第3章 机电系统中的传感器技术 本章重点： 。1.熟悉传感器的组成和分类 。2.机电控制系统中常用的传感器 本章难点： ●1.常用传感器工作原理 第3章机电系统中的传感器技术 2
第3章 机电系统中的传感器技术 2 第3章 机电系统中的传感器技术 本章重点： ⚫ 1．熟悉传感器的组成和分类 ⚫ 2．机电控制系统中常用的传感器 本章难点： ⚫ 1．常用传感器工作原理
3.1传感器的组成和分类 3.1.1传感器的组成 被测非电量 敏感 转换 基本转 电量 元件 元件 换电路 辅助电路 图3.1传感器组成框图 3.1.2传感器的分类 温度传感器 1.按输入量分类 物理传感器 压力传感器 化学量传感器 位移传感器 生物量传感器 第3章机电系统中的传感器技术
第3章 机电系统中的传感器技术 3 3.1 传感器的组成和分类 3.1.1 传感器的组成 3.1.2 传感器的分类 1.按输入量分类 物理传感器 化学量传感器 生物量传感器 温度传感器 压力传感器 位移传感器
3.1传感器的组成和分类 2.按输出信号形式分类 分为模拟式、开关式和数字式。 3.按转换原理分类 结构型：利用机械构件在动力场或磁场的作用下产生变形或位移，将 外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量。是 是利用物理学运动定律或电磁定律实现的。 物性型：利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（物质定律 即胡克定律、欧姆定律)实现非电量的转换，是以半导体、电 解质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。 复合型：有结构型传感器和物性型传感器组合而成的，兼有两者的特征， 如电阻式、光电式、热敏、气敏、湿敏、磁敏等。 第3章机电系统中的传感器技术
第3章 机电系统中的传感器技术 4 3.1 传感器的组成和分类 2.按输出信号形式分类 分为模拟式、开关式和数字式。 3.按转换原理分类 结构型：利用机械构件在动力场或磁场的作用下产生变形或位移，将 外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量。是 是利用物理学运动定律或电磁定律实现的。 物性型：利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应（物质定律 即胡克定律、欧姆定律）实现非电量的转换，是以半导体、电 解质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。 复合型：有结构型传感器和物性型传感器组合而成的，兼有两者的特征， 如电阻式、光电式、热敏、气敏、湿敏、磁敏等
3.1传感器的组成和分类 3.1.3传感器的基本特性 1.传感器的静态特性 静态特性表示传感器被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。它 它主要包括灵敏度、线性堵、迟滞性、重复性、分辨力以及零漂等。 2.传感器的动态特性 根据不同输入变化规律来考察传感器的响应。 第3章机电系统中的传感器技术
第3章 机电系统中的传感器技术 5 3.1 传感器的组成和分类 3.1.3 传感器的基本特性 1.传感器的静态特性 静态特性表示传感器被测量的值处于稳定状态时的输出与输入的关系。它 它主要包括灵敏度、线性堵、迟滞性、重复性、分辨力以及零漂等。 2.传感器的动态特性 根据不同输入变化规律来考察传感器的响应
3.2压力传感器 压力是指垂直作用与单位面积上的力，实际上是压强。单位换算关系如下： IPa=IN/m2 1个标准大气压=760mmHg=1.01325×103Pa 1个工程大气压=1kg1cm2=0.980665×105Pa 1mmH,O=9.80665Pa 常用的压力计可分为机械压力计和电学式压力计。 测量范围从超真空(133×103Pa)到超高压(280Pa) 3.2.1机械式压力计 机械式压力计有液柱式、活塞式、弹性式等 第3章机电系统中的传感器技术 6
第3章 机电系统中的传感器技术 6 3.2 压力传感器 压力是指垂直作用与单位面积上的力，实际上是压强。单位换算关系如下： 2 1 1 / Pa N m = 1个标准大气压=760mmHg= 2 5 1个工程大气压= 1 / 0.980665 10 kgf cm Pa = 5 1.01325 10 Pa 2 1 9.80665 mmH O Pa = 常用的压力计可分为机械压力计和电学式压力计。 测量范围从超真空（ 133 10 13Pa ）到超高压（ 280 Pa ） 3.2.1 机械式压力计 机械式压力计有液柱式、活塞式、弹性式等
3.2压力传感器 1.液柱式压力计 原理是使压力与液柱所产生的力相平衡，用液柱高度测量压力，常用的有 型管式、单管式、浮子式等多种，主要用于表压，差压及压力电传送或压力标准 等场合，如风力表、水压表。 GK4-PM43.26型液柱式压力计，测量介质为纯水、纯水银。立式测量范围 为水柱8~20kPa、水银100~200kPa,精度为一个刻度格，操作方法为手动应用， 可校验高精度压力表，利用液柱读取测量值。 2.活塞式压力计 原理是利用在自由运动活塞上，被测压力所形成的力与标准重物所产生的力 相平衡而测得压力。根据砝码及活塞本身重量的大小来判别被测压力的数值。 根据结构不同，活塞式压力计分为密封式和非密封式两种形式。非密封式得到广 泛应用。 活塞式压力计广泛应用在基准、标准以及校验其他压力表的工作中。 第3章机电系统中的传感器技术
第3章 机电系统中的传感器技术 7 3.2 压力传感器 1.液柱式压力计 原理是使压力与液柱所产生的力相平衡，用液柱高度测量压力，常用的有 型管式、单管式、浮子式等多种，主要用于表压，差压及压力电传送或压力标准 等场合，如风力表、水压表。 GK4-PM43.26型液柱式压力计，测量介质为纯水、纯水银。立式测量范围 为水柱8~20kPa、水银100~200kPa，精度为一个刻度格，操作方法为手动应用， 可校验高精度压力表，利用液柱读取测量值。 2.活塞式压力计 原理是利用在自由运动活塞上，被测压力所形成的力与标准重物所产生的力 相平衡而测得压力。根据砝码及活塞本身重量的大小来判别被测压力的数值。 根据结构不同，活塞式压力计分为密封式和非密封式两种形式。非密封式得到广 泛应用。 活塞式压力计广泛应用在基准、标准以及校验其他压力表的工作中
3.2压力传感器 3.弹性式压力计 原理是利用各种弹性元件作为感受件，弹性元件受力后的反作用力与被测 压力平衡，此时弹性元件的变形就是被测压力的函数，可以用测量弹性变形来 测得压力。测量范围宽10Pa~100Pa。目前使用普遍的弹性元件有三类：薄膜 式；波纹式；弹簧管式。 力平衡式压力计的原理是被测压力或压差作用于弹性敏感元件上，弹性敏 感元件感受压力作用并将其转换为位移或力，并作用与力平衡系统，力平衡系 统受力后将偏离原有的平衡状态；由偏差检测器输出偏差值至放大器；放大器 将信号放大并输出电流（或电压）信号，电流信号控制反馈力或力矩发生机构， 使之产生反馈力，与作用力平衡时，仪表处于新的平衡状态；显示机构可输出 与被测压力或压差相对应的信号。 敏感元件 放大器 显示机料 反馈力 发生机构 图3.2力平衡式压力计的基本框图 第3章机电系统中的传感器技术 8
第3章 机电系统中的传感器技术 8 3.2 压力传感器 3.弹性式压力计 原理是利用各种弹性元件作为感受件，弹性元件受力后的反作用力与被测 压力平衡，此时弹性元件的变形就是被测压力的函数，可以用测量弹性变形来 测得压力。测量范围宽10Pa~100Pa。目前使用普遍的弹性元件有三类：薄膜 式；波纹式；弹簧管式。 力平衡式压力计的原理是被测压力或压差作用于弹性敏感元件上，弹性敏 感元件感受压力作用并将其转换为位移或力，并作用与力平衡系统，力平衡系 统受力后将偏离原有的平衡状态；由偏差检测器输出偏差值至放大器；放大器 将信号放大并输出电流（或电压）信号，电流信号控制反馈力或力矩发生机构， 使之产生反馈力，与作用力平衡时，仪表处于新的平衡状态；显示机构可输出 与被测压力或压差相对应的信号
3.2压力传感器 3.2.2电学式压力传感器 1.电阻应变片式压力传感器 可测范围0.5~100kgm2精度0.5%2%，常用的有柱形、环形、梁式和轮辐式 o 图3.3柱形和筒形弹性元件组成的测力传感器 第3章机电系统中的传感器技术
第3章 机电系统中的传感器技术 9 3.2 压力传感器 3.2.2 电学式压力传感器 1.电阻应变片式压力传感器 可测范围 2 0.5~100kgf/m 精度 0.5%~2% ，常用的有柱形、环形、梁式和轮辐式
3.2压力传感器 (a) (b) (c) 图3.3柱形和筒形弹性元件组成的测力传感器 8= E EA A为筒体截面积： 电阻应变仪测出： E=2(1+W)e A=π(D-D)2/4 第3章机电系统中的传感器技术 10
第3章 机电系统中的传感器技术 10 3.2 压力传感器 L p E EA = = 电阻应变仪测出： 2(1 ) L = + 2 1 2 A D D = − ( ) / 4 A为筒体截面积：
3.2压力传感器 2.电容式压力传感器 采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电 容的变化，测出电容量便可知道被测压力的大小。 C= 8A d ￡为电容极板间介质的介电常数，A为两平行板相对面积，d为两平行板间距 测量范围在10~10000mmH20,精度在0.2%左右。 3.压阻式压力传感器 连接 电環战 正输入N 固体受力后电阻率发生变化的 负输入-N) 现象称为压阻效应。 负缩入一N奶 自（绿）线 正输出(OUT 红线 特点是：灵敏度高，频率响应高： 负输出（仁UT 测量范围宽，精度高，工作可靠。 图3.4MPM380系列压阻式压力传感番的电路接线图 第3章机电系统中的传感器技术 11
第3章 机电系统中的传感器技术 11 3.2 压力传感器 2.电容式压力传感器 采用变电容测量原理，将由被测压力引起的弹性元件的位移变形转变为电 容的变化，测出电容量便可知道被测压力的大小。 A C d = 为电容极板间介质的介电常数，A为两平行板相对面积，d为两平行板间距 测量范围在10~10000mmH2O,精度在0.2%左右。 3.压阻式压力传感器 固体受力后电阻率发生变化的 现象称为压阻效应。 特点是：灵敏度高，频率响应高； 测量范围宽，精度高，工作可靠