《起重运输机械实验技术》4常用传感器的变换原理.ppt

第四章 常用传感器的变换原理,本章学习要求：1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路,4.1 传感器的分类及其特性4.2 电阻式传感器的变换原理4.2 电感式和电容式传感器的变换原理4.4 压电式传感器的变换原理4.5 光电式传感器的变换原理4.6 光纤式传感器的变换原理4.7 其它新型传感器,4.1.1 传感器定义4.1.2 传感器的构成4.1.3 传感器的分类4.1.4 常见的被测物理量4.1.5 传感器的性能要求4.1.6 传感器的发展趋势4.1.7 传感器选用原则,4.1 传感器的分类及其特性,第四章 常用传感器,传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。,物理量,电量,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,4.1.1 传感器定义,4.1 传感器的分类及其特性,4.1.2 传感器的构成,传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,4.1 传感器的分类及其特性,4.1.3 传感器的分类,(1)按被测物理量分类:(2)按工作的物理基础分类:(3)按传感器的构成原理:(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,位移,力,温度等.,机械式,电气式,光学式,流体式等.,物性型,结构型.,能量转换型和能量控制型.,4.1 传感器的分类及其特性,A 物性型与结构型传感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如:水银温度计,压电测力计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.,B 能量转换型和能量控制型传感器能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如:电阻应变片.,4.1 传感器的分类及其特性,4.1.4 常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量.声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩.,电参量式传感器：电阻式、电容式、电感式压电式传感器、磁电式传感器、光电式传感器、气电式传感器、热电式传感器、射线式传感器、波式传感器、半导体式传感器、其它传感器,4.1 传感器的分类及其特性,4.1.5 传感器的性能要求,灵敏度高，输入和输出之间应具有较好的线性关系噪声小，并且具有抗外部噪声的性能 滞后，漂移误差小动态性能良好接入测量系统时对测量产生影响小；功耗小，复现性好，有互换性防水及抗腐蚀性能良好，能长期使用结构简单，容易维修和校正低成本，通用性强,4.1 传感器的分类及其特性,采用新原理，开发新型传感器大力开发物性型传感器传感器的集成化传感器的多功能化传感器的智能化仿生传感器,4.1.6 传感器的发展趋势,4.1 传感器的分类及其特性,4.1.7 传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,4.1 传感器的分类及其特性,2 响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。,4.1 传感器的分类及其特性,4 稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,4.1 传感器的分类及其特性,4.2 电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器.按工作的原理可分为:变阻式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,第四章 常用传感器,4.2.1 变阻式传感器4.2.2 电阻应变式传感器,4.2.1 变阻器式传感器,（1）工作原理,4.2 电阻式传感器,R,为单位长度的电阻,灵敏度S=,为单位弧度的电阻,灵敏度S=,当导线材质分布均匀时是一常数,函数电位器,用于测量控制系统、对某些传感器的非线性环节进行补偿等,等效电路分析:Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量.,4.2 电阻式传感器,(2)变阻器式传感器的性能参数:1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命;,(3)变阻器式传感器的分类:,4.2 电阻式传感器,(4)变阻器式传感器的特点：,4.2 电阻式传感器,(5)应用,案例1：重量的自动检测-配料设备,原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化,4.2 电阻式传感器,案例2：煤气包储量检测,原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化,特点：（1）测量量程大；（2）防爆；（3）可靠；（4）成本低。,4.2 电阻式传感器,案例3：玩具机器人（广州中鸣数码）,原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化,4.2 电阻式传感器,4.2.2 电阻应变式传感器-应变片,金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。,4.2 电阻式传感器,可用于测量应力、应变、加速度、扭矩等参数，具有体积小、动态响应好、测量精度高等优点。,1）工作原理,金属应变片的电阻R为,4.2 电阻式传感器,电阻的变化量dR,电阻的变化由两种因素引起：1、电阻丝几何形状的改变；2、材料电阻率的改变,(1)当不变时,(2)当变化时,4.2 电阻式传感器,金属材料：电阻率的改变对电阻的变化影响很小，电阻的变化主要由几何形状改变引起；半导体材料：电阻率变化的影响远大于几何形状变化的影响；,电阻丝的应变灵敏度系数,2）金属应变片,应变计,4.2 电阻式传感器,敏感栅：感应应变，并将其转化为电阻变化基底和覆盖层：固定和保护敏感栅，使敏感栅与试件绝缘，并传递试件变形给敏感栅。引出线：将敏感栅的电阻变化引入到测量电路中。,应变片的基本工作原理：P76粘贴胶层的要求：P77,应变片的灵敏度系数（4-11）：K与K0的区别：测定应变片的灵敏度K时，应变片的横向部分承受了试件横向方向的应变变形，使应变片总的电阻增量R变小，从而导致应变片的灵敏度K小于电阻丝的灵敏度K0,2）金属应变片,应变计,4.2 电阻式传感器,应变片的横向效应：应变片对垂直于自身轴线方向的横向应变的反应。应变片的温度效应：应变工作时，周围环境和自身环境发生变化，由于电阻温度效应使敏感栅电阻发生变化，或由于敏感栅与被测试件的热变形不同使得敏感栅电阻受到附加的拉伸（或压缩)而造成电阻变化的现象。温度补偿方法：,3）半导体应变片,应变计,4.2 电阻式传感器,优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片.,4）应变片的主要参数,1）几何参数：标距L和丝栅宽度b，制造厂常用bL 表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,4.2 电阻式传感器,2）金属应变片,应变计,4.2 电阻式传感器,金属应变片有：丝式、箔式 优点：稳定性和温度特性好 缺点：灵敏度系数小,5）应变片的测量电路,第四章中“电桥”内容,4.2 电阻式传感器,6）应用,案例1：桥梁固有频率测量,原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,4.2 电阻式传感器,案例2：电子称,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,4.2 电阻式传感器,案例3：桶式测力传感器,4.2 电阻式传感器,电桥,1）直流电桥,信号放大电路,平衡条件,信号放大电路,直流电桥的连接方式a)半桥单臂b)半桥双臂c)全桥,(a)半桥单臂,(b)半桥双臂,(c)全桥,直流电桥平衡条件,优点：所需的高稳定直流电源较易获得；电桥输出电压是直流，可以用直流仪表测量；对从传感器到测量仪表的连接导线要求较低，电桥的平衡电路简单。缺点：直流放大器比较复杂，易受零漂和接地电位的影响。,信号放大电路,平衡电桥,信号放大电路,2）交流电桥平衡条件,交流电桥的平衡问题较直流复杂得多，对于交流电桥，除了进行电阻平衡外，还要进行电抗平衡。交流电桥对于供桥电源要求也较高，必须具有良好的电压波形和频率稳定度。,3.3 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,3.3 电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,不考虑磁路的铁损时,3.3 电感式传感器,a）导磁面积变化,b）变化,3.3 电感式传感器,测量电路：将两线圈分别接到电桥的相邻桥臂上，输出灵敏度可提高一倍。,3.3 电感式传感器,双螺管线圈差动型传感器及测量电路,双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型 有较高灵敏度及线性；用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。这种传感器的线圈接于电桥上，构成两个桥臂，线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化。,3.3 电感式传感器,2 涡流式,原理:涡流效应,原线圈的等效阻抗Z变化：,电涡流效应是指：当金属导体处于交变磁场中时，表面会因电磁感应产生电动势，该电动势因电阻的存在而发生自行闭合的游涡状电涡流，这种现象称为电涡流效应,高频反射式涡流传感器,。如图所示，高频(1MHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关。若只改变距离而保持其它参数不变，则可将位移变化转换为线圈自感变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。,3.3 电感式传感器,低频透射式涡流传感器,低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。,3.3 电感式传感器,3.3 电感式传感器,案例1：测厚,3.3 电感式传感器,案例2：零件计数,3.3 电感式传感器,案例2：零件计数,3.3 电感式传感器,案例3：测转速,3.3 电感式传感器,案例4：无损探伤,原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,3.3 电感式传感器,优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。应用：位移、力、振动测量，NDT，测厚,材质判别,案例5：连续油管的椭圆度测量,原理：,第二节 差动变压器式传感器,把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。差动变压器结构形式：变隙式、变面积式（这两种也称气隙型）和螺线管式等。在非电量测量中，应用最多的是螺线管式差动变压器，它可以测量1100mm机械位移，并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。,差动变压器结构形式分气隙型和螺管型两种。目前多采用螺管型差动变压器。,一、工作原理,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,螺线管式差动变压器结构,差动变压器,工作原理类似于变压器。主要包括有衔铁、初级绕组、次级绕组和线圈框架等。初、次级绕组的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测位移的改变而变化。,初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，且以差动方式输出，相当于变压器的副边。所以又把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常简称为差动变压器。,螺管型差动变压器根据初、次级排列不同，有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。,图4-9 差动变压器线圈各种排列形式1 初级线圈；2 次级线圈；3 衔铁,(a)二节式(b)三节式(c)四节式(d)五节式,三节式的零点电位较小，二节式比三节式灵敏度高、线性范围大，四节式和五节式改善了传感器线性度。,差动变压器的等效电路,差动变压器两个次级线圈反向串联、工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响）时的等效电路：,M1、M2初级绕组与两个次级绕组间的互感；L1、r1初级绕组的电感和有效电阻；L2a、L2b两个次级绕组的电感；r2a、r2b两个次级绕组的有效电阻；E2a、E2b 两个次级绕组产生的感应电动势。,当初级绕组加以激励电压U1 时,根据变压器的工作原理,在两个次级绕组2a和2b中便会产生感应电势E2a和E2b。如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时,必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理,将有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联,因而U2=E2a-E2b=0,即差动变压器输出电压为零。,当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，2a中磁通将大于2b，使M1M2，因而E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b 随着衔铁位移x变化时，Uo也必将随x而变化。,2=E2a-E2b,E2b,E2a,差动变压器输出电势与衔铁位移x的关系。其中x表示衔铁偏离中心位置的距离。,差动变压器输出特性,变压器与活动衔铁位移的关系曲线如下：,当衔铁位于中心位置时，差动变压器输出电压并不等于零，我们把差动变压器在零位移时的输出电压称为零点残余电压，记作UX，它的存在使传感器的输出特性不经过零点，造成实际特性与理论特性不完全一致。,零点残余电压 UX 当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零。但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。,x,零点残余电压一般在几十毫伏以下，在实际使用时，应设法减小Ux，否则将会影响传感器的测量结果。,零点残余电压产生原因：基波分量 由于差动变压器两个次级绕组不可能完全一致，因此它的等效电路参数（互感M、自感L及损耗电阻R）不可能相同，从而使两个次级绕组的感应电动势数值不等。又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀，线圈匝间电容的存在等因素，使激励电流与所产生的磁通相位不同。,高次谐波 高次谐波分量主要由导磁材料磁化曲线的非线性引起。由于磁滞损耗和铁磁饱和的影响，使得激励电流与磁通波形不一致产生了非正弦(主要是三次谐波)磁通，从而在次级绕组感应出非正弦电势。另外，激励电流波形失真，因其内含高次谐波分量，这样也将导致零点残余电压中有高次谐波成分。,一、压磁效应铁磁材料在磁场中磁化时，在磁场方向会伸长或缩短，这种现象称为磁致伸缩效应。材料随磁场强度的增加而伸长或缩短不是无限制的，最终会达到饱和。各种材料的饱和伸缩比是定值，称为磁致伸缩系数，用s表示，即,第五节 压磁式传感器,式中 伸缩比。,在一定的磁场范围内，一些材料(如Fe)的s为正值，称为正磁致伸缩；反之，一些材料(如Ni)的s为负值，称为负磁致伸缩。测试表明，物体磁化时，不但磁化方向上会伸长(或缩短)，在偏离磁化方向的其他方向上也同时伸长(或缩短)，只是随着偏离角度的增大其伸长(或缩短)比逐渐减小，直到接近垂直于磁化方向反而要缩短(或伸长)。铁磁材料的这种磁致伸缩，是由于自发磁化时导致物质的晶格结构改变，使原子间距发生变化而产生的现象。铁磁物体被磁化时如果受到限制而不能伸缩，内部会产生应力。如果在它外部施力，也会产生应力。当铁磁物体因磁化而引起伸缩(且不管何种原因)产生应力时，其内部必然存在磁弹性能E。分析表明，E与s成正比，且同磁化方向与应力方向之间的夹角有关。由于E的存在，将使铁磁材料的磁化方向发生变化。,对于正磁致伸缩材料，如果存在拉应力，将使磁化方向转向拉应力方向，加强拉应力方向的磁化，从而使拉应力方向的磁导率增大。反之，压应力将使磁化方向转向垂直于压应力的方向，削弱应力方向的磁化，从而使压应力方向的磁导率减小。对于负磁致伸缩材料，情况正好相反。这种被磁化的铁磁材料在应力影响下形成磁弹性能，使磁化强度矢量重新取向从而改变应力方向的磁导率的现象，称为磁弹性效应，或称压磁效应。,铁磁材料的相对导磁率变化与应力之间的关系为 式中 铁磁材料的磁导率；BS饱和磁感应强度。从式(3-44)可知，用于磁弹性式传感器的铁磁材料要求能承受大的应力、磁导率高、饱和磁感应强度小。常用的材料是硅钢片与铁镍软磁合金，由于后者价贵且性能不够稳定，目前大都采用硅钢片。,(3-44),二压磁式传感器的工作原理压磁式测力传感器的压磁元件由具有正磁致伸缩特性的硅钢片粘叠而成。如图3.33所示，硅钢片上冲有四个对称的孔，孔1、2的连线与孔3、4相互垂图(a)。孔1、2间绕有激磁绕组W12，孔3、4间绕有测量绕组W34，外力F与绕组W12、W34所在平面成45角。当激磁绕组W12通过一定的交变电流时，铁心中就产生磁场H，方向如图(b)所示。设将孔间区域分成A、B、C、D四部分。无外力作用时，A、B、C、D四部分的磁导率相同，磁力线呈轴对称分布，合成磁场强度H平行于测量绕组W34的平面。,图3.33压磁式测力传感器的工作原理,在磁场作用下，导磁体沿H方向磁化，磁通密度B与H取向相同。由于测量绕组无磁通通过，故不产生感应电势。,若对压磁元件施加压力F，如图(c)所示，A、B区域将产生很大的压应力，而C、D区域基本上仍处于自由状态。对于正磁致伸缩材料，压应力使其磁化方向转向垂直于压力的方向。因此，A、B区的磁导率下降，磁阻增大，而与应力垂直方向的上升，磁阻减小。磁通密度B偏向水平方向，与测量绕组W34交链，W34中将产生感应电势e。F值越大，W34交链的磁通越多，e值就越大。经变换处理后，即能用电流或电压来表示被测力F的大小。,三.压磁式测力传感器的结构压磁式测力传感器的核心部件是压磁元件。组成压磁元件的铁心有四孔圆弧形、六孔圆弧形、“中”字形和“田”字形等多种，图4.16为一种典型的测力传感器。可按测力大小、输出特性的要求和灵敏度等选用。为扩大测力范围，可以将几个冲片联成多联冲片。此外，还有“”字形与横“曰”字形冲片，常用于测定或控制拉力或压力，以及无损检测残余应力。所有铁心都由冲片叠合而成，以减小涡流损耗。,压磁式测力传感器的结构,四.测量电路压磁式传感器的输出信号较大，一般不需要放大。所以测量电路主要由激磁电源、滤波电路、相敏整流和显示器等组成，基本电路如图3.35所示。由于铁磁材料的磁化特性随温度而变，压磁式传感器通常要进行温度补偿。最常用的方法是将工作传感器与不受载体作用的补偿传感器构成差动回路。,压磁式传感器的电路原理框图,3.4 电容式传感器,1.变换原理:,将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,当被测量、S或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,相对介电常数，空气中为1,真空介电常数,极板面积,极板间距离,2 分类,3.4 电容式传感器,a)极距变化型,为减少线性误差，一般取极距变化范围,3.4 电容式传感器,b)面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型,3.4 电容式传感器,c)介质变化型,变介电常数型电容传感器的结构原理如图所示。这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。,3.4 电容式传感器,若忽略边缘效应，图a、图b、图c所示传感器的电容量与被测量的关系为,式中、h、0两固定极板间的距离、极间高度及间隙中空气的介电常数；x、hx、被测物的厚度、被测液面高度和它的介电常数；l、b、ax固定极板长、宽及被测物进入两极板中的长度（被测值）；r1、r2内、外极筒的工作半径。,案例:液面高度测量,3 测量电路,3.4 电容式传感器,a)电桥电路,电容传感器为电桥的一部分。通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥，下图所示为一种由电感、电容组成的电桥。电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器。,3.4 电容式传感器,b)谐振电路,右图所示为谐振式电路的原理框图，电容传感器的电容Cx作为谐振回路(L2、C2、Cx)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内最大振幅70%附近的地方，且工作范围选在BC段内。,这种电路的优点是比较灵活；缺点是工作点不易选好，变化范围也较窄，传感器连接电缆的杂散电容对电路的影响较大，同时为了提高测量精度，要求振荡器的频率具有很高的稳定性,3.4 电容式传感器,c)调频电路,传感器的电容器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量使电容量发生变化时，振荡器的振荡频率将发生变化，频率的变化经过鉴频器转换为电压的变化，经过放大处理后输入显示或记录等仪器。（课本P72 图3-28）,3.4 电容式传感器,d)运算放大器电路,前面已经叙述到，变极距型电容式传感器的极距变化与电容变化量成非线性关系。这一缺点使电容式传感器的应用受到了一定的限制。采用比例运算放大器电路，可以使输出电压与位移的关系转换为线性关系。如下图所示，反馈回路中的Cx为极距变化型电容式传感器的输入电路，采用固定电容C0，u0为稳定的工作电压。,思考：是否意味着可用于长距测量？（当极距增加时CxUy饱和）,4 应用,3.4 电容式传感器,案例1：电容传声器,案例2:转速测量,1.优点：.温度稳定性好 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。而电阻传感器有铜损等，易发热产生零漂。,特点和应用中存在的问题,特点,.结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。.动态响应好 电容式传感器由于带电极板间的静电引力很小（约几个105N），需要的作用能量极小，又由于它的可动部分可以做得很小很薄，即质量很轻，因此其固有频率很高，动态响应时间短，能在几兆Hz的频率下工作，特别适用于动态测量。又由于其介质损耗小可以用较高频率供电，因此系统工作频率高。它可用于测量高速变化的参数。,3.4 电容式传感器,3.5 压电式传感器,1.变换原理:,某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,最简单的压电式传感器的工作原理如图所示。在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。,工作原理：,在实际应用中，由于单片的输出电荷很小，因此，常常将两片或两片以上的晶片粘结在一起（即并联和串联），组成压电式传感器。,并联和串联：,并联时,串联时,设单片压电元件的电容为，电荷为，电压为，则当两片叠加后,电荷灵敏度高,电压灵敏度高,并联和串联：,压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用后的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存，所以这决定了压电传感器只能够测量动态的应力。,并联时，传感器的电容量大、输出电荷量大、时间常数也大，故适用于测量缓变信号及电荷量输出信号。,串联时，传感器本身的电容量小、响应快、输出电压大，故适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号。,3.5压电式传感器,2、测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。,3.5压电式传感器,电容,泄漏电阻,压电元件产生的电荷,传感器电容,电缆电容,外接电路的输入端电容,泄漏电流,电压放大器,3.5压电式传感器,由于电荷放大器电路的电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。,若放大器开环增益足够大，则ACf(C+Cf),传感器电容,电缆电容,外接电路输入端电容,在一定情况下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此，并且与电缆分布电容无关。因此，采用电荷放大器时，即使连接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。,3 应用,b)压力变送器,3.5压电式传感器,a)加速度计，力传感器,压电传感器主要应用在加速度、压力和力等的测量中。压电式加速度传感器是一种常用的加速度计。它具有结构简单、体积小、重量轻、使用寿命长等优异的特点。压电式加速度传感器在飞机、汽车、船舶、桥梁和建筑的振动和冲击测量中已经得到了广泛的应用，特别是航空和宇航领域中更有它的特殊地位。,压电式传感器也可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业，例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力，也可以用来测量微小的压力。,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,3.5压电式传感器,案例：飞机模态分析,3.5压电式传感器,案例：热轧设备诊断,3.5压电式传感器,1.了解磁电式传感器变换原理 2.了解动圈式传感器的基本结构和工作原理 3.了解磁阻式传感器的基本结构和工作原理,3.6 磁电式传感器,第三章、传感器测量原理,完成本节内容的学习后应能做到：,1.变换原理:,磁电式传感器简称感应式传感器，也称电动式传感器。它把被测物理量的变化转变为感应电动势，是一种机-电能量变换型传感器，不需要外部供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小，又具有一定的频率响应范围(一般为101000Hz)，适用于振动、转速、扭矩等测量。但这种传感器的尺寸和重量都较大。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。,3.6 磁电式传感器,2 分类,3.6 磁电式传感器,3 动圈式传感器（恒定磁通式）,3.6 磁电式传感器,3.6 磁电式传感器,当线圈在垂直于磁场方向作直线运动或旋转运动时，若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度表示，则所产生的感应电动势e为：,在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、A均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。,单匝线圈有效长度,线圈与磁场的相对运动速度,单匝线圈的截面积,角速度,动圈式磁电传感器等效电路如下图所示，其等效电路的输出电压,3.6 磁电式传感器,发电线圈感应电动势,线圈电阻，一般为0.13K,负载电阻（放大器输入电阻）,一般Cc=70pF/m,一般Rc=0.03/m,可测量速度、加速度和位移。,4 磁阻式传感器（变磁通式常用来测量旋转物体的角速度）,3.6 磁电式传感器,左图为开路变磁通式，线圈和磁铁静止，测量齿轮由导磁材料制成，安装在被测旋转体上，随之一起转动，每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮上齿轮的齿数和转速的乘积。,右图为闭合磁路变磁通式，被测转轴带动椭圆形测量齿轮在磁场气隙中等速转动，使气隙平均长度周期性变化，因而磁路磁阻也周期性变化，磁通同样周期性变化，则在线圈中产生感应电动势，其频率f与测量齿轮转速n(r/min)成正比，即f=n/60。,5 应用,b)测速电机,a)磁电式车速传感器,3.6 磁电式传感器,变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。,1 磁电转换元件传感器,1)霍尔传感器,霍尔传感器是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。由于霍尔元件在静止状态下，具有感受磁场的独特能力，并且具有结构简单、体积小、噪声小、频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)、寿命长等特点，因此获得了广泛应用。,例如，在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器；在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。,3.6 磁电式传感器,金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,霍尔效应,霍尔常数，决定与材质、温度、元件尺寸，表示在单位磁感应强度和单位控制电流时霍尔电势的大小,磁场和薄片法线,3.6 磁电式传感器,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图:,霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm2mm0.1mm)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。,3.6 磁电式传感器,应用,右图是一种霍尔效应位移传感器工作原理。将霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下，从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1 VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。,1、位移传感器,3.6 磁电式传感器,2、测速传感器,3.6 磁电式传感器,3、测转角,3.6 磁电式传感器,4、电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,3.6 磁电式传感器,5、管道裂纹检测,原理磁场强度变化检测,3.6 磁电式传感器,6、汽车速度测量,3.6 磁电式传感器,2)磁电阻元件,磁阻效应,特点 电阻的增量与磁 场的平方成正比；与磁场的正负无关；温度系数影响大；磁感应的范围比霍尔元件大。,-5-4-3-2-1 0 1 2 3 4 5,应用 磁头；接近开关和无触点开关。,3.6 磁电式传感器,3)磁感应半导体元件分类,磁感应半导体元件,体元件,霍尔IC,结型元件,霍尔元件,磁电阻元件,磁敏二极管,磁晶体管,磁半导体开关,其它,开关,线性,3.6 磁电式传感器,3.7 半导体敏感元件传感器,3)应用,光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。,4.8光电式传感器,光电器件,光电效应外光电效应内光电效应光敏二极管、光敏晶体管光电池CCD光电传感器的应用,光电效应,外光电效应光子，光子能量；光电子外光电效应是指在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象。内光电效应在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的效应光电导效应：光敏电阻、光敏二极管（晶体管）光生伏特效应：光电池,光电效应,光敏电阻,无光照时，光敏电阻阻值很大，电路中电流很小；当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值急剧减小，电路中电流迅速增大。,基本特性光照特性伏安特性光谱特性,频率特性温度特性,光敏二极管、光敏晶体管,光敏二极管光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态暗电流、光电流（光照越强，光电流？）光敏三极管基极无引出线，集电极相对于发射极为正电压当光照射在集电结上时,就会在结附近产生电子-空穴对,从而形成光电流,相当于三极管的基极电流。因此集电极电流是光生电流的倍,所以光敏晶体管有放大作用。硅：敏感可见光，可用来探测可见光或赤热状态物体 锗：敏感红外光，可用于红外光探测,光电池,一个大面积的PN节，光照下产生的电子空穴对向两级扩散，形成与光照强度有关的电动势。,光电耦合器件,光电耦合器光电开关,CCD（电荷耦合器件）,结构：MOS电容器光敏元或像素；MOS阵列CCD器件原理：,3.7 半导体敏感元件传感器,3)应用,光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。,光电传感器的应用,29,31,光纤传感器,光纤的结构光纤的传光原理,光纤传感器工作原理,利用被测量对光的传输特性施加的影响，完成测量 功能型利用光纤本身的某种敏感特性或功能制成传光型光纤仅仅起传输光的作用，它在光纤端面或中间加装其它敏感元件感受被测量的变化,红外传感器辐射式传感器,红外辐射本质是热辐射以波的形式在空间直线传播，真空中以光速传播当物体温度低于1000时，向外辐射的不再是可见光，而是红外光红外线在通过大气层时,有三个波段透过率高,它们是22.6 m、35 m和814 m,红外探测器,热探测器利用红外辐射的热效应，探测器的敏感元件吸收辐射能后引起温度升高，进而使某些有关物理参数发生变化，通过测量物理参数的变化来确定探测器所吸收的红外辐射。光子探测器利用入射光辐射的光子流与探测器材料中的电子互相作用，从而改变电子的能量状态，引起各种电学现象。,红外传感器的应用,红外测温仪,红外传感器的应用,红外线气体分析仪,第三章 常用传感器,本章学习要求：1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路,3.9 传感器选用原则,3.1 概述3.2 电阻式传感器3.3 电感式传感器3.4 电容式传感器3.5 压电式传感器3.6 磁电式传感器3.7 半导体敏感元件传感器3.8 其它类型传感器,第三章、传感器测量原理,3.9传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,3.9传感器选用原则,2 响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。,3.9传感器选用原则,4 稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,