常用傳感器與敏感元件

1、關(guān)于常用傳感器與敏感元件第1頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四3.1 概 述1. 傳感器(Sensor)定義傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。 狹義上，非電信號 電信號。在非電量電測系統(tǒng)中的作用:敏感作用:感受并拾取被測對象的信號變換作用:被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號第2頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四2. 傳感器的分類(1)按被測物理量分類位移傳感器,力傳感器,溫度傳感器等.(2)按傳感器的工作原理分類機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.(3)按敏感

2、元件與被測對象之間的能量關(guān)系 能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對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量控制外部供給能量的變化. 例如:電阻應(yīng)變片.第3頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四工作范圍或量程應(yīng)足夠大，具有一定的過載能力 與檢測系統(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)按信號變換特征分類物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換. 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)信號轉(zhuǎn)變. 例如:電容式和電感式傳感器.3. 傳感器的性能要求第4頁，

3、共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四 4. 常見的被測物理量機(jī)械量: 長度，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；溫度: 溫度，熱量，比熱；光： 亮度，色彩 第5頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四機(jī)械式傳感器 一類傳感器的統(tǒng)稱，指只含有機(jī)械的轉(zhuǎn)換方式。把機(jī)械量轉(zhuǎn)換為另一種機(jī)械量的傳感器。（常常以彈性體作為傳感器的敏感元件）優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，價(jià)格低廉。缺點(diǎn)：固有頻率低，可測頻帶窄，適用于測量緩慢變化或者靜態(tài)被測量。（為了提高頻帶，常與其它形式的傳感器聯(lián)合運(yùn)用）3.

4、2 機(jī)械式傳感器第6頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四電阻式傳感器 是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。按工作的原理可分為: 變阻器式 電阻應(yīng)變式 熱敏式 光敏式 濕敏式 3.3 電阻式傳感器第7頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四R總電阻; Rx 電刷電阻;1. 變阻器式傳感器第8頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四2.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)變片第9頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四比例關(guān)系 應(yīng)變片受力應(yīng)變比例關(guān)系 應(yīng)變片電阻的變化(1)應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)

5、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)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。傳感元件：電阻應(yīng)變片，它是一種把被測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的傳感元件。第10頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四(2)工作原理式中，r 導(dǎo)線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)： 當(dāng)金屬絲由于受到軸向力P而伸長時(shí)，長度增長，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，即長度變短，截面積變粗時(shí)，則電阻就減小。第11頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四應(yīng)變片受力后，電阻的變化dR 則兩邊同除以R，同時(shí)R=r l/A，則dl/l = e 金屬

6、導(dǎo)線長度的相對變化，稱縱向應(yīng)變。 dr/r 導(dǎo)線電阻率的相對變化。 dA/A 導(dǎo)線截面積的相對變化，稱為橫向應(yīng)變。 第12頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四對于圓形截面積的導(dǎo)線，若半徑為r，則 橫向應(yīng)變dr/r和縱向應(yīng)變dl/l之比稱為泊松比，即 故 第13頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四E為導(dǎo)線材料的彈性模量，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)變片電阻的相對變化率dR/R與應(yīng)變e之間是線形關(guān)系第14頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四S由兩部分

7、組成：前一部分(1+2m)單由金屬導(dǎo)線的幾何尺寸變化引起的；后一部分lE是電阻率隨應(yīng)變而引起變化的部分，它除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。返回 第15頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四 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)變計(jì)第16頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四(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

8、敏度等）。第17頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四(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.第18頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四體型薄膜型擴(kuò)散型(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。第19頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四立柱應(yīng)力 橋梁應(yīng)力 德國HBM電阻應(yīng)變式傳感器 (6).應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用第20頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四壓力傳感器 質(zhì)量傳感器 位移

9、傳感器 加速度計(jì) 第21頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四壓力傳感器 扭矩傳感器 第22頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四案例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過程監(jiān)測第23頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四溫度(熱量)的變化電阻的變化 溫度檢測 :-200+500 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。第24頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四圓形熱敏電阻 柱形熱敏電阻 珠形熱敏電阻 熱敏電阻在電路中的符號 (2).熱敏電阻傳感器非線性元件:它的溫度-

10、電阻關(guān)系是指數(shù)關(guān)系 溫度為-50350第25頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四 (3)光敏電阻傳感器 (4)濕敏電阻傳感器 第26頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四變換原理將被測物理量的變化轉(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:當(dāng)被測量d、A或 e 發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。+ + + A 3.4 電容式傳感器第27頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四2. 分類 c) 介質(zhì)變化型a) 極距變化型+ b)面積變化型:平面

11、線位移型,角位移型, 柱面線位移型第28頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四3. 靈敏度 a) 極距變化型傳感器的靈敏度近似為：平板電容器 第29頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四一般取極距變化范圍為極距減小當(dāng)極距增加第30頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四變極距型電容傳感器（差動結(jié)構(gòu)）實(shí)際應(yīng)用中，常把電容傳感器作成差動結(jié)構(gòu)，如圖所示。則上半部間隙變?yōu)?下半部間隙變?yōu)?相應(yīng)地電容變化為 總的電容變化量差動結(jié)構(gòu)的電容傳感器靈敏度提高一倍，而非線性度顯著降低。第31頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四振動測量 旋轉(zhuǎn)

12、軸的偏心量的測量 變極距型電容傳感器的應(yīng)用第32頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四第33頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四傳感器靈敏度b)面積變化型a)直線位移型 直線位移型b)角位移型 傳感器靈敏度 角位移型第34頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四電容量 當(dāng)覆蓋長度 變化時(shí)，電容量 發(fā)生變化，其靈敏度常數(shù) 圓柱體線位移型第35頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四介質(zhì)常數(shù)變化型電容式傳感器c)介質(zhì)變化型大多用于測量電介質(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

13、變來測量溫度、濕度、容量(圖d)等。第36頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四變介電常數(shù)型電容傳感器（電容式液位計(jì)） 電容器總電容 等于氣體介質(zhì)中的電容 與液體介質(zhì)中的電容 之和。其靈敏度第37頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四電感式傳感器自感型 可變磁阻型 渦流式互感型3.5 電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量變化的一種裝置。分類:第38頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四1. 可變磁阻式(自感型)原理:電磁感應(yīng)W：線圈匝數(shù)； l：軟鐵長度； m：軟鐵磁導(dǎo)率； m0：空氣磁導(dǎo)率 A：鐵芯導(dǎo)磁截面

14、A0：空氣導(dǎo)磁截面可變磁阻式傳感器基本原理1.線圈 2.鐵芯 3.銜鐵第39頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四(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 呈非線形（雙曲線）關(guān)系. L與d 的雙曲線關(guān)系 傳感器靈敏度： 第40頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四 測量范圍允許在0.001mm1mm之間。l銜鐵第四章 常用傳感器第41頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四差動式電感傳感器圖4-12 變氣隙差動式電感傳感器第四章 常用傳感器第42頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28

15、分，星期四(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呈線形關(guān)系. 傳感器靈敏度 L與A0的線形關(guān)系=常數(shù)第43頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四(3).螺線管型 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。 第44頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四當(dāng)金屬板置于變化磁場中或者在磁場中運(yùn)動時(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，以及金屬板與線圈距離、激勵電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。 渦流式電感傳感器可分為 1）高頻反射

16、式 2）低頻透射式2. 渦流式電感傳感器第45頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四原線圈的等效阻抗Z變化：(1).高頻反射式（集膚效應(yīng)） 高頻反射式渦流傳感器 第46頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四(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 第47頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四3.渦流式傳感器的應(yīng)用案例：位移、振幅、軸心軌跡的測量徑向振動的測量 構(gòu)件振幅的測量 構(gòu)件振型的測量 軸心軌跡的測量 第48頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四其中，n為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速；f為脈沖頻率

17、；z為轉(zhuǎn)軸上的槽數(shù)或齒數(shù)。案例:轉(zhuǎn)速的測量第49頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四案例： 測厚案例： 零件計(jì)數(shù)第50頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。 火車輪檢測油管檢測第51頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四3. 變壓器式-差動變壓器工作原理：互感現(xiàn)象.第52頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四應(yīng)用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度; 壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭矩, 應(yīng)力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等. 案例：板的厚度測量

18、第53頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四3.6 磁電傳感器 1. 變換原理 磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e為 磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。 第54頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四2. 分類 磁電式 動圈式 磁阻式 線速度型角速度型 N 第55頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四3. 動圈式傳感器 l:每匝線圈的平均長度；B:線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度； A:每匝線圈的截面積；q :線圈運(yùn)動方向與磁場方向的夾角； k:傳

19、感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)；w:角速度。 第56頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四4. 磁阻式傳感器 第57頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四5. 磁電傳感器的應(yīng)用 測速電機(jī) 磁電式測速傳感器 第58頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四測頻數(shù) 測轉(zhuǎn)速 偏心測量 振動測量 第59頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四3.7 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)，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。第60頁，共80頁，2022

20、年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四壓電效應(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=DF晶片電荷極性與受力方向關(guān)系第61頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四ea：開路電壓； 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:輸入電容第62頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四壓電式傳感器突出的特點(diǎn)是固有頻率高，可測頻帶寬，此外，還具有體積小、重量輕、精確度與靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)。在測量加速度和動態(tài)力等方面得到了廣泛地應(yīng)用。在用作加速度和力傳感器

21、時(shí)，可測頻率范圍從0.1Hz20kHz，可測振動加速度值達(dá)（10-2105）ms-2。壓電式傳感器輸出電荷q很少，內(nèi)阻Ra很大，輸出信號很弱小，因此要進(jìn)行處理： 放大微弱的壓電信號 電壓放大器 電荷放大器 (1).主要作用第63頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四放大器的輸入電壓： 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)測試比較困難 (2).電壓放大器第64頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四當(dāng)略去傳感器的漏電阻Ra時(shí)qtei(Ca+Cc+Ci)當(dāng)略去電荷放大器的輸入電阻Ri的影響時(shí)qf(

22、ei-ey)Cf 則整個電路中的電荷為：qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf 式中，ei為放大器的輸入端電壓；ey為放大器輸出端電壓；Cf為電荷放大器的反饋電容。 (3).電荷放大器第65頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四ey=-Kei 其中，K為放大器的開環(huán)放大倍數(shù) qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf 所以 開環(huán)增益K足夠大系統(tǒng)的靈敏度為： 在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜的分布電容無關(guān)； 系統(tǒng)輸出靈敏度取決于反饋電容，所以

23、可以通過調(diào)節(jié)反饋電容 ei=(q+eyCf)/(C+Cf)返回 第66頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四3. 壓電傳感器的應(yīng)用壓力變送器加速度計(jì)，力傳感器 第67頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四壓電式壓力傳感 壓電式壓力傳感器特性 第68頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四阻抗頭的結(jié)構(gòu)原理圖 阻抗頭的安裝結(jié)構(gòu) 第69頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四3.8 磁敏傳感器 1.半導(dǎo)體霍爾元件霍爾效應(yīng) 當(dāng)半導(dǎo)體中流過一個電流時(shí)，若在與該電流垂直的方向上外加一個磁場，則在與電流及磁場分別成直角的方向上會產(chǎn)生一個電壓。這種現(xiàn)象也稱為霍爾效應(yīng) 。 霍爾效應(yīng)原理圖 第70頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四半導(dǎo)體霍爾元件的結(jié)構(gòu) 第71頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四半導(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。 第72頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期四磁性體磁敏電阻 利用強(qiáng)磁材料的磁場異向性制成的磁敏元件。 磁性體磁敏電阻的結(jié)構(gòu) 第73頁，共80頁，2022年，5月20日，1點(diǎn)28分，星期