机械工程测试技术第3章传感器学习目标了解传感器的分类及特点，了解各种传感器的基本应用场合。重点掌握电阻应变式、电感式、电容式、压电式传感器的工作原理、输入/输出特性及它们的测量转换电路。掌握传感器的选用原则，会根据测试任务及各种测试要求选用适当的传感器。学习重点与难点重点：电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器和压电式传感器的工作原理及测量电路。难点：压电式传感器及其测量电路。3.1传感器及其分类3.1.1传感器的定义及其组成1.传感器的定义（GB7665-87）能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。2.传感器的组成●敏感元件：如压电式加速度计中的质量块、应变式力传感器中的弹性元件等。●转换元件：如压电式加速度计中的压电晶片、应变式力传感器中的应变片等。●其他元件：壳体、引线等。3.1.2传感器的分类●按被测量的属性分：位移、速度、加速度、力、压力、流量、温度等传感器。按传感器的工作原理分：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、光电式等。●按信号转换特征分：结构型传感器、物性型传感器。●按传感器输出参量的状态分：模拟传感器、数字传感器。?按工作时是否需要外部能源分：参量型传感器、发电型传感器。3.2机械式传感器以某些结构形式的弹性体作为传感器的敏感元件（称为弹性敏感元件）。1 / 10《机械工程测试技术》第07讲
机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 1 / 10 第 3 章 传感器 学习目标 了解传感器的分类及特点，了解各种传感器的基本应用场合。重点掌握电阻应变式、电 感式、电容式、压电式传感器的工作原理、输入/输出特性及它们的测量转换电路。掌握传 感器的选用原则，会根据测试任务及各种测试要求选用适当的传感器。 学习重点与难点 重点：电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器和压电式传感器的工作原理及测量 电路。 难点：压电式传感器及其测量电路。 3.1 传感器及其分类 3.1.1 传感器的定义及其组成 1. 传感器的定义（GB7665-87） 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 2. 传感器的组成 ● 敏感元件：如压电式加速度计中的质量块、应变式力传感器中的弹性元件等。 ● 转换元件：如压电式加速度计中的压电晶片、应变式力传感器中的应变片等。 ● 其他元件：壳体、引线等。 3.1.2 传感器的分类 ● 按被测量的属性分：位移、速度、加速度、力、压力、流量、温度等传感器。 ● 按传感器的工作原理分：电阻式、电感式、电容式、压电式、磁电式、光电式等。 ● 按信号转换特征分：结构型传感器、物性型传感器。 ● 按传感器输出参量的状态分：模拟传感器、数字传感器。 ● 按工作时是否需要外部能源分：参量型传感器、发电型传感器。 3.2 机械式传感器 以某些结构形式的弹性体作为传感器的敏感元件（称为弹性敏感元件）
机械工程测试技术弹性元件的输入（被测量）一般为力、压力、温度等物理量，一次变换输出为元件的弹性变形。这种变形可以通过某些放大装置直接带动仪表指针产生偏移，也可以再做测量变换转换成其他形式的输出（例如在弹性元件上粘贴应变片，把变形或应变的变化转换成应变片电阻的变化）。几种常用的机械式传感器：a）测力计：扁型测力环、圆型测力环、测力弹簧；b）压力计：波纹膜片压力计、波纹管压力计、波登管压力计：c）温度计：（测温）双金属片、波登温度计。生五Oc机械式传感器的性能特点：●优点：结构简单、使用方便、价格低廉、读数直观。缺点：机械传动系统的惯性大、固有频率低，故多用于静态量或变化较慢的动态量的测量；存在蠕变、弹性后效，从而影响输出与输入之间的线性关系。●为提高动态测试范围，通常先用弹性元件将被测量转换成弹性变形（位移），然后再用其他传感器（如电阻、电容、电感传感器等）将之进一步转换成电信号输出。此时的弹性元件称为一次敏感元件，所组成的仪表称为二次仪表、三次仪表等。3.3电阻式传感器将被测量的变化转换成电阻变化的传感器。分为：●变阻器式●电阻应变式2 / 10《机械工程测试技术》第07讲
机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 2 / 10 弹性元件的输入（被测量）一般为力、压力、温度等物理量，一次变换输出为元件的 弹性变形。这种变形可以通过某些放大装置直接带动仪表指针产生偏移，也可以再做测量变 换转换成其他形式的输出（例如在弹性元件上粘贴应变片，把变形或应变的变化转换成应变 片电阻的变化）。 几种常用的机械式传感器： a) 测力计：扁型测力环、圆型测力环、测力弹簧； b) 压力计：波纹膜片压力计、波纹管压力计、波登管压力计； c) 温度计：（测温）双金属片、波登温度计。 机械式传感器的性能特点： ● 优点：结构简单、使用方便、价格低廉、读数直观。 ● 缺点：机械传动系统的惯性大、固有频率低，故多用于静态量或变化较慢的动态量 的测量；存在蠕变、弹性后效，从而影响输出与输入之间的线性关系。 ● 为提高动态测试范围，通常先用弹性元件将被测量转换成弹性变形（位移），然后再 用其他传感器（如电阻、电容、电感传感器等）将之进一步转换成电信号输出。此时的弹性 元件称为一次敏感元件，所组成的仪表称为二次仪表、三次仪表等。 3.3 电阻式传感器 将被测量的变化转换成电阻变化的传感器。分为： ● 变阻器式 ● 电阻应变式
机械工程测试技术@敏感电阻式（热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻、光敏电阻等）3.3.1变阻器式传感器1.工作原理RpXpRLIRo2b)变阻器式传感器a)工作原理b)分压式测量线路R。=R,=SxXpdR。=P=const.(常数)S=dxA变阻器式传感器的静态灵敏度理论上为常数，输出电阻R。的变化与输入位移x的变化成线性比例关系一一零阶系统。变阻器式传感器一般后接分压式测量电路，输出e。与输入位移x的关系为：1e。=亚(-二)xRX负载特性：由于测量电路后面还要连接各种信号调理电路，即连接一定的负载，使得输出电压e。与输入位移x之间实际上是非线性关系。（强调：增大输入阻抗容易引入干扰！）阶梯特性：对于线绕式变阻器式传感器，在触点移动一个电阻丝直径d的范围内不会使输出电压e.产生变化，因此，变阻器式传感器的位移分辨力i≥d。2.结构线位移型、角位移型、函数型等。3.特点结构简单，性能稳定，受温度、湿度、电磁干扰等环境因素的影响小，输出信号大，成本低，精度较高（可优于0.1%）：存在摩擦和磨损，噪声大，抗冲击、振动性能差，易受灰尘等因素的影响，要求大能量输入，动态特性差。3.3.2电阻应变式传感器《机械工程测试技术》第07讲3/10
机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 3 / 10 ● 敏感电阻式（热敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、磁敏电阻、光敏电阻等） 3.3.1 变阻器式传感器 1. 工作原理 变阻器式传感器 a) 工作原理 b) 分压式测量线路 R Sx x x R p p o = = const（常数） . dx A dR S o = = = 变阻器式传感器的静态灵敏度理论上为常数，输出电阻 Ro 的变化与输入位移 x 的变化 成线性比例关系——零阶系统。 变阻器式传感器一般后接分压式测量电路，输出 o e 与输入位移 x 的关系为： s L p p p o e x x R R x x e (1 ) 1 + − = 负载特性：由于测量电路后面还要连接各种信号调理电路，即连接一定的负载，使得输 出电压 o e 与输入位移 x 之间实际上是非线性关系。（强调：增大输入阻抗容易引入干扰！） 阶梯特性：对于线绕式变阻器式传感器，在触点移动一个电阻丝直径 d 的范围内不会使 输出电压 o e 产生变化，因此，变阻器式传感器的位移分辨力 i d 。 2. 结构 线位移型、角位移型、函数型等。 3. 特点 结构简单，性能稳定，受温度、湿度、电磁干扰等环境因素的影响小，输出信号大，成 本低，精度较高（可优于 0.1%）；存在摩擦和磨损，噪声大，抗冲击、振动性能差，易受灰 尘等因素的影响，要求大能量输入，动态特性差。 3.3.2 电阻应变式传感器
机械工程测试技术1.工作原理长度为L、截面积为A、电阻率为p的金属导体的电阻R为R=pLAdR_dL_dadpRLAP若金属导体是截面半径为r的金属丝，则有：dLdrdLdpA=m,dA=2mrdr,=，==6,-,-pLLpr其中：8-所承受的应变；α-轴向正应力：H材料的泊松比：元一一材料的压阻系数；E一一材料的弹性模量。故dRd=(I+2μ + E)=(1+2μ+E)RL应变片的灵敏度SdR/RdR/RS==(1+2μ)+2EdL/L6dR=Se则R金属应变片：电阻变化主要由应变效应引起，1+2μ>>E，S=1+2μ（多在1.7~3.6之间)；半导体应变片：电阻变化主要由压阻效应引起，E>>1+2μ，S~E（多在60~150之间)。特点：金属电阻应变片的录敏度较低，但温度稳定性好、非线性误差小：半导体应变片的灵敏度较高，横向效应和机械滞后小，其缺点是温度稳定性差，非线性误差大。2.结构(1)金属电阻应变片的结构金属电阻应变片的敏感元件为栅形的金属敏感栅，有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。anub)al金属电阻应变片的结构a)丝式b)箔式(2)半导体应变片4/10《机械工程测试技术》第07讲
机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 4 / 10 1. 工作原理 长度为 L 、截面积为 A 、电阻率为 的金属导体的电阻 R 为 A L R = d A dA L dL R dR = − + 若金属导体是截面半径为 r 的金属丝，则有： 2 A = r ， dA = 2rdr ， = L dL ， = − = − L dL r dr ， = d ， = E ， 其中： ——所承受的应变； ——轴向正应力； ——材料的泊松比； ——材料的压阻 系数； E ——材料的弹性模量。故 (1 2 ) (1 2 E) L dL E R dR = + + = + + 应变片的灵敏度 S E dR R dL L dR R S = = = (1+ 2 ) + 则 S R dR = 金属应变片：电阻变化主要由应变效应引起， 1+ 2 E ， S 1+ 2 （多在 1.7~3.6 之间）； 半导体应变片：电阻变化主要由压阻效应引起， E 1+ 2 ，S E （多在 60~150 之间）。 特点：金属电阻应变片的灵敏度较低，但温度稳定性好、非线性误差小；半导体应变 片的灵敏度较高，横向效应和机械滞后小，其缺点是温度稳定性差，非线性误差大。 2. 结构 ⑴ 金属电阻应变片的结构 金属电阻应变片的敏感元件为栅形的金属敏感栅，有丝式、箔式及薄膜式等结构形式。 金属电阻应变片的结构 a) 丝式 b) 箔式 ⑵ 半导体应变片
机械工程测试技术半导体应变片主要有体型、薄膜型、扩散型三种类型。体型半导体应变片的结构1一引线2一半导体片3一基片薄膜型半导体应变片的结构扩散型半导体应变片的结构1一锗膜2一绝缘层3一金属箔基底4一引线1一N型硅2一P型硅扩散层3一二氧化硅绝缘层4一铝电极5一引线3.应用（1）直接用来测定构件的应变或应力。Xb)c)d)a)电阻应变片测量示例(2）与弹性元件一起构成各种电阻应变式传感器，用来测量力、位移、压力、加速度等工程参数。质块a6集流环应变片回转轴e)d)几种电阻应变式传感器的原理示意图5/10《机械工程测试技术》第07讲
机械工程测试技术 《机械工程测试技术》第 07 讲 5 / 10 半导体应变片主要有体型、薄膜型、扩散型三种类型。 体型半导体应变片的结构 1—引线 2—半导体片 3—基片 薄膜型半导体应变片的结构 扩散型半导体应变片的结构 1—锗膜 2—绝缘层 3—金属箔基底 4—引线 1—N 型硅 2—P 型硅扩散层 3—二氧化硅绝缘层 4—铝电极 5—引线 3. 应用 ⑴ 直接用来测定构件的应变或应力。 电阻应变片测量示例 ⑵ 与弹性元件一起构成各种电阻应变式传感器，用来测量力、位移、压力、加速度等 工程参数。 几种电阻应变式传感器的原理示意图