传感器PPT-第三章.ppt
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1、本章学习要求:,1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器工作原理原理3.了解传感器的选用原则,第三章 工程中常用传感器的 转换原理及应用,3.1 传感器概述,一、传感器在人类文明中的作用及重要性,二、传感器的总体分类概述,能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的期间或装置,称为传感器。,传感器名称:发送器、传送器、变送器、检测器、探头,传感器功用:一感二传,即感受被测信息,并传送出去。,传感器处于测试装置的输入端,其性能将直接影响着整个测试装置的工作质量。,3.2 工程中常用的传感器及其分类,一、工程中常用传感器的组成及分类,1.传感器的分类,(1)按照传感器的用途分类:位移、压力
2、、振动、温度传感器,2.传感器的分类,位移:线位移(长度、厚度、应变、振动)角位移(偏转角)速度:线速度(振动、流量、动量)角速度(转速、角振动、角动量)角速度:线加速度(振动、冲击、质量、应力)角加速度(角振动、角冲击、力矩)压力:重量、密度、推力、力矩、应力,(2)按传感器的工作原理:分为机械式、电气式、光学式、流体式等。,2.传感器的分类,(3)按信号变换特征:分为结构型与物性型,物性型传感器是利用物质定律构成的,如虎克定律、欧姆定律等。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。这种法则,大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小,决定了传感器的主要性能。因此,物性型传感器的性能随材料
3、的不同而异。如,光电管,它利用了物质法则中的外光电效应。显然,其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如,所有半导体传感器,以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器,都属于物性型传感器。,物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理化学性质的变化来实现信号的变换的。,热敏电阻、光敏电阻受刺激后材料内部电参数变化。,2.传感器的分类,结构型传感器是依靠传感器结构参量的变化而实现信号的变换的。,结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的,包括动力场的运动定律,电磁场的电磁定律等。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器,这些方程式就是许多传感器在工作时的数学模型
4、。这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础,而不是以材料特性变化为基础。,例如:变极距式电容传感器、变气隙式电感传感器,(4)根据传感器的能量转换情况,可分为能量控制型传感器和能量转换型传感器,能量控制型传感器,在信息变化过程中,传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源,使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号,这类传感器必须由外部提供激励源,如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。,能量控制型传感器也称有源传感器,是从外部供给辅助能量使
5、其工作的。被测非电量对传感器中的能量起控制调节作用。,2.传感器的分类,能量控制型传感器工作方式,输出,伺服式加速度计框图,能量转换型传感器,又称无源型或发生器型,传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量,主要由能量变换元件构成,它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。,(5)根据传感器输出信号:模拟信号和数字信号,(7)按传感器的工作机理,分为物理型、化学型、生物型等,(6)根据转换过程可逆与否:单向和双向,按照物理原理分类:电参量式传感器:电阻式、电感式、电容式等;磁电式传感器:磁电感应式、霍尔式、磁栅式等;压电式传感器:声波传感器、
6、超声波传感器;光电式传感器:一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等;气电式传感器:电位器式、应变式;热电式传感器:热电偶、热电阻;波式传感器:超声波式、微波式等;射线式传感器:热辐射式、射线式;半导体式传感器:霍耳器件、热敏电阻;其他原理的传感器:差动变压器、振弦式等。有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器,也可看成电参量式传感器。,(8)按照物理原理分类:十种,取决于传感器本身,可通过传感器本身的改善来加以抑制,有时也可以对外界条件加以限制。,衡量传感器特性的主要技术指标,深入研究传感器的原理和应用,研制新型传感器,对社会生产、经济
7、交往、科学技术和日常生活中自动测量和自动控制的发展,以及人类观测研究自然界的深度和广度都具有重要的实际意义。,传感器的发展动向,开展基础研究,发现新现象,开发传感器的新材料和新工艺;实现传感器的集成化与智能化,目前,检测仪器广泛用于炼油、化工、冶金、电力、电子、轻工、纺织等行业。上海宝钢集团的技术装备投资中,由1/3的经费用于购置仪器和自控系统。,二、传统传感器的发展动向,传感器的工作机理是基于各种效应和定律,由此启发人们进一步探索具有新效应的敏感功能材料,并以此研制出具有新原理的新型物性型传感器件,这是发展高性能、多功能、低成本和小型化传感器的重要途径。结构型传感器发展得较早,目前日趋成熟。
8、结构型传感器,一般说它的结构复杂,体积偏大,价格偏高。物性型传感器大致与之相反,具有不少诱人的优点,加之过去发展也不够。世界各国都在物性型传感器方面投入大量人力、物力加强研究,从而使它成为一个值得注意的发展动向。,(1)开发新型传感器,新型传感器包括:采用新原理;填补传感器空白;仿生传感器等方面。它们之间是互相联系的。,传感器材料是传感器技术的重要基础,由于材料科学的进步,人们在制造时,可任意控制它们的成分,从而设计制造出用于各种传感器的功能材料。用复杂材料来制造性能更加良好的传感器是今后的发展方向之一。,(2)开发新材料,(1)半导体敏感材料(2)陶瓷材料(3)磁性材料(4)智能材料,如,半
9、导体氧化物可以制造各种气体传感器,而陶瓷传感器工作温度远高于半导体,光导纤维的应用是传感器材料的重大突破,用它研制的传感器与传统的相比有突出的特点。有机材料作为传感器材料的研究,引起国内外学者的极大兴趣。,在发展新型传感器中,离不开新工艺的采用。新工艺的含义范围很广,这里主要指与发展新型传感器联系特别密切的微细加工技术。该技术又称微机械加工技术,是近年来随着集成电路工艺发展起来的,它是离子束、电子束、分子束、激光束和化学刻蚀等用于微电子加工的技术,目前已越来越多地用于传感器领域。,(3)新工艺的采用,例如利用半导体技术制造出压阻式传感器,利用薄膜工艺制造出快速响应的气敏、湿敏传感器,日本横河公
10、司利用各向异性腐蚀技术进行高精度三维加工,在硅片上构成孔、沟棱锥、半球等各种开头,制作出全硅谐振式压力传感器。,(4)集成化、多功能化,同一功能的多元件并列化,即将同一类型的单个传感元件用集成工艺在同一平面上排列起来,如CCD图像传感器。,多功能一体化,即将传感器与放大、运算以及温度补偿等环节一体化,组装成一个器件。,把多个功能不同的传感元件集成在一起,除可同时进行多种参数的测量外,还可对这些参数的测量结果进行综合处理和评价,可反映出被测系统的整体状态。,为同时测量几种不同被测参数,可将几种不同的传感器元件复合在一起,作成集成块。例如一种温、气、湿三功能陶瓷传感器已经研制成功。,(5)智能化,
11、对外界信息具有检测、数据处理、逻辑判断、自诊断和自适应能力的集成一体化多功能传感器,这种传感器具有与主机互相对话的功能,可以自行选择最佳方案,能将已获得的大量数据进行分割处理,实现远距离、高速度、高精度传输等。,智能传感器是传感器技术与大规模集成电路技术相结合的产物,它的实现取决于传感技术与半导体集成化工艺水平的提高与发展。这类传感器具有多功能、高性能、体积小、适宜大批量生产和使用方便等优点,是传感器重要的发展方向之一。,三、传统传感器的选用原则,3.2 机械式传感器,机械式传感器常以弹性体作为传感器的敏感元件,故又称之弹性敏感元件。输入量:力、压力、温度等物理量;输出量:弹性元件本身的变形。
12、,优点:机械式传感器做成的机械式指示仪表具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点。缺点:但弹性变形不宜大,以减小线性误差。此外,由于放大和指示环节多为机械传动,不仅受间隙影响,而且惯性大,固有频率低,只宜用于检测缓变成静态被测量。为了提高测量的频率范围,可先用弹性元件将被测量转换成位移量,然后用其他形式的传感器(电阻、电容、电涡流等)将位移量转换成电信号输出。,弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象。材料的蠕变与承载时间、载荷大小、环境温度等因素有关。弹性后效则与材料应力松弛和内阻尼等因素有关。这些现象最终都会影响到输出与输入的线性关系。因此,应用弹性元件时,应从结构设计、材料选择和处
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