精密测试技术课程讲义(3章传感器)

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1、第三章传感器技术一、传感器概述1.1传感器的分类•按被测的物理量分类：位移传感器、力传感器、温度传感器。•按传感器工作的物理基础分类：物理型：机械式、电气式、光学式、流体式等。化学型：生物型：•按传感器构成原理：结构型和物性型•按传感器能量转换情况：能量控制型能量转换型1.2传感器的发展方向小型化：敏感元件与放大电路一体化多功能：一种传感器可以测量多种参数智能化：体现在1、数据处理功能：自动调零、自动选量程、自动修正。2、自诊断功能：自检功能。3、人机对话功能（显示和报警）（仪器化）4、接口功能。5、掉电保护功能

2、发展原因：（1）应用、需求（2）新材料、新技术、新工艺、微电子技术（3）仿生学发展（仿生原理）蝙蝠：超声定向功能超过高级雷达装置毒蛇借助于眼下方的面部小窝远距离测量、感知附近动物的存在（非常发达的温度传感器）二、电阻式传感器2.1分类将被测量的物理量如位移、力等转换为电阻变化的一种传感器，分为变阻式和电阻应变式。2.2变阻式R=卩匚R—_电阻值1__长度P——电阻率A——截面积利用R〜1的线性关系可以制成直线位移型：Rac^xdR7——=Jdx_dR_角位移型：s~~^~a非线性型：23电阻应变式传感器1.应用：

3、用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数2.分类：金属丝电阻应变片式和半导体应变式3.金属丝电阻应变片式I3R3R3RR=p—=>dR=—dlHdAHdpAdldA3/7（一电阻丝半径）=竺=理一如*生RrrpdZ_一厂—£电阻丝轴向相对变形，称为纵向形变drT电阻丝径向相对变形，称为横向应变drdlY——电阻丝材料的泊桑比""=2cr=AEePA——压阻系数E——电阻丝的弹性模量R£=AE其中(1+2力£由电阻丝几何尺寸改变引起；由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起;对于金属电阻丝而言，2E很小，故可忽略ARR

4、〜(1+2/)E灵敏度dRD=1+2/=constdl1.半导体应变片原理：基于半导体材料的压阻效应：指单晶半导体材料沿某一轴向受到外力作用时其电阻率。发生变化。晋=(1+2“)£其中，—=AEensR（1+2刃很小，忽略，故=坯*EE1.各类电阻式传感器的比较名称优点缺点变阻式结构简单、性能稳定使用方便分辨率不高金属丝应变式体积小、动态响应快使用简便灵敏度不高半导体应变式体积小、灵敏度高使用方便温度稳定性差非线性（大应变下）6.测量电路三、电容式传感器3.1基本原理q_£°£人务——真空中介电常数£-o=8.5

5、xlO~12（F/m）£极板间介质的相对介电常数空气£=16——极板间距离A——极板有效面积6、A£变化时都令引起c变化3.2分类据此电容式传感器可分为：极距变化型（5）、面积变化型（A）、介质变化型三种1、极距变化型dc=—-s—82de41•为减小线性误差，通常规定在较小的间隔变化范围以便获得近似线性，一般取2、变面积型de_£^£r2da2J平面线位移:=const£^£bxde_£{)£bdx8-constb-极板宽度圆柱线位移:c=2(D/d)clcdx21n(D/J)=constD—圆筒孔径d?圆

6、柱直径几种电容式传感器的比较名称优点缺点应用极距变化型非接触动态测量、灵敏度高、小位移测量非线性、受杂散电容等影响小位移面积变化型输出与输入成正比灵敏度低适用于大直线及角位移测量四、电感式传感器1.基本原理：基于电磁感应原理，把被测物理量如位移转换为电感量变化的一种装置。2.分类：自感型（可变磁阻式与涡流式）互感型3.可变磁阻式w0m=Liw-匝数L-比例系数称为自感H根据磁路欧姆定律:丄W-1W・i—磁动势Rm=磁阻2WnL=——若鐵小"去+旣u-铁芯磁导率-mA-铁芯导磁截面积/-气隙长度(m)u°-空气磁导

7、率A。-空气隙导磁横截面积・・•铁芯磁阻与空气隙的磁阻相比是很小的，忽略丄项uAR二25w2u0A0二s二dl=wtoA。mu()A()28d》2/可变磁阻式传感器典型结构1.互感型一差动变压器式电感传感器(1)基本原理电磁感应中的互感现象，当线圈W输入交流电流i时，线圈W?产di生感应电动势％勺2=-"十M-互感系数(2)差动式变压器⑶测量电路•相敏检波•差动整流电路(4)优点•测量精度高，可选O.lum,线性范围大，可到±100mm•稳定性好，使用方便。(5)应用直线位移，压力与位移有关，重量等。1.涡流传感

8、器⑴涡流根据电磁感应原理知，当金属板置于变化着的磁场中运动时，金属板内就会感应产生电流，该电流在金属板内自己闭合。(2)基本原理把一个半径为[扁平线圈放置在金属导体附近，线圈中通入频率为f的交变电流h,在线圈的周围空间便产生一个交变磁场丹1,耳在金属表面感应产生涡电流此涡流又产生一个与耳方向相反的交变磁场比，由于丹2的反作用，必然削弱线圈的磁场耳使线圈的电感L发生转变，从