05-傳感器原理概述資料

05-傳感器原理概述資料第一頁，共28頁。傳感器的定義與組成Xi’anJiaotongUniversity第二頁，共28頁。傳感器的定義與組成電量電參數(shù)和電量Xi’anJiaotongUniversity第三頁，共28頁。傳感器的分類Xi’anJiaotongUniversity第四頁，共28頁。傳感器的分類敏感元件將被測信號轉(zhuǎn)換為中間變量，如膜片、環(huán)的變形等；變換器（在輔助電源作用下）將中間變量轉(zhuǎn)換為電量變化，如應(yīng)變式電阻變換器。結(jié)構(gòu)型敏感元件或彈性元件＋變換器物性型無中間轉(zhuǎn)換機(jī)構(gòu)，如熱敏電阻Xi’anJiaotongUniversity第五頁，共28頁。傳感器的分類能量轉(zhuǎn)換型（自源型）能量控制型（外源型）Xi’anJiaotongUniversity第六頁，共28頁。傳感器的分類(5)按傳感器輸出量分為電量型、電參數(shù)型： 電量－電壓、電流、電荷； 電參數(shù)－電阻、電感、電容、互感Xi’anJiaotongUniversity第七頁，共28頁。1）容量——輸入信號工作范圍或量程；2）驅(qū)動——輸出的負(fù)載能力（包括數(shù)字輸出接口）、 電氣、機(jī)械特性3）靜態(tài)特性指標(biāo)——線性度、靈敏度、分辨率、遲滯、重復(fù)性、穩(wěn)定性等；4）動態(tài)特性指標(biāo)——固有頻率、阻尼比、時間常數(shù)等；5）可靠性——工作壽命、故障率、絕緣、耐壓、耐溫等；6）對環(huán)境要求的指標(biāo)——工作溫度范圍、抗潮濕、抗電磁干擾、抗沖振要求等；7）使用配電要求——供電方式、安裝方式、輸入輸出阻抗等。傳感器的常用技術(shù)性能指標(biāo)Xi’anJiaotongUniversity第八頁，共28頁。2）高精度、高可靠性、無遲滯性、工作壽命長（耐用性）3）高響應(yīng)速率、可重復(fù)性、抗老化、抗環(huán)境影響（熱、振動、酸、堿、空氣、水、塵埃）的能力4）選擇性、安全性（傳感器應(yīng)是無污染的）、互換性、低成本5）寬測量范圍、小尺寸、重量輕和高強(qiáng)度、寬工作溫度范圍1）高靈敏度、線性、抗干擾的穩(wěn)定性（對噪聲不敏感）、容易調(diào)節(jié)（校準(zhǔn)簡易）傳感器性能的基本要求Xi’anJiaotongUniversity第九頁，共28頁。彈性敏感元件Xi’anJiaotongUniversity第十頁，共28頁。彈性敏感元件

彈性模量、剛度的關(guān)系金屬在彈性范圍內(nèi)，外力和變形成比例地增長，即應(yīng)力與應(yīng)變成正比例關(guān)系時（符合虎克定理），這個比例系數(shù)就稱為彈性模量，根據(jù)應(yīng)力，應(yīng)變的性質(zhì)通常又分為：彈性模量和切變模量，彈性模量的大小，相當(dāng)于引起物體單位變形時所需應(yīng)力之大小，是衡量材料剛度的指標(biāo)，彈性模量愈大，剛度也愈大。Xi’anJiaotongUniversity第十一頁，共28頁。彈性敏感元件的基本特性Xi’anJiaotongUniversity第十二頁，共28頁。彈性敏感元件的基本特性Xi’anJiaotongUniversity第十三頁，共28頁。k——彈性敏感元件的剛度

——其等效振動質(zhì)量上式為固有頻率估算式，其中彈性敏感元件的基本特性Xi’anJiaotongUniversity第十四頁，共28頁。A——諧振狀態(tài)下的振幅A0——靜態(tài)振幅(=K)彈性敏感元件的基本特性Xi’anJiaotongUniversity第十五頁，共28頁。彈性敏感元件的基本特性Xi’anJiaotongUniversity第十六頁，共28頁。彈性敏感元件的材料Xi’anJiaotongUniversity第十七頁，共28頁。彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性F——被測作用力，E——材料的彈性模量，A——橫截面積，μ——材料的泊松系數(shù)，ρ——材料的密度，l——柱式彈性元件的長度柱式彈性敏感元件主要用于電阻應(yīng)變式拉（壓）力等傳感器。Xi’anJiaotongUniversity第十八頁，共28頁。在梁的根部（x=0），應(yīng)變最大，在x=l處應(yīng)變?yōu)榱?；梁的上下表面?yīng)變性質(zhì)相反。彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性2）梁式彈性敏感元件(a)等截面梁Xi’anJiaotongUniversity第十九頁，共28頁。彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性2）梁式彈性敏感元件

梁的截面成等腰三角形，集中力F作用在三角形頂點。梁內(nèi)各橫截面產(chǎn)生的應(yīng)力是相等的，表面上任意位置的應(yīng)變也相等。

用梁式彈性元件制作的力傳感器適于測量5,000N以下的載荷，最小可測約0.01N的力。這種傳感器結(jié)構(gòu)簡單，加工容易，靈敏度高，常用于小壓力測量中。(b)等強(qiáng)度梁Xi’anJiaotongUniversity第二十頁，共28頁。結(jié)構(gòu)簡單，靈敏度高，多用于較小力的測量。以應(yīng)變或自由端的位移作為輸出量。

實際應(yīng)用中常采用特殊形狀的梁式彈性元件，如雙孔梁、S形元件等，克服了力的作用點移動或受側(cè)向力作用的影響，有效改善了梁的特性，多用于高精度測量，如工業(yè)電子稱等。彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性Xi’anJiaotongUniversity第二十一頁，共28頁。3）環(huán)式彈性敏感元件

圓環(huán)受力后較容易變形，因此多用于測量較小的力。為了提高圓環(huán)的剛度和抗過載能力，改善非線性，實際應(yīng)用中常采用變截面圓環(huán)。彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性Xi’anJiaotongUniversity第二十二頁，共28頁。4）扭轉(zhuǎn)軸——測量扭矩扭轉(zhuǎn)軸專門用于扭距測量彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性5）膜片——壓力測量當(dāng)模片受到壓力時，將彎向壓力低的一面，從而將壓力變換為薄板的位移或應(yīng)變。Xi’anJiaotongUniversity第二十三頁，共28頁。6）薄壁圓筒——壁厚和筒徑之比<1/20結(jié)構(gòu)簡單，剛度好，多用于較大壓力測量。彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性Xi’anJiaotongUniversity第二十四頁，共28頁。7）彈簧管和波紋管自由端的位移與管內(nèi)壓力成線性關(guān)系。將管內(nèi)壓力或軸向力轉(zhuǎn)換為波紋管的形變（拉伸或壓縮）。彈性敏感元件的結(jié)構(gòu)與力學(xué)特性Xi’anJiaotongUniversity第二十五頁，共28頁。彈簧管壓力表的結(jié)構(gòu)和原理圖1－彈簧管；2－拉桿；3－扇形齒輪；4－中心小齒輪