傳感器技術(shù)及應(yīng)用 課件

傳感器技術(shù)及應(yīng)用

學校：承德技師學院前沿技術(shù)培訓(xùn)

主要內(nèi)容

一、傳感器及基本特性二、電阻傳感器三、電感傳感器四、電渦流傳感器五、電容傳感器第一部分、傳感器及基本特性

一、傳感器的組成舉例：測量壓力的電位器式壓力傳感器

圖1-1傳感器組成框圖彈性敏感元件（彈簧管）

敏感元件在傳感器中直接感受被測量，并轉(zhuǎn)換成與被測量有確定關(guān)系、更易于轉(zhuǎn)換的非電量。彈性敏感元件（彈簧管）

在下圖中，彈簧管將壓力轉(zhuǎn)換為角位移α彈簧管放大圖

當被測壓力p增大時，彈簧管撐直，通過齒條帶動齒輪轉(zhuǎn)動，從而帶動電位器的電刷產(chǎn)生角位移。其他各種彈性敏感元件

在上圖中的各種彈性元件也能將壓力轉(zhuǎn)換為角位移或直線位移。壓力傳感器的外形及內(nèi)部結(jié)構(gòu)被測量通過敏感元件轉(zhuǎn)換后，再經(jīng)傳感元件轉(zhuǎn)換成電參量

在右圖中，電位器為傳感元件，它將角位移轉(zhuǎn)換為電參量-----電阻的變化（ΔR）

360度圓盤形電位器

右圖所示的360度圓盤形電位器的中間焊片為滑動片，右邊焊片接地，左邊焊片接電源。

接地

測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將傳感元件輸出的電參量轉(zhuǎn)換成易于處理的電壓、電流或頻率量。

在左圖中，當電位器的兩端加上電源后，電位器就組成分壓比電路，它的輸出量是與壓力成一定關(guān)系的電壓Uo

。

分壓比電路的計算公式如下：

直滑電位器式傳感器的輸出電壓Uo與滑動觸點C的位移量x成正比：

對圓盤式電位器來說，Uo與滑動臂的旋轉(zhuǎn)角度成正比：

二、傳感器分類

傳感器的種類名目繁多，分類不盡相同。常用的分類方法有：（1）按被測量分類：可分為位移、力、力矩、轉(zhuǎn)速、振動、加速度、溫度、壓力、流量、流速等傳感器。（2）按測量原理分類：可分為電阻、電容、電感、光柵、熱電耦、超聲波、激光、紅外、光導(dǎo)纖維等傳感器。本講采用第二種分類法。

三、傳感器基本特性

傳感器的特性一般指輸入、輸出特性，包括：靈敏度、分辨力、線性度、穩(wěn)定度、電磁兼容性、可靠性等。

靈敏度：

靈敏度是指傳感器在穩(wěn)態(tài)下輸出變化值與輸入變化值之比，用K來表示：

（1－6）xyx1ΔxΔy0切點傳感器特性曲線xmax作圖法企業(yè)靈敏度過程分辨力：指傳感器能檢出被測信號的最小變化量。當被測量的變化小于分辨力時，傳感器對輸入量的變化無任何反應(yīng)。對數(shù)字儀表而言，如果沒有其他附加說明，可以認為該表的最后一位所表示的數(shù)值就是它的分辨力。一般地說，分辨力的數(shù)值小于儀表的最大絕對誤差。

線性度又稱非線性誤差，是指傳感器實際特性曲線與擬合直線（有時也稱理論直線）之間的最大偏差與傳感器量程范圍內(nèi)的輸出之百分比。將傳感器輸出起始點與滿量程點連接起來的直線作為擬合直線，這條直線稱為端基理論直線，按上述方法得出的線性度稱為端基線性度，非線性誤差越小越好。線性度的計算公式如下：（1－7）線性度作圖法求線性度演示1-擬合曲線2-實際特性曲線浴盆曲線可靠性：可靠性是反映檢測系統(tǒng)在規(guī)定的條件下，在規(guī)定的時間內(nèi)是否耐用的一種綜合性的質(zhì)量指標。老化試驗臺老化”試驗：在檢測設(shè)備通電的情況下，將之放置于高溫環(huán)境

低溫環(huán)境

高溫環(huán)境……反復(fù)循環(huán)。老化之后的系統(tǒng)在現(xiàn)場使用時，故障率大為降低。第二部分：電阻傳感器主要內(nèi)容：電阻式傳感器的原理及應(yīng)用，包括：電位器、電阻應(yīng)變片、測溫熱電阻、氣敏電阻及濕敏電阻等。

導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下，會產(chǎn)生機械變形，其電阻值也將隨著發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。電阻應(yīng)變式傳感器主要由電阻應(yīng)變片及測量轉(zhuǎn)換電路等組成。第一節(jié)電阻應(yīng)變式傳感器金屬絲受拉時，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大。一、工作原理應(yīng)變片的工作原理

設(shè)有一長度為、截面積為A、半徑為r、電阻率為

的金屬單絲，它的電阻值R可表示為

當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中

、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導(dǎo)致R變大；又如，某些半導(dǎo)體受拉時，

將變大，導(dǎo)致R變大。實驗證明，電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量

R

R與材料力學中的軸向應(yīng)變

x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即

K—電阻應(yīng)變片的靈敏度二、應(yīng)變片的工作原理對于不同的金屬材料，K略微不同，一般為2左右。而對半導(dǎo)體材料而言，由于其感受到應(yīng)變時，電阻率

會產(chǎn)生很大的變化，所以靈敏度比金屬材料大幾十倍。在材料力學中，

x=

/稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變，是量綱為1的數(shù)。

x通常很小，常用10-6表示之。例如，當

x為0.000001時，在工程中常表示為1

10-6或

m/m。在應(yīng)變測量中，也常將之稱為微應(yīng)變(με)。對金屬材料而言，當它受力之后所產(chǎn)生的軸向應(yīng)變最好不要大于1

10-3，即1000

m/m，否則有可能超過材料的極限強度而導(dǎo)致斷裂。

微應(yīng)變(με)

由材料力學可知，

x=F/（AE），所以

R/R又可表示為

如果應(yīng)變片的靈敏度K和試件的橫截面積A以及彈性模量Ｅ均為已知，則只要設(shè)法測出

R/R的數(shù)值，即可獲知試件受力Ｆ的大小，例如可用于電子秤的稱重。應(yīng)變片用于測量力F的計算公式

應(yīng)變片可分為金屬應(yīng)變片及半導(dǎo)體應(yīng)變片兩大類。前者可分成金屬絲式、箔式、薄膜式三種。目前箔式應(yīng)變片應(yīng)用較多。金屬絲式應(yīng)變片使用最早，有紙基、膠基之分。由于金屬絲式應(yīng)變片蠕變較大，金屬絲易脫膠，有逐漸被箔式所取代的趨勢。但其價格便宜，多用于應(yīng)變、應(yīng)力的大批量、一次性試驗。箔式應(yīng)變片中的箔柵是金屬箔通過光刻、腐蝕等工藝制成的。箔的材料多為電阻率高、熱穩(wěn)定性好的銅鎳合金。箔式應(yīng)變片與片基的接觸面積大得多，散熱條件較好，在長時間測量時的蠕變較小，一致性較好，適合于大批量生產(chǎn)。還可以對金屬箔式應(yīng)變片進行適當?shù)臒崽幚?，使其線脹系數(shù)、電阻溫度系數(shù)以及被粘貼的試件的線脹系數(shù)三者相互抵消，從而將溫度影響減小到最小的程度，目前廣泛用于各種應(yīng)變式傳感器中。

二、應(yīng)變片的種類與結(jié)構(gòu)箔式應(yīng)變片的外形半導(dǎo)體應(yīng)變片及金屬絲式應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)半導(dǎo)體應(yīng)變片外形金屬絲式應(yīng)變片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)變片主要性能指標舉例

上表中，哪幾個型號是半導(dǎo)體應(yīng)變片？依據(jù)是什么？

應(yīng)變片的粘貼：

1.去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細紗布交叉打磨出細紋以增加粘貼力，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。

2.貼片：在應(yīng)變片的表面和處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡。

3.測量：從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。

4.焊接：將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。

5.固定：焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。三、測量轉(zhuǎn)換電路——不平衡電橋

金屬應(yīng)變片的電阻變化范圍很小，如果直接用歐姆表測量其電阻值的變化將十分困難，且誤差很大。例如，有一金屬箔式應(yīng)變片，標稱阻值R0為100

，靈敏度K=2，粘貼在橫截面積為9.8mm2的鋼質(zhì)圓柱體上，鋼的彈性模量E=2

1011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后應(yīng)變片的阻值R的變化量僅為0.2

，所以必須使用不平衡電橋來測量這一微小的變化量。下面分析該橋式測量轉(zhuǎn)換電路是如何將R/R轉(zhuǎn)換為輸出電壓Uo的。

三、測量轉(zhuǎn)換電路——不平衡電橋

應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用十分廣泛。它可以測量應(yīng)變應(yīng)力、彎矩、扭矩、加速度、位移等物理量。電阻應(yīng)變片的應(yīng)用可分為兩大類：第一類是將應(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。應(yīng)變式傳感器中，敏感元件一般為各種彈性體，傳感元件就是應(yīng)變片，測量轉(zhuǎn)換電路一般為橋路；第二類是將應(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。

四、應(yīng)變效應(yīng)的應(yīng)用應(yīng)變式力傳感器

FFFF

應(yīng)變式力傳感器

各種懸臂梁

應(yīng)變片在懸臂梁上的粘貼及變形應(yīng)變式荷重傳感器的外形及應(yīng)變片的粘貼位置FR1R2

R4應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置FF應(yīng)變式荷重傳感器外形及受力位置FF

荷重傳感器原理演示

荷重傳感器上的應(yīng)變片在重力作用下產(chǎn)生變形。軸向變短，徑向變長。底座荷重傳感器用于構(gòu)件的稱重

荷重傳感器（共3個，120度分布，以達到均衡目的，另兩個未拍出）墊塊底座電纜電子天平的精度可達十萬分之一電子天平便攜式吊鉤秤

壓阻式固態(tài)壓力傳感器的隔離、承壓膜片隔離、承壓膜片可以將腐蝕性的氣體、液體與硅膜片隔離開來。一、金屬熱電阻

溫度升高，金屬內(nèi)部原子晶格的振動加劇，從而使金屬內(nèi)部的自由電子通過金屬導(dǎo)體時的阻礙增大，宏觀上表現(xiàn)出電阻率變大，電阻值增加，我們稱其為正溫度系數(shù)，即電阻值與溫度的變化趨勢相同。

第二節(jié)測溫熱電阻傳感器a）圓片型熱敏電阻b）柱型熱敏電阻c）珠型熱敏電阻d）鎧裝型e）厚膜型f）圖形符號1—熱敏電阻2—玻璃外殼3—引出線4—紫銅外殼5—傳熱安裝孔

熱敏電阻的外形、結(jié)構(gòu)及符號

使用氣敏電阻傳感器（以下簡稱氣敏電阻），可以把某種氣體的成分、濃度等參數(shù)轉(zhuǎn)換成電阻變化量，再轉(zhuǎn)換為電流、電壓信號。

氣敏電阻品種繁多，主要有可測量還原性氣體和測量氧氣濃度的兩大類。

一、還原性氣體傳感器

所謂還原性氣體就是在化學反應(yīng)中能給出電子，化學價升高的氣體。還原性氣體多數(shù)屬于可燃性氣體，例如石油蒸氣、酒精蒸氣、甲烷、乙烷、煤氣、天然氣、氫氣等。測量還原性氣體的氣敏電阻一般是用SnO2、ZnO或Fe2O3等金屬氧化物粉料添加少量鉑催化劑、激活劑及其它添加劑，按一定比例燒結(jié)而成的半導(dǎo)體器件。

二、二氧化鈦氧濃度傳感器

第三節(jié)氣敏電阻傳感器第三部分、電感式傳感器本章學習自感式傳感器和差動變壓器的結(jié)構(gòu)、工作原理、測量電路以及他們的應(yīng)用。電感傳感器的基本工作原理演示F220V準備工作

一、自感式傳感器

氣隙變小，電感變大，電流變小F

電感傳感器的基本工作原理演示變隙式變截面式螺線管式

自感式電感傳感器常見的形式

測量轉(zhuǎn)換電路的作用是將電感量的變化轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化，以便用儀表指示出來。但若僅采用電橋電路和普通的檢波電路，則只能判別位移的大小，卻無法判別輸出的相位和位移的方向。如果在輸出電壓送到指示儀前，經(jīng)過一個能判別相位的檢波電路，則不但可以反映位移的大小（的幅值），還可以反映位移的方向（的相位）。這種檢波電路稱為相敏檢波電路。

測量轉(zhuǎn)換電路

電源中用到的“單相變壓器”有一個一次線圈（又稱為初級線圈），有若干個二次線圈（又稱次級線圈）。當一次線圈加上交流激磁電壓Ui后，將在二次線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電壓UO。在全波整流電路中，兩個二次線圈串聯(lián)，總電壓等于兩個二次線圈的電壓之和。

請將單相變壓器二次線圈N21、N22的有關(guān)端點按全波整流電路的要求正確地連接起來。＋

二、差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器的工作原理

差動變壓器式傳感器是把被測位移量轉(zhuǎn)換為一次線圈與二次線圈間的互感量M的變化的裝置。當一次線圈接入激勵電源之后，二次線圈就將產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，當兩者間的互感量變化時，感應(yīng)電動勢也相應(yīng)變化。由于兩個二次線圈采用差動接法，故稱為差動變壓器。目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式是螺線管式差動變壓器。

測量電路（以差動整流為例）

若Ｃ1、Ｃ2虛焊，Uao、Ubo將變成什么波形？差動整流的特點電路是以兩個橋路整流后的直流電壓之差作為輸出的，所以稱為差動整流電路。它不但可以反映位移的大?。妷旱姆担?，還可以反映位移的方向。

第四部分：電渦流傳感器

本章學習電渦流傳感器的原理及應(yīng)用，并涉及接近開關(guān)的原理、結(jié)構(gòu)、特性參數(shù)及應(yīng)用。

一、電渦流傳感器工作原理當電渦流線圈與金屬板的距離x減小時，電渦流線圈的等效電感L減小，等效電阻R增大。感抗XL的變化比R的變化大得多，流過電渦流線圈的電流i1增大。

高頻電流通過勵磁線圈，產(chǎn)生交變磁場，在鐵質(zhì)鍋底會產(chǎn)生無數(shù)的電渦流，使鍋底自行發(fā)熱，燒開鍋內(nèi)的食物。

電磁爐的工作原理

電渦流探頭外形交變磁場

二、電渦流傳感器結(jié)構(gòu)及特性

電渦流探頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)1—電渦流線圈2—探頭殼體3—殼體上的位置調(diào)節(jié)螺紋4—印制線路板5—夾持螺母6—電源指示燈

7—閾值指示燈8—輸出屏蔽電纜線9—電纜插頭

分析上表請得出結(jié)論：探頭的直徑與測量范圍及分辨力之間有何關(guān)系？

CZF-1系列傳感器的性能

一、調(diào)幅式（AM）電路石英振蕩器產(chǎn)生穩(wěn)頻、穩(wěn)幅高頻振蕩電壓(100kHz~1MHz）用于激勵電渦流線圈。金屬材料在高頻磁場中產(chǎn)生電渦流，引起電渦流線圈端電壓的衰減，再經(jīng)高放、檢波、低放電路，最終輸出的直流電壓Uo反映了金屬體對電渦流線圈的影響（例如兩者之間的距離等參數(shù)）。三、測量轉(zhuǎn)換電路

當電渦流線圈與被測體的距離x改變時，電渦流線圈的電感量L也隨之改變，引起LC振蕩器的輸出頻率變化，此頻率可直接用計算機測量。如果要用模擬儀表進行顯示或記錄時，必須使用鑒頻器，將

f轉(zhuǎn)換為電壓

Uo。

二、調(diào)頻（FM）式電路(100kHz~1MHz）第五部分：電容傳感器

本部分學習電容傳感器的原理及應(yīng)用，還涉及壓力、液位及流量的測量方法。電容傳感器的基本理想公式為

一、電容式傳感器的工作原理及結(jié)構(gòu)形式上式中，哪幾個參量是變量？可以做成哪幾種類型的電容傳感器？

圖a是平板形直線位移式結(jié)構(gòu)，其中極板1可以左右移動，稱為動極板。極板2固定不動，稱為定極板。圖b是同心圓筒形變面積式傳感器。外圓筒不動，內(nèi)圓筒在外圓筒內(nèi)作上、下直線運動。圖c是一個角位移式的結(jié)構(gòu)。極板2的軸由被測物體帶動而旋轉(zhuǎn)一個角位移

度時，兩極板的遮蓋面積A就減小，因而電容量也隨之減小。

1、變面積式電容傳感器

當動極板受被測物體作用引起位移時，改變了兩極板之間的距離d，從而使電容量發(fā)生變化。

實際使用時，總是使初始極距d0盡量小些，以提高靈敏度，但這也帶來了變極距式電容器的行程較小的缺點。2、變極距式電容傳感器

幾種介質(zhì)的相對介電常數(shù)3、變介電常數(shù)式因為各種介質(zhì)的相對介電常數(shù)不同，所以在電容器兩極板間插入不同介質(zhì)時，電容器的電容量也就不同。電容式傳感器的調(diào)頻電路與電渦流傳感器有何區(qū)別？式中哪些量是變量？調(diào)頻電路將電容式傳感器作為LC振蕩器諧振回路的一部分，當電容傳感器工作時，電容Cx發(fā)生變化，就使振蕩器的頻率f產(chǎn)生相應(yīng)的變化。

二、電容式傳感器的測量轉(zhuǎn)換電路調(diào)頻（FM）電路TTL電平的高電平和低電平電壓范圍分別是多少伏？

電容器的容量受三個因素影響，即：極距x、相對面積A和極間介電常數(shù)

。固定其中兩個變量，電容量C就是另一個變量的一元函數(shù)。只要想辦法將被測非電量轉(zhuǎn)換成極距或者面積、介電常數(shù)的變化，就可以通過測量電容量這個電參數(shù)來達到非電量電測的目的。

三、電容式傳感器的應(yīng)用

液位限位傳感器與液位變送器的區(qū)別在于：它不給出模擬量，而是給出開關(guān)量。當液位到達設(shè)定值時，它輸出低電平。但也可以選擇輸出為高電平的型號。1、電容式液位限位傳感器液位限位傳感器的設(shè)定設(shè)定按鈕智能化液位傳感器的設(shè)定方法十分簡單：用手指壓住設(shè)定按鈕，當液位達到設(shè)定值時，放開按鈕，智能儀器就記住該設(shè)定。正常使用時，當水位高于該點后，即可發(fā)出報警信號和控制信號。超限燈正常工作指示燈