《常用傳感器》PPT課件.ppt

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1、第四章 常用傳感器,4.1 概 述 4.2 電阻傳感器 4.3 電容傳感器 4.4 電感傳感器 4.5 磁電傳感器 4.6 壓電傳感器 4.7 磁敏傳感器 4.8 傳感器選用原則,,,,,,,,,概述,4.1 概 述,1. 傳感器(Sensor)定義,傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。 狹義上，非電信號(hào) 電信號(hào)。,在非電量電測(cè)系統(tǒng)中的作用,敏感作用：感受并拾取被測(cè)對(duì)象的信號(hào),變換作用： 被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于檢測(cè)和處理 的電信號(hào),,概述,將物理量變換成電信號(hào)的變化（水位、壓力等）。,獲得傳感

2、器信號(hào)的兩種方法,直接獲得電信號(hào)的變化（開(kāi)關(guān)傳感器）；,概述,2. 傳感器的分類(lèi),(1)按被測(cè)物理量分類(lèi) (2)按傳感器元件的變換原理分類(lèi),位移傳感器,流量傳感器,溫度傳感器等.,電阻式,電容式,電感式,壓電式,光電式等.,能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì). 能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化. 例如:電阻應(yīng)變片. 能量傳遞型:從某種能量發(fā)生器與接受器進(jìn)行能量傳遞過(guò)程中實(shí)現(xiàn) 敏感檢測(cè). 例如:超聲波發(fā)生器和接受器.,(3)按傳感器的能量傳遞方式分類(lèi),概述,3. 傳感器的性能要求,工作范圍或量程應(yīng)足夠大

3、，具有一定的過(guò)載能力 與檢測(cè)系統(tǒng)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高 精度適當(dāng)，穩(wěn)定性高 反應(yīng)速度快，工作可靠性高 適應(yīng)性和適用性強(qiáng),概述,4. 常見(jiàn)的被測(cè)物理量,機(jī)械量:長(zhǎng)度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù), 質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速, 流量; 聲: 聲壓,噪聲. 磁: 磁通,磁場(chǎng). 溫度: 溫度,熱量,比熱. 光： 亮度，色彩,,概述,電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。,,按工作的原理可分為:,熱敏式,電阻應(yīng)變式,變阻器式,光敏式,濕敏式,4.2 電阻式傳感器,電阻傳感器,1.可調(diào)電位器,,為輸出電壓(V)； 為外加固定電壓(V) ; 為材料的總電

4、阻( ); 為固定端至滑塊的電阻( ),,,,,,電阻傳感器,2.應(yīng)變式電阻傳感器,絲式應(yīng)變片,箔式應(yīng)變片,電阻傳感器,(1).應(yīng)變效應(yīng),導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形而引起導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變效應(yīng)。,傳感元件：電阻應(yīng)變片，它是一種把被測(cè)試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的傳感元件。,應(yīng)變片受力,,應(yīng)變,比例關(guān)系,,比例關(guān)系,應(yīng)變片電阻的變化,電阻傳感器,(2).工作原理,式中，導(dǎo)線的電阻率，又稱(chēng)為電阻系數(shù),金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)：,當(dāng)金屬絲由于受到軸向力P而伸長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)度增長(zhǎng)，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如細(xì)絲因受壓力而縮短，即長(zhǎng)度變短，截面積變粗時(shí)，則電阻就

5、減小。,電阻傳感器,S由兩部分組成：,前一部分(1+2)是由金屬導(dǎo)線的幾何變形引起的；,后一部分E除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。,：泊松系數(shù)，E:彈性模量，:縱向應(yīng)變，:壓阻系數(shù),推導(dǎo),電阻傳感器, 金屬應(yīng)變片（不變）, 半導(dǎo)體應(yīng)變片（變化）,電阻傳感器,(3). 應(yīng)變片的主要參數(shù),1) 幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用 bL 表示。 2) 電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。 3) 靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。 4) 其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、 蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。,電阻傳感器,(4).金屬應(yīng)變計(jì),金屬應(yīng)變計(jì)有: 1

6、、絲式 2、箔式 3、薄膜式 優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和溫度特性好. 缺點(diǎn):靈敏度系數(shù)小.,應(yīng)變計(jì),電阻傳感器,(5).半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì),優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件. 缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。,應(yīng)變計(jì),體型,薄膜型,擴(kuò)散型,電阻傳感器,立柱應(yīng)力,橋梁應(yīng)力,(6).應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用,電阻傳感器,質(zhì)量傳感器,位移傳感器,加速度計(jì),壓力傳感器,電阻傳感器,壓力傳感器,轉(zhuǎn)矩傳感器,電阻傳感器,3.其他電阻傳感器,(1).熱電阻傳感器,利用導(dǎo)電物體電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度電阻效應(yīng)制成的傳感器。,溫度(熱量)的變化電阻的變化,溫度檢測(cè) :-200+500,

7、電阻傳感器,(2).熱敏電阻傳感器,圓形熱敏電阻,柱形熱敏電阻,珠形熱敏電阻,熱敏電阻在電路中的符號(hào),非線性元件:它的溫度-電阻關(guān)系是指數(shù)關(guān)系,溫度為-50350,電阻傳感器,(3).光敏電阻傳感器,(4).濕敏電阻傳感器,,電阻傳感器,4.3 電容式傳感器,1. 變換原理,將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。,兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:,當(dāng)被測(cè)量、A或發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。,電容傳感器,2. 分類(lèi),a) 極距變化型,,b)面積變化型:平面線位移型,角位移型, 柱面線位移型,電容傳感

8、器,3. 靈敏度,a) 極距變化型,傳感器的靈敏度近似為：,變極距電容傳感器,平板電容器,電容傳感器,傳感器靈敏度,b)面積變化型,a)直線位移型,直線位移型,b)角位移型,傳感器靈敏度,角位移型,電容傳感器,c)介質(zhì)變化型,介質(zhì)常數(shù)變化型電容式傳感器,大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c),根據(jù)極板介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量(圖d)等 。,電容傳感器,4.電容式傳感器的應(yīng)用,振動(dòng)測(cè)量,旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測(cè)量,電容傳感器,電容式氫液高度傳感器,紗條均勻度測(cè)試儀,,電容傳感器,4.4 電感式傳感器,電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被

9、測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。,電感傳感器,1. 可變磁阻式(自感型),原理:電磁感應(yīng),W:線圈匝數(shù)； L1:軟鐵長(zhǎng)度； 1：軟鐵磁導(dǎo)率； 0：空氣磁導(dǎo)率 A1：鐵芯導(dǎo)磁截面 A0：空氣導(dǎo)磁截面,可變磁阻式傳感器基本原理,1線圈 2. 鐵芯 3. 銜鐵,電感傳感器,(1).間隙變化型,間隙變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu),當(dāng)0 、A0固定不變，改變時(shí)，L與呈非線形（雙曲線）關(guān)系，,L與的雙曲線關(guān)系,傳感器靈敏度：,電感傳感器,(2).面積變化型,面積變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu),當(dāng)0 、 固定不變，改變A0時(shí)，L與A0呈線形關(guān)系，,傳感器靈敏度,L與A0的線形關(guān)系,=常數(shù),電感傳感器,(3).螺線管型,

10、當(dāng)其它參數(shù)不變，僅改變L1，使Rm變化，從而產(chǎn)生電感的變化。,電感傳感器,(4).差動(dòng)型,變間隙型差動(dòng)變壓器,輸出特性,傳感器靈敏度,電感傳感器,2. 渦流式電感傳感器,當(dāng)金屬板置于變化磁場(chǎng)中或者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱(chēng)為渦流。,渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度t，以及金屬板與線圈距離、激勵(lì)電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。,渦流式電感傳感器可分為,1）高頻反射式,2）低頻投射式,電感傳感器,原線圈的等效阻抗Z變化：,(1).高頻反射式（集膚效應(yīng)）,高頻反射式渦流傳感器,,電感傳感器,(2).低頻透射式（互感原理）,低頻透射式渦流傳感器,e2隨材料厚

11、度增加變化的規(guī)律,電感傳感器,4.渦流式傳感器的應(yīng)用,案例：位移、振幅、軸心軌跡的測(cè)量,徑向振動(dòng)的測(cè)量,軸心軌跡的測(cè)量,電感傳感器,其中，n為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速；f為脈沖頻率；z為轉(zhuǎn)軸上的槽數(shù)或齒數(shù)。,案例:轉(zhuǎn)速的測(cè)量,電感傳感器,案例： 測(cè)厚,案例： 零件計(jì)數(shù),電感傳感器,案例： 連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量,原理：,電感傳感器,案例： 無(wú)損探傷,原理 裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。,火車(chē)輪檢測(cè),油管檢測(cè),電感傳感器,3. 變壓器式--差動(dòng)變壓器,工作原理:互感現(xiàn)象.,電感傳感器,應(yīng)用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度; 壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭矩, 應(yīng)力,動(dòng)力;氣壓,溫度;振

12、動(dòng),速度,加速度;等.,,電感傳感器,4.5 磁電傳感器,1. 變換原理,磁電式傳感器是把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。,感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為,磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,,磁電傳感器,2. 分類(lèi),磁電傳感器,3. 動(dòng)圈式傳感器,,l:每匝線圈的平均長(zhǎng)度；B:線圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度； A:每匝線圈的截面積； :線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角； k:傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)。,磁電傳感器,4. 磁阻式傳感器,,,磁電傳感器,5. 磁電傳感器的應(yīng)用,測(cè)速電機(jī),磁電式測(cè)速傳感器,磁電傳感器,,磁電傳感器,4.6 壓電傳感器,1

13、. 變換原理,某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。,壓電傳感器,壓電效應(yīng),式中，q為電荷量；D為壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；F為作用力。,q=DF,,壓電傳感器,ea：開(kāi)路電壓； q:壓電晶片表面上的電荷； Ca 為壓電晶片的電容。,2. 測(cè)量電路,,,壓電傳感器,壓電式傳感器輸出電荷q很少，內(nèi)阻Ra很大，輸出信號(hào)很弱小，因此要進(jìn)行處理：,(1) 放大微弱的壓電信號(hào),(2) 進(jìn)行阻抗匹配,電壓放大器,電荷放大器,(1).主要作用,壓電傳感器,放大器的輸入電壓：,,系統(tǒng)的輸出電壓

14、為：,系統(tǒng)的靈敏度為：,當(dāng)電纜長(zhǎng)度變化時(shí)，Cc變化， ei變化，系統(tǒng)的靈敏度發(fā)生變化，此時(shí)測(cè)試比較困難,(2).電壓放大器,壓電傳感器,qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf,ei=(q+eyCf)/(C+Cf),推導(dǎo),(3).電荷放大器,壓電傳感器,3. 壓電傳感器的應(yīng)用,壓力變送器,加速度計(jì)，力傳感器,壓電傳感器,壓電式壓力傳感,壓電式壓力傳感器特性,壓電傳感器,阻抗頭的結(jié)構(gòu)原理圖,阻抗頭的安裝結(jié)構(gòu),壓電傳感器,,壓電傳感器,4.7 磁敏傳感器,1.半導(dǎo)體霍爾元件,霍爾效應(yīng),當(dāng)半導(dǎo)體中流過(guò)一個(gè)電流時(shí)，若在與該電流垂直的方向上外加一個(gè)磁場(chǎng)

15、，則在與電流及磁場(chǎng)分別成直角的方向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓。這種現(xiàn)象也稱(chēng)為霍爾效應(yīng) 。,霍爾效應(yīng)原理圖,磁敏傳感器,半導(dǎo)體霍爾元件的結(jié)構(gòu),磁敏傳感器,半導(dǎo)體磁敏電阻,半導(dǎo)體磁敏電阻的結(jié)構(gòu)(蛇形元件),利用磁場(chǎng)造成的電流偏轉(zhuǎn)使元件阻抗增加這種特點(diǎn)制成的雙端磁敏傳感器。,磁敏傳感器,磁性體磁敏電阻,利用強(qiáng)磁材料的磁場(chǎng)異向性制成的磁敏元件。,磁性體磁敏電阻的結(jié)構(gòu),磁敏傳感器,電磁感應(yīng)型磁敏傳感器,原理：,范圍：,法拉第電磁感應(yīng)定律,只能檢測(cè)交流磁場(chǎng)，不能檢測(cè)直流磁場(chǎng),電磁感應(yīng)型磁敏傳感器,磁敏傳感器,2. 磁敏傳感器的應(yīng)用,電流計(jì),磁感應(yīng)開(kāi)關(guān),磁敏電位器,霍爾電動(dòng)機(jī),紙幣及預(yù)付卡識(shí)別設(shè),卡形電流計(jì)的結(jié)構(gòu),磁

16、敏傳感器,霍爾電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖,霍爾電動(dòng)機(jī)等效電路,,磁敏傳感器,4.8 傳感器選用原則,選擇傳感器主要考慮靈敏度、線性范圍、響應(yīng)特性、穩(wěn)定性、精確度、測(cè)量方式等六個(gè)方面的問(wèn)題。,傳感器選用原則,傳感器選用原則,4 穩(wěn)定性,穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。,,傳感器選用原則,應(yīng)變片受力后，電阻的變化dR,則,兩邊同除以R，同時(shí)R=L/A，則,dL/L=金屬導(dǎo)線長(zhǎng)度的相對(duì)變化，稱(chēng)縱向應(yīng)變。 d/導(dǎo)線電阻率的相對(duì)變化。 dA/A導(dǎo)線截面積的相對(duì)變化，稱(chēng)為稱(chēng)橫向應(yīng)變。,(2).工作原理,對(duì)于圓形截面積的導(dǎo)線，若其直徑為D，則,橫向

17、應(yīng)變dD/D和縱向應(yīng)變dL/L之比稱(chēng)為泊桑比，即,故,E為導(dǎo)線材料的彈性模量，為壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)。,則,已知,當(dāng)導(dǎo)體材料確定后，、、E均為常數(shù)，則(1+2+E)為常數(shù)。,靈敏度為：,應(yīng)變片電阻的相對(duì)變化率dR/R與應(yīng)變之間是線形關(guān)系,,S由兩部分組成：,前一部分(1+2)單由金屬導(dǎo)線的幾何尺寸變化引起的；,后一部分E是電阻率隨應(yīng)變而引起變化的部分，它除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。,返回,當(dāng)略去傳感器的漏電阻Ra時(shí),qtei(Ca+Cc+Ci),當(dāng)略去電荷放大器的輸入電阻Ri的影響時(shí),qf(ei-ey)Cf,則整個(gè)電路中的電荷為：,qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf,式中，ei為放大器的輸入端電壓；ey為放大器輸出端電壓；Cf為電荷放大器的反饋電容。,(3).電荷放大器,ey=-Kei,其中，K為放大器的開(kāi)環(huán)放大倍數(shù),qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf,,所以,,,開(kāi)環(huán)增益K足夠大,,系統(tǒng)的靈敏度為：,,在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜的分布電容無(wú)關(guān)；,系統(tǒng)輸出靈敏度取決于反饋電容，所以可以通過(guò)調(diào)節(jié)反饋電容,ei=(q+eyCf)/(C+Cf),返回,