過程裝備測(cè)試技術(shù)第二章傳感器

第2章傳感器1過程裝備測(cè)試技術(shù)教學(xué)引入及回顧：被測(cè)對(duì)象傳感器測(cè)量電路顯示器記錄裝置數(shù)據(jù)處理裝置第2章傳感器2過程裝備測(cè)試技術(shù)教學(xué)引例：傳感器——感覺，感知（Sensor、Transducer）人類有五大感覺器官，即眼、耳、鼻、舌、皮膚。通過這些感覺器官感知外界信息。機(jī)器系統(tǒng)中，傳感器是各種機(jī)械和電子設(shè)備的感覺器官。能感知光、色、溫度、壓力、聲音、濕度、氣味及輻射等。第2章傳感器3教學(xué)引例：汽車與傳感器傳統(tǒng)：行駛速度、距離、發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度、燃料剩余量安全：安全氣囊系統(tǒng)、防盜裝置、防滑控制系統(tǒng)、防抱死裝置、電子變速控制裝置、環(huán)保：排氣循環(huán)裝置、電子燃料噴射裝置第2章傳感器4過程裝備測(cè)試技術(shù)要點(diǎn)知識(shí)要點(diǎn)相關(guān)知識(shí)能力要求傳感器概述基本概念分類和發(fā)展趨勢(shì)了解電參數(shù)型傳感器電阻應(yīng)變式傳感器，電感式以及電容式傳感器的基本原理結(jié)構(gòu)和應(yīng)用掌握壓電式傳感器電磁感應(yīng)式和霍爾式傳感器基本原理結(jié)構(gòu)及應(yīng)用理解光電式傳感器光電效應(yīng)和光電器件，特別是光纖傳感器的基本原理結(jié)構(gòu)及應(yīng)用理解其他傳感器包括超聲波、紅外線、半導(dǎo)體、數(shù)字式、智能式等傳感器了解2.1概述5過程裝備測(cè)試技術(shù)傳感器2.1.1氣敏傳感器壓電式壓力傳感器溫度傳感器熱電偶超聲波傳感器6過程裝備測(cè)試技術(shù)傳感器2.1.1傳感器：能感受被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。傳感器的共性：利用物理定律或物質(zhì)的物理、化學(xué)、生物等特性，將非電量轉(zhuǎn)換成電量傳感器功能：檢測(cè)和轉(zhuǎn)換。2.1概述7過程裝備測(cè)試技術(shù)傳感器2.1.1敏感元件是傳感器中能直接感受（或響應(yīng)）被測(cè)信息（非電量）的元件，能夠敏感地感受被測(cè)量并作出響應(yīng)的元件。轉(zhuǎn)換元件則是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性敵龅姆请娏啃盘?hào)直接轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。轉(zhuǎn)換電路是將輸出的電信號(hào)進(jìn)行調(diào)理，以便顯示、處理和傳輸。常用有電橋、放大器、濾波和調(diào)制解調(diào)電路2.1概述8過程裝備測(cè)試技術(shù)傳感器的分類2.1.2按傳感器的工作原理進(jìn)行分類

：物理型、化學(xué)型、生物型等按傳感器的構(gòu)成進(jìn)行分類：物理型和結(jié)構(gòu)型

按傳感器的能量變換關(guān)系進(jìn)行分類：有源（能量控制型）、無源（能量轉(zhuǎn)換型）按照物理原理可分為：電參量式傳感器、磁電式、壓電式、光電式、氣電式、熱電式、波式、射線式、半導(dǎo)體式等按傳感器的輸入量（即被測(cè)參數(shù)）進(jìn)行分類：位移、速度、溫度、壓力、振動(dòng)傳感器等按傳感器的輸出量進(jìn)行分類

：模擬式和數(shù)字式（雙向和單向傳感器）2.1概述9過程裝備測(cè)試技術(shù)傳感器的發(fā)展趨勢(shì)2.1.31.新型傳感器的開發(fā)2.傳感器的集成化3.智能化和網(wǎng)絡(luò)化4.多傳感器的信息融合2.1概述2.2電參數(shù)型傳感器10過程裝備測(cè)試技術(shù)電參數(shù)型傳感器2.2電參數(shù)型傳感器：因被測(cè)量變化導(dǎo)致電阻、電感、電容變化的敏感元件制成的傳感器分類：電阻應(yīng)變式、電感式、電容式11過程裝備測(cè)試技術(shù)電阻應(yīng)變式傳感器2.2.1各種電子秤2.2電參數(shù)型傳感器第2章傳感器12電阻應(yīng)變式傳感器2.2.11、應(yīng)變效應(yīng)當(dāng)金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值會(huì)隨著它的機(jī)械變形（伸長(zhǎng)或縮短）將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。13電阻應(yīng)變式傳感器2.2.12、電阻應(yīng)變式傳感器工作原理組成：

電阻應(yīng)變式傳感器由彈性元件、電阻應(yīng)變片和測(cè)量電路構(gòu)成。功能：彈性元件：感受載荷，產(chǎn)生應(yīng)變；應(yīng)變片：感受應(yīng)變，產(chǎn)生電阻變化；測(cè)量電路：將電阻變化轉(zhuǎn)變成電壓。14電阻應(yīng)變式傳感器2.2.12、電阻應(yīng)變式傳感器工作原理電阻應(yīng)變片又稱電阻應(yīng)變計(jì)，一般由敏感元件、基底、引線、和覆蓋層組成。

敏感元件也叫敏感柵。根據(jù)其材料不同，應(yīng)變片可分為：金屬電阻應(yīng)變片和半導(dǎo)體電阻應(yīng)變片兩大類。工作原理：應(yīng)用時(shí)將應(yīng)變片粘結(jié)在被測(cè)試件或者彈性元件表面上，當(dāng)試件受力變形時(shí)，應(yīng)變片的敏感柵也隨之變形，引起應(yīng)變片電阻變化，通過測(cè)量電路將其轉(zhuǎn)換為電壓或電流信號(hào)輸出。15電阻應(yīng)變式傳感器2.2.13、電阻應(yīng)變式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：①由于應(yīng)變片的尺寸小，重量輕，因而具有良好的動(dòng)態(tài)特性，而且應(yīng)變片粘貼在試件上對(duì)其工作狀態(tài)和應(yīng)力分布沒有影響。適用于靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量。②測(cè)量應(yīng)變的靈敏度和精確度高，可測(cè)1－2微應(yīng)變，誤差小于1％。③測(cè)量范圍大，既可測(cè)量彈性變形，也可測(cè)量塑性變形，變形范圍從1％－20％。④能適應(yīng)各種環(huán)境，可在高（低）溫、超低壓、高壓、水下、強(qiáng)磁場(chǎng)以及輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境下使用。缺點(diǎn)：①大應(yīng)變狀態(tài)下具有較明顯的非線性；②輸出信號(hào)較弱。16電阻應(yīng)變式傳感器2.2.14、應(yīng)用：用于物體加速度的測(cè)量。依據(jù)：a=F/m。第2章傳感器17電阻應(yīng)變式傳感器2.2.1

測(cè)量原理：將傳感器殼體與被測(cè)對(duì)象剛性連接，當(dāng)被測(cè)物體以加速度a

運(yùn)動(dòng)時(shí)，質(zhì)量塊受到一個(gè)與加速度方向相反的慣性力作用，使懸臂梁變形，該變形被粘貼在懸臂梁上的應(yīng)變片感受到并隨之產(chǎn)生應(yīng)變，從而使應(yīng)變片的電阻發(fā)生變化。電阻的變化引起應(yīng)變片組成的橋路出現(xiàn)不平衡，從而輸出電壓，即可得出加速度a值的大小。

適用范圍：不適用于頻率較高的振動(dòng)和沖擊場(chǎng)合，一般適用頻率為10~60Hz范圍。第2章傳感器18電感式傳感器2.2.2電磁感應(yīng)

被測(cè)非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測(cè)量電路U、I、f電感式傳感器的定義一種利用線圈自感和互感的變化實(shí)現(xiàn)非電量電測(cè)的裝置。電感式傳感器的感測(cè)量位移、振動(dòng)、壓力、應(yīng)變、流量、比重等。電感式傳感器的種類

根據(jù)轉(zhuǎn)換原理：自感式（変磁阻式）、互感式（差動(dòng)變壓器式）、電渦流式三種；

19電感式傳感器2.2.2電感式傳感器的優(yōu)點(diǎn)

①結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠②分辨率高機(jī)械位移0.1μm，甚至更??；角位移0.1角秒。輸出信號(hào)強(qiáng)，電壓靈敏度可達(dá)數(shù)百mV/mm。

③重復(fù)性好，線性度優(yōu)良在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。④能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸、記錄、顯示和控制電感式傳感器的不足存在交流零位信號(hào)，不宜高頻動(dòng)態(tài)測(cè)量。2.2電參數(shù)型傳感器20電感式傳感器2.2.2自感式（変磁阻式）傳感器變磁阻式傳感器即自感式電感傳感器：利用線圈自感量的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的。傳感器結(jié)構(gòu)：線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。工作原理：δ

為空氣隙，L為線圈的自感；N為線圈匝數(shù)，μ0

為真空磁導(dǎo)率；S為空氣隙通截面積，δ

0初始?xì)庀叮?-1）靈敏度21電感式傳感器2.2.2互感式傳感器工作原理22電感式傳感器2.2.2電渦流式傳感器電渦流式傳感器是利用電渦流效應(yīng)進(jìn)行工作。一.工作原理

如圖5.25所示，有一通以交變電流的傳感器線圈。由于電流的存在，線圈周圍就產(chǎn)生一個(gè)交變磁場(chǎng)H1。若被測(cè)導(dǎo)體置于該磁場(chǎng)范圍內(nèi)，導(dǎo)體內(nèi)便產(chǎn)生電渦流，也將產(chǎn)生一個(gè)新磁場(chǎng)H2，H2與H1方向相反，力圖削弱原磁場(chǎng)H1,從而導(dǎo)致線圈的電感、阻抗和品質(zhì)因數(shù)發(fā)生變化。這些參數(shù)變化與導(dǎo)體的幾何形狀、電導(dǎo)率、磁導(dǎo)率、線圈的幾何參數(shù)、電流的頻率以及線圈到被測(cè)導(dǎo)體間的距離有關(guān)。如果控制上述參數(shù)中一個(gè)參數(shù)改變，余者皆不變，就能構(gòu)成測(cè)量該參數(shù)的傳感器。圖2.11電渦流式傳感器的基本原理23電感式傳感器2.2.2二.電渦流式傳感器的應(yīng)用

測(cè)位移圖2.14為用電渦流式傳感器構(gòu)成的液位監(jiān)控系統(tǒng)。如圖所示，通過浮子3與杠桿帶動(dòng)渦流板1上下位移，由電渦流式傳感器2發(fā)出信號(hào)控制電動(dòng)泵的開啟而使液位保持一定。24電容式傳感器2.2.3一、基本工作原理是將非電量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種傳感器

兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，不考慮邊緣效應(yīng)時(shí)電容量為ε電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)，ε0為真空介電常數(shù)，εr極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)；A兩平行板所覆蓋的面積；δ為兩平行板之間的距離。僅改變一個(gè)參數(shù)，該參數(shù)的變化可轉(zhuǎn)換為電容量的變化，通過測(cè)量電路就可轉(zhuǎn)換為電量輸出。被測(cè)參數(shù)變化A、δ或ε發(fā)生變化時(shí)，電容量C也隨之變化。25電容式傳感器2.2.3二、電容式傳感器的類型電容式傳感器的三種類型：變極距型、變面積型和變介電常數(shù)型。26電容式傳感器2.2.31、變極距型電容傳感器電容傳感器的靈敏度為(2-6)由式（2-6）可看出，靈敏度K與極距平方成反比，極距越小，靈敏度越高。一般通過減小初始極距來提高靈敏度。由于電容量C與極距δ

呈非線性關(guān)系，故將引起非線性誤差。通常規(guī)定Δδ≤δ。2、變面積型電容傳感器

被測(cè)量通過動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積改變，產(chǎn)生電容量的變化。27電容式傳感器2.2.33、變介電常數(shù)型電容傳感器圖2.21（a)中兩平行極板固定不動(dòng)，極距為δ0，相對(duì)介電常數(shù)為的電介質(zhì)以不同深度插入電容器中，從而改變兩種介質(zhì)的極板覆蓋面積，進(jìn)而得到電容的變化。2.3磁電式傳感器28過程裝備測(cè)試技術(shù)工作原理磁電感應(yīng)式傳感器又稱磁電式傳感器，是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位移、轉(zhuǎn)速等）轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的一種傳感器。磁電感應(yīng)式傳感器2.3.12.3磁電式傳感器29過程裝備測(cè)試技術(shù)工作原理磁電感應(yīng)式式傳感器2.3.1

當(dāng)一個(gè)N匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通量變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小決定于穿過線圈的磁通量Φ的變化率（2-7）根據(jù)以上原理，磁通量變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，因?yàn)槿舾淖兤渲幸粋€(gè)參數(shù)，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，磁電感應(yīng)式傳感器由此可分為恒磁通式和變磁通式。2.3磁電式傳感器30恒磁通式工作原理恒磁通式有兩種：動(dòng)圈式和動(dòng)鐵式，二者的工作原理是一樣。如圖2.25（2-8）式中：B——工作氣隙磁感應(yīng)強(qiáng)度la——每匝線圈平均長(zhǎng)度；N——線圈在工作氣隙磁場(chǎng)中的匝數(shù)v——相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度。31變磁通式工作原理常用來測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。圖2.26為開路變磁通式傳感器結(jié)構(gòu)示意，線圈和磁鐵靜止不動(dòng)，測(cè)量齒輪（導(dǎo)磁材料制成）固定在被測(cè)旋轉(zhuǎn)體上，隨之一起轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過一個(gè)齒，傳感器磁路磁阻變化一次，線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的變化頻率等于測(cè)量齒輪上齒輪的齒數(shù)和轉(zhuǎn)速的乘積。2.3磁電式傳感器32過程裝備測(cè)試技術(shù)工作原理霍爾式傳感器2.3.2概念1.霍爾元件2.霍爾效應(yīng)fLfEvEHdIbB定向運(yùn)動(dòng)的電子除受到洛侖茲力外，還受到霍爾電場(chǎng)的作用，當(dāng)FL=FE時(shí)，達(dá)到平衡，此時(shí)霍爾系數(shù)，材料確定后為常數(shù)靈敏度系數(shù)RH

為霍爾常數(shù)，e為電子荷數(shù)，n為金屬導(dǎo)板3單位體積內(nèi)的電子數(shù)，d為霍爾元件的厚度霍爾電壓UH為：

式中

n為半導(dǎo)體單位體積中的載流子數(shù)

E為電子電量

KH為霍爾元件靈敏度，KH＝1/ned

對(duì)于導(dǎo)體，霍爾系數(shù)一般較小，故霍耳元件一般用半導(dǎo)體制作，且愈?。ū。`敏度愈高。2.3磁電式傳感器35過程裝備測(cè)試技術(shù)霍爾式傳感器2.3.2霍爾傳感器基本電路霍爾元件外形和符號(hào)2.3磁電式傳感器36過程裝備測(cè)試技術(shù)霍爾式傳感器2.3.2霍爾傳感器的應(yīng)用1.霍爾傳感器位移測(cè)量原理2.霍爾壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理2.4壓電式傳感器37過程裝備測(cè)試技術(shù)壓電效應(yīng)與壓電材料2.4.11.壓電效應(yīng)2.逆壓電效應(yīng)3.壓電材料及分類：壓電晶體-----石英晶體（單晶）壓電陶瓷-----鈦酸鋇和鋯鈦酸鉛系列（壓電多晶）新型壓電材料2.4壓電式傳感器38過程裝備測(cè)試技術(shù)壓電效應(yīng)與壓電材料2.4.1天然石英2.4壓電式傳感器39過程裝備測(cè)試技術(shù)壓電效應(yīng)與壓電材料2.4.1壓電陶瓷2.4壓電式傳感器40過程裝備測(cè)試技術(shù)壓電式傳感器2.4.2壓電式傳感器基本原理：利用壓電材料的壓電效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能相互轉(zhuǎn)換的傳感器。根據(jù)工作原理：正壓電效應(yīng)型和逆壓電效應(yīng)型壓電式傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量：外力作用在壓電材料上產(chǎn)生的電荷只有在無泄漏的情況下才能保存，需要測(cè)量回路具有無限大的輸入阻抗，這實(shí)際上是不可能的。壓電式傳感器適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量：壓電材料在交變力的作用下，電荷可以不斷補(bǔ)充，以供給測(cè)量回路一定的電流。

壓電式傳感器在有些測(cè)量中需要預(yù)載2.4壓電式傳感器41過程裝備測(cè)試技術(shù)壓電式傳感器2.4.2壓電式加速度傳感器金屬金屬氧化物半導(dǎo)體光照

電子光電效應(yīng)是光電傳感器的基本轉(zhuǎn)換原理。外光電效應(yīng)和內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)光照半導(dǎo)體電子在物體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)外光電效應(yīng)金屬金屬氧化物光照電子逸出物體表面光電效應(yīng)和光電器件2.5.1一.光電效應(yīng)概念2.5光電式傳感器過程裝備測(cè)試技術(shù)外光電效應(yīng)金屬金屬氧化物光照電子逸出物體表面光電效應(yīng)和光電器件2.5.11.外光電效應(yīng)2.5光電式傳感器基于外光電效應(yīng)的光電器件有光電管、光電倍增管等。過程裝備測(cè)試技術(shù)光電效應(yīng)和光電器件2.5.12.內(nèi)光電效應(yīng)概念2.5光電式傳感器內(nèi)光電效應(yīng)光照半導(dǎo)體電子在物體內(nèi)部運(yùn)