勘误 第4章 常用传感器.pdfVIP

第4 章 常用传感器和敏感元件 4.1 概述 4.1.1 传感器的定义 机械工程领域中的被测量是各式各样的，主要有位移、力、温度、流量、 应变、压强、声音等，具有不同的物理特性。有些被测量可以被人的感官直接 感觉到，但无法定量确定；有些被测量甚至是人的感官无法感觉到的。这个时 候，就需要借助传感器，传感器能够感觉这些被测量并能按照一定的规律将其 转换为便于观察和处理的信号。机械工程领域中，传感器的输出信号一般为电 信号。如果传感器输出电信号的变化规律与输入的被测量的变化规律相同，那 么对电信号的分析处理就等同于对被测量信号的分析处理。 因此，将传感器定义为能感受规定的被测量并按一定的规律将被测量转换 成可用输出信号的器件或装置。 4.1.2 传感器的组成 传感器一般由敏感元件、测量电路和其他辅助元件组成，如图 4.1 所示。 敏感元件直接感受规定的被测量(一般为非电量) ，并按照一定的规律将其 转换成与被测量有确定关系的可用信号(一般为电信号) 。敏感元件实现了非电 量到电信号的转换，是传感器的核心 被测量 电量 元件。因此，本章的重点是介绍传感 输入量 敏感元件 测量电路 输出量 器敏感元件的工作原理即转换原理。 敏感元件不一定是一个单一元件，有 电 源 些传感器的敏感元件由多个转换元件 图4.1 传感器的组成框图 组成，被测量需要经过多次转换。 机械工程领域中，敏感元件输出的电信号可分为两类：一类是电压、电荷 及电流，另一类是电阻、电容和电感等电参数。它们通常比较微弱和不适合直 接分析处理。因此传感器还需要测量电路对敏感元件输出的电信号进行处理， 最终输出幅值适当、便于分析处理的电信号。常见的测量电路有电桥、放大器、 振荡器、阻抗变换器等。有些传感器的测量电路中还集成有数字化功能，直接 100 输出计算机能处理的数字信号。 4.1.3 传感器的分类 机械工程中使用的传感器种类很多，同一种传感器，可以用于测量多种被 测量；而同一种被测量，又可以用几种不同的传感器来测量。因此，传感器的 分类方法很多。 根据被测量即传感器的用途进行分类，可将传感器分为力传感器、速度传 感器、位移传感器、温度传感器等。根据传感器的工作原理或信号转换原理分 类，可将传感器分为机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器等，其中电 气式传感器又可分为电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式等。 按信号变换特征可将传感器分为物性型与结构型。物性型传感器是依靠转 换元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。例如，水银温度计是利用 了水银的热胀冷缩性质来实现信号变换的。结构型传感器则是依靠转换元件结 构参数的变化而实现信号变换的。例如，变极距型电容式传感器依靠极板间距 离的变化引起电容量变化来实现信号变换。 根据敏感元件与被测对象之间的能量关系，传感器也可分为能量转换型与 能量控制型。能量转换型传感器是直接由被测对象输入能量使其工作的。例如， 热电偶温度计等。在这种情况下，由于被测对象与传感器之间存在能量传输， 必然导致被测对象状态的变化，造成测量误差。能量控制型传感器是从外部供 给能量使传感器工作，而由被测量来控制外部供给能量的变化。例如，动态电 阻应变仪中的电阻应变片接于电桥上，由外部电源供给电桥工作的能量，被测 量变化引起电阻应变片的阻值变化，从而改变电桥的输出。电涡流传感器、电 容式测厚仪等均属此种类型。 按输出信号的性质不同可分为模拟式和数字式传感器。数字式传感器直接 输出数字信号，便于与计算机相连且抗干扰能力强，如光栅位移传感器等。 按构成传感器的功能材料不同，可将传感器分为半导体传感器、陶瓷传感 器、光纤传感器、高分子薄膜传感器等。 4.2 机械式传感器 机械式传感