西安交通大学 现代检测技术 第四章 2 传感器原理概述

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1、现代检测技术现代检测技术 传感器技术传感器技术概述概述精勤求学 敦笃励志 果毅力行 忠恕任事Xian Jiaotong University传感器的定义与组成传感器的定义与组成Xian Jiaotong University传感器的定义与组成传感器的定义与组成Xian Jiaotong University传感器的分类传感器的分类Xian Jiaotong University传感器的分类传感器的分类敏感元件敏感元件将被测信号转换为中间变量，如膜片、环的变形等；将被测信号转换为中间变量，如膜片、环的变形等；变换器变换器（在辅助电源作用下）将中间变量转换为电量变化，如应变式（在辅助电源作用下）将

2、中间变量转换为电量变化，如应变式电阻变换器。电阻变换器。结构型结构型敏感元件敏感元件或弹性元件或弹性元件变换器变换器物性型物性型无中间转换机构，如热敏电阻无中间转换机构，如热敏电阻Xian Jiaotong University传感器的分类传感器的分类能量转换型（自源型）能量转换型（自源型）能量控制型（外源型）能量控制型（外源型）Xian Jiaotong University传感器的分类传感器的分类(5) 按传感器输出量分为电量型、电参数型：按传感器输出量分为电量型、电参数型：电量电压、电流、电荷；电量电压、电流、电荷；电参数电阻、电感、电容、互感电参数电阻、电感、电容、互感Xian Jia

3、otong University1）容量）容量输入信号工作范围或量程；输入信号工作范围或量程；2）驱动）驱动输出的负载能力（包括数字输出接口）、输出的负载能力（包括数字输出接口）、 电电气、机械特性气、机械特性 3）静态特性指标）静态特性指标线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重线性度、灵敏度、分辨率、迟滞、重复性、稳定性等；复性、稳定性等； 4）动态特性指标）动态特性指标固有频率、阻尼比、时间常数等；固有频率、阻尼比、时间常数等；5）可靠性）可靠性工作寿命、故障率、绝缘、耐压、耐温等；工作寿命、故障率、绝缘、耐压、耐温等；6）对环境要求的指标）对环境要求的指标工作温度范围、抗潮湿、抗电磁工作温度范

4、围、抗潮湿、抗电磁干扰、抗冲振要求等；干扰、抗冲振要求等；7）使用配电要求）使用配电要求供电方式、安装方式、输入输出阻抗供电方式、安装方式、输入输出阻抗等。等。传感器的常用技术性能指标传感器的常用技术性能指标Xian Jiaotong University2）高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长（耐用性）高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长（耐用性）3）高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响（热、振动、）高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响（热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃）的能力酸、碱、空气、水、尘埃）的能力4）选择性、安全性（传感器应是无污染的）选择性、安全性（传感器应是无污染的

5、） 、互换性、低、互换性、低成本成本5）宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围）宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围1）高灵敏度、线性、抗干扰的稳定性（对噪声不敏感）、容）高灵敏度、线性、抗干扰的稳定性（对噪声不敏感）、容易调节（校准简易）易调节（校准简易） 传感器性能的基本要求传感器性能的基本要求Xian Jiaotong University弹性敏感元件弹性敏感元件Xian Jiaotong University弹性敏感元件弹性敏感元件v 弹性模量、刚度的关系弹性模量、刚度的关系 金属在弹性范围内，外力和变形成比例地增长，金属在弹性范围内，外力和变形成比例地增长，

6、即应力与应变成正比例关系时（符合虎克定即应力与应变成正比例关系时（符合虎克定理），这个比例系数就称为理），这个比例系数就称为弹性模量弹性模量，根据应，根据应力，应变的性质通常又分为：力，应变的性质通常又分为：弹性模量弹性模量和切变和切变模量，模量，弹性模量弹性模量的大小，的大小，相当于引起物体单位相当于引起物体单位变形时所需应力之大小变形时所需应力之大小，是衡量材料，是衡量材料刚度刚度的指的指标，标，弹性模量弹性模量愈大，愈大，刚度刚度也愈大。也愈大。Xian Jiaotong University弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性Xian Jiaotong University弹性

7、敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性Xian Jiaotong Universityemk 弹性敏感元件的刚度弹性敏感元件的刚度 其等效振动质量其等效振动质量上式为固有频率估算式，其中上式为固有频率估算式，其中弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性Xian Jiaotong UniversityA谐振状态下的振幅谐振状态下的振幅A0静态振幅静态振幅 (=K)弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性2()21nKAXian Jiaotong University弹性敏感元件的基本特性弹性敏感元件的基本特性Xian Jiaotong University弹性敏感元件的材料弹性敏感元件

8、的材料Xian Jiaotong University弹性敏感元件的结构与力学特性弹性敏感元件的结构与力学特性F被测作用力，被测作用力，E材料的弹性模量，材料的弹性模量，A横截面积，横截面积，材料的泊松系数，材料的泊松系数，材料的密度，材料的密度，l柱式弹性元件的长度柱式弹性元件的长度 柱式弹性敏感元件主要柱式弹性敏感元件主要用于电阻应变式拉（压）力用于电阻应变式拉（压）力等传感器。等传感器。Xian Jiaotong University在梁的根部（在梁的根部（x=0 x=0），应），应变最大，在变最大，在x=x=l处应变为处应变为零；梁的上下表面应变零；梁的上下表面应变性质相反。性质相反。

9、弹性敏感元件的结构与力学特性弹性敏感元件的结构与力学特性2）梁式弹性敏感元件）梁式弹性敏感元件 (a) 等截面梁等截面梁 Xian Jiaotong University弹性敏感元件的结构与力学特性弹性敏感元件的结构与力学特性2）梁式弹性敏感元件）梁式弹性敏感元件 梁的截面成等腰三角形，梁的截面成等腰三角形，集中力集中力F作用在三角形顶点。作用在三角形顶点。梁内各横截面产生的应力是梁内各横截面产生的应力是相等的，表面上任意位置的相等的，表面上任意位置的应变也相等应变也相等 。 用梁式弹性元件制作的用梁式弹性元件制作的力传感器适于测量力传感器适于测量5,000N以以下的载荷，最小可测约下的载荷，

10、最小可测约0.01N的力。这种传感器结的力。这种传感器结构简单，加工容易，灵敏度构简单，加工容易，灵敏度高，常用于小压力测量中。高，常用于小压力测量中。 (b) 等强度梁等强度梁 Xian Jiaotong University结构简单，灵敏度高，多用于较小力的测量。以结构简单，灵敏度高，多用于较小力的测量。以应变或自由端的位移应变或自由端的位移作为输出量。作为输出量。 实际应用中常采用特殊形状的梁式弹性元件，如双实际应用中常采用特殊形状的梁式弹性元件，如双孔梁、孔梁、S形元件等，克服了力的作用点移动或受侧向力形元件等，克服了力的作用点移动或受侧向力作用的影响，有效改善了梁的特性，多用于高精度

11、测作用的影响，有效改善了梁的特性，多用于高精度测量，如工业电子称等。量，如工业电子称等。弹性敏感元件的结构与力学特性弹性敏感元件的结构与力学特性Xian Jiaotong University3）环式弹性敏感元件）环式弹性敏感元件 圆环受力后较容易变形，因此多用于测量较小的力。圆环受力后较容易变形，因此多用于测量较小的力。为了提高圆环的刚度和抗过载能力，改善非线性，实际为了提高圆环的刚度和抗过载能力，改善非线性，实际应用中常采用变截面圆环。应用中常采用变截面圆环。弹性敏感元件的结构与力学特性弹性敏感元件的结构与力学特性Xian Jiaotong University4）扭转轴）扭转轴测量扭矩测

12、量扭矩 5）膜片）膜片压力测量压力测量 当模片受到压力时，将弯向当模片受到压力时，将弯向压力低的一面，从而将压力压力低的一面，从而将压力变换为薄板的位移或应变。变换为薄板的位移或应变。扭转轴专门用于扭距测量扭转轴专门用于扭距测量弹性敏感元件的结构与力学特性弹性敏感元件的结构与力学特性Xian Jiaotong University6）薄壁圆筒）薄壁圆筒壁厚和筒径之比壁厚和筒径之比1/20结构简单，刚度好，多用于较大结构简单，刚度好，多用于较大压力测量。压力测量。弹性敏感元件的结构与力学特性弹性敏感元件的结构与力学特性Xian Jiaotong University7）弹簧管和波纹管）弹簧管和波纹管 自由端的位移与管内自由端的位移与管内压力成线性关系。压力成线性关系。将管内压力或轴向力转换将管内压力或轴向力转换为波纹管的形变（拉伸或为波纹管的形变（拉伸或压缩）。压缩）。弹性敏感元件的结构与力学特性弹性敏感元件的结构与力学特性Xian Jiaotong University弹性敏感元件的结构与力学特性弹性敏感元件的结构与力学特性Xian Jiaotong University弹簧管压力表的结构和原理图弹簧管压力表的结构和原理图 1弹簧管；弹簧管；2拉杆；拉杆；3扇形齿轮；扇形齿轮；4中心小齿轮；中心小齿轮；5指针；指针；6面板；面板；7游丝；游丝；8调整螺钉；调整螺钉；9接头接头