傳感與測試技術(shù)-常用的傳感器與敏感元

第三章常用的傳感器與敏感元件學(xué)習(xí)要求了解傳感器的分類掌握常用傳感器測量原理了解傳感器測量電路編輯ppt概述傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。

物理量電量編輯ppt傳感器的構(gòu)成傳感器一般由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件是傳感器的核心，它的作用是直接感受被測物理量，并對信號進行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。ΩV編輯ppt第一節(jié)常用傳感器分類1)按被測物理量分類常見的被測物理量機械量: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;聲:聲壓,噪聲.磁:磁通,磁場.溫度:溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩編輯ppt應(yīng)變式傳感器、電容式傳感器、壓電式傳感器、磁電式傳感器、光電式傳感器等。2)按工作原理分類:編輯ppt物性型傳感器和結(jié)構(gòu)型傳感器.3)按信號變換特征:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計.結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變.例如:電容式和電感式傳感器.編輯ppt4)按敏感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,壓電式加速度計.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.編輯ppt第二節(jié)機械式傳感器及儀器機械式傳感器原理優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便等缺點：受間隙影響、慣性大、固有頻率低，只宜測量緩變或靜態(tài)被測量。敏感元件力、壓力、溫度編輯ppt水表：葉輪所處的位置正好在套管下層孔所形成的旋轉(zhuǎn)流里，水流沖擊輪周的葉片，產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩，使葉輪旋轉(zhuǎn)起來。龍頭開得越大，水流越急，葉輪就轉(zhuǎn)得越快。典型的機械式傳感器編輯ppt彈性式壓力測量元件測壓原理：是利用彈性元件在被測壓力作用下產(chǎn)生彈性變形的原理來度量被測壓力的。當(dāng)彈性元件受壓力作用時會產(chǎn)生變形，于是輸出位移或力。彈性元件的特點：構(gòu)造簡單，價格便宜，測壓范圍寬，被測壓力低至幾帕，高達數(shù)百兆帕都可使用，測量精度也較高，在目前的測壓儀表中占有統(tǒng)治地位。編輯ppt典型的機械式傳感器彈簧秤原理：彈簧秤測力原理是根據(jù)胡克定律F=kx，其中F為彈簧彈力，k為彈簧勁度系數(shù)，x為彈簧的形變量，由于彈簧伸長度與彈簧彈力之間是成正比關(guān)系，所以彈簧秤的刻度是均勻的。編輯ppt單圈彈簧管

測量元件是一個彎成圓弧形的空心管子。一般彈簧管壓力計的測壓范圍為-105~+109Pa；精確度最高可達±0.1％。編輯ppt膜盒型壓力計測量介質(zhì)的壓力作用在膜盒腔內(nèi)側(cè)，由此所產(chǎn)生的變形可用來間接測量介質(zhì)的壓力。膜盒敏感元件由兩塊連接在一起的顯圓形波浪的膜片組成。編輯ppt空速管原理：總壓=靜壓+動壓，即P(t)=[P(s)+ρ*V2/2]總壓：就是當(dāng)氣流被迎面阻擋，流速降為零時的壓強。靜壓：空氣靜止時的壓力，同飛機飛行高度有關(guān)的。編輯ppt空速管結(jié)構(gòu)總壓管：飛行時保持總壓管和飛行方向同向。在空速管的后部設(shè)有一個靜壓室，在側(cè)壁開設(shè)一通孔和外界相聯(lián)，并保持和飛行方向的垂直，此時靜壓室內(nèi)的壓強就是大氣靜壓了。編輯ppt高度表高度表：高度表殼密封,空氣靜壓力P由傳壓管送入高度表內(nèi)腔。高度增加表內(nèi)壓力減小,置于表殼內(nèi)的真空膜盒(內(nèi)腔抽真空后密封)隨之膨脹而產(chǎn)生變形,膜盒中心的位移經(jīng)傳動機構(gòu)傳送,指示出與氣壓P相對應(yīng)的高度數(shù)值。編輯ppt升降速度表測量飛機高度變化快慢。膜盒內(nèi)腔經(jīng)一個粗的傳壓管與空氣靜壓相通，而膜盒的外部（即儀表內(nèi)腔）通過一毛細(xì)管也與空氣靜壓相連。這樣,當(dāng)飛機上升或下降時,膜盒內(nèi)腔壓力基本上隨高度的變化而變化,但膜盒外部即表殼內(nèi)的氣壓因受毛細(xì)管的阻滯作用,變化緩慢,產(chǎn)生壓力差。編輯ppt重要性飛機在停場時進行了清洗工作，由于洗完飛機后沒有及時將為了防止空速管進水而封堵的膠布拆除，在凌晨執(zhí)行航班前又沒有被檢查出來，飛機起飛離港后由于氣壓高度指示出現(xiàn)問題，時高時低，飛行員無法正確判斷飛機高度，最終飛機墜入到大海里，導(dǎo)致機毀人亡！編輯ppt重要性二戰(zhàn)中日本海軍發(fā)生的一次大丟顏面的“海軍乙事件”（甲事件，就是著名的山本五十六事件）：1944年3月31日，日本聯(lián)合艦隊參謀長福留繁中將等11人乘坐一架水上飛機從帛硫群島出發(fā)。由于起飛倉促，機長竟忘記打開空速管的蓋子。于是一行人就在沒有空速和高度數(shù)據(jù)的情況下飛行，途中因臺風(fēng)迫降，由于沒有準(zhǔn)確的高度數(shù)據(jù)導(dǎo)致飛機墜毀。1995年美國的X-31驗證機作第292次飛行，在7000米上完成了規(guī)定動作后發(fā)現(xiàn)飛機速度表的速度顯示有問題。起先以為是結(jié)冰所致，飛行員打開加熱和除冰裝置，但毫無效果。在各種操作都沒有反應(yīng)時，飛行員被迫棄機。編輯ppt措施結(jié)冰：空速管內(nèi)部都設(shè)有電加熱元件。雷擊：突出的空速管通常會成為雷電電流的主要通道，在雷擊造成的強大電流和熱能，會嚴(yán)重?fù)p壞空速管。因此空速管必須通過雷電防護測驗。編輯ppt第三節(jié)電阻、電容與電感式傳感器一、電阻式傳感器：是一種把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器。按工作原理分為變阻器式電阻應(yīng)變式編輯ppt一、電阻式傳感器1.變阻器式傳感器：通過改變電位器觸頭位置，實現(xiàn)將位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。工作原理編輯ppt一、電阻式傳感器直線位移型角位移型編輯ppt一、電阻式傳感器非線性型:根據(jù)所要求的輸出電阻(或電壓)與電刷位移(包括線位移或角位移)之間的非線性函數(shù)關(guān)系編輯ppt一、電阻式傳感器電阻分壓電路編輯ppt應(yīng)用節(jié)氣門開度傳感器編輯ppt汽油表系統(tǒng)工作過程如下：當(dāng)油箱內(nèi)沒油時，由于浮漂有一定重量，它會在油箱的最底部，這時汽油表指示為0，隨著汽油的加入，油面越來高，浮漂隨著油面也越來越高，杠杠臂在滑動電阻一端也逐漸向另一端滑動，電阻的阻值也越來越小，通過油量表的電流也越來越大，表針也由0逐漸上升到一定數(shù)值。表盤上的刻度是按油量刻度的，所以指示出了剩余油量了。編輯ppt水池水位自動控制系統(tǒng)希望水位高度由電位器觸頭A設(shè)定。由浮子帶動的電位計觸頭B的位置反映實際水位高度。A、B兩點的電位差反映希望水位的偏差。編輯ppt變阻器式傳感器的特點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。缺點：受電阻絲直徑的限制，分辨力不高。分辨力很難優(yōu)于20μm。噪聲較大。被測量：線位移，角位移。編輯ppt一、電阻式傳感器工作原理：在外力作用下發(fā)生機械變形時，其電阻值隨著它所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化的現(xiàn)象。編輯ppt工作原理設(shè)有一長度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為ρ的電阻，它的電阻值R可表示為

ρ、r、l的變化，都會導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。編輯ppt工作原理各可變因素引起的電阻的相對變化應(yīng)變ε各可變因素與應(yīng)變的關(guān)系編輯ppt工作原理金屬電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片☆前者利用導(dǎo)體形變引起電阻變化；后者利用半導(dǎo)體電阻率變化引起電阻變化編輯ppt金屬應(yīng)變片靈敏度電阻應(yīng)變片的應(yīng)變或靈敏度一般用Sg表征金屬應(yīng)變片的靈敏度編輯ppt半導(dǎo)體應(yīng)變片靈敏度半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度：半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度比金屬絲的大50-70倍編輯ppt半導(dǎo)體應(yīng)變片特點優(yōu)點：靈敏度高、橫向效應(yīng)小、機械滯后小和體積小等優(yōu)點。缺點：溫度穩(wěn)定性差、靈敏度分散度大以及在較大應(yīng)變作用下，非線性誤差大。編輯ppt電阻應(yīng)變片應(yīng)用將應(yīng)變片貼于被測試件上，然后將其接到應(yīng)變儀上就可直接從應(yīng)變儀上讀取被測試件的應(yīng)變量。編輯ppt電阻應(yīng)變片應(yīng)用將應(yīng)變片粘貼于某些彈性體上，并將其接到測量轉(zhuǎn)換電路，這樣就構(gòu)成測量各種物理量的專用應(yīng)變式傳感器。編輯ppt人體秤編輯ppt電子天平電子天平的精度可達十萬分之一編輯ppt電阻應(yīng)變式傳感器的注意事項必須被粘在試件或彈性元件上才能工作，黏合劑和粘合技術(shù)對測量結(jié)果有直接影響。用于動態(tài)測量時應(yīng)考慮應(yīng)變片本身的動態(tài)響應(yīng)特性。測量頻率受應(yīng)變片影響不能太高。溫度的變化會引起電阻值的變化，從而需要采取溫度補償措施。編輯ppt利用單晶硅材料的壓阻效應(yīng)和集成電路技術(shù)制成的傳感器。單晶硅材料在受到力的作用后，電阻率發(fā)生變化，通過測量電路就可得到正比于力變化的電信號輸出。編輯ppt與半導(dǎo)體應(yīng)變片的區(qū)別是：半導(dǎo)體應(yīng)變片由單晶半導(dǎo)體材料構(gòu)成的，是利用半導(dǎo)體電阻做成的粘貼式敏感元件。壓阻式固態(tài)壓力傳感器是由在半導(dǎo)體材料的基片上用集成電路工藝制成的擴散電阻。這種元件以單晶硅為基底材料，按一定晶向?qū)型雜質(zhì)擴散到N型硅底層上，形成一層極薄的導(dǎo)電P型層。編輯ppt投入式液位計外形光柱顯示器

橡膠背壓管

壓阻式固態(tài)壓力傳感器

編輯ppt投入式液位計液位的計算h=h0+h1=h0+p1/(ρg)編輯ppt固態(tài)壓阻式加速度傳感器當(dāng)梁的自由端的質(zhì)量塊受到加速度作用時，在梁上受到彎矩和應(yīng)力，使電阻值發(fā)生變化。電阻相對變化與加速度成正比。編輯ppt固態(tài)壓阻式加速度傳感器在汽車防盜系統(tǒng)中的應(yīng)用：現(xiàn)代汽車的防盜系統(tǒng)通常采用對車體的沖擊、振動監(jiān)測的方式防盜預(yù)警。另外，拖車或整車搬運的方法也是目前竊賊盜竊汽車常用的手段。加速度傳感器可以對車體微小振動和整車的傾斜角度同時進行監(jiān)測。編輯ppt二、電容式傳感器1.原理：將被測量的變化轉(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δ、A或ε發(fā)生變化時，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編輯ppt極距變化型靈敏度靈敏度與極距平方成反比，極距越小，靈敏度越高，極距的變化將引起非線性誤差。通常取極距變化范圍為編輯ppt面積變化型平面線位移型靈敏度編輯ppt角位移型靈敏度編輯ppt圓柱體線位移型面積變化型電容傳感器的優(yōu)點是輸出與輸入成線性關(guān)系，但與極板變化型相比，靈敏度較低，適用于較大角位移及直線位移的測量。編輯ppt介質(zhì)變化型變介電常數(shù)型電容傳感器由于存在邊緣效應(yīng),仍然有非線性編輯ppt電容傳感器的特點：電容量小，變化更?。≒F級）。理論上，交流電橋可作為電容傳感器的測量電路，但由于電容及變化太小，不易實現(xiàn)。編輯ppt電橋型電路：將電容的變化轉(zhuǎn)化為電壓的輸出編輯ppt調(diào)頻電路：將電容的變化轉(zhuǎn)化為頻率的變化編輯ppt運算放大器電路：使極距的變化與電容的變化量間成線性關(guān)系編輯ppt電容式加速度傳感器編輯ppt在汽車懸掛系統(tǒng)中的應(yīng)用編輯ppt在汽車氣囊系統(tǒng)中的應(yīng)用：當(dāng)汽車發(fā)生碰撞事故時，汽車和障礙物之間碰撞的結(jié)果導(dǎo)致汽車速度急劇下降，速度從35km/h降到零的時間約150ms左右。編輯ppt三、電感式傳感器電感式傳感器把被測量如位移等，轉(zhuǎn)換為電感量變化的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型渦流式互感型編輯ppt

自感:當(dāng)線圈中有電流通過時，線圈的周圍就會產(chǎn)生磁場。當(dāng)線圈中電流發(fā)生變化時，其周圍的磁場也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，此變化的磁場可使線圈自身產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，此感應(yīng)電勢相當(dāng)于一個“新電源”。電感線圈中的自感電動勢總是阻礙線圈中的電流變化。編輯ppt自感量靈敏度編輯ppt可變導(dǎo)磁面積性編輯ppt互感：兩個電感線圈相互靠近時，一個電感線圈的磁場變化將影響另一個電感線圈，這種影響就是互感。利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，將被測位移量轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化。編輯ppt互感電動勢

M稱為互感，其大小與兩線圈相對位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)編輯ppt2.互感型——差動變壓器式工作原理編輯ppt3.渦