器质量块弹簧片
电阻元件
电刷
思考题壳：体画出传活感塞器阻的尼原器理框图
给定电位法
4.2.4 电位器的负载特性及负载误差
电位器的负载特性
RfR UoutRR f＋ fRRRf＋ (R R0R)UinRfR0U inRRR 0R fR2
r R R0
Kf Rf R0
Xx L0
YUoutUin
Y 1
r r r2
Kf Kf
或
Y
1
X X
X2
Kf Kf
4.2.4 电位器的负载特性及负载误差
4.2.7 典型的电位器式传感器 1.电位器式压力传感器
敏感结构 ——真空膜盒串
弹簧
真空真空膜膜盒盒
电刷电位器引线壳体
4.2.7 典型的电位器式传感器
1.电位器式压力传感器
工作机理
被测压力——膜盒位移——
弹簧
杠杆位移——电刷位移——
电位器输出
真真空空膜膜盒盒
电刷电位器引线壳体
1.电位器式压力传感器
减小负载误差的措施
重新设计电位器的空载特性
1Kf r Y
1Kf Y
2
4Kf
2
Y f (X)
2
r1fK Xf 1fK Xf 4Kf
def
FX
2
Yf XX

传感器的弹性敏感元件-第三章.

柱形弹性敏感元件的固有频率：
EA
f0 0.159 2l ml
l — 柱体元件的长度 ml — 柱体元件单位长度的质量
(3.7)
ml A
f0
0.249 l
E
(3.8)
ρ — 柱体元件的材料密度
圆柱形弹性敏感元件主要用于电阻应变式拉力或压力传感器中。
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
2、悬臂梁结构简单，灵敏度高，多用于较小力的测
5、固有振动频率固有频率决定其动态特性，一般来说，固
有频率越高，其动态特性越好。
1k
f
(Hz )
2 me
(3.5)
k — 弹性敏感元件的刚度
与灵敏度相矛盾
me — 弹性敏感元件的等效振动质量
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
1、弹性圆柱(实心和空心) 结构简单，可承受很大载荷；但产生的位移
很小，所以往往以应变作为输出量。
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
6、波纹管
图3.12 波纹管
压力(或轴向力)的变化与伸缩量成比例，所以波纹管可以把压力(或轴向力)变成位移。
§3 弹性敏感元件的特性参数计算
轴向作用力下，与波纹管的轴向位移的关系：
1 2
n
yF
Eh0
A0
A1
2 A2
B0
h0 2 RH 2
(3.24)
F — 轴向集中作用力 n — 工作的波纹数
具有弹性变形特性的物体。
§1 概述
弹性敏感元件：利用弹性变形实现将被测量由一种物
理状态变换为另一种相应物理状态的元件。
作用：直接测量被测量
常用的弹性敏感元件有波纹管、弹性梁、柱及筒、膜片、膜盒、弹簧管等。

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2u 2v 2w f x , f y , f z : 2 , 2 , 2 t t t
3.2.7 应力描述
(平面极坐标系)——力平衡
1 f 0 1 2 f 0
ES Q 2π Ec
1 2 n n Q 2 1 Q
3.2.5 位移描述弹性敏感元件的位移(直角坐标系)

r xi yj zk
z z+w z
V ui vj wk

V r
0 x x+u x
y
y+v y
3.2.5 位移描述
y
弹性敏感元件的位移
(平面极坐标系)
3.2.8 广义胡克定律
D C T x y z xy yz zx T x y z xy yz zx
1 1 C E 1 1 1 D 2(1 ) 2(1 ) 2(1 )
zx
z
直角坐标系
τ
zy
x, y, z
xy , yz , zx
xy , yz , zx
z
τ
τ
xz
a
yz
σ
P
τ
xxyτσ Nhomakorabeayx
B
y
1 , 2 , 3 6, 4, 5
x
A 0
y
3.2.7 应力描述
对于硅压阻效应
x, y, z
1 , 2 , 3
r rer re V wer ve

x
3.2.6 应变描述
L' L L
L L
3.2.6 应变描述
π ' ' 2
3.2.6 应变描述
u x x v y y w z z u v xy y x v w yz z y w u zx x z
课程内容
第1讲：绪论第2讲：传感器的输入输出特性第3讲：传感器敏感结构的力学特性第4讲：几种典型的模拟式传感器第5讲：谐振式传感器第6讲：发展中的传感器新技术第7讲：总结

第3讲：传感器敏感结构的力学特性
思考题(第3讲)
1. 在物理量传感器中，可以利用弹性敏感元件
的哪些物理特性？举例说明(2个)。
一般特性
位移、应变、应力特性固有振动特性其他特性
3.1 概述
常用弹性敏感元件(1)
3.1 概述
常用弹性敏感元件(2)
真空膜盒
3.1 概述
常用弹性敏感元件(3)
3.1 概述
常用弹性敏感元件(4)
3.1 概述
常用弹性敏感元件(5)
3.1 概述
常用弹性敏感元件(6)
P
XN
zy
τ
zx
B
τ
0 A
σ
z
y
x
3.2.8 广义胡克定律 (Robert Hooke)
胡克——1635～1703，1678年弹性定律发表在他的讲演集《态势的恢复》(针对典型弹性体) 科西1822年引入“应力”“应变”及G.格林的改进后才具有现代形式
3.2.8 广义胡克定律
牛顿——万有引力的思考
3.2.7 应力描述 (直角坐标系边界条件)
C N z
σ τ σ
y yx
x
τ
ZN
xy
X N x l xy m xz n YN yxl y m yz n Z N zx l zy m z n
τ τ
YN
yz
xz
yz , zx , xy 4 , 5 , 6
3.2.7 应力描述
弹性敏感元件的应力(平面极坐标系)
r , r
σ
σr σr σr
0
d
dr
r
3.2.7 应力描述
(直角坐标系)——力平衡
x yx zx f x 0 x y z xy y zy f y 0 x y z xz yz z fz 0 x y z xy yx yz zy zx xz
2. 说明弹性敏感元件的刚度、弹性滞后、弹性后效、蠕变的物理意义。通过实例进行说明。 3. 分析弹性敏感元件的热特性。
第3讲：基本弹性敏感元件的力学特性
3.1 概述
3.2 弹性敏感元件的基本特性
3.3 基本弹性敏感元件的力学特性
3.4 弹性敏感元件的材料
3.1 概述
弹性元件 ? 弹性变形
弹性元件的特性
3.2.6 应变描述 (平面极坐标系)
w r r w v r r v w v r r r r
y
x
3.2.7 应力描述

S lim
A 0
Q A

3.2.7 应力描述
C
σ τ
第3讲：基本弹性敏感元件的力学特性
3.1 概述
3.2 弹性敏感元件的基本特性
3.3 基本弹性敏感元件的力学特性
3.4 弹性敏感元件的材料
3.2 弹性敏感元件的基本特性
3.2.1 刚度与柔度 3.2.2 弹性滞后 3.2.3 弹性后效与蠕变 3.2.4 弹性材料的机械品质因数 3.2.5 位移描述 3.2.6 应变描述 3.2.7 应力描述 3.2.8 广义虎克定律 3.2.9 固有谐振频率 3.2.10 弹性元件的热特性
3.2.1 刚度与柔度
dx S dF
柔度(灵敏度)
x
x
dF K dx
刚度
F
O
弹性体
x F
x
F
F
3.2.2 弹性滞后
x
xi
卸载加载
Fi
F
3.2.3 弹性后效与蠕变
x
x x
x x x
//
/
0
t
t
t
F F
O
F
t >>t
F
3.2.4 弹性材料的机械品质因数
A 1
2 2 1 2 n n n 2