5发电式传感器及其应用

测试技术——发电式传感器及其应用第五章问题1.压电传感器常用于什么量测量？2.有哪些方法测量转速？各有什么特点？3.用砂轮磨削轴承圈内滚道，如何通过实验方法获得磨削区温度？内容1.压电式传感器2.磁电式传感器3.光电式传感器4.固态图像传感器5.霍尔传感器6.热电偶传感器7.红外探测器传感器电参数•电阻•电容•电感电信号•电压•电流•电荷1.原理：利用某些物质的压电效应，将被测量的变化转换成感生的电荷量变化实现测量敏感元件压电材料：石英晶体、压电陶瓷、高分子压电材料压电陶瓷比石英晶体的压电灵敏度高得多（数百倍），而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅等）。高分子压电薄膜的压电特性并不很好，但它易于大批量生产，且具有面积大、柔软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉。测量的物理量传感器是力敏感元件，能测量那些最终能变成力的物理量力，力矩和压力振动加速度，声音特点：响应快、灵敏度高、信噪比大、结构简单、性能可靠;不适合静态、准静态信号的测量5.1.1压电式传感器基本原理F+q压电陶瓷外形5.1.1压电式传感器基本原理压电陶瓷及其换能器外形5.1.1压电式传感器基本原理压电效应:外力作用下在压电材料一定方向的两个表面产生电荷压电效应分为：正压电效应：上述现象为正压电效应，传感器利用正压电效应。逆压电效应：在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。六角形晶柱当力的方向改变时，电荷的极性随之改变;输出电压的频率与动态力的频率相同；当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失。5.1.1压电式传感器基本原理2.等效电路两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器.ooququCCFFq电极压电晶片Cou＝q/Co5.1.1压电式传感器基本原理.qdF3.结构形式为了提高灵敏度，用两片、四片等压电材料串并联组成。并联接法：电容量大、时间常数大，响应慢测量缓变信号适合电荷输出串联接法：电容量小、时间常数小，响应快测量快变信号适合电压输出5.1.1压电式传感器基本原理5.1.2压电式传感器的应用123451－压电转换元件2－传感器体3－弹性膜片4－电极5－引线1.压电式压力传感器原理：利用正压电效应，将压力转换电荷量实现测量信号处理电压放大器：测量电荷在电容上的电压值U，灵敏度随频率及电缆电容变化，精度低，价格便宜，不常用。电荷放大器:直接测量电荷Q值，灵敏度与频率及电缆电容无关，精度高，价格贵，应用广泛。5.1.2压电式传感器的应用1）它不适用于静态、准静态信号的测量对于静态信号，压阻式比其性能好。2）应减小电缆噪声产生原因：电缆芯与绝缘体间、金属屏蔽套与绝缘体间因滑移摩擦和分离，产生静电荷感应干扰。减小方法：固定好传感器的引出电缆和选用低噪声电缆。3）应减小接地回路噪声产生原因：不同电位处多点接地，形成了接地回路和回路电流。减小方法：传感器与被测对象绝缘连接，并使测试系统同一点接地。压电式压力传感器应用时注意事项：5.1.2压电式传感器的应用2.压电加速度计原理：利用正压电效应，将加速度转换电荷量实现测量典型加速度计特性参数：频响范围：1Hz～22KHz量程：0～2000g适用温度：－150～＋260℃，灵敏度：5～72mv/g优点：尺寸小、重量轻、频响宽、坚固耐用，应用广泛缺点：低频性能差，不适用静态测量；阻抗高，测量噪声大213451－压电元件2－预压弹簧3－外壳4－质量块5－基座所有加速度计均利用质量的惯性作用5.1.2压电式传感器的应用压电加速度计结构形式压缩式剪切式弯曲式弯曲式灵敏度高体积大机械强度差固有频率低，低频测量剪切式灵敏度高横向灵敏度小容易小型化固有频率高，高频测量压缩式结构简单装配方便是目前常用的结构形式5.1.2压电式传感器的应用压电加速度计外形5.1.2压电式传感器的应用压电加速度计安装(a)直接螺栓固定：测量强振和高频率振动，比较常用(b)绝缘连接：减少振动表面电干扰(c)腊膜粘附：不牢靠(d)手持接触：适合低频（1000Hz）振动,误差大(e)磁铁吸附：方便可靠，适合小振动，比较常用(f-g)粘结剂连结：需表面处理（1）内装IC压电加速度传感器特点内装微型IC-集成电路放大器低阻抗输出，抗干扰，噪声小性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气特性参数•灵敏度：100mV/g•量程：50g•频率范围：0.5-8000Hz（±10%)•安装谐振点:30kHz•分辨率：0.0002g•线性：≤1%•输出偏压：8-12VDC•恒定电流：2-20mA输出阻抗：＜150Ω•激励电压：18-30VDC5.1.2压电式传感器的应用典型压电加速度计（2）复合式压电传感器——机械阻抗测量头同时测量同一个点动态加速度和力的传感器机械阻抗：响应加速度/激振力如：8770A5型阻抗头量程灵敏度频率范围加速度±5g1000mV/g1Hz~4kHz力±5Lb1000mV/Lb5.1.2压电式传感器的应用可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板5.1.2压电式传感器的应用3.高分子压电材料的应用压电式传感器的优点具有很高的刚度，即很高的机械阻抗，测量过程中变形甚小，是一种近乎理想的测力元件；尺寸与重量很小，可以小到只有零点几克，因而使用中对被测对象的附加质量小；固有频率高，可以高达数万赫兹，因此测量频率范围大，一般几kHz.线性好；做成多向测力仪时，其横向干扰小（最大不超过5%，一般在3%以下）；响应快、灵敏度高、信噪比大、结构简单、性能可靠。压电式传感器的缺点不能用于静态测量；需经常校正灵敏度;调理特殊：输出电信号是很微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，通常将压电式传感器的输出信号先输入到具有高输入阻抗的前置放大器.5.1.2压电式传感器的应用N匝线圈与磁铁相对运动、切割恒定磁场磁力线，感应出正比于运动速度的电压，实现速度测量。磁通Ф变化率取决于：磁场强度B（固定），线圈运动速度，磁路磁阻分类：1）动圈式(线圈运动)：常用于测量直线运动速度或振动速度.2）变磁阻式：常用于测量角速度或转轴转速；特点：输出功率大，调理电路简单，性能稳定，频响10～1000Hz。可测的物理量角速度，转速，相对速度，振动速度，扭矩5.2.1磁电式传感器基本工作原理dtdNe1.原理：利用电磁感应原理，属发电式（电动或感应式）传感器。当线圈匝数N、磁场强度B、磁场中的导体长度L为常数时，感应电动势与速度成正比：dtdxNBLe5.2.1磁电式传感器基本工作原理2.动圈式磁电传感器及其应用1）动圈式磁电绝对速度传感器组成：磁钢、惯性质量、弹簧、阻尼、线圈壳体振动磁钢随之振动芯轴相对静止线圈切割磁力线线圈中感应电势感应电势E=kV，k取决于磁感应强度、线圈长度和匝数,V为绝对振动速度弹簧片芯轴线圈磁钢阻尼环壳体5.2.2磁电式传感器的应用磁电式速度传感器动态特性固有频率应该尽可能低，但可能存在：体积过大、重力场中静变形过大、易受交叉振动干扰。因此，固有频率一般取10～15Hz工作频率：15～1000Hz阻尼比：阻尼环产生磁阻尼比（0.5-0.7），扩展频率下限222221)(nnnjH5.2.2磁电式传感器的应用可见，要实现不失真测量对幅频特性的要求，速度传感器应工作在频率比大于1的频段；最佳阻尼比可提高测量范围。比较2）动圈式磁电相对速度传感器芯轴为顶杆壳体与顶杆间产生相对速度输出电压：正比相对速度测量频率：5Hz～1kHz1、顶杆2、拱形簧片3、磁钢4、线圈5、引出线6、壳体5.2.2磁电式传感器的应用将壳体固定于一试件，通过压缩弹簧片，使顶杆另一端顶住另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度，可为相对速度计。原理：永久磁铁产生确定强度的磁场，磁铁与线圈均不动，被测量使磁路磁阻变化，引起磁通变化而使线圈产生感应电势。典型代表：磁电式传感器测转速齿圈齿顶与极轴的间隙变化导致磁路磁阻变化。缺点：对转轴有阻力矩，低速时输出信号较小，故不适用于低转速测量。永久磁铁线圈齿圈引线间隙极轴5.2.2磁电式传感器的应用3.变磁阻磁电式传感器及其应用1）变磁阻磁电式转速传感器OD9001磁电式转速传感器测量频响范围为3Hz-10kHz输出的波型近似正弦波，输出信号幅值大小与转速成正比，与探头端面距齿顶间距的大小成反比高灵敏度、高抗干扰性不需供电5.2.2磁电式传感器的应用PCC201磁电式转速传感器（变磁阻磁电式转速传感器与前置信号转换电路集成为一体）外部提供+5～+12V电源端面距齿顶1mm左右输出波形为经过整形的矩形波频率范围：0.03Hz～20kHz5.2.2磁电式传感器的应用2）变磁阻磁电式扭矩传感器5.2.2磁电式传感器的应用电压u1和u2的相位差与扭转轴的扭转角成正比，而扭转角又与扭矩成正比，故通过测量相位差就可求得扭矩。优点：能够直接测量线速度和角速度；输出功率大，可用于远距离测量；结构简单，工作可靠。缺点：下限频率高，动圈式一般为10~15Hz；不宜在高温及强磁场的环境中工作。SN测角速度型5.2.2磁电式传感器的应用4.磁电式传感器的优缺点5.3.1光电式传感器基本工作原理1.原理：基于光电子元件（半导体）的光电效应。光子能量将透过受光物质的表面层，赋予这些物质的电子以附加能量，或者改变物质的电阻大小，或者产生电动势实现测量。分类：改变物质的电阻大小——光敏电阻（参数式）产生电动势——光电池，光电三极管（发电式）特点：非接触测量，适应环境能力强；需要光路系统，构成复杂测量的物理量转速，长度信号隔离器，开关量光源接收器转子圆盘2.半导体光电器件及其性能光敏电阻——材料的电阻随光照强度的增加而减小光电池——材料硒、硅、锗等,受光照产生光电动势光电三极管——光线通过孔到达PN结，获得较大的集电流输出5.3.1光电式传感器工作原理光敏电阻特性：两个重要参数：暗电阻——未受光照时电阻。越大越好，一般是兆欧数量级；亮电阻——受光照时的电阻。越小越小，一般为千欧数量级。1)光照特性亮电阻与光照强度之间的关系称为光敏电阻的光照特性，光敏电阻的电阻随光照强度的增加而减小，其光照特性为非线性特性，因此，常用作开关电路；2)灵敏度光敏电阻对于不同波长的入射光的灵敏度不同；3)温度特性光敏电阻的光学与电学性质受温度影响很大。5.3.1光电式传感器工作原理光电池-光照在较大面积的PN结上，能直接把光能转换成电能。1)光照特性可跟踪KHz光频率变化;短路电流与光照强度为线性关系,开路电压与光照强度为非线性关系。因此,一般用作电流源.2)灵敏度光电池对不同波长的灵敏度不同，因此应用光谱的范围也不同：硅光电池：0.4-1.1um硒光电池：0.3-0.6um光电三极管-光照在发射极与基极之间的PN结上，集电极会产生较大电流，把光能转换成电能。1)光照特性可跟踪MHz光频率变化;输出电流的大小随光照强度的增加而增加。2)灵敏度光电三极管对不同波长的灵敏度不同，且与入射光的方向有关。硅管常用可见光测量锗管常用红外光测量共性:(1)每种光电元件均有其自身的光谱特性，使用时必须注意与光源匹配。(2)光学与电学性质受温度影响很大。(3)光电元件的电信号可达mA级。。光敏三极管光敏二极管5.3.1光电式传感器工作原理5.3.2光电式传感器的应用3.光电传感器的应用1)光电式转速传感器测量原理通过敏感元件来控制照于光电元件光通量的强弱，从而产生与被测轴转速成比例的电脉冲信号，再转化成相应的转速值。优点测速范围宽，可达每分钟几十万转非接触测量，对被测轴无影响使用方便5.3.2光电式传感器的应用光电式转速传感器的类型光源光电元件转轴反光面透镜透镜透