工业仪表与工程测试：第2章 传感器

Chapter Two Chapter Two Sensors将观测将观测信息转换信息转换为电、光等信号的技术。为电、光等信号的技术。实现机实现机电、热电、热电、声电、声电、光电、光电、电、机机光、热光、热光等光等信号转换的元件信号转换的元件。将传感元件通过机械结构将传感元件通过机械结构支承固定支承固定，并通，并通过机械电气或其他方法过机械电气或其他方法连接起来连接起来，将所获，将所获信号传输信号传输出去出去的装置。的装置。在动态测试中，最常用的传感技术是将被测物理量转换成电在动态测试中，最常用的传感技术是将被测物理量转换成电输出信号输出信号电信号传感器电信号传感器。线性度好；线性度好；灵敏度高与灵敏度误差小灵敏度高与灵敏度误差小有较好的重复性和稳定性有较好的重复性和稳定性滞后误差小、漂移小；滞后误差小、漂移小；具有较高的分辨力；具有较高的分辨力；动态性能好；动态性能好；被测对象的影响小，即被测对象的影响小，即“负载效应负载效应”较低。较低。抗腐蚀抗腐蚀、抗震、抗干扰、抗震、抗干扰、耐高温耐高温、非接触或远距离测量、非接触或远距离测量。按按输入量输入量分类：分类：测力测力传感器传感器输入信号为输入信号为力信号；力信号；位移位移传感器传感器输入信号为输入信号为位移信号；位移信号；温度温度传感器传感器被被测量为温度；等等测量为温度；等等 按按输出量输出量分类：分类：如果输出量是如果输出量是电量电量，则还可分为电，则还可分为电路参数型传感器和发电型传感器。路参数型传感器和发电型传感器。便于便于选择选择使用使用便于便于学习学习研究研究 电量输出电量输出 传感器传感器电路参数型电路参数型发电型：发电型：电阻式电阻式电容式电容式电感式电感式 输出电源性参量输出电源性参量如电势、电荷等如电势、电荷等 按按分类分类结构型：靠结构参数变化实现结构型：靠结构参数变化实现 信号变换信号变换 物性型：靠传感器内部的物理、物性型：靠传感器内部的物理、化学性质变化实现传感功能化学性质变化实现传感功能 如变极距式电容传感器如变极距式电容传感器 如光电、热如光电、热电传感器电传感器 模拟式模拟式(传统式传统式)传感器：以连续变化信号作输出量；传感器：以连续变化信号作输出量；数字式数字式传感器：以数字量输出的传感器。传感器：以数字量输出的传感器。智能智能传感器：带微处理器并兼有监测和信息处理功能传感器：带微处理器并兼有监测和信息处理功能 将被测物理量转化为将被测物理量转化为电路参数电路参数：电阻、电电阻、电容、电感容、电感测量直线位移测量直线位移的电位计的电位计 测量应变的电测量应变的电阻应变片阻应变片 测量温度的热测量温度的热敏电阻敏电阻 热线风速计热线风速计 测量流体压力测量流体压力的的金属丝压敏金属丝压敏传感元件传感元件 代表型式：代表型式：用来测量线位移或角位移的用来测量线位移或角位移的，或称，或称电位器。电位器。结构特点：结构特点：电阻材料导线覆以绝缘涂层后排绕而成，在工作电阻材料导线覆以绝缘涂层后排绕而成，在工作表面上磨去绝缘层。弹性导体制成的电刷在工作表面上滑表面上磨去绝缘层。弹性导体制成的电刷在工作表面上滑动，随着电刷位移的变化而引起电阻值的变化。动，随着电刷位移的变化而引起电阻值的变化。缺点缺点：分辨率较低分辨率较低 电阻值变化范围很小，电阻值变化范围很小，变化范围：原始阻值的百变化范围：原始阻值的百分之几以内分之几以内。代表型式：代表型式：电阻应变式传感元件电阻应变式传感元件(电阻应变片电阻应变片)，体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便。体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便。电阻丝电阻丝基基 片片覆盖层覆盖层 应变电阻丝应变电阻丝胶接胶接在绝缘薄膜材料在绝缘薄膜材料基片基片上。上。使用时，将此带有应变电阻丝的使用时，将此带有应变电阻丝的基片基片再再胶接胶接在在被测应变构件被测应变构件上，使上，使被测应变通过被测应变通过基片带动应变电阻丝变形，使电阻发生相基片带动应变电阻丝变形，使电阻发生相应的变化应的变化，电阻的变化值与被测构件的应，电阻的变化值与被测构件的应变值存在一定的函数关系，从而实现应变变值存在一定的函数关系，从而实现应变到电阻的转换。到电阻的转换。电阻丝在长度方向变形时，其长度电阻丝在长度方向变形时，其长度l，截面，截面积积F和电阻率和电阻率均会变化，且三者的变化均均会变化，且三者的变化均会引起电阻会引起电阻R的变化。的变化。电阻丝的截面是半径为电阻丝的截面是半径为r的圆形，则的圆形，则 FlR导体的导体的电阻率电阻率 电阻丝横截面积电阻丝横截面积 电阻丝长度电阻丝长度 drdrldlRdR2(2-3)所以所以电阻丝材料的压电阻丝材料的压阻系数阻系数 泊松比泊松比电阻丝材料电阻丝材料的弹性模量的弹性模量 ldlrdrLd/EEdL/-纵向应变纵向应变ERdRL21上述各式代入式上述各式代入式(2-3)得得21EL 对于金属材料对于金属材料21RdR故故(1)工作原理工作原理 两平行平面导体间的电容两平行平面导体间的电容 SC0极板间介质的极板间介质的相对介电常数相对介电常数 真空中的真空中的相对介电常数相对介电常数 两极板间相互两极板间相互覆盖面积覆盖面积 极板间距离极板间距离 定极板固定，动极板随定极板固定，动极板随被测位移而移动被测位移而移动 上、下极板固定，中间极板活动。上、下极板固定，中间极板活动。电容极距电容极距非线性关系非线性关系 为减小非线性为减小非线性误差，通常该误差，通常该传感器在极小传感器在极小测量范围内工测量范围内工作，使之获得作，使之获得近似线性的特近似线性的特性。性。为提高灵敏度和线性度、克服某些外界条件为提高灵敏度和线性度、克服某些外界条件(电源电源电压、环境温度电压、环境温度)变化的影响，采用差动型式电容变化的影响，采用差动型式电容传感器。传感器。灵敏度灵敏度 零点附近的线性度零点附近的线性度 上、下两极板固定，中间极板活动。上、下两极板固定，中间极板活动。未开始测量时将活动极板调整在中间位置，未开始测量时将活动极板调整在中间位置，二边电容相等。二边电容相等。测量时，中间极板向左或右平移，就会引测量时，中间极板向左或右平移，就会引起电容量的左增右减或反之。起电容量的左增右减或反之。两边电容的差值两边电容的差值ClC2为二者之和为二者之和 将被测物理量如位移、力等参量转化为自感将被测物理量如位移、力等参量转化为自感L、互感互感M变化变化 形式：形式：自感式、互感式、涡流式、压磁式等自感式、互感式、涡流式、压磁式等 输出功率大、灵敏度高、稳定性好、使用调整方输出功率大、灵敏度高、稳定性好、使用调整方便等便等2.2.3.1自感式传感器的结构和工作原理自感式传感器的结构和工作原理 缠绕在铁芯上的线圈缠绕在铁芯上的线圈中通以交变电流中通以交变电流i，产，产生磁通生磁通 ，形成磁通，形成磁通回路。回路。磁通与电流磁通与电流的关系的关系：LiNm线圈匝数线圈匝数 比例系数比例系数 导磁长度导磁长度导磁面积导磁面积气隙宽度气隙宽度mmmRNi磁路欧姆定律磁路欧姆定律：磁阻磁阻磁动势磁动势 mRNL/2代入上式，得代入上式，得：002SSlRm磁阻的计算磁阻的计算：00221SSlNL自感量自感量L是是N、S、的函数，若仅使其中的函数，若仅使其中一个参量变化，即得一个参量变化，即得L与该参量的单值函与该参量的单值函数关系，因而可做成数关系，因而可做成各种电感式传感器。各种电感式传感器。改变气隙改变气隙厚度厚度 改变导磁改变导磁面积面积 改变有效线改变有效线圈匝数圈匝数 为提高自感传感元件的精度和灵敏度，增大特性为提高自感传感元件的精度和灵敏度，增大特性的线性段，多做成差动式，其机械部分相当于两的线性段，多做成差动式，其机械部分相当于两个上述变气隙厚度元件的组合。个上述变气隙厚度元件的组合。结构和工作原理与变压器相似，故也称结构和工作原理与变压器相似，故也称变压器式变压器式传感器传感器。原线圈原线圈副线圈副线圈 它是将被它是将被测物力量，测物力量，如力、位如力、位移等转换移等转换成互感系成互感系数的一种数的一种传感器。传感器。互感系数互感系数是原、副线圈的匝数、长度、相互是原、副线圈的匝数、长度、相互位置，以及整个磁路磁阻等因素的函数。变位置，以及整个磁路磁阻等因素的函数。变化其中一个参数都会改变互感大小，进而改化其中一个参数都会改变互感大小，进而改变感应电势。测量感应电势的改变可以测量变感应电势。测量感应电势的改变可以测量各个参数的变化。各个参数的变化。MLjREjE11121副线圈感应电势副线圈感应电势原线圈交变电势原线圈交变电势原线圈自感原线圈自感原线圈电阻原线圈电阻交变电流角频率交变电流角频率互感系数互感系数 2.3.1 磁电式传感器磁电式传感器 将被测机械量转化为感应电动势，故又称将被测机械量转化为感应电动势，故又称电动电动力式传感器力式传感器。根据电磁感应定律，匝数为。根据电磁感应定律，匝数为N的的线圈处在变化的磁场中所感生的电势线圈处在变化的磁场中所感生的电势e取决于取决于穿过线圈的磁通穿过线圈的磁通 的变化率，即的变化率，即dtdNe有：磁电型、压电型、有：磁电型、压电型、热电型和光电型等。热电型和光电型等。又分：动圈式、动磁铁又分：动圈式、动磁铁式和变磁阻式传感器。式和变磁阻式传感器。动圈式：测量直线速度动圈式：测量直线速度动圈式：测量角速度动圈式：测量角速度动磁铁式动磁铁式：测量直线速度：测量直线速度磁电式磁电式：测量直线速度：测量直线速度 传感器的线圈处于永久磁铁所形成的闭合磁路工传感器的线圈处于永久磁铁所形成的闭合磁路工作气隙中，当此线圈相对磁场作直线运动时，在作气隙中，当此线圈相对磁场作直线运动时，在其上所感生的电势为其上所感生的电势为 sinsinNBlvdtdxNBle工作气隙中的磁感工作气隙中的磁感应强度应强度 线圈运动方向相对于磁线圈运动方向相对于磁场方向的夹角场方向的夹角 线圈相对于磁场的线圈相对于磁场的运动线速度运动线速度 线圈的单匝长度线圈的单匝长度 若若=900，则，则 BlvNe 若若B、l和和N已定，则已定，则e与与 v呈单值函数关系。故可呈单值函数关系。故可用输出电势值测量线圈运动速度用输出电势值测量线圈运动速度速度传感器速度传感器。对速度传感器的输出对速度传感器的输出积分积分反映位移的信号；对速反映位移的信号；对速度传感器的输出度传感器的输出微分微分反映加速度的信号。反映加速度的信号。利用此原理可制成两种实用速度传感器：利用此原理可制成两种实用速度传感器：测量较长行程的直线速度传感器；测量较长行程的直线速度传感器；测量振动速度的传感器。测量振动速度的传感器。两层线圈，线圈两层线圈，线圈1绕在薄层绝缘材料圆筒绕在薄层绝缘材料圆筒2上，上，与外壳与外壳4固结在一起；线圈固结在一起；线圈3绕在由铁磁材料绕在由铁磁材料制成的内轴上，分两段绕制；外壳制成的内轴上，分两段绕制；外壳4由铁磁由铁磁材料制成。材料制成。线圈线圈1线圈线圈3 外壳外壳圆筒圆筒 对线圈对线圈l通以直流电流，所产生的磁通量沿内轴一通以直流电流，所产生的磁通量沿内轴一气隙气隙外壳形成封闭回路。外壳形成封闭回路。内轴与外壳相对运动时，两边气隙中的线圈切割内轴与外壳相对运动时，两边气隙中的线圈切割磁力线而使线圈中产生感应电势，因两边气隙中磁力线而使线圈中产生感应电势，因两边气隙中磁通量方向相反，故左右两边线圈所产生的感应磁通量方向相反，故左右两边线圈所产生的感应电势方向相反。电势方向相反。如作反向串接则两边的感应电势相互相加而提如作反向串接则两边的感应电势相互相加而提高其灵敏度。高其灵敏度。输出感应电势与内轴和外壳相对运动速度成正比。输出感应电势与内轴和外壳相对运动速度成正比。因此，可用输出电势来测量相对运动速度。因此，可用输出电势来测量相对运动速度。中心细轴中心细轴l由片状弹簧由片状弹簧2支承在外壳支承在外壳6上，可以作左右上，可以作左右直线移动，轴上安装有感应线圈直线移动，轴上安装有感应线圈4。永久磁铁。永久磁铁3固定固定在外壳在外壳6上，与外壳形成封闭回路，留有一工作气隙。上，与外壳形成封闭回路，留有一工作气隙。线圈线圈4处于此工作气隙中。处于此工作气隙中。沿一定方向对某些晶体电介质材料沿一定方向对某些晶体电介质材料施加外力使之变形时，其表面将产生电荷，外力施加外力使之变形时，其表面将产生电荷，外力去除后，介质表面又回到不带电的状态。去除后，介质表面又回到不带电的状态。对电介质表面施以电场，则介质将对电介质表面施以电场，则介质将产生机械变形。产生机械变形。若外加作用力由压力变为拉若外加作用力由压力变为拉力，则介质表面上所产生的电荷的符号相应改变。力，则介质表面上所产生的电荷的符号相应改变。压电材料：压电材料：具有压电效应的材料：具有压电效应的材料：压电晶体压电晶体天然的单晶体，如天然石英晶体等；天然的单晶体，如天然石英晶体等；压电陶瓷压电陶瓷人工制造的多晶体，如钛酸钡、锆钛人工制造的多晶体，如钛酸钡、锆钛酸铅酸铅(简称简称PZT)等；等；压电薄膜压电薄膜:用有机聚合物的铁电体加工出用有机聚合物的铁电体加工出具有柔具有柔性的薄膜压电材料，常用的有聚偏氟乙烯性的薄膜压电材料，常用的有聚偏氟乙烯(PVF2)等，它适用于特殊表面形状上的测力处，是一种等，它适用于特殊表面形状上的测力处，是一种很有前途的压电材料。很有前途的压电材料。性 能 稳性 能 稳定，机定，机械 性 能械 性 能好好 灵敏度灵敏度较高较高 两片压电晶体片对放两片压电晶体片对放(以提高传感器灵敏度以提高传感器灵敏度)。被。被测力作用在弹性顶盖上，直接传递到压电片上，测力作用在弹性顶盖上，直接传递到压电片上，压电片受力变形产生电荷，由引线输出。所输出压电片受力变形产生电荷，由引线输出。所输出的电荷大小反映作用力的数值。的电荷大小反映作用力的数值。图图2-19 压电力传感器压电力传感器内部含有分别敏感三个方向内部含有分别敏感三个方向力的压电片力的压电片，排列，排列(a)(a)所示。所示。每一方向敏感压电片均为二每一方向敏感压电片均为二片片。为分别敏感三个方向的。为分别敏感三个方向的分力，三组压电片利用了两分力，三组压电片利用了两种不同的压电效应：种不同的压电效应：横向或纵向压电效应横向或纵向压电效应：感受：感受z z方向正压力；方向正压力；剪切压电效应剪切压电效应：感受：感受x x和和y y方方向的侧向压力。向的侧向压力。三对压电片的电荷输出分别三对压电片的电荷输出分别反映三个方向的力分量。反映三个方向的力分量。图图2-20 三向压电力传感器三向压电力传感器2.4.1定义及特点定义及特点光纤是用玻璃、石英、塑料等光透射率高的电介光纤是用玻璃、石英、塑料等光透射率高的电介质制作的极细纤维，在近红外线至可见光范围内质制作的极细纤维，在近红外线至可见光范围内传输损耗非常小，是极为理想的传输线路。传输损耗非常小，是极为理想的传输线路。光导纤维传送信息的特点：光导纤维传送信息的特点：低衰减、柔性好、信息量大、频带宽以及不受外低衰减、柔性好、信息量大、频带宽以及不受外界干扰、防水性、绝缘性、尺寸小、质量轻、节界干扰、防水性、绝缘性、尺寸小、质量轻、节省贵重金属、成本低。省贵重金属、成本低。2.4.2 光纤结构光纤结构中心部分中心部分(纤芯纤芯)之外覆盖一层折射率比它稍低的介质之外覆盖一层折射率比它稍低的介质(包层包层)。被测光在光纤断面的入射角小于临界角时，光线被测光在光纤断面的入射角小于临界角时，光线在界面上产生全反射，并沿光纤轴向传播。在界面上产生全反射，并沿光纤轴向传播。图图2-21 光导纤维原理结构光导纤维原理结构2.4.3 2.4.3 光纤传感器类型光纤传感器类型利用光纤制造的传感元件的类型：利用光纤制造的传感元件的类型：传输型光纤传感元件：传输型光纤传感元件：利用光纤的低损耗传输功利用光纤的低损耗传输功能；能；传感型光纤元件：传感型光纤元件：利用光纤本身特性受被测参数利用光纤本身特性受被测参数影响发生变化，如其中光波的强度、相位、偏振影响发生变化，如其中光波的强度、相位、偏振面或频率，通过测量光纤中光波的这些特性参数，面或频率，通过测量光纤中光波的这些特性参数，来感知被测量大小。以此原理制成的传感元件为来感知被测量大小。以此原理制成的传感元件为传感性光纤元件。传感性光纤元件。光源发出的光沿光纤传输，在传感元件上有一反光源发出的光沿光纤传输，在传感元件上有一反射面将此光束反射至接收光纤，再将之传输至接射面将此光束反射至接收光纤，再将之传输至接收器后加以处理，由显示器读出读数。收器后加以处理，由显示器读出读数。工作时，传感元件的反射表面角度随被测参数变工作时，传感元件的反射表面角度随被测参数变化，使接收光纤所接受的光通量改变，显示器显化，使接收光纤所接受的光通量改变，显示器显示光通量变化，即反映出被测参数的变化。示光通量变化，即反映出被测参数的变化。据此原理可做成据此原理可做成反映位移变化或可转化成位移变反映位移变化或可转化成位移变化参数的传感器。化参数的传感器。由光源发射的光经敏感元件二次反射后由接收光由光源发射的光经敏感元件二次反射后由接收光纤送到接收器处理后作显示。纤送到接收器处理后作显示。工作时，敏感元件材料对光的吸收率随被测参数工作时，敏感元件材料对光的吸收率随被测参数变化，而使显示值发生变化。变化，而使显示值发生变化。用此原理制成的光纤温度传感器：用半导体砷化用此原理制成的光纤温度传感器：用半导体砷化镓作敏感元件，其光吸收率随温度而变化。镓作敏感元件，其光吸收率随温度而变化。光源发出的光经半透明分光镜分光后，光源发出的光经半透明分光镜分光后，一束一束由参考光纤传输，由参考光纤传输，另一束另一束由敏感光纤传输，由敏感光纤传输，两束光均送入接收器，经比较后，两束光均送入接收器，经比较后，显示器显示出其差异值。显示器显示出其差异值。参考光纤不发生变化，敏感光纤受被测参数作用而产生传输参考光纤不发生变化，敏感光纤受被测参数作用而产生传输特性变化，使通过光波的有关参数特性变化，使通过光波的有关参数(光强、相位、偏振面、频光强、相位、偏振面、频率率)发生变化，将此变化的光波与末变化的参考光波相比较后发生变化，将此变化的光波与末变化的参考光波相比较后作出显示，反映被测参量的数值。作出显示，反映被测参量的数值。用此原理可做成用此原理可做成测量压力、水声、振动、温度测量压力、水声、振动、温度以及大电流测以及大电流测量的传感器。量的传感器。问题：问题：反射式、吸收式和调制式光反射式、吸收式和调制式光纤传感器的工作原理有何不纤传感器的工作原理有何不同？同？2.5.1 智能传感器的概念智能传感器的概念 传感器(通过信号调理电路)与微处理器赋予足够的智能结合，并兼有信息检测与信息处理功能的传感器。说明：不是简单的将传感器和微处理机集成在一块芯片上。自校零、自标定、自校正功能；自校零、自标定、自校正功能；自动补偿功能；自动补偿功能；自动采集数据，并对数据进行预处理；自动采集数据，并对数据进行预处理；自动进行检验、自选量程、自寻故障；自动进行检验、自选量程、自寻故障；数据存储、记忆与信息处理功能；数据存储、记忆与信息处理功能；双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；双向通讯、标准化数字输出或者符号输出功能；判断、决策处理功能。判断、决策处理功能。(1)精度高：精度高：非线性系统误差的自动校正，对大量数据统计非线性系统误差的自动校正，对大量数据统计处理以消除偶然误差的影响。处理以消除偶然误差的影响。(2)可靠性和稳定性高可靠性和稳定性高：自动补偿因工作条件与环境参数变：自动补偿因工作条件与环境参数变化引起的系统特性的漂移，实时进行系统的自动检验，分析、化引起的系统特性的漂移，实时进行系统的自动检验，分析、判断数据的合理性并给出异常情况的应急处理判断数据的合理性并给出异常情况的应急处理(报警或故报警或故障提示障提示)。(3)信噪比和分辨力高信噪比和分辨力高：去除输入数据中的噪声，将有用信：去除输入数据中的噪声，将有用信号提取出来，通过数据融合、神经网络技术，消除多参数状号提取出来，通过数据融合、神经网络技术，消除多参数状态下交叉灵敏度的影响。态下交叉灵敏度的影响。(4)自适应性强自适应性强：根据系统工作情况进行决策，使系统处于：根据系统工作情况进行决策，使系统处于最低功耗状态，优化传送效率。最低功耗状态，优化传送效率。(5)性价比高性价比高 (1)非集成化实现系统非集成化实现系统 (2)集成化实现系统集成化实现系统 (3)混合实现混合实现 图图2-26 模糊传感器的简单结构示意图模糊传感器的简单结构示意图图图2-25 非集成式智能传感器框图非集成式智能传感器框图图图2-27 集成智能传感器外形示意图集成智能传感器外形示意图 采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，采用微机械加工技术和大规模集成电路工艺技术，利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、利用硅作为基本材料来制作敏感元件、信号调理电路、微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成。微处理器单元，并把它们集成在一块芯片上而构成。