第3章能量型传感器（课件）- 《传感器与检测技术基础》同步教学（北京理工版）

第3章能量型传感器 3. 1电位器式传感器 3. 2电阻应变式传感器 3. 3电感式传感器 3. 4电容式传感器 3. 1电位器式传感器 3.1.1电位器的结构与材料 1.电位器式传感器的工作原理和类型 电位器由电阻丝元件、滑动壁及骨架等部分组成。如图3一1所示为电位器式传感器的工作原理。 按照电阻丝的结构形式，它可分为直线位移型、角位移型、螺旋型和非线性型等几种类型。不管哪种类型，其工作原理都是通过改变电位器的滑动壁触头的位置，将线位移、角位移等位移量转换为电阻的变化或电压的变化。如对于直线位移型，输出电压为。 下一页 返回 3. 1电位器式传感器 即输出电压和线位移x成比例。而对于角位移型，输出电压则为 即输出电压与角位移α成比例。 2.电位器式传感器的结构与材料 电位器式传感器的设计主要是根据实际需要选择合适的电阻丝、电刷和骨架。 3. 1. 2电位器式传感器的应用 电位器式传感器主要用来测量位移，通过其他敏感元件(如膜片、膜盒、弹簧管等)进行转换，也可测量压力、加速度等物理量。 下一页 返回 上一页 3. 1电位器式传感器 1.测量位移 如图3 -2所示为电位器式位移传感器。在推杆式位移传感器中被测位移通过带齿条的推杆1及齿轮2, 3, 4组成的齿轮传动系统将直线位移转换成旋转运动，再经离合器5传送到电位器轴6上，带动电刷7滑动，从而输出电信号。 2.测量加速度 如图3一3所示为电位器式加速度传感器。惯性质量块1在被测加速度的作用下，使片状弹簧2产生与加速度成正比的位移，从而引起电刷4在电阻元件3上滑动，输出与加速度成比例的电压信号。 返回 上一页 3. 1电位器式传感器 电位器式加速度传感器的优点是:结构简单，价格低廉，性能稳定，能在较恶劣的环境条件下工作，输出信号大。因此它得到应用。但它的测量精度不高，动态响应较差，不适合于测量快速变化量。 返回 上一页 3. 2电阻应变式传感器 3. 2.1电阻应变片的工作原理 导体或半导体材料在外力作用下产生机械形变时，其电阻值也相应发生变化的物理现象称为电阻应变效应。 设有一根长度为l,截面积为A，电阻率为ρ的金属丝，则它的电阻R可用下式表示: 当金属丝受轴向应力σ作用被拉伸时，由于应变效应其电阻值将发生变化，当长度变化△ l ，面积变化△A，电阻率变化为△ ρ时，则其电阻相对变化可表示为: 下一页 返回 3. 2电阻应变式传感器 对于直径为d的圆形截面的电阻丝，因为A = πd2/4，所以有: 由力学中可知横向收缩和纵向伸长的关系可用泊松比μ表示: 所以 下一页 返回 上一页 3. 2电阻应变式传感器 式中，ε为应变， ε=△l / l 这样，式(3. 3)可写成 (3.4) 下一页 返回 上一页 3. 2电阻应变式传感器 3. 2. 2电阻应变片的种类与结构 1.电阻应变片的种类 电阻应变片的种类繁多，形式多样，常用的分类方法是按照应变片构造的材料、工作温度范围以及用途来进行分类。 (1)按应变片敏感栅的材料分类，可分为金属应变片和半导体应变片两大类。其中，金属应变片又分为体型(箔式、丝式)和薄膜式;半导体应变片又分为体型、薄膜型、扩散型、PN结型及其他型。 (2)按应变片的工作温度分类，可分为低温应变片(低于一30 ℃ )、常温应变片(一30 ~60℃)、中温应变片(60~300℃)、高温应变片(300℃以上)等。 (3)按应变片的用途分类，可分为一般用途应变片和特殊用途应变片(水下、疲劳寿命、裂纹扩展以及大应变测量等)。 下一页 返回 上一页 3. 2电阻应变式传感器 2.几种常用应变片及结构 (1)丝式应变片 ①回线式应变片。图3-4 (a)所示为常见的回线式应变片构造图。 ②短接式应变片。这种应变片是将敏感栅平行安放，两端用直径比栅径直径大5一10倍的镀银丝短接而构成，如图3-4 (b)所示。 (2)箔式应变片。这类应变片是利用照相制版或光刻腐蚀的方法，将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形而成的应变片，箔材