常用传感器原理.doc

第 2 章 常用传感器原理传感器是测试系统的首要环节，是获取测试系统信号的重要器件机械运行状态可以通过很多类型的信号检测和分析获得，如应力、振动、噪声等信号，这些机械信号需要通过传感器获得定量描述传感器就是直接感受被测信号，并按一定的规律转换为与另外一种（或同种）之有确定对应关系的、便于传输和应用的物理量（或信号）的输出器件或装置在机械测试中，传感器常将被测机械量（如力、位移、振动等）转换为容易测量的电信号（如电阻、电压等），以便使用中间变换电路进行显示、记录和处理本章将介绍机械测试常用传感器的工作原理、结构及其特性等2.1 传感器的分类传感器的种类繁多，其工作原理和应用场合也各不相同，只有正确选择传感器，才能满足测试系统的各种要求，真实、准确地获取要测量的信息在机械测试中，往往一种被测量可用多种类型的传感器来测量为了便于传感器的选择和应用，有必要对其进行合理科学的分类目前传感器的分类方法很多，机械测试中主要有下面几种分类方法1. 按传感器的被测量分类根据传感器的被测量，可分为力传感器、位移传感器、速度传感器、温度传感器等这种分类方法便于实际选用传感器2. 按传感器工作的物理原理分类根据传感器工作的物理原理，可分为机械式传感器、电磁及电子式传感器、辐射式传感器、流体式传感器等。

3. 按传感器的信号变换特征分类根据传感器信号的变换特征，可分为物性型传感器与结构型传感器两大类物性型传感器是利用敏感元件材料本身的物理化学性质变化实现信号的测量例如，水银温度计测温是利用水银热胀冷缩的原理结构型传感器则是通过传感器本身结构参数的变化来实现信号转换的例如，电容式传感器是通过极板间距离变化引起电容量的变化来实现测量4. 按传感器的能量变换分类根据传感器的能量转换情况，可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器能量控制型传感器，在信号变换中，其能量需要辅助电源供给如电阻式、电感式、电容式等传感器都属于这一类能量转换型传感器，直接对被测量输入能量使其工作，不需要外电源如基于压电效应的传感器等机械工程中常用的传感器基本类型归纳见表 2-1 所示表 2-1 机械工程中常用的传感器传感器类型名称被 测 量变 换 量应用举例机 械 式弹性转换元件力、压力、温度位移弹簧秤、压力表、温度计电阻式传感器位移电阻直线电位计电阻丝应变片力、位移、应变电阻应变仪半导体应变片力、加速度电阻应变仪电感式传感器力、位移自感电感测微仪电涡流传感器位移、测厚自感涡流式测振仪差动变压器力、位移互感电感比较仪电磁及电容式传感器力、位移电容电容测微仪电子式压电元件力、加速度电荷测力计、加速度计磁电传感器速度电势磁电式速度计霍尔元件位移电势位移传感器压磁元件力、扭矩磁导率测力计光敏电阻电阻光电池电压硒光电池光敏晶体管转速、位移电流光敏转速仪2.2 电阻式传感器电阻式传感器种类繁多，应用广泛，常用来测量力、位移、应变、扭矩、加速度等，其基本原理是将被测信号的变化转换成传感元件电阻值的变化，再经过转换电路变成电压信号输出。

下面介绍电位器式、电阻应变式和压阻式三种常用的电阻式传感器电位器式传感器1. 结构电位器式传感器的结构如图 2-1 所示它由电阻元件及电刷（活动触点）两个基本部分组成电刷相对于电阻元件的运动可以是直线运动、转动和螺旋运动，因而可以将直线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻或电压输出利用电位器作为传感元件可制成各种电位器式传感器，除可以测量线位移或角位移外，还可以测量一切可以转换为位移的其他物理量参数，如压力、加速度等a） b） c）1-电阻元件 2-电刷图 2-1 电位器式传感器的工作原理a）直线型 b）角位移型 c）非线性型2. 工作原理与特点当电阻元件的导线材质与其截面积一定时，其阻值随导线长度而发生线性变化电位器式传感器就是根据这种原理制成的图 2-1a 所示为直线位移型电位器式传感器， 当被测位移变化时， 触点 C 沿电位器移动假设移动距离为 x ，则 C 点与 A 点之间的电阻 RAC 为RACR x K L x（2-1）L式中， K L 为导线单位长度的电阻，当导线材质分布均匀时，K L 为常数可见，这种传感器的输出与输入呈线性关系传感器的灵敏度为SdRACK L（2-2）dx图 2-1b 所示为回转型电位器式传感器，其电阻值随转角而变化，故称为角位移型。

这种传感器的灵敏度可表示为SdRACK（2-3）d式中， K 为单位弧度对应的电阻值，当导线材质分布均匀时， K 为常数； 为转角图 2-1c 所示是一种非线性电位器式传感器，其输出电阻与滑动触头位移之间呈现非线性函数关系它可以实现指数函数、三角函数、对数函数等各种特定函数关系，也可以实现其它任意函数输出电位器骨架形状由所要求的输出电阻来决定例如，若输入量为f ( x ) kx 2 ，其中 x 为输入位移，为了使输出的电阻值 R x 与输入量 f ( x) 呈线性关系，电位器骨架应做成直角三角形；如输入量 f ( x ) kx 3 ，则应采用抛物线型骨架电位器式传感器的优点是结构简单，性能稳定，使用方便缺点是分辨力不高，有较大的噪声电位器式传感器常被用于线位移、角位移的测量等电阻应变式传感器电阻应变式传感器可以用于测量应变、力、位移、扭矩等参数具有体积小、动态响应快、测量精度高、使用方便等优点在航空、船舶、机械、建筑等行业获得广泛应用电阻应变式传感器的核心元件是电阻应变片当被测试件或弹性敏感元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，则粘贴在被测试件或弹性敏感元件上的电阻应变片就会将应变转换成电阻的变化。

这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，从而测得被测量的大小1. 结构与分类图 2-2 是一种电阻应变片的结构示意图，电阻应变片是用直径为 0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅状，称为敏感栅， 并粘在绝缘基片上 敏感栅上面粘贴具有保护作用的覆盖层电阻丝的两端焊接引线根据电阻应变片敏感栅的材料和制造工艺的不同，它的结构形式有丝式、箔式和膜式三种，如图2-3 所示1—引线 2—覆盖层 3—基片 4—电阻丝图 2-2 电阻丝应变片的基本结构a） b）c） d） e）图 2-3 电阻应变片a）回线丝式 b）短接丝式 c）箔式 d）箔式 e）箔式2. 工作原理金属导体在外力作用下发生机械变形（伸长或缩短）时，其电阻值会随着变形而发生变化的现象， 称为金属的电阻应变效应以金属丝应变片为例，若金属丝的长度为 l ，横截面积为 A ，电阻率为 ，其未受力时的电阻为 R ，根据欧姆定律，有Rl（2-4）A当金属丝发生变形时，其长度 l 、截面积 A 及电阻率 均会发生变化，导致金属丝电阻R 变化当各参数以增量 dl 、 dA和 d 变化时，则所引起的电阻增量dR 为dRRRR（2-5）dldAdlA式中， Ar 2 ， r 为金属丝半径。

代入上式有dRdl2 dr d（2-6）Rlr式中， dl为金属丝轴向应变； dr 为金属丝径的横向应变lr由材料力学知识可知dr dlr l式中， 为金属丝材料的泊松系数将式（ 2-7）代入式（ 2-6）整理得（2-7）dRd（ 2-8）(12)R令S0dR Rd（ 2-9）(12)式中， S0 称为金属丝的灵敏度，其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化由式（ 2-9）可以看出，金属材料的灵敏度受两个因素影响：一个是受力后，材料的几何尺寸变化所引起的，即 1 2 项；另一个是受力后，材料的电阻率变化所引起的，即(d ) / 项对于金属材料 (d ) / 项比 1 2 项小得多大量实验表明，在金属丝拉伸极限范围内， 电阻的相对变化与其所受的轴向应变是成正比的，即 S0 为常数于是式（2-8）可以写成dR（2-10）S0R通常金属电阻丝的灵敏度S0 约在 1.7～ 3.6 之间压阻式传感器金属丝和箔式电阻应变片的性能稳定、精度较高，至今仍在不断地改进和发展中，并在一些高精度应变式传感器中得到了广泛应用，但这类传感器的主要缺点是电阻丝的灵敏度小为了改进这一不足，在 20 世纪 50 年代末出现了半导体应变片和扩散型半导体应变片。

应用半导体应变片制成的传感器，称为固态压阻式传感器，它的突出优点是灵敏度高，尺寸小，横向效应小，滞后和蠕变也小因此，适用于动态测量，但其主要缺点是温度稳定性差，需要在温度补偿或恒温条件下使用1. 工作原理半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生显著变化，这种现象称为压阻效应实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强电阻应变效应的分析公式适用于半导体电阻材料，故仍可用式（ 2-8）来描述对于金属材料来说，d 比较小，但对于半导体材料， d (1 2 ) ，即因机械变形引起的电阻变化可以忽略，电阻的变化率主要是由 d 引起，即dR R (1 2 )dd（）2-11而dL L E （2-12）式中， L 为沿某晶向 L 的压阻系数； 为沿某晶向 L 的应力； E 为半导体材料的弹性模量因此，半导体材料的灵敏度 S0 为dRR（2-13）S 0L E对于半导体硅， L (40 ~ 80) 10 11。