安全检测技术3章常用传感器.ppt

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1、第三章 安全检测常用传感器,第一节 传感器的作用及分类 第二节 结构型传感器 第三节 物性传感器 第四节 其他类型传感器 第五节 传感器的选用原则,第一节 传感器的作用及分类,1.1、传感器的基本概念1.2、传感器的作用1.3、传感器的分类,1.1、传感器的基本概念,1、敏感原件定义：能够灵敏地感受被测变量并做出响应的元件。例如：铂电阻：温度敏感元件 弹性膜盒：压力敏感元件注意：减少敏感元件受环境因素的影响,1.1、传感器的基本概念,2、传感器从广义上讲，传感器是将被测物理量按一定规律转换为与其对应的另一种(或同种)物理量输出的装置 通常的定义，传感器是将被测非电物理量(如力、压力、重且、力矩

2、、应力、应变、位移、速度、加速度、流量、振动、噪声等)转换成与之对应的并易于精确处理的电量或电参量(如电流、电压、电阻、电感、电容、电荷、频率、阻抗等)输出的一种检测装置。也有少部分传感器，其能量转换是可逆的，如压电效应与逆压电效应等，也就是说，传感器不但可以将非电量转换为电量，同时也可以根据测试与自动控制的需要将电量转换为非电量而加以利用。,1.1、传感器的基本概念,3、变送器（transducer）凡输出标准信号的传感器就称为变送器。标准信号是物理量的形式和数值范围都符合国际标准的信号。例如：直流电压 010v优点：便于把各种变送器和其他仪表组成监测系统,1.1、传感器的基本概念,4、信号

3、转换器是指将一种信号转换成另一种信号的装置。信号是信息存在的形式或载体。在自动化仪表设备和自动控制系统中，常将一种信号转换成另一种与标准量或参考量比较后的信号，以便将两类仪表联接起来，因此，转换器常常是两个仪表（或装置）间的中间环节。,1.2、传感器的作用,传感器是获得信息的正确与否，关系到整个检测与控制系统的精度。如果传感器的误差很大，后面的测量电路、放大器、指示仪等的精度再高也将难以提高整个检测系统的精度。传感器是实现检测与自动控制(包括遥感、遥测、遥控)的首要环节，而传感技术是衡量科学技术现代化程度的重要标志。如果没有传感器对原始信息进行准确可靠的捕获与转换，一切准确的检测与控制都将无法

4、实现。目前，传感器的应用已经渗透到各个学科领域，从高新技术直到每个家庭日常生活。据不完全统计，现代高级轿车中所应用的传感器可达56种之多；又如目前常用的19种家用电器中，总共应用了53个(21种)传感器。传感器应用的技术水平成为衡量一个国家的科技和工业水平的重要标志。,1.3、传感器的分类,1按输入量（被测对象)分类输入量即被测对象，按此方法分类，传感器可分为物理量传感器、化学量传感器和生物量传感器三大类。其中，物理量传感器又可分为温度传感器、压力传感器、位移传感器等等。这种分类方法给使用考提供了方便，容易根据被测对象选择所需要的传感器。,1.3、传感器的分类,2按转换原理分类从传感器的转换原

5、理来说，通常分为结构型、物性型两大类。结构型：结构型传感器是利用机械构件(如金属膜片等)在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应(即物质定律，如虎克定律、欧姆定律等)实现非电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。,1.3、传感器的分类,3按能量转换的方式分类按转换元件的能量转换方式，传感器可分为有源型和无源型两类。有源型也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等(如磁电式、压电式、光电池、热电

6、偶等)，无源型也称能量控制型或参数型，它把非电量变成电阻、电容、电感等量。,1.3、传感器的分类,4按输出信号的形式分类按输出信号的形式，传感器可分为开关式、模拟式和数字式。5按输入和输出的特性分类按输入、输出特性，传感器可分为线性和非线性两类。,第二节 结构型传感器,2.1 电阻式传感器2.2 电容式传感器2.3 电感式传感器2.4 磁电式传感器,2.1 电阻式传感器,电阻式传感器是将非电量(如力、位移、形变、速度、加速度和扭矩等参数)转换为电阻变化的传感器。其核心转换元件是电阻元件，将非电量的变化转换成相应的电阻值的变化，通过电测技术对电阻值进行测量，以达到对上述非电量测量的目的。,2.1

7、 电阻式传感器,1电阻式传感器原理从上式可见，若导体的三个参数(电阻率、长度和截面积)中的一个或数个发生变化，则电阻值随着变化，因此可利用此原理来构成传感器。例如，若改变长度L，则可形成电位器式传感器，改变L、A和则可做成电阻应变片；改变则可形成热敏电阻、光导性光检测器等。下面介绍两种最常用的电阻式传感器：电位器式传感器和应变片式传感器。,2.1 电阻式传感器,2电位器式传感器电位器式传感器通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长度变化，从而改变电阻值大小，进而再将这种变化值转换成电压或电流的变化值。电位器式传感器分为线绕式和非线绕式两大类。线绕电位器是最基本的电位器式传感器；非线绕式电阻传感器则是

8、在线绕电位器的基础上，在电阻元件的形式和工作方式上有所发展，包括薄膜电位器、导电塑料电位器和光电电位器等。线绕电位器式传感器的核心，即转换元件是精密电位器。,2.1 电阻式传感器,线绕电位器式传感器原理图,2.1 电阻式传感器,线绕电位器主要由骨架、绕组、电刷、导电环及转轴等部分组成。线绕电位器的骨架一般由胶木等绝缘材料或表面覆有绝缘层的金属骨架构成。根据需要，骨架可做成不同的形状，如环带状、弧状、长方体或螺旋状等,2.1 电阻式传感器,3电阻应变式传感器组成：弹性敏感元件和电阻应变片原理：当弹性敏感元件受到被测量作用时，将产生位移、应力和应变，则粘贴在弹性敏感元件上的电阻应变片将应变转换成电

9、阻的变化。这样，通过测量电阻应变片的电阻值变化，从而确定被测量的大小。,2.1 电阻式传感器,主要优点是：(1)由于电阻应变片尺寸小、重量轻，因而具有良好的动态特性。而且应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布基本上没有影响，适用于静态和动态测量；(2)测量应变的灵敏度和精度高，可测量12m应变，误差小于12；(3)测量范围上，既可测量弹性变形，也可测量塑性变形(塑性变形（Plastic Deformation），的定义是物质-包括流体及固体在一定的条件下，在外力的作用下产生形变，当施加的外力撤除或消失后该物体不能恢复原状的一种物理现象。)，变形范围从120；(4)能适应各种环境，可在高(低)

10、温、超低压、高压、水下、强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用。缺点：输出信号微弱，在大应变状态下具有较明显的非线性等,2.2 电容式传感器,1，电容式传感器的工作原理和结构电容式传感器常用的是平板电容器和圆筒形电容器。1)平板电容器平板电容器由两个金属平行板组成，通常以空气为介质,C电容量(F)；0真空介电常数；r极板间介质的相对介电常数；A极板的有效面积(m2)；d两平行极板间的距离(m),2.2 电容式传感器,电容式传感器可依此划分为三种类型:变间隙型(d变化)、变面积型(A变化)变介质型(变化)。在实际使用中，电容式传感器常以改变平行板间距d来进行测量，因为这样获得的测量灵敏度高于另

11、两种型式，变间隙型电容传感器可以测量微米数量级的位移，而变化面积A的变面积型电容传感器只适用于测量厘米数量级的位移,2.2 电容式传感器,2)圆筒形电容器圆筒形电容器由内外两个金属圆筒组成，设动极筒的外半径为r，定极筒的内半径为R，动极筒伸进定极筒的长度为l,2.2 电容式传感器,变极距型电容传感器变极距型电容传感器如图38所示，它有一个固定极板和可动极板，其间为空气介质。当传感器的0和A为常数、初始极距为d时，其初始电容量为,2.2 电容式传感器,差动变极距型电容传感器上下为定极板，中间为动极板，在初始位置时，d1=d2=d，C1C2C,差动式电容传感器比单个电容传感器的灵敏度提高一倍，非线

12、性误差大大降低，减小一个数量级。与此同时，差动电容传感器还能减小静电引力给测量带来的影响，并有效地进行温度补偿。,2.2 电容式传感器,4电容式传感器测量电路电容式传感器将被测量转换成电容量的变化，但由于电容及其变化量均很小，因此必须借助测量电路检测出这一微小电容及增量，并将其转换成电压、电流或频率，以便于显示、记录或传插。电容式传感器的测量电路种类很多，除电桥电路外，还可采用运算放大器电路、调频电路和差动脉冲宽度调制电路等。,2.2 电容式传感器,电容传感器测量电路具有如下特点：(1)不论是极距变化型或面积变化型，其输入与输出变化量都呈线性关系，而且脉冲宽度调制电路对传感元件的线性要求不高；

13、(2)不需要解调电路，只要经过低通滤波器就可以得到直流输出；(3)调宽脉冲频率的变化对输出无影响；(4)由于采用直流稳压电源供电，不存在对其波形及频率的要求。所有这些特点都是其他电容测量电路无法比拟的。,2.3 电感式传感器,电感式传感器是利用电感元件把被测物理量的变化转换成电感的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压(或电流)信号。它可把各种物理量如位移、压力、流量等参数转换成电输出。因此，能满足信息的远距离传输、记录、显示和控制等方面的要求，在自动控制系统中应用十分广泛。电感式传感器有如下几个特点：(1)结构简单，无活动电触点，工作可靠，寿命较长：(2)灵敏度和分辨率高电压灵

14、敏度一般每毫米的位移可达数百毫伏的输出；(3)线性度和重复性比较好，在一定位移(如几十微米至几毫米)内，传感器非线性误差可做到0.050.1，并且稳定性好。,2.3 电感式传感器,1自感式电感传感器1)自感式电感传感器原理自感式电感传感器主要用来测量位移或者是可以转换成位移的被测量，如振动、厚度、压力、流量等。工作时，衔铁通过测杆与被测物体相接触，被测物体的位移将引起线圈电感量的变化，当传感器线圈接入测量转换电路后，电感的变化将被转换成电压、电流或频率的变化，从而完成非电量到电量的转换。,2.3 电感式传感器,2互感式电感传感器互感式电感传感器是利用线圈的互感作用将位移转换成感应电势的变化。互

15、感式电感传感器实际上是一个具有可动铁芯和两个次级线圈的变压器。变压器初级线圈接入交流电源时，次级线圈因互感作用产生感应电动势，当互感变化时，输出电势亦发生变化。由于它的两个次级线圈常接成差动的形式，故又称为差动变压器式电感传感器，简称差动变压器。,2.4 磁电式传感器,磁电传感器是利用电磁感应原理，将输入运动速度变换成感应电势输出的传感器。它不需要辅助电源就能把被测对象的机械能转换为易于测量的电信号，是一种有源传感器，有时也称为电动式或感应式传感器。制作磁电式传感器的材料有导体、半导体、磁性体、超导体等。利用导体和磁场的相对运动产生感应电动势的电磁感应原理，可制成各种类型的磁电式传感器和磁记录

16、装置；利用强磁性体金属的各向异性磁阻效应，可制成强磁性金属磁敏器件；利用半导体材料的磁阻效应可制成磁敏电阻、磁敏二极管、磁敏三圾管等。,第三节 物性传感器,3.1 压电式传感器3.2 半导体敏感元件3.3 光电传感器3.4霍尔传感器,3.1 压电式传感器,某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态，这种现象称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。逆向压电效应是指当某晶体沿一定方向受到电场作用时，相应地在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力，又称电致伸缩效应。当外加电场撤去后，晶体

17、内部的应力或变形也随之消失。,3.1 压电式传感器,压电材料具有压电效应的电介质叫压电材料，常见的压电材料分为三类：压电晶体、多晶压电陶瓷和新型压电材料。1)压电晶体石英是典型的压电晶体，石英具有很大的机械强度，在研磨质量好时，可以承受7001000 kgmm2的压力，并且机械性质也较稳定。除天然石英和人造石英晶体外，近年来铌酸锂LiNbO3、钽酸锂LiTaO3、锗酸锂LiGeO3等许多压电单晶在传感技术中也获得广泛应用。,3.1 压电式传感器,2)多晶压电陶瓷多晶压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体，主要有极化的铁电陶瓷(钛酸钡)等。钛酸钡是使用最早的压电陶瓷，它具有较高的压电常数，约为石

18、英晶体的50倍。但它的居里点低，约为120，机械强度和温度稳定性都不如石英晶体。由于压电陶瓷的压电常数大，灵敏度高，价格低廉，在一般情况下，都采用它作为压电式传感器的压电元件,3.1 压电式传感器,3)新型压电材料新型压电材料主要有有机压电薄膜和压电半导体等。有机压电薄膜是由某些高分子聚合物，经延展拉伸和电场极化后形成的具有压电特性的薄膜，如聚仿氟乙烯、聚氖乙烯等。有机压电薄膜具有柔软、不易破碎、面积大等优点，可制成大面积阵列传感器和机器人触觉传感器。压电半导体是指既具有半导体特性又具有压电特性的材料，如硫化锌、氧化锌、硫化钙等。由于同一材料上兼有压电和半导体两种物理性能，故可以利用压电性能制

19、作敏感元件，又可以利用半导体特性制成电路器件，研制成新型集成压电传感器,3.1 压电式传感器,压电传感器的测量电路压电传感器的输出信号很微弱，而且内阻很高，一般不能直接显示和记录，需要采用低噪声电缆把信号送到具有高输入阻抗的前置放大器。前置放大器有两个作用，一是放大压电传感器的微弱输出信号；另一作用是把传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出。,3.2 半导体敏感元件,随着材料科学的发展，各种新型半导体材料不断被研制出来，以这些新型半导体材料制成的各种类型的传感器，按照前面的分类方法，也可以分为结构型(如各种电阻敏感元件及敏感电极等)和物性型(如各种光电、热电、磁电转换元件)两大类。,3.2 半导体

20、敏感元件,1半导体热敏电阻1)分类及特性半导体热敏电阻按半导体电阻随温度变化的典型特性分为三种类型，即负电阻温度系数热敏电阻(NTC)、正电阻温度系数热敏电阻(PTC)和在某一特性温度下电阻值会发生突变的临界温度电阻(CTR)。使用CTR组成热控制开关是十分理想的，但在温度测量中，则主要采用NTC,3.2 半导体敏感元件,2)使用时的注意事项 在使用热敏电阻时，也要注意到自热效应问题,但是，必须特别注意的有如下两点热敏电阻温度特性的非线性热敏电阻随温度变化呈指数规律，也就是说，其非线性是十分严重的。当需要进行线性转换时，就应考虑其线性化处理 II热敏电阻器特性的稳定性和老化问题早期热敏电阻器的

21、应用曾因其特性的不稳定、分散性、缺乏互换性和老化问题而受到限制。近十几年来，随着半导体工艺水平的提高，产品性能已得到很大的改善。现在已研制出精度优于热电偶，并具有互换性的热敏电阻，而且还能制造出300以下可忽略老化影响的产品。但不同厂家产品质量差异还比较大，使用时仍应认真选择。,3.2 半导体敏感元件,2气敏电阻气敏电阻是由金属氧化物烧结而成的半导体电阻元件，当环境中气体的成分或浓度发生变化时，导致气敏电阻的阻值发生变化，其变化范围在103105数量级之间。气敏电阻半导体材料亦分为N型半导体与P型半导体两种。N型材料如SnO2、ZnO、CdO、W2O3、MnO2、ThO2、TiO2等；P型材料

22、如MoO2、NiO、CoO、Cu2O、Cr2O3等，均为金属氧化物。其工作机理主要是由于各种可燃性气体的离解能比较小，容易失去电子，在遇到N型半导体材料时，由于其晶格氧离子缺位，气体中的电子向半导体移动，使半导体中载流子浓度增加，内阻减小；当遇到P型导体材料时，由于其阳离子缺位，呈空穴导电性，使半导体中载流子浓度下降，内阻增加。,3.2 半导体敏感元件,气敏电阻的结构如图所示。图中1为气敏半导体材料，体积很小，直径在1mm以内；2为加热电极；3为引出端电极，均为0.05mm铂电阻丝。在四个电极的支摔下封装在不锈钢防爆网内，构成气敏电阻。,3.3 光电传感器,光电传感器能将被测量的变化通过光信号

23、的变化转换成电信号电压、电流、电阻等)。具有这种功能的材料称为光敏材料，用光敏材料制成的器件称光敏器件 光传感器的精度高，分辨力高、可靠性高、抗干扰能力强，并可进行非接触测量。除可直接检测光信号外，还可间接测量位移、速度、加速度、温度、压力等物理量，所以它的发展很快，获得广泛应用,3.3 光电传感器,光的特性光具有波粒二象性，既具有波动的本性，又具有粒子的特性,3.3 光电传感器,不同频率和波长的光具有不同的能量，光的频率愈高(即波长愈短)，光子的能量就愈大，光的能量就是光子能量的总和。光照射在物体上可以看成一连串具有一定能量的光子轰击这些物体。根据爱因斯坦假说：一个光子的能量只能给一个电子，

24、因此电子增加的能量为hv。电子获得能量后释放出来，参加导电。这种物体吸收光的能量后产生电效应的现象叫做光电效应。三种类型：外光电效应：电子逸出物体表面光电导效应：电阻率的变化光生伏特效应：内部产生一定方向的电动势,内光电效应,3.3 光电传感器,光电管1)结构和工作原理典型的光电管有真空光电管和充气光电管两类，两者结构相似如图所示为光电管的结构示意图，它由一个阴极和一个阳极构成，它们一起装在一个被抽成真空的玻璃泡内，阴极装在光电管玻璃泡内壁或特殊的薄片上，光线通过玻璃泡的透明部分投射到阴极。要求阴极镀有光电发射材料，并有足够的面积来接受光的照射。阳极要既能有效地收集阴极所发射的电子，而又不妨碍

25、光线照到阴极上，因此是用一细长的金屑丝弯成圆形或矩形制成，放在玻璃管的中心。,3.3 光电传感器,充气光电管的结构基本与真空光电管相同，只是管内充以少量的惰性气体，如氖气等。当光电管阴极被光线照射产生电子后，在趋向阳极的过程中，由于电子对气体分子的撞击，将使惰性气体分子电离，从而得到正离子和更多的自由电子，使电流增加，提高了光电管的灵敏度。但充气光电管的频率特性较差，温度影响大，伏安特性为非线性等，所以在自动检测仪表中多采用真空光电管。,3.3 光电传感器,光敏电阻1)结构和原理光敏电阻又称为光导管。光敏电阻几乎都是用半导体材料制成。光敏电阻的结构较简单。在玻璃底板上均匀地涂上薄薄的一层半导体

26、物质，半导体的两端装上金属电极，使电极与半导体层可靠地电接触，然后，将它们压入塑料封装体内。为了防止周围介质的污染，在半导体光敏层上覆盖一层漆膜，漆膜成分的选择应该使它在光敏层最敏感的波长范围内透射率最大。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小,3.3 光电传感器,光敏二极管和光敏三极管1)结构及工作原理光敏二极管的结构与一般二极管相似，它装在透明玻璃外壳中，PN结位于管顶，可直接受到光照射。光敏二极管在电路中一般处于反向工作状态。在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，反向电流也叫暗电流，这时光敏二极管处于截止状态。当光照射时，光敏二极管处于导

27、通状态，工作原理与光电池类似。光敏三极管的结构与一般三极管很相似，有PNP型和NPN型两种,3.4霍尔传感器,1霍尔效应 1879年，霍尔发现在通有电流的金属板上加一匀强磁场，当电流方向与磁场方向垂直时，在与电流和磁场都垂直的金属板的两表面间出现电势差，这个现象称为霍尔效应，这个电势差称为霍尔电动势,3.4霍尔传感器,2霍尔元件由于导体的霍尔效应很弱，霍尔元件都用半导体材料制作。目前常用的霍尔元件材料是N型硅，它的霍尔灵敏度系数、温度特性、线性度均较好。锑化铟、砷化钢、N型锗等也是常用的霍尔元件材料。锑化铟元件的输出较大，受温度影响也较大；砷化铟和锗输出不及锑化钢大，但温度系数小，线性度好。砷

28、化镓是新型的霍尔元件材料，湿度特性和输出线性都好，但价格贵，今后将逐渐得到应用。,3.4霍尔传感器,霍尔元件的应用 1)利用U与I的关系当磁场恒定时，在一定温度下，霍尔电势U与控制电流I呈很好的线性关系，利用这一特性，霍尔元件可用于直接测量电流，也可用于测量能转换为电流的其他物理量。2)利用U与B的关系当控制电流一定时，霍尔电势与磁感应强度成正比。利用这个关系可以测量交、直流磁感应强度、磁场强度等。,3.4霍尔传感器,3)利用U与I、B的关系如果控制电流为I1，磁感应强度B由励磁电流I2产生，则霍尔电势可表示为利用上述乘法关系，将霍尔元件与激励线圈、放大器等组合起来，可以做成模拟运算的乘法器、

29、开方器、平方器、除法器等各种运算器。,3.4霍尔传感器,3集成霍尔传感器集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件、放大器、稳压电源、功能电路及输出电路等集成在一起的单片集成传感器。集成霍尔传感器中霍尔元件的材料仍以半导体硅为主，按输出信号的形式可分为线性型(又称模拟型)和开关型两类。霍尔集成电路有扁平封装、双列直插封装和软封装几种。,第四节 其他类型传感器,1超生波传感器为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器，或超声波探头。超声波测距原理：超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到相介面经过反射后，再返回到接收探头超

30、声波探头常用的材料是压电晶体和压电陶瓷，这种探头统称为压电式超声波探头，它是利用压电材料的压电效应来工作的。逆压电效应将高频电振动转换成高频机械振动，以产生超声波，可作为发射探头；而利用正压电效应则将接收的超声振动转换成电信号，可作为接收探头。,第四节 其他类型传感器,2微波传感器 由发射天线发出的微波，遇到被测物体时将被吸收或反射，使功率发生变化。若利用接收天线接收通过被测物或由被测物反射回来的微波，并将它转换成电信号，再由测量电路处理，就实现了微波检测。根据这一原理，微波传感器可分为反射式与遮断式两种。(1)反射式传感器通过检测被测物反射回来的微波功率或经过时间间隔，来表达被测物的位置、厚

31、度等参数。(2)遮断式传感器通过检测接收天线接收到的微波功率的大小，来判断发射天线与接收天线间有无被测物或被测物的位置等参数。,第四节 其他类型传感器,3红外探测器 红外探测器一般由光学系统、敏感元件、前置放大器和信号调制器组成。光学系统是红外探测器的重要组成部分。根据光学系统的结构分为反射式光学系统的红外探测器和透射式光学系统的红外探测器两种。,第四节 其他类型传感器,4射线式传感器射线式传感器主要由放射源和探测器组成，利用射线式传感器进行测量时，都要有可发射出粒子或射线的辐射源。选择射线源应尽量提高检测灵敏度和减小统计误差。为避免经常更换放射源，要求采用的同位素有较长的半衰期及合适的放射强

32、度。因此，尽管放射性同位索种类很多，但能用于测量的有二十种左右。放射线源的结构应使射线从测量方向射出，而其他方向则必须使射线的剂量尽可能小，以减少对人体的危害。射线辐射源一般为圆盘状，射线辐射源一般为丝状、圆柱状或团片状。图所示为厚度计辐射源容器，射线出口处装有辐射薄膜，以防灰尘浸入，并能防止放射源受到意外损伤而造成污染。,第五节 传感器的选用原则,5.1 传感器的选用指标5.2 传感器的选择与应用,5.1 传感器的选用指标,1灵敏度我们总希望传感器的灵敏度越高越好。因为灵敏度越高，意味着传感器感知的变化量越小，即被测量稍有一微小变化时，传感器就有较大反响。一般来讲，检测精度越高，就要求传感器

33、具有较高的灵敏度。然而要考虑到，当灵敏度高时，与测量信号无关的外界噪声也容易混入，并且噪声也会被放大系统放大。因此，必须考虑既要求检测微小量值，又要噪声小。为保证此点，往往要求信噪比越大越好，即要求传感器本身噪声小，且不易从外界引入干扰噪声。当输入量增大时，除非有专门的非线性校正措施，传感器不应进入非线性区，更不能进入饱和区域。有些检测工作在较强的噪声干扰下进行，这时对传感器来讲，其输入量不仅包括被测量，也包括干扰量，两者的叠加不能进入非线性区。显然，过高的灵敏度将会影响其适用测量范围。,*传感器的单向灵敏度越高越好，而横向灵敏度越低越好,5.1 传感器的选用指标,2响应特性传感器的响应特性是

34、指在所测频率范围内保持不失真的测量条件。实际传感器的响应总有一定的延迟，但希望延迟时间越小超好。一般来讲，利用光电效应、压电效应等制作的物性型传感器，其响应时间短，可工作频率范围宽。而结构型(如电感、电容、磁电式)传感器等，由于受结构特性的影响，以及机械系统惯性质量的限制，其固有频率较低。在动态测量中，传感器的响应特性对测试结果有直接影响。在选用时，应充分考虑到被测物理量的变化特点(如稳态、瞬变、随机等)。,5.1 传感器的选用指标,3线性范围任何传感器都有一定的线性范围，在线性范围内输出与输入成比例关系。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。线性范围越宽，表明传感器的工作量程越大

35、。然而，任何传感器都不容易保证其绝对线性，某些情况下，在保证检测精度的前提下，可利用其近似线性区。例如，变间隙型电容传感器、电感式传感器等，均采用在初始间隙附近的近似线性区内工作。选用时必须考虑被测物理量的变化范围，令其非线性误差在允许的范围之内。在进行自动检测的情况下，可利用微机系统，通过软件对传感器的输出特性进行线性补偿，往往可以使其线性范围扩大很多。,5.1 传感器的选用指标,4稳定性稳定性表示传感器经过长时间使用以后，其输出特性不发生变化的性能，和传感器在正常工作条件下，环境参数(如温度、湿度、大气压力等)的变化对其输出特性影响程度的指标。因而，影响传感器稳定性的因素是时间与环境。为了

36、保证稳定性，在选定传感器之前，应对使用环境进行调查，以选择较合适的传感器类型。例如湿度会影响电阻应变式传感器的绝缘性能；温度的变化将产生零点漂移；长期使用会发生蛹变现象等。又如：变间隙型电容传感器，环境湿度或油剂侵入间隙时，相当于电容器的介质发生变化；光电式传感器感光表面有尘埃或水汽时，要导致灵敏度下降；磁电式传感器在电场或磁场中工作时，亦会带来测量误差等等,5.1 传感器的选用指标,5精确度传感器的精确度表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器处于检测系统的输入端，因此，传感器能否真实地反映被测量值，对整个系统具有直接影响。在实际工作中，并非要求传感器的精确度越高越好。传感器的精确度越高价

37、格也越昂贵。因此应考虑到经济性从实际出发来选择。在确定传感器的精确度时，首先应了解检测的目的和要求，判定是定性分析还是定量分析。如果是属于相对比较性的试验研究，只需获得相对比较值即可，那么要求传感器的精密度高，而无需要求绝对量值。如果是进行定量分析，那就必须获得精确量值，因而要求传感器要有足够高的精确度。例如，超精密切削机床，为研究其运动部件的定位精度、主轴回转运动误差、振动及热变形等，往往要求测量精度在0.150.015m范围内，要测得这样的量值，必须选用高精度的传感器。,5.1 传感器的选用指标,6测量方式在实际检测工作中，传感器的工作方式(如接触测量、乔线测量与非在线侧且等)也是选用传感

38、器时应考虑的重要因素。条件的不同，对传感器的要求也不同。在机械系统中，运动部件的被测参数(例如回转轴的运动误差、振动、规矩等)往往采用接触测量，有许多实际因素、诸如测量头的磨损、接触状态的变动等都不易妥善解决，也易造成测量误差，同时给信号的采集带来困难。若采用电容式、电涡流式等非接触传感器，将带来很大方便。若选用电阻应变片时，则需配以遥测应变仪。,5.2 传感器的选择与应用,1传感器的选择与方法1)测试条件与目的(1)测试的目的(2)被测量的选择(3)测量范围(4)过载的发生频度(5)输入信号的频带(6)测量要求精度(7)测量时间,5.2 传感器的选择与应用,2)传感器的性能(1)精度；(2)

39、稳定性；(3)响应速度；(4)输出信号类型(模拟或数字)；(5)静态特性、动态特性和环境特性；(6)传感器的工作寿命或循环寿命；(7)标定周期；(8)信噪比。,5.2 传感器的选择与应用,3)传感器的使用条件(1)所测量的流体、固体对传感器的影响；(2)传感器对被测对象的质量(负荷)效应；(3)安装现场条件及环境条件(温度、湿度、(4)信号的传输距离；(5)传感器的输出端的连接方式；(6)传感器对所测量物理量的实际值的影响(7)传感器是否符合国家标准或工业规范；(8)传感器的失效形式，(9)传感器的维护、安装、(10)传感器的标定方法；(11)传感器的安装方式；(12)过载保护,5.2 传感器

40、的选择与应用,4)传感器所接数据采集系统及辅助设备(1)传感器所连接数据系统的一般性质；(2)数据系统主要单元的性质，其中包括数据传输连接方式、数据处理方法、数据存储方法、数据显示方式；(3)数据系统的精确性和频率的响应特性；(4)传感器系统的负荷阻抗特性；(5)传感器的输出是否需要进行频率滤波和幅值变换及其处理方法(6)数据系统对传感器输出误差检测或校正能力,5.2 传感器的选择与应用,5)关于购置与维护项目(1)传感器的价格；(2)出厂日期；(3)服务体制；(4)备件；(5)保修期间,5.2 传感器的选择与应用,以上是与选择传感器有关的主要项目。另外，在选择测量范围或刻度范围时，希望平时使

41、用的指示是在满量程的50以上，以保证其精度。传感器的响应速度要与输入信号的频带相符，以便得到良好的信噪比。同时还要考虑传感器的招精保持范围。精度高的一般售价高，而且也不能随便的使用。除传感器的设置场所以外，其安装方法也要给予注意，有关的外形尺寸和重量等也有必要了解。对于传感器工作在危险地点和苛刻的环境，传感器最重要的是可靠性和安全性。尽可能从已作为标准产品的商品中选择传感器，无论从价格上还是从维修上都是上策。某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器，自制传感器的性能要符合有关标准。,5.2 传感器的选择与应用,2传感器的应用及注意事项(1)使用前必须要认真阅读使用说明书。

42、(2)正确地选择安装点和正确安装传感器都是非常重要的环节。若在安装环节失误，轻者影响测量精度，重者会影响传感器的使用寿命，甚至损坏传感器。安装固定传感器的方式要简单可靠。在某一周期内，传感器的功能将会达到连续可靠，该周期长达30天。传感器在工业环境下至少工作两年或更长，在合理的费用基础之上进行更新和替换(3)一定要注意传感器的使用安全性，比如传感器自身和操作人员的安全性，特别是注意在说明书中所标注的“注意”和危险项目,5.2 传感器的选择与应用,(4)传感器和测量仪表必须可靠连接，系统应有良好的接地，远离强电场、强磁场。传感器和仪表应远窝强腐蚀性物体，远离易燃、易爆物品。(5)仪器输入端与输出

43、端必须保持干燥和清洁。传感器在不用时，保持传感器的插头和插座的清洁。(6)传感器通过插头与供电电源和二次仪表连接时，应注意引线号不能接错连接传感器与测量仪表之间的连接电缆必须符合传感器及使用条件的要求,5.2 传感器的选择与应用,(7)精度较高的传感器都需要定期校准，一般来说，需要36周校淮一次。(8)各种传感器都有一定的过载能力，但使用时应尽量不要超旦程。(9)在插拔仪表与外部设备连接线前，必须先切断仪表及相应设备电源。(10)传感器不使用时，应存放在温度为1035，相对湿度不大于85，无酸、无碱和无腐蚀性气体的房间内。(11)传感器如果出现异常或故障应及时与厂家联系，不得擅自拆卸传感,作业,应用所学传感器设计一套能够检测学生考试作弊的装置，说明测量物理量、装置原理及检测的作弊行为。,