常用的传感器

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,第三章 常用的传感器,3.1,概述,3.2,机械式传感器,3.3,电阻式传感器,3.4,电感式传感器,3.5,电容式传感器,3.6,压电式传感器,3.7,磁电式传感器,3.8,半导体式传感器,3.9,光纤传感器,3.10,传动器的选用原则,返回总目录,9/21/2024,1,3.1 概述,传感器:,工程上通常把直接作用于被测量,能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件.,传感器的作用类似人的器官,他把被测量转换为易测信号,传送给测量系统的信号调理环节.,一 传感器的作用,返回章目录,9/21/2024,2,3.1 概述,二 传感器的分类,按被测量分:,位移式传感器,力传感器,温度传感器等,按工作原理分:,机械式,电气式,光学式,流体式等,按信号变换特征分:,物性型和结构型,按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,能量转换型,与能量控制型,按输出信号分:,模拟式和数字式,返回章目录,9/21/2024,3,3.2 机械式传感器,原理：,在测试技术中，以弹性体作为传感器的敏感元件，对力、压力、温度等物理量进行测量，而输出弹性元件本身的弹性变形，经放大后成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。,典型应用：,用于测力或称重的环性测力计、弹簧称等；用于测量流体压力的波纹膜片、波纹管等；用于温度测量的双金属片等,返回章目录,9/21/2024,4,3.2 机械式传感器,优点：,结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等,缺点：,弹性变形不宜大，以减小线形误差。,此外，由于放大和指针环节多为机械传动，不仅受间隙的影响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。,返回章目录,9/21/2024,5,3.3,电阻式传感器,电阻式传感器是一种把被测量转化为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。,一、变阻器式传感器,原理：它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。根据下式,式中,电阻率,l 电阻丝长度,A 电阻丝截面积,返回章目录,9/21/2024,6,3.3,电阻式传感器,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。式中电阻值的单位为,常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线形型。,变阻器式传感器的后接电路，一般采用电阻分压电路，如动画（图3-6）所示,返回章目录,9/21/2024,7,3.3,电阻式传感器,当电刷移动x距离后，传感器的输出电压 可用下式计算,式中,变阻器的总电阻,变阻器的总长度,后接电路的输入电阻,上式表明，为减小后接电路的影响，应使 。,变阻器式传感器的优点是结构简单，性能稳定，使用方便。缺点是分辨力不高。,返回章目录,9/21/2024,8,3.3,电阻式传感器,二、电阻应变式传感器,优点：体积小、动态响应快测量精度高、使用简便,电阻应变式传感器分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类 .,（一）金属电阻应变片,常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。其工作原理都是基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。,把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上。在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其电阻值发生相应变化。由此，将被测量转化为电阻变化,。,返回章目录,9/21/2024,9,3.3,电阻式传感器,由于电阻值 R=l/A，其中长度l、截面积A、电阻率将随电阻丝的变形而变化。而l、A、的变化又将引起R的变化。故电阻增量为,式中A=r，r为电阻丝的半径，所以上式为,电阻的相对变化,（3-4）,（3-5）,返回章目录,9/21/2024,10,3.3,电阻式传感器,当电阻丝沿轴向伸长时，必须沿径向缩小，两者之间的关系为,将6 、7 式带入 5 式 ，则有,（3-6）,（3-7）,（3-8）,返回章目录,9/21/2024,11,3.3,电阻式传感器,其中（1+2）项是由电阻丝几何尺寸改变引起的。对于同一电阻材料，1+2是常数。,E项是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，E是很小的，可忽略。这样 8式就可简化为,（3-9）,9 式表明了电阻相对变化率与应变成正比。比值一般称为电阻应变片的应变系数或灵敏度,（3-10）,返回章目录,9/21/2024,12,3.3,电阻式传感器,（二）半导体应变片,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的压阻效应。,所谓压阻效应是指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。,根据 8 式，（1+2）项是由几何尺寸改变引起的，E项是由电阻率变化引起的。对半导体而言，后者远远大于前者，它是半导体应变片电阻变化的主要部分，故 8式 可简化为,返回章目录,9/21/2024,13,3.3,电阻式传感器,这样，半导体应变片的灵敏度,这一数值比金属丝电阻应变片大5070倍,。,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的电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起的电阻的变化。,优点是灵敏度高，缺点是温度稳定性差、灵敏度分散度大以及在较大应变作用下，非线形误差大。,返回章目录,9/21/2024,14,3.3,电阻式传感器,（三）电阻应变片式传感器应用方式,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、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件得到与被测量成正比的应变，在由应变片转换为电阻的变化。,（动画演示）,返回章目录,9/21/2024,15,3.4,电感式传感器,将被测参数转换为线圈自感量或互感量变化的装置。电感式传感器可分为自感型和互感型两大类,一、自感型,（一） 可变磁阻式传感器,图示动画（图3-12）为变磁阻式传感器的原理图。,返回章目录,9/21/2024,16,3.4,电感式传感器,线圈自感量可用下式表示,式中 N线圈匝数,磁路总电阻,由于两侧气隙磁阻远大于铁芯和衔铁磁阻之和：,所以,返回章目录,9/21/2024,17,3.4,电感式传感器,式中,空气磁导率,A,铁芯截面积,气隙长度,由上式可知，线圈的自感量L与铁芯截面积A成正比，而与气隙长度成反比，函数关系如前边动画（图3-12）所示。,（,可变导磁面积型磁阻传感器动画,）,（二） 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。下图动画（图3-15）是一个高频反射式涡电流传感器的工作原理。,动画,返回章目录,9/21/2024,18,3.4,电感式传感器,金属板置于一只线圈附近，相互间距为。当线圈中有一高频交变电流I通过时，便产生磁通 。此交变磁通通过邻近的金属板，金属板上便产生感应电流 。这种电流在金属体内是闭合的，称之为涡电流或涡流。这种涡电流也将产生交变磁通 。根据楞次定律，涡电流的交变磁场与线圈的磁场变化方向相反， 总是抵抗的变化。由于涡流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗Z发生变化，变化程度与距离有关。,涡电流式传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路及调频电路,。,（涡流传感器测量钢板厚度动画）,应用：,（涡流传感器测输送带上零件动画）,（测量转速动画）,返回章目录,9/21/2024,19,3.4,电感式传感器,二、互感型差动变压器式传感器,这种传感器是利用电磁感应中的互感现象，如下图所示。,返回章目录,9/21/2024,20,3.4,电感式传感器,当线圈 输入交流电流 时，线圈 产生感应电动势 ，其大小与电流 的变换率成正比，即,式中,M,比例系数，称为互感,下面,动画,是一种用于小位移测量的差动相敏检波电路工作原理。在没有输入信号时，铁心处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有输入信号时，铁心移上或移下，输出电压经过交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出，由表头指示输入位移量大小和方向。,返回章目录,9/21/2024,21,3.5,电容式传感器,一、电容式传感器工作原理,设平板电容器两极板间距离为，有效覆盖面积为A，极板间介质的相对介电系数，真空介电常数 ，则电容器的电容量为,如果在、A、三个参数中保持其中的两个不变，而只改变一个参数，则电容器的电容量将随之发生变化。所以电容式传感器可以分成三种类型：极距变化型（变）、面积变化型（变A）和介质变化型（变）。,返回章目录,9/21/2024,22,3.5,电容式传感器,1.极距变化型,当极距有微小变化d时，引起电容变化量dC为,传感器灵敏度为,优点：可进行动态非接触式测量,动画,为了提高灵敏度、线性度常采用差动式电容传感器。（,动画,）,返回章目录,9/21/2024,23,3.5,电容式传感器,2.面积变化型,保持电容器极板距离、介质不变，仅改变极板间的相对覆盖面积。则此中传感器灵敏度为常数,通常电容传感器的覆盖面积与线形位移间有良好的线形关系，故面积变化型传感器有着良好的线形关系。,3.介质变化型,利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。,常用于液位测量，或某些材料的厚度、温度、湿度等参数的变化测量,返回章目录,9/21/2024,24,3.5,电容式传感器,1.电桥型电路,2.直流极化电路,3.谐振电路,4.调频电路,5.运算放大器电路,二、测量电路,应用：测量转速 （,动画,）,返回章目录,9/21/2024,25,3.6,压电式传感器,压电式传感器是利用某些物质的压电效应将被测量转换为电量的一种传感器。,一、压电效应,某些物质如石英，当受到外力时，不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面上有电荷出现，形成电场；当外力消失时，材料又重新回复到原来状态，这种现象称为压电效应。,相反，如果这些物质置于电场中，其几何尺寸也发生变化，这种现象称为逆压电效应。,返回章目录,9/21/2024,26,3.6,压电式传感器,二、压电材料,常用的压电材料大致分为三类：压电单晶（机械强度好）、压电陶瓷（压电常数大）和有机压电薄膜（可大量生产）。,三、压电传感器及其等效电路,1.,压电传感器可看作是电荷发生器，它又是一个电容器。,2.等效电路,动画,（动画）,返回章目录,9/21/2024,27,3.6,压电式传感器,压电传感器可以等效成与一个电容器并联的电荷源，也可以等效为一个电压源，如图所示。,返回章目录,9/21/2024,28,3.6,压电式传感器,四、测量电路,1.电压放大器电路,2.电荷放大器电路,五、压电式传感器的特点及应用,特点：,1.,刚性好，固有频率高,2.,灵敏度高且稳定,3.,较好的线性，通常无滞后,4.系统使用和调整方便,应用：,压电式力传感器,压电式加速度计,返回章目录,9/21/2024,29,3.7,磁电式传感器,把,被测量转换成感应电动势的传感器称为,电磁感应式传感器,原理：,基于电磁感应定律：感应电动势取决于匝数W和磁通变化率d/dt，即,一、动圈式,当线圈在磁场运动时所产生的感应电动势为,（线速度型）,（角速度型）,二、磁阻式,物体运动磁路磁阻改变磁通变化产生感应电动势,返回章目录,9/21/2024,30,3.8,半导体传感器,半导体有一个重要的特性是对光、热、力、磁、气体、温度等理化量的敏感性。利用半导体材料的这些特性，作为非电量电测的转换元件，是近代半导体技术应用的一个重要的方面。,半导体的特点,是他们是一些物性型传感器，通常可以作成结构简单、体积小、重量轻的器件，他们的功耗低、安全可靠、寿命长；他们对被测量敏感，响应速度快；易于实现集成化。,返回章目录,9/21/2024,31,3.8,半导体传感器,一、磁敏传感器,霍尔元件,是一种半导体磁电转换元件，如动画所示，将霍尔元件置于磁场B中，如果在a，b端通以电流i，在c，d端就会出现电位差，称为霍尔电势,，这种现象称为霍尔效应。,(一)霍尔元件,其大小为,霍尔常数，决定于材质、温度、元件尺寸,B磁感应强度,A电流与磁场方向的夹角,式中,根据此式，如果改变B或i，或者两者同时改变，就可改变,值。运用这一特性，就可以把被测参数转化为电压量的变化。,霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力的作用的结果,（动画）,返回章目录,9/21/2024,32,3.8,半导体传感器,霍尔效应的产生是由于运动电荷受磁场中洛伦兹力的作用的结果,磁阻元件,是利用半导体材料的磁阻效应来工作的。借用上面的动画来说明磁阻效应，磁阻效应将使通有电流i的金属或半导体片的ab两端之间的电阻随外磁场B而变化。磁阻效应与材料性质、几何形状有关，一般迁移率越大的材料，磁阻效应越显著，元件的长宽比越小，磁阻效应越大。,磁阻元件可用于测量位移、力、加速度等参数。,(二)磁阻元件,返回章目录,9/21/2024,33,3.8,半导体传感器,二、光敏传感器,光敏传感器是将光量转换为电量的元件，其工作原理是利用半导体材料的光电效应。,光敏电阻,其工作原理是基于半导体材料的内光电效应，即半导体当受到光照射时，其电阻值减小的现象。,(一)光敏电阻,光电池,直接将光能转换为电能，受光照射时，可直接输出电势，实际上是一个电源。,(二)光电池,返回章目录,9/21/2024,34,3.8,半导体传感器,（三）光敏二极管和光敏三极管,光敏二极管是一种既有一个PN结又有光电转化功能的晶体二极管。它将光信号转化为电压输出的基本电路如图3-43所示。,返回章目录,9/21/2024,35,3.8,半导体传感器,若普通的晶体管的基极集电极制成光敏二极管，则成为光敏三极管。光敏二极管的光电流成为基极电流，在三极管内放大，形成集电极电流。由于光敏三极管的基极电流由其基极集电极结构的光电流供给，因而许多光敏三极管不在设基极引线。下图为光敏三极管的基本电路。,返回章目录,9/21/2024,36,3.8,半导体传感器,下图动画为光电转速器的工作原理图，在电动机的转轴上涂上黑白两种颜色，当电动机转动时，光电元件接收到强弱交变的信号，再经过放大整形电路，输出整齐的方波信号，由数字频率计测出电动机的转速。,返回章目录,9/21/2024,37,3.8,半导体传感器,三、固态图象传感器,从功能上说,它是一个把受光面的光像分成许多小单元,并将它们转换成电信号,然后输送出去的器件.,从构造上说,它是一种小型固态集成元件,它的核心多半是电耦合器(CCD),CCD具有光生电荷,、积蓄和转移电荷的功能.,固态图象传感器 具有小型,、轻便、响应快 、灵敏度高、 稳定性好、 寿命高和以光为媒介可以到达危险地点工作,固态图象传感器主要用途:,1.物位,、尺寸、形状、探伤等,2.作为光学信息处理的输入环节,3.自动生产过程的控制敏感元件,返回章目录,9/21/2024,38,3.8,半导体传感器,四、热敏电阻,热敏电阻是由金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结而成的半导体.它具有负的电阻温度系数,随温度的上升而阻值下降.,与金属丝电阻相比较优点是:,1.灵敏度高,2.热敏元件体积小,热惯性好,响应速度快,3.元件本身的电阻值大,远距离时可忽略导线电阻的影响,4.在-50350温度范围内具有交好的稳定度,缺点是:非线形大,对环境温度敏感性大,测量时易受到干扰,返回章目录,9/21/2024,39,3.8,半导体传感器,五、气敏传感器,半导体气敏传感器具有在低浓度下对可燃气体和某些有毒气体的灵敏度高、响应快、制造使用和保养简便、价格便宜等优点。,但是它们的气体选择性差、元件性能参数分散，且时间稳定度欠佳。,电阻式半导体气敏传感器是应用较多的一种。被测气体一旦与这种传感器的敏感材料接触并被吸附后，传感器的电阻值随气体浓度而改变。其敏感材料广泛采用热稳定度较好的金属氧化物如氧化锌等，主要用于检测一氧化碳、甲烷、氢和乙醇等。这类气敏传感器中都有电极和加热丝。前者用于输出电阻值，后者用来灼烧敏感材料表面的油污，以加速被测气体的吸、脱过程的进程。,返回章目录,9/21/2024,40,3.8,半导体传感器,六、湿敏传感器,制造半导体湿敏传感器的材料有：四氧化三铁、铬酸镁-二氧化钛、五氧化二钒-二氧化钛等。其中四氧化三铁多制成胶体湿敏元件，其余均制成金属陶瓷湿敏元件。,金属陶瓷湿敏原理大致是，当水分子附着在半导体陶瓷上，使陶瓷表面层的电阻值明显下降。表面层电阻值下降到一定程度上，半导体内部的电阻以远大于表层电阻，电流主要从表层通过，体内电阻的作用可以忽略，而由湿度引起下降了的表层电阻起者主导作用。随着湿度的增加，此类半导体陶瓷的阻值可以下降三至四个数量级。,返回章目录,9/21/2024,41,3.8,半导体传感器,七、集成传感器,后续电路和半导体传感器制作在同一芯片上,形成集成传感器.它具有传感器功能又能完成后续电路的功能.,随着集成技术的发展,集成传感器所包含的电路已具有一定的智能,从而扩大使用范围和提高可靠性.,返回章目录,9/21/2024,42,3.9,光纤传感器,一、分类,按照调制方式光纤传感器可以分为强度调制、频率调制、相位调制和偏振调制四类。,按光纤的作用，光纤传感器可以分为功能型和传光型两种。,二、光纤传感器原理,由物理学知，当光由大折射率,的介质射入小折射率,的介质（图A），折射角,大于入射角,。增大,，,也随之增大。当,。若,继续增大，即,=90时所对应的入射角称为临界角,（图B），,并记为,时，将出现全反射现象，此时光线不进入,介质中（图C）。,光波沿光纤传播是以全反射方式进行的。,返回章目录,9/21/2024,43,3.9,光纤传感器,返回章目录,9/21/2024,44,3.9,光纤传感器,三、传感器的特点,1）采用光波传递信息，不受电磁干扰，电气绝缘性能好，可在强电磁干扰下完成传统的传感器难以完成的某些参量的测量。,2）光波传输无电能和电火花，不会引起被测介质的燃烧和爆炸。而且耐高压耐腐蚀。,3）某些光纤传感器的工作优于传统的传感器,4）重量轻、体积小、可挠性好，可在狭小的空间使用,5）具有良好的几何形状适应性,6）频带宽，动态范围大，对被测对象不产生影响，利于提高精度,7）利用现有的光通讯技术，易于实现远距离测控,返回章目录,9/21/2024,45,3.10,传感器的选用原则,根据测试目的和实际条件，合理的选用传感器应遵从以下几条原则：,1.,灵敏度,2.,响应特性,3.,线性范围,4.,可靠性,5.,精确度,6.,测量方式,除了以上因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。,返回章目录,9/21/2024,46,返回,9/21/2024,47,返回,9/21/2024,48,返回,9/21/2024,49,返回,9/21/2024,50,返回,9/21/2024,51,返回,9/21/2024,52,返回,9/21/2024,53,返回,9/21/2024,54,返回,9/21/2024,55,返回,9/21/2024,56,返回,9/21/2024,57,返回,9/21/2024,58,