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

13、理工艺等方面采取有效措施。,3.3 电阻式传感器,电阻式传感器是根据电阻定律而设计的传感器，它能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:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式。,变阻器式传感器（电位计式传感器）,常用的有：直线位移型、角位移型和非线性型,变阻器式传感器也称为电位差极式传感器，它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。,如果电阻丝直径和材质一定时，则电阻值随导线长度而变化。,常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线形型等。,图32a,传感器灵敏度：,当导线分布均匀时，kl为一常数。这时传感器输出电阻与输入位移成线性关系。,直线位移型,图32b,

14、图32c,回转型（角位移型）,非线性,其骨架形状需要根据所要求的输出f（x）来确定。,角位移型电位计式传感器输出阻值的大小随角度位移的大小而变化，该传感器的灵敏度为：,等效电路分析:,x,L,L-变阻器总长;x-电刷移动量.R-总电阻;RL电刷电阻;,R=K*l,x=L*E1/E,变阻器式传感器的后接电路，一般采用电阻分压电路。,优点：缺点：变阻器式传感器的分辨力很难优于20m。,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;,变阻器式传感器的分类,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位

15、器,变阻器式传感器产品,原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码）,原理：电机-转角-电位器-电阻,电阻应变式传感器,电阻应变式传感器可以用于测量应变、力、位移、加速度、扭矩等参数。,电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式和半导体应变片式。,（一）金属电阻应变片,导体或半导体在材料受到外界力作用时，产生机械变形，机械变形导致其电阻值发生变化，这种因形变而使其电阻值发生变化的现象称为“电阻应变效应”。,组成:(1)敏感栅:应变电阻转换的敏感元件;(2)基底:保护敏感栅固定形状、尺寸 位置;(3)引线:敏感栅与测量

16、电路之间的连接;(4)盖层:敏感栅上的保护层;(5)粘结剂:盖层和敏感栅固结于基底,在粘贴在试件表面的被测部位,传递应变。,基本工作原理：应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。分为：丝式和箔式。,丝式：高电阻率的金属丝（康铜或镍铬合金等，直径0.025mm左右）；,金属箔栅是利用光刻技术制造，适于大批量生产。箔片厚：110m。,设长度为L,截面积为A,电阻率为的导体,其电阻为:,（1）工作原理,金属应变片的电阻R为,方法一,方法二,电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变,电阻丝径向相对变形，或称横向应变,当电阻丝沿轴向伸长时，必沿径向缩小，两者之间的关系为：,电阻丝材料的泊松比；d/电阻丝电阻率相

17、对变化，与电阻丝轴向所受正应力有关。,E电阻丝材料的弹性模量；压阻系数，与材质有关。,(12)由电阻丝几何尺寸改变所引起，对于同一电阻材料来讲它是常数。,E由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的。对于金属电阻丝来说，它很小，可以忽略。于是有：,上式表明了电阻相对变化率与应变成正比。比值Sg称为电阻应变片的应变系数。,用于制造电阻应变片的电阻丝的灵敏度Sg多在1.73.6之间。,电阻应变片标准阻值有：60，120，350，600，1000等，其中120常用。应变片的尺寸课根据要求来选用。,(2)应变片灵敏度的选择，当选配动态应变仪进行测量时，应选用S2的应变片。由于静态应变仪配有灵敏度的调节装置，

18、故允许选用S2的应变片。对于那些不配用应变仪的测试，应变片的S值愈大，输出也愈大。因此，往往选用S值较大的应变片。,在测试中，选用金属电阻应变片应注意以下两点：,(1)应变片电阻值的选择，应变片的原电阻值一般有60、90、120、200、300、500、1000等。当选配动态应变仪组成调试系统进行测试时，由于动态应变仪电桥的固定电阻为120，因此为了避免对测量结果进行修正计算，以及在没有特殊要求的情况下，选择120的应变片为宜。除此以外，可根据调量的要求选择其他阻值的应变片。,金属应变计,（二）半导体应变片,半导体应变计,优点：灵敏度大;机械滞后小、横向效应小，体积小;缺点：温度稳定性和可重复

19、性、非线性误差不如金属应变片。,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。半导体在压力、温度及光辐射作用下，电阻率会发生变化。,简化为：,可见：金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别在于：前者利用导体形变引起电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。,国产的半导体应变片主要采用P型硅单晶制作。随着集成技术的发展，出现了扩散型、外延型、薄膜型半导体应变片。它们对实现小型化、改善应变片的特性等方面有良好的作用。,电阻应变计的分类,常用电阻应变计的型式（一）,常用电阻应变计的型式（二）,常用电阻应变计的型

20、式（三）,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）。,1）几何参数：表距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。,（三）应变片的主要参数,5）静态特性应变计感受试件不随时间变化或变化缓慢时的输出特性主要指标:灵敏系数(标定灵敏系数）,1.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。,2.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。,3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹

21、为止。,4.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。,（四）电阻应变片的选择、粘贴技术,5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。,（五）电阻应变式传感器的应用实例,1.直接用来测定结构的应变或应力,2.将应变片贴于弹性元件上，作为测量力和位移、压力、加速度等物理参数的传感器。,标准产品,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：冲床生产记数 和生产过程监测,案

22、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。,3.4 电感式传感器,一种利用磁路磁阻变化引起传感器线圈的电感（自感和互感）变化实现检测；检测的物理量有位移、振动、力、应变、流量、比重等；结构简单，可靠性好，适用范围宽。缺点：存在交流零位信号，不适宜高频动态测量。,分类:,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。,1 自感型-可变磁阻式,1.结构组成线圈、铁心、衔铁三个部分。,2.工作原理当有外力作用在运动部分时，衔铁将产生位移，使空气隙发生变化，磁路磁阻发生变化，从而引起线圈电

23、感的变化。,3.电路分析由电工学可知：,电磁感应,磁路总磁阻由铁心磁阻和空气磁阻组成：,由于空气隙较小，忽略铁心磁阻：,可见：自感L与气隙成反比，而与气隙导磁截面积A0成正比。当固定A0，变化时，L与呈非线性关系，此时传感器的灵敏度：,分析上式：灵敏度S与气隙的平方成反比，越小，灵敏度越高。由于S不是常数，故会出现线性误差，为了减小这一误差，通常规定其在较小的范围内工作。一般实际应用中，取/00.1。这种传感器适用于较小位移的测量一般约为0.0011mm。,结构型式及特性：,变导磁面积型（W，0，不变，Lf（A0）变气隙型（W，A0，不变，Lf（0）螺管型（0，A0，不变，Lf（W）,变导磁面

24、积型：,气隙和匝数不变，L与S成正比。设初始状态，sab（a为铁心截面长度，b为铁心截面宽）设衔铁移动x，则s（ax）b，则,传感器的灵敏度：,可见s为常数，输出特性曲线理论上为一直线。,变气隙型：,L与成反比，设初始状态有：,衔铁在外力作用下移动时，设气隙量减少为0时,当 1时，展开成级数，可得电感变化量简化关系：,可见，L与成正比。但是由于高次项的存在，会产生非线性误差。所以要求相对气隙变化量很小，但是过小又会使灵敏度降低，所以要兼顾，综合考虑。,螺管型：,由螺管线圈、衔铁和磁性套筒等组成。随着衔铁插入深度的不同将引起线圈磁路中磁阻的变化，从而使线圈电感发生变化。,当铁心插入线圈内时，使插

25、入部分磁阻下降，所以磁感应强度增大，从而使电感值增加。电感的相对变化量：,可见：当线圈参数和铁心尺寸一定时，电感的相对变化量与铁心插入长度的相对变化量成正比。但由于线圈内磁场强度沿轴向分布并不均匀，因而这种传感器输出特性为非线性。,三种类型传感器的比较：灵敏度：变气隙型变面积型螺管型变气隙型：对电路的放大倍数要求低。非线性严重。变面积型：具有良好的线性，量程较大。螺管型：量程大，线性较好，批量生产时互换性强。,涡电流式,涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。测量振动、位移、厚度、转速、温度和硬度、零件计数、进行无损探伤等。优点：可以实现非接触式测量，并且结构简单，频率响应宽，灵敏度高，测量线性范围大，体积小。,工作原理,原线圈的等效阻抗Z变化：,高频反射式等效电路,案例：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,互感型差动变压器式电感传感器,差动变压器是互感式电感传感器，它可以将被测量的变化转换为互感系数的变化。,工作原理:互感现象.,差动变压器式电感传感器具有精确度高，线性范围大，稳定度好和使用方便等特点，广泛用于直线位移的测量。但实际测量频率上限受制于传感器中所包含的机械结构。,差动变压器位移传感器,案例：板的厚度测量,案例：张力测量,