常用傳感器與敏感元件 (2)

1、第三章 常用傳感器3.1 概 述 3.2 電阻傳感器 3.3 電容傳感器 3.4 電感傳感器 3.5 磁電傳感器 3.6 壓電傳感器 3.7 磁敏傳感器 3.8 傳感器選用原則13.1 概 述1. 傳感器(Sensor)定義 傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。 狹義上，非電信號(hào) 電信號(hào)。在非電量電測(cè)系統(tǒng)中的作用 敏感作用：感受并拾取被測(cè)對(duì)象的信號(hào)變換作用： 被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于檢測(cè)和處理 的電信號(hào)22. 傳感器的分類(lèi)(1)按被測(cè)物理量分類(lèi)位移傳感器,力傳感器,溫度傳感器等.機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等

2、.能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì). 能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化. 例如:電阻應(yīng)變片. (3)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系(2)按傳感器的工作原理分類(lèi) 33. 傳感器的性能要求工作范圍或量程應(yīng)足夠大，具有一定的過(guò)載能力 與檢測(cè)系統(tǒng)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高 精度適當(dāng)，穩(wěn)定性高 反應(yīng)速度快，工作可靠性高 適應(yīng)性和適用性強(qiáng)(4)按信號(hào)變換特征分類(lèi)物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換.如:水銀溫度計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變. 例如:電容式和電感式傳感器.4 4. 常見(jiàn)的被測(cè)物理

3、量機(jī)械量:長(zhǎng)度，厚度，位移，速度，加速度，旋轉(zhuǎn)角，轉(zhuǎn)數(shù), 質(zhì)量，重量，力，壓力，真空度，力矩，流速，流量；聲: 聲壓，噪聲；磁: 磁通，磁場(chǎng)；溫度: 溫度，熱量，比熱；光： 亮度，色彩 5電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。 按工作的原理可分為: 熱敏式 變阻器式電阻應(yīng)變式 光敏式 濕敏式 3.2 電阻式傳感器61. 變阻器式傳感器R總電阻; Rx 電刷電阻;72.應(yīng)變式電阻傳感器絲式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片 半導(dǎo)體應(yīng)變片金屬應(yīng)變片 絲式、箔式半導(dǎo)體應(yīng)變片8(1).應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形而引起導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變效應(yīng)。 傳感元件：電阻應(yīng)變

4、片，它是一種把被測(cè)試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的傳感元件。 應(yīng)變片受力應(yīng)變比例關(guān)系 比例關(guān)系 應(yīng)變片電阻的變化9(2).工作原理式中，r 導(dǎo)線(xiàn)的電阻率，又稱(chēng)為電阻系數(shù) 金屬導(dǎo)線(xiàn)的應(yīng)變電阻效應(yīng)：當(dāng)金屬絲由于受到軸向力P而伸長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)度增長(zhǎng)，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如細(xì)絲因受壓力而縮短，即長(zhǎng)度變短，截面積變粗時(shí)，則電阻就減小。10S由兩部分組成：前一部分(1+2m)是由金屬導(dǎo)線(xiàn)的幾何變形引起的；后一部分lE除與金屬導(dǎo)線(xiàn)幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。m：泊松系數(shù)，E:彈性模量，e : 縱向應(yīng)變，l:壓阻系數(shù) 推導(dǎo) 11 金屬應(yīng)變片（ 不變）金屬應(yīng)變計(jì) 半導(dǎo)體應(yīng)變片（ 變化）半導(dǎo)體應(yīng)

5、變計(jì)12(3). 應(yīng)變片的主要參數(shù) 1) 幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用 bL 表示。 2) 電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。 3) 靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。 4) 其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、 蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。 13(4).金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)有: 1、絲式 2、箔式 優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和溫度特性好. 缺點(diǎn):靈敏度系數(shù)小.14(5).半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件. 缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。 體型薄膜型擴(kuò)散型15立柱應(yīng)力 橋梁應(yīng)力 (6).應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用 德國(guó)HBM電阻應(yīng)變式

6、傳感器 16質(zhì)量傳感器 位移傳感器 加速度計(jì) 壓力傳感器 17壓力傳感器 扭矩傳感器 18 3.其他電阻傳感器 (1).熱電阻傳感器 利用導(dǎo)電物體電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度電阻效應(yīng)制成的傳感器。 溫度(熱量)的變化電阻的變化 溫度檢測(cè) :-200+50019(2).熱敏電阻傳感器 圓形熱敏電阻 柱形熱敏電阻 珠形熱敏電阻 熱敏電阻在電路中的符號(hào) 非線(xiàn)性元件:它的溫度-電阻關(guān)系是指數(shù)關(guān)系 溫度為-50350 20(3).光敏電阻傳感器 (4).濕敏電阻傳感器 213.3 電容式傳感器 1. 變換原理 將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+ + + A

7、當(dāng)被測(cè)量d、A或 e 發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。222. 分類(lèi) a) 極距變化型+ + + c) 介質(zhì)變化型b)面積變化型:平面線(xiàn)位移型,角位移型, 柱面線(xiàn)位移型233. 靈敏度 a) 極距變化型傳感器的靈敏度近似為：變極距電容傳感器 平板電容器 24傳感器靈敏度b)面積變化型a)直線(xiàn)位移型 直線(xiàn)位移型b)角位移型 傳感器靈敏度 角位移型25c)介質(zhì)變化型介質(zhì)常數(shù)變化型電容式傳感器大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c) 根據(jù)極板介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫

8、度、濕度、容量(圖d)等 。264.電容式傳感器的應(yīng)用振動(dòng)測(cè)量 旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測(cè)量 27電容式氫液高度傳感器 紗條均勻度測(cè)試儀 283.4 電感式傳感器 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類(lèi):電感式傳感器 自感型 可變磁阻型 渦流式 互感型291. 可變磁阻式(自感型)原理:電磁感應(yīng)W：線(xiàn)圈匝數(shù)； l：軟鐵長(zhǎng)度； m：軟鐵磁導(dǎo)率； m0：空氣磁導(dǎo)率 A：鐵芯導(dǎo)磁截面 A0：空氣導(dǎo)磁截面可變磁阻式傳感器基本原理 1線(xiàn)圈 2. 鐵芯 3. 銜鐵 30(1).間隙變化型間隙變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu) 當(dāng)m0 、A0固定不變，改變d 時(shí)，L與d 呈非線(xiàn)形（雙曲線(xiàn)）

9、關(guān)系， L與d 的雙曲線(xiàn)關(guān)系 傳感器靈敏度： 31(2).面積變化型面積變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu) 當(dāng)m0 、d 固定不變，改變A0時(shí)，L與A0呈線(xiàn)形關(guān)系， 傳感器靈敏度 L與A0的線(xiàn)形關(guān)系=常數(shù)32(3).螺線(xiàn)管型 當(dāng)其它參數(shù)不變，僅改變l，使Rm變化，從而產(chǎn)生電感的變化。 33(4).差動(dòng)型變間隙型差動(dòng)變壓器 輸出特性傳感器靈敏度 342. 渦流式電感傳感器 當(dāng)金屬板置于變化磁場(chǎng)中或者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱(chēng)為渦流。 渦流的大小與金屬板的電阻率r、磁導(dǎo)率m、厚度t，以及金屬板與線(xiàn)圈距離、激勵(lì)電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。 渦流式電感傳感器可分為 1）

10、高頻反射式 2）低頻投射式 35原線(xiàn)圈的等效阻抗Z變化：(1).高頻反射式（集膚效應(yīng)） 高頻反射式渦流傳感器 36(2).低頻透射式（互感原理）低頻透射式渦流傳感器 e2隨材料厚度增加變化的規(guī)律 374.渦流式傳感器的應(yīng)用案例：位移、振幅、軸心軌跡的測(cè)量徑向振動(dòng)的測(cè)量 構(gòu)件振幅的測(cè)量 構(gòu)件振型的測(cè)量 軸心軌跡的測(cè)量 38其中，n為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速；f為脈沖頻率；z為轉(zhuǎn)軸上的槽數(shù)或齒數(shù)。案例:轉(zhuǎn)速的測(cè)量39案例： 測(cè)厚案例： 零件計(jì)數(shù)40案例： 無(wú)損探傷原理 裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。 火車(chē)輪檢測(cè)油管檢測(cè)413. 變壓器式-差動(dòng)變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.42應(yīng)用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮

11、,垂直度; 壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭矩, 應(yīng)力,動(dòng)力;氣壓,溫度;振動(dòng),速度,加速度;等.案例：板的厚度測(cè)量 案例：張力測(cè)量 433.5 磁電傳感器 1. 變換原理 磁電式傳感器是把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為 磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線(xiàn)圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。 442. 分類(lèi) 磁電式 動(dòng)圈式 磁阻式 線(xiàn)速度型角速度型 N 453. 動(dòng)圈式傳感器 l:每匝線(xiàn)圈的平均長(zhǎng)度；B:線(xiàn)圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度； A:每匝線(xiàn)圈的截面積；q :線(xiàn)圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角； k:傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)；w:角速度。 4

12、64. 磁阻式傳感器 475. 磁電傳感器的應(yīng)用 測(cè)速電機(jī) 磁電式測(cè)速傳感器 48測(cè)頻數(shù) 測(cè)轉(zhuǎn)速 偏心測(cè)量 振動(dòng)測(cè)量 493.6 壓電傳感器 1. 變換原理 某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。50壓電效應(yīng)式中，q為電荷量；D為壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；F為作用力。 q=DF51ea：開(kāi)路電壓； q:壓電晶片表面上的電荷； Ca 為壓電晶片的電容。 2. 測(cè)量電路 等效電荷源 Cc:分布電容； Ri:輸入電阻； Ra:漏電阻； Ci:輸入電容52壓電式傳感器輸出電荷q很少，內(nèi)

13、阻Ra很大，輸出信號(hào)很弱小，因此要進(jìn)行處理： (1) 放大微弱的壓電信號(hào) (2) 進(jìn)行阻抗匹配 電壓放大器 電荷放大器 (1).主要作用53放大器的輸入電壓： 系統(tǒng)的輸出電壓為： 系統(tǒng)的靈敏度為： 當(dāng)電纜長(zhǎng)度變化時(shí)，Cc變化， ei變化，系統(tǒng)的靈敏度發(fā)生變化，此時(shí)測(cè)試比較困難 (2).電壓放大器54qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf ei=(q+eyCf)/(C+Cf)推導(dǎo) (3).電荷放大器553. 壓電傳感器的應(yīng)用壓力變送器加速度計(jì)，力傳感器 56壓電式壓力傳感 壓電式壓力傳感器特性 57阻抗頭的結(jié)構(gòu)原理圖 阻抗頭的安裝結(jié)構(gòu) 583

14、.7 磁敏傳感器 1.半導(dǎo)體霍爾元件霍爾效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體中流過(guò)一個(gè)電流時(shí)，若在與該電流垂直的方向上外加一個(gè)磁場(chǎng)，則在與電流及磁場(chǎng)分別成直角的方向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓。這種現(xiàn)象也稱(chēng)為霍爾效應(yīng) 。 霍爾效應(yīng)原理圖 59半導(dǎo)體霍爾元件的結(jié)構(gòu) 60半導(dǎo)體磁敏電阻 半導(dǎo)體磁敏電阻的結(jié)構(gòu)(蛇形元件) 利用磁場(chǎng)造成的電流偏轉(zhuǎn)使元件阻抗增加這種特點(diǎn)制成的雙端磁敏傳感器。 61磁性體磁敏電阻 利用強(qiáng)磁材料的磁場(chǎng)異向性制成的磁敏元件。 磁性體磁敏電阻的結(jié)構(gòu) 62電磁感應(yīng)型磁敏傳感器 原理：范圍：法拉第電磁感應(yīng)定律 只能檢測(cè)交流磁場(chǎng)，不能檢測(cè)直流磁場(chǎng) 電磁感應(yīng)型磁敏傳感器 632. 磁敏傳感器的應(yīng)用 電流計(jì) 磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)

15、磁敏電位器 霍爾電動(dòng)機(jī) 紙幣及預(yù)付卡識(shí)別設(shè) 卡形電流計(jì)的結(jié)構(gòu) 64霍爾電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖 霍爾電動(dòng)機(jī)等效電路 653.8 傳感器選用原則 選擇傳感器主要考慮靈敏度、線(xiàn)性范圍、響應(yīng)特性、穩(wěn)定性、精確度、測(cè)量方式等六個(gè)方面的問(wèn)題。 1. 靈敏度 一般說(shuō)來(lái)，傳感器靈敏度越高越好，但在確定靈敏度時(shí)，要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。 a)靈敏度過(guò)高引起的干擾問(wèn)題； b)量程范圍。 663 響應(yīng)特性 傳感器的響應(yīng)特性是指在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測(cè)量條件。 實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時(shí)間越短越好。 2 線(xiàn)性范圍 任何傳感器都有一定的線(xiàn)性工作范圍。在線(xiàn)性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線(xiàn)性

16、范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。傳感器工作在線(xiàn)性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精度的基本條件。 674 穩(wěn)定性 穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。5 精確度 傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度。 6 測(cè)量方式 傳感器工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測(cè)量、破壞與非破壞性測(cè)量、在線(xiàn)與非在線(xiàn)測(cè)量等。 68應(yīng)變片受力后，電阻的變化dR 則兩邊同除以R，同時(shí)R=rl/A，則dl/l=e 金屬導(dǎo)線(xiàn)長(zhǎng)度的相對(duì)變化，稱(chēng)縱向應(yīng)變。 dr/r導(dǎo)線(xiàn)電阻率的相對(duì)變化。 dA/A導(dǎo)線(xiàn)截面積的相對(duì)變化，稱(chēng)為稱(chēng)橫向應(yīng)變。 (2).工作原理69對(duì)于圓形截面積的導(dǎo)線(xiàn)，若半徑為r，則 橫向應(yīng)變dr/r和縱向應(yīng)變dl/l之比稱(chēng)為泊桑比，即 故 70E為導(dǎo)線(xiàn)材料的彈性模量，l為壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)。則 已知當(dāng)導(dǎo)體材料確定后，m、l、E均為常數(shù)，則(1+2m +lE)為常數(shù)。 靈敏度為： 應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化率dR/R與應(yīng)變e之間是線(xiàn)形關(guān)系71