第四章 常用傳感器技術(shù)

第4章常用傳感器技術(shù)

本章學(xué)習(xí)要求，了解電阻應(yīng)變式傳感器、電感式、電容式、壓電式、磁電式、熱電式和超聲波傳感器的基本原理和主要技術(shù)特性。4.1電阻應(yīng)變式傳感器4.1.1電阻應(yīng)變式傳感器概述一、電阻應(yīng)變式傳感器可用來測量哪些參數(shù)？力、力矩、位移、加速度等4.1.1

電阻應(yīng)變式傳感器概述二、電阻應(yīng)變測試技術(shù)有何獨特的優(yōu)點？1.結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；2.易于實現(xiàn)測試過程自動化，多點同步測量及遠(yuǎn)距離測量；3.靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量；三、電阻應(yīng)變式傳感器的構(gòu)成彈性敏感元件+電阻應(yīng)變片四、基本原理被測量的變化→電阻應(yīng)變片阻值變化→電信號輸出4.1.2

電阻應(yīng)變片一、材料的應(yīng)變效應(yīng)含義：導(dǎo)體材料在外力的作用下發(fā)生機械變形，其電阻值也相應(yīng)地發(fā)生變化原阻值一、材料的應(yīng)變效應(yīng)金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)半導(dǎo)體材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)兩種材料應(yīng)變效應(yīng)的異同：相同點：其l、A和ρ在外力作用下均發(fā)生變化不同點：金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)主要體現(xiàn)在幾何尺寸變化所致；而半導(dǎo)體材料則體現(xiàn)在電阻率變化帶來的應(yīng)變效應(yīng)4.1.2

電阻應(yīng)變片4.1.2電阻應(yīng)變片二、電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)4.1.2電阻應(yīng)變片三、應(yīng)變片的種類、材料及參數(shù)4.1.2電阻應(yīng)變片三、應(yīng)變片的種類、材料及參數(shù)4.1.2電阻應(yīng)變片三、應(yīng)變片的種類、材料及參數(shù)金屬薄膜應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片基于壓阻效應(yīng)即半導(dǎo)體材料的電阻率隨作用力變化而變化的效應(yīng)。4.1.2電阻應(yīng)變片四、電阻應(yīng)變片的主要特性靜態(tài)特性（1）靈敏系數(shù)（K）由得靈敏系數(shù)其中，為應(yīng)變片軸向應(yīng)變4.1.2電阻應(yīng)變片四、電阻應(yīng)變片的主要特性靜態(tài)特性（2）機械滯后（Zj)4.1.2電阻應(yīng)變片四、電阻應(yīng)變片的主要特性靜態(tài)特性（3）蠕變和零漂（4）應(yīng)變極限4.1.2電阻應(yīng)變片四、電阻應(yīng)變片的主要特性動態(tài)特性（1）對正弦應(yīng)變波的響應(yīng)4.1.2電阻應(yīng)變片四、電阻應(yīng)變片的主要特性動態(tài)特性（2）對階躍應(yīng)變波的響應(yīng)（3）疲勞壽命4.2電感式傳感器4.2.1電感式傳感器概述一、電感式傳感器是怎樣的一種傳感器？如何分類？利用電磁感應(yīng)原理將被測非電量如位移、壓力、流量、振動等轉(zhuǎn)換成線圈自感量L或互感量M的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電量輸出的傳感器。分類：按工作原理分，可分為變磁阻式、變壓器式和電渦流式傳感器4.2.1電感式傳感器概述二、電感式傳感器有何優(yōu)缺點？優(yōu)點:工作可靠，壽命長；靈敏度高，分辨率高；測量精度高，線性好；性能穩(wěn)定，重復(fù)性好。缺點：靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，存在交流零位信號，傳感器自身頻率響應(yīng)低，不適用于高頻動態(tài)測量。三、主要應(yīng)用位移測量及可轉(zhuǎn)換為位移變化的機械量測量4.2.2變磁阻式傳感器一、工作原理（4-2）（4-1）4.2.2變磁阻式傳感器一、工作原理（4-3）4.2.2變磁阻式傳感器一、工作原理（4-3）（4-4）（4-5）4.2.2變磁阻式傳感器二、輸出特性4.2.2變磁阻式傳感器二、輸出特性4.2.2變磁阻式傳感器三、應(yīng)用4.2.2變磁阻式傳感器三、應(yīng)用4.2.3差動變壓器式傳感器一、工作原理螺線管式差動變壓器結(jié)構(gòu)線圈排列方式4.2.3差動變壓器式傳感器一、工作原理4.2.3差動變壓器式傳感器二、基本特性次級開路時：4.2.3差動變壓器式傳感器二、基本特性輸出電壓有效值：分析：3.活動銜鐵處于向下移動時，4.3電容式傳感器4.3.1概述一、電容式傳感器是怎樣的一種傳感器？如何分類？將被測量如尺寸、位移、壓力等非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量的變化，再由測量電路轉(zhuǎn)換為電量輸出的傳感器。分類：按工作原理分，可分為變極距式（變間隙型）、變面積式和變介質(zhì)式傳感器4.3.1概述二、電容式傳感器有何優(yōu)點？優(yōu)點:

結(jié)構(gòu)簡單，體積小，分辨率高；可實現(xiàn)非接觸測量；動態(tài)響應(yīng)好；溫度穩(wěn)定性好；能在高溫輻射和強振動等惡劣環(huán)境下工作。缺點：電容量小；功率小，輸出阻抗高，負(fù)載能力差。三、主要應(yīng)用位移、振動、角度、加速度以及壓力、液面、成分含量等4.3.1概述四、基本原理4.3.2電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)一、變極距型電容傳感器1.基本原理2.

測量范圍

25～200μm，廣泛應(yīng)用于微位移測量中4.3.2電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)二、變面積型電容傳感器1.直線位移電容式傳感器基本原理4.3.2電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)二、變面積型電容傳感器2.角位移電容式傳感器基本原理4.3.2電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)三、變介質(zhì)型電容傳感器1.無介質(zhì)插入時初始電容2.有介質(zhì)插入時4.3.2電容式傳感器工作原理和結(jié)構(gòu)三、變介質(zhì)型電容傳感器3.電容式液位檢測器原理

電容量大小計算：4.3.3電容式傳感器的靈敏度及非線性靈敏度及非線性度表達(dá)式（變極距型電容傳感器）靈敏度：非線性度：4.3.3電容式傳感器的靈敏度及非線性靈敏度及非線性度表達(dá)式（變極距型電容傳感器）存在的問題：

靈敏度的提高與非線性度的減小不可兼得

解決問題：采用差動平板電容傳感器差動平板電容傳感器的優(yōu)勢：

1.提高靈敏度兩倍

2.大大降低了非線性度4.4壓電式傳感器4.4.1壓電式傳感器工作原理一、壓電式傳感器是怎樣的一種傳感器？利用某些電介質(zhì)（如石英晶體、壓電陶瓷、高分子材料）的壓電效應(yīng)工作。4.4.1壓電式傳感器工作原理二、何為壓電效應(yīng)4.4.1壓電式傳感器工作原理三、壓電材料分類：壓電晶體（單晶）壓電陶瓷（多晶半導(dǎo)瓷）新型壓電材料（包括壓電半導(dǎo)體及有機高分子壓電材料）主要特性參數(shù)壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)、機械耦合系數(shù)、電阻、居里點4.4.1壓電式傳感器工作原理三、壓電材料1.壓電晶體4.4.1壓電式傳感器工作原理三、壓電材料1.壓電晶體4.4.1壓電式傳感器工作原理三、壓電材料1.壓電晶體壓電效應(yīng)機理4.4.1壓電式傳感器工作原理三、壓電材料2.壓電陶瓷壓電陶瓷的極化4.4.2壓電式傳感器結(jié)構(gòu)及特點一、基本結(jié)構(gòu)超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片4.4.2壓電式傳感器結(jié)構(gòu)及特點二、應(yīng)用特點1.靈敏度及分辨率高；2.線性范圍大；3.結(jié)構(gòu)簡單、牢固，可靠性好，壽命長；4.體積小，重量輕，剛度、強度承載能力大；5.動態(tài)響應(yīng)頻帶寬，動態(tài)響應(yīng)好；6.易于量產(chǎn)化，使用方便；7.適用于近測、遙測。4.5磁電式傳感器4.5.1概述一、磁電式傳感器是怎樣的一種傳感器？通過磁電作用將被測量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動勢的傳感器。4.5.1概述二、特點及用途優(yōu)點：不需要外部電源電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小具有較寬的頻率范圍:10~1000Hz缺點：體積與重量較大用途：用于測量振動、轉(zhuǎn)速、扭矩等4.5.1概述三、分類磁電感應(yīng)式傳感器恒定磁通式，又稱動圈式傳感器變磁通式，又稱磁阻式傳感器霍爾式傳感器4.5.2磁電感應(yīng)式傳感器一、工作原理1.電勢的表達(dá)式4.5.2磁電感應(yīng)式傳感器一、工作原理2.變磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)4.5.2磁電感應(yīng)式傳感器一、工作原理3.恒磁通式磁電傳感器結(jié)構(gòu)4.5.2磁電感應(yīng)式傳感器二、基本特性1.測量電路與參數(shù)4.5.2磁電感應(yīng)式傳感器二、基本特性2.測量誤差（1）非線性誤差傳感器線圈運動速度增大時，產(chǎn)生較大的感應(yīng)電動勢和感應(yīng)電流，由此產(chǎn)生的附加磁場方向與工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，使傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。（2）溫度誤差4.5.3霍爾式傳感器一、霍爾效應(yīng)4.5.3霍爾式傳感器二、霍爾元件基本結(jié)構(gòu)4.5.3霍爾式傳感器三、霍爾元件基本特性1.激勵電流2.輸入電阻及輸出電阻3.不等位電勢和不等位電阻4.寄生直流電勢5.霍爾電勢溫度系數(shù)不等位電阻：4.6熱電式傳感器4.6.1課題導(dǎo)入一、熱電式傳感器概述二、熱電偶的特點及應(yīng)用4.6.2熱電偶一、基本原理二、類型及結(jié)構(gòu)4.6.3熱電阻一、金屬熱電阻二、半導(dǎo)體熱敏電阻4.6.1課題導(dǎo)入一、熱電式傳感器概述概念利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來測量溫度的裝置。分類熱電偶溫度傳感器電阻式溫度傳感器：金屬熱電式傳感器（熱電阻）、半導(dǎo)體式傳感器（熱敏電阻）4.6.1課題導(dǎo)入二、熱電偶的特點及應(yīng)用特點性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單、制造方便測溫范圍寬熱慣性小、準(zhǔn)確度高輸出信號便于遠(yuǎn)距離傳輸應(yīng)用工業(yè)、科研領(lǐng)域4.6.2熱電偶一、基本原理熱電效應(yīng)發(fā)現(xiàn)者：德國物理學(xué)家（T.J.Seebeck）內(nèi)容：將兩種不同性質(zhì)的導(dǎo)體組成閉合回路，若兩個連接處的溫度不同，兩導(dǎo)體之間將產(chǎn)生一個電勢，回路中將形成一定大小的電流。4.6.2熱電偶一、基本原理熱電效應(yīng)接觸電勢溫差電勢4.6.2熱電偶一、基本原理熱電效應(yīng)接觸電勢溫差電勢4.6.2熱電偶一、基本原理熱電偶基本定律中間導(dǎo)體定律當(dāng)三個結(jié)點溫度均為T0時：當(dāng)A、B結(jié)點溫度為T，其余結(jié)點溫度為T0時：4.6.2熱電偶一、基本原理熱電偶基本定律連接導(dǎo)體定律與中間溫度定律4.6.2熱電偶一、基本原理熱電偶基本定律標(biāo)準(zhǔn)電極定律EAB（T,T0）＝EAC（T,T0）－EBC（T,T0）4.6.2熱電偶二、類型與結(jié)構(gòu)類型標(biāo)準(zhǔn)熱電偶非標(biāo)準(zhǔn)熱電偶結(jié)構(gòu)普通熱電偶鎧裝熱電偶4.6.3熱電阻一、金屬熱電阻熱電阻測溫原理熱電阻材料的特點利用導(dǎo)體的阻值隨溫度的變化而變化進(jìn)行測溫。熱電阻公式：4.6.3熱電阻二、半導(dǎo)體熱敏電阻PTC熱敏電阻NTC熱敏電阻CTR熱敏電阻有機高分子PTC熱敏電阻71熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻4.7超聲波傳感器1.超聲波及其物理性質(zhì)2.超聲波換能器及耦合技術(shù)3.超聲波檢測技術(shù)的應(yīng)用

4.7.1超聲波及其物理性質(zhì)一、聲波、超聲波及應(yīng)用聲波頻率可聞聲波：20~20kHz次聲波：低于20Hz超聲波：高于20kHz超聲波的物理特性穿透能力強反射、折射、波形變換超聲波的應(yīng)用測距、測厚、測流量、無損探傷、超聲成像等4.7.1超聲波及其物理性質(zhì)二、超聲波的波型、聲速、波長、指向性1.波型由于聲源在介質(zhì)中施力方向與波在介質(zhì)中傳播方向的不同，超聲波的波型也不同，通常有三種形式：

①縱波。質(zhì)點振動方向與傳播方向一致的波為縱波。它能在固體、液體或氣體中傳播。②橫波。質(zhì)點振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。4.7.1超聲波及其物理性質(zhì)

③表面波。質(zhì)點振動介于縱波和橫波之間，如圖所示。沿著固體表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減，實際上在距表面一個波長以上的地方，振動己近消失。工業(yè)應(yīng)用中主要采用縱波。4.7.1超聲波及其物理性質(zhì)二、超聲波的波型、聲速、波長、指向性2.聲速

超聲波的傳播速度與介質(zhì)的密度和彈性特性有關(guān)。介質(zhì)的彈性性能越好，密度越小，則介質(zhì)的聲速越大。由于液體和氣體的剪切彈性模量幾乎為零，所以超聲波在液體和氣體中沒有橫波。氣體中的聲速為344m/s、液體中聲速在900~1900m/s；在固體中縱波、橫波、表面波三者的聲速有一定的關(guān)系，通?？烧J(rèn)為橫波聲速為縱波的一半，表面波約為橫波聲速的90%。在鋼材中（縱波）聲速約5000m/s。4.7.1超聲波及其物理性質(zhì)

對于液體介質(zhì)，只能傳播縱波，以vL表示縱波聲速,E表示介質(zhì)的體積彈性模量，表示介質(zhì)的密度，則對于無限固態(tài)介質(zhì)，可以傳播縱波和橫波4.7.1超聲波及其物理性質(zhì)對于表面波，聲速uＲ近似為

4.7.1超聲波及其物理性質(zhì)4.7.1超聲波及其物理性質(zhì)二、超聲波的波型、聲速、波長、指向性