常用的传感器与敏感元件.ppt
第三章 常用的传感器与敏感元件,3.1 常用传感器分类,3.2 机械式传感器及仪器,3.3 电阻、电容与电感式传感器,3.4 磁电、压电与电热式传感器,3.5 光电式传感器,3.6 光纤式传感器,3.7 半导体传感器,3.8 红外测试系统,3.10 传动器的选用原则,3.9 激光测试传感器,3.1 常用传感器的分类,一 传感器的作用,二 传感器的分类,（1）传感器(Sensor)定义,传感器是能感受规定的被测量、并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。,（一）传感器的作用,也可以这样定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,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。,传感器在非电量电测系统中的作用：,一是 敏感作用：感受并拾取被测对象的信号,二是变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号,获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变化（开关传感器）；将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。,（2）作用,可转换的信号,机械信号,电信号,辐射信号（光波超声波红外波）,流体信号,（3）传感器的性能要求,足够的容量匹配性好，转换灵敏度高精度适当，稳定性高反应速度快，工作可靠性高适应性和适用性强,2.传感器的构成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，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。,3.传感器的分类,1)按被测物理量分类,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,机械式,电气式,光学式,流体式等.,2)按工作的物理基础分类:,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)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,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.如:水银温度计.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.,3.2 机械式传感器及仪器,一 工作原理,.,几何量,机测,机械量,变形,电量,电测,记录,二、常见实例,弹簧秤,指针式弹簧秤,握力器,1）测力计,机测法：力经滚珠（保证点接触测力，垂直输入），再经弹簧实现机械衰减,最后经压力表读数,电测法：在框架弹簧上贴应变片以弹簧应变来折 算力的大小,弹簧秤,指针式弹簧秤,握力器,弹性元件,弹性元件,弹性元件,弹性元件,弹性元件,具有导磁性,3.3 电阻式、电容与电感式传感器,一 电阻式传感器,二 电阻应变式传感器,三 电容式传感器,（1）工作原理,所以 R=k 1 x,（2）性能特点,*灵敏度为线性,P74 图3-6 电阻分压电路,测量时受环境影响小,稳定性好，寿命长,操作方便,线性度好,线性特征,线性特征,上海科技馆的“通过CT了解人体结构”展项中，人体移动的位移测量采用电阻式传感器,我们的研究生在现场调试中,变灵敏度=非线性,分类比较,金属式,半导体式,丝式 p74 图3-7,箔式 图3-8,S半=（5070）S金,2.电阻应变式传感器,结构,非常非常细,不要误解为很粗,电阻应变片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，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,夸张放大,可以理解为一种电阻式传感器，但长度的变化是因变形所致，所以应变片主要用于测量应变,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求微分,由于金属应变片的电阻R为,代入,c.灵敏度,同除R,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,P75 式（3-5）,有：,对金属材料，导电率不变：,金属丝应变片：,金属应变计,（2）半导体应变片a.工作原理,可以近似为：,优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,P76 式（3-11）,对于某些半导体非常大,电阻应变片的选择、粘贴技术,a).目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,b).用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆.,c).试件表面处理：贴片处用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,d).应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,（3）电阻应变片的选择与使用方法,e).焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,f).用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘阻值，应 大于500M欧。,g).应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,（3）电阻应变式传感器的应用实例,案例：桥梁固有频率测量,案例：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。,案例：机器人握力测量,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,二、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:,变化图形 P79 图3-12,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,在分母导致非线性,线性关系,线性关系,线性关系,2)不同类型的电容传感器,（1）极距变化型,（3-13）的微分,（2）面积变化型,平面线位移型,柱面线位移型.,（3）介质变化型,电源部分,应用,三、电感式传感器,自感式电感传感器可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。一、自感式电感传感器的工作原理（一）变间隙型电感传感器 变间隙型电感传感器的结构示意图如图5-1所示。,自感式电感传感器,变间隙式电感传感器,传感器由线圈、铁心和衔铁组成。工作时衔铁与被测物体连接，被测物体的位移将引起空气隙的长度发生变化。由于气隙磁阻的变化，导致了线圈电感量的变化。线圈的电感可用下式表示：式中，N为线圈匝数；Rm为磁路总磁阻。,(5-1),一般情况下，导磁体的磁阻与空气隙磁阻相比是很小的，因此线圈的电感值可近似地表示为：由上式可以看出传感器的电感值随气隙的增大而减小。为了避免非线性，气隙的相对变化量要很小，但过小又将影响测量范围，所以要兼顾考虑两个方面。,（二）变面积型电感传感器 由变气隙型电感传感器可知，气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化而改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称之为变面积型电感传感器，其结构示意图见下图。,线圈电感量L与气隙厚度是非线性的，但与磁通截面积A却是成正比，是一种线性关系。,（三）螺管型电感式传感器 下图为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。,设线圈长度为l、线圈的平均半径为r、线圈的匝数为N、衔铁进入线圈的长度la、衔铁的半径为ra、铁心的有效磁导率为m，则线圈的电感量L与衔铁进入线圈的长度la的关系可表示为,(5-5),以上三种形式的电感式传感器有如下特点：变间隙型灵敏度较高,但非线性误差较大,且制作装配比较困难.变面积型灵敏度较前者小,但线性较好,量程较大,使用比较广泛.螺管型灵敏度较低,但量程大且结构简单易于制作和批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器.,如图所示，一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通有交变电流I1时，线圈周围就产生一个交变磁场H1。置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2，电涡流也将产生一个新磁场H2，H2与H1方向相反，因而抵消部分原磁场，使通电线圈的有效阻抗发生变化。,(2)涡流式,(1)涡流式传感器原理,二、高频反射式电涡流传感器(测距离）这种传感器的结构很简单，主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成。线圈可以粘贴在框架的端部，也可以绕在框架端部的槽内。图5-17为某种型号的高频反射式电涡流传感器。,高频不穿透,三、低频透射式电涡流传感器（测厚度）这种传感器采用低频激励，因而有较大的贯穿深度，适合于测量金属材料的厚度。图为这种传感器的原理图和输出特性。,4)涡流式传感器的应用,涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数的测量，它可实现非线性测量。下图是用涡流式传感器测厚和用涡流式传感器进行零件计数的例子。,2.互感型差动变压器式电感传感器,互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便会有感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。而差动变压器式电感传感器是最常用的互感型传感器，其结构形式有多种。,螺管形差动变压器式电感传感器,差动变压器工作在理想情况下（忽略涡流损耗、磁滞损耗和分布电容等影响），它的等效电路如图所示。图U1为一次绕组激励电压；M1、M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感：L1、R1分别为一次绕组的电感和有效电阻；L21、L22分别为两个二次绕组的电感；R21、R22分别为两个二次绕组的有效电阻。,对于差动变压器，当衔铁处于中间位置时，两个二次绕组互相相同，因而由一次激励引起的感应电动势相同。由于两个二次绕组反向串接，所以差动输出电动势为零。当衔铁移向二次绕组L21一边，这时互感M1大，M2小，因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势，这时差动输出电动势不为零。在传感器的量程内，衔铁移动越大，差动输出电动势就越大。同样道理，当衔铁向二次绕组L22一边移动，差动输出电动势仍不为零，但由于移动方向改变，所以输出电动势反相。因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向。,谢谢！,
