第3章-常用传感器与敏感元件-PPT精选文档

常用传感器第三章被测机械量————与之相应的易于传输、识别、处理的电信号的装置转化为第一节传感器的分类位移传感器机械式按被力传感器按工作电气式测量温度传感器原理光学式流体式按信号物性型：例：压电式变换特征结构型：例：电容式能量转换型：直接由被测对象输入能量，如：热电偶温度计能量控制型：从外部供给辅助能量，如：电阻应变计中电阻接于电桥上按敏感组件与被测对象之间的能量关系按输出信号模拟式数字式第二节机械式传感器敏感组件：弹性体输入：力，压力，温度等输出：弹性组件本身的变形特点：简单、可靠、使用方便，价低，读数直观；但固有频率低弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象适宜：检测缓变或静态被测量敏感元件：直接感受被测物理量弹性后效是指载荷在停止变化之后，弹性元件在一段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随时间缓慢增长的现象微型探测开关可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等第三节电阻式传感器一、变阻器式传感器位移———电阻变化AlR被测量——--电阻变化转化为电阻传感器变阻器式电阻应变式直线位移型传感器角位移型传感器非线性型金属电阻应变片半导体应变片丝式箔式直线位移型灵敏度：常lkdxdRs输入：x(位移)输出：R(电阻)测：直线位移角位移型常kddRs输入：角位移输出：阻值R测：角位移非线性型骨架按要求定若被测量：)(xf要求：2)(kxxf为使输出的阻值：2)()(ckxxcfxR骨架当触点在x处时：xkcxdxxrxR02)()()(xr：任一位置微小区间内的电阻()2rxkcxKx所以:骨架形状应为三角形后接电路：电阻分压电路0()(1)ypPLpuuxRxxRxPLRR0ypuuxx时m20变阻器式传感器的优点：简单、性能稳定、使用方便缺点：分辨力低，20微米，噪音较大应用：测线位移，角位移应用案例1：重量的自动检测--配料设备设定值原材料比较电阻式传感器原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化二．电阻应变式传感器应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等特点：体积小、动态响应快、精度高、使用方便（一）金属电阻应变片传感器工作原理：应变片发生机械变形时——引起电阻值变化应变片工作时：粘固在被测物表面上或弹性体上丝式箔式丝式：康铜或镍铬合金直径0.025mm几何参数：栅长L和栅宽b，制造厂常用b×L表示。箔式：线条均匀，尺寸准确，粘结情况好，传递试件应变性能好工作原理：AlRdRdAARdllRdRrA2drldrrldlrdR2322)2(drdrldlR)21(ER弹性模量ldlldlrdrEd纵向应变电阻丝泊松比压阻系数与材质有关灵敏度：常21///ldlRdRRdRSgSg=1.7—3.6)21(：是由电阻丝几何尺寸变化所引起的E：是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的)21(RdR对于电阻丝：)21(ERdR•金属应变片有：丝式、箔式•优点：稳定性和温度特性好•缺点：灵敏度系数小（二）半导体应变片工作原理：半导体材料的压阻效应压阻效应：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生较大变化)21(RdR对半导体：)21(很小，可略去RdR灵敏度：RdRSg/较金属丝电阻应变片大50—70倍金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：前者利用导体形变引起阻值的变化，后者利用半导体电阻率变化引起阻值的变化。半导体应变片优点：灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小缺点：温度稳定性差，灵敏度分散度大（晶向、杂质等因素影响），非线性误差大（三）电阻应变式传感器的应用1.直接测结构的应变或应力2.将应变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、加速度等弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由转变为的变化，再由后续电路转变为电压的变化RRdR注意：1）应变片的粘接2）温度的影响，温度补偿3）用于动态测量时，要注意应变片的上限测量频率应用案例1：桥梁固有频率测量原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。案例2：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。应变片有如下的优点：①.测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测1～2με，误差小于1％。②.应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量③.测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1％～2％。④.适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。⑤.便于多点测量、远距离测量和遥测。⑥.价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量各种物理量。第四节电感式传感器一、自感型(一)可变磁阻式原理：线圈自感量：mRWL2电感式传感器自感型(L):可变磁阻式涡电流式互感型(M):当较小，且不考虑磁路的铁损，002AAlRm因：铁心磁阻空气隙的磁阻002ARm2002AWL灵敏度常数20022AWddLS所以存在线性误差时：故：当固定，改变0A变—L变位移传感器变化过程：机械量——变—L变1.00此传感器适：测较小位移，约为0.001—1mm其它几种常用的可变磁阻式传感器：1.面积变化型机械量LAx02002AWL常202WdAdLSS:较低2.差动型：①初始状态：x=000020210212AwLLL②当x)(200021xAwL)(200022xAwL③将两线圈接于电桥的相邻桥臂，输出灵敏度提高一倍，并改善了线性特征004URRUy002URRUy差动连接：3.单螺管型：灵敏度低适：较大位移（数毫米）测量4．双螺管线圈差动型：较单螺管型灵敏度提高一倍，较好的线性,测量范围:0—300,分辨力:0.5mm(一)涡电流式传感器涡电流效应：变换原理：金属导体在交变磁场中的涡电流效应影响高频线圈阻抗Z、自感L的因素1.线圈与金属2.金属板的3.金属板的4.线圈激磁板间距离电阻率磁导率圆频率w测：位移振动厚度测：材质探伤测量电路：阻抗分压式调幅电路：变——电感L变——电压u变调频电路：变——电感L变——转化为电压u的变化振荡器f变涡电流传感器的特点：动态非接触测量范围:1mm—10mm分辨力：1m简单，使用方便，不受油液等介质的影响；应用：位移，振动，测厚，探伤，材质鉴别，径向摆动，回转轴误差，转速，零件计数，表面裂纹，缺陷等；二、互感型——差动变压器式电感传感器工作原理：电磁感应中的互感现象感应电动势：dtdiMe112M：互感系数（H）M:大小与相对位置，介质的导磁能力，线圈形状、大小、匝数有关表明：两线圈之间的耦合程度；螺管型差动变压器传感器1.工作原理：2.测量电路：注意：零点残余电压的补偿；位移正负的判断：相敏检波3.特点：精度高，可达0.1m线性范围大:达100m稳定性好，使用方便4.适于：测直线位移，压力，重量等螺管型差动变压器传感器一、变换原理:被测量——电容量的变化（一）极距变化型1.工作原理：dAdc20灵敏度：20AddcsS①②存在线性误差，故一般：1.00(3).实际应用时：差动式第五节电容式传感器Ac0固定A，变极距变化型固定，变A面积固定A，变介质2.特点：非接触动态测量,灵敏度高,测较小位移（达0.01)m线性误差，杂散电容对灵敏度及测量精度的影响，电子线路复杂；(二)面积变化型角位移型平面线位移型圆柱体线位移型2,2202rcrA常220rddcsbxc0常bdxdcs0)/ln(20dDxc常)/ln(20dDdxdcs面积变化型传感器的特点：①＝常输入输出②灵敏度较低适：较大直线位移及角位移的测量(三)介质变化型变——C变可测：材料的厚度，温度，湿度,液位高度的测量二、测量电路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：xyCCuu00ACuuy000应用电容式传感器案例1：电容传声器案例2:转速测量第六节压电式传感器可逆型换能器:机械能电能应用：力，压力，加速度的测量工作原理：某些物质的压电效应一.压电效应压电效应逆压电效应压电材料：石英，钛酸钡等z—z:光轴x—x:电轴y—y:机械轴电荷量：Fdqccd：压电系数，与材质与切片方向有关F：作用力二、压电式传感器极其等效电路压电传感器：电荷发生器，又是一个电容器Ac0压电传感器宜：动态测量实际使用时芯片的连接：并联：电容大，电荷量大，时间常数大；适：缓变信号串联：电容小，输出电压大；适：以电压输出压电芯片及等效电路：cC：电缆寄生电容0R：后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻所形成的泄漏电阻；三、测量电路前置放大器的作用1.将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出2.放大传感器输出的电信号不同前置放大器的特点：电压放大器：受电缆电容影响较大，影响灵敏度；电荷放大器：受电缆电容影响较小，灵敏度无明显变化，但电路复杂，价高；压电式传感器的应用:测力、压力、振动的加速度fycq0产品压力变送器加速度计力传感器压电式传感器第七节磁电式传感器被测物理量―――感应电动势原理：感应电动势dtdWeW：线圈匝数：磁通量影响磁通量的因素1.磁场强度2.磁路磁阻3.线圈的运动速度磁阻式动圈式磁电式传感器动圈式磁阻式角速度型线速度型一.动圈式1.线速度型感应电动势：sinWBlve:Bv,时当090WBlveve惯性式速度计2.角速度型感应电动势：kWBAe转速测量当结构一定，W,B,A为常数时e动圈式磁电传感器测量电路：当0ZRL，且不使用特别加长电缆时：euL:负载电阻LR0Z:线圈阻抗0011ZCjZZeucLL二.磁阻式传感器工作原理：线圈与磁铁无相对运动，由运动着的物体（导磁材料）来改变磁路的磁阻，引起磁力线的增强与减弱，线圈中产生感生电动势。应用：测频数，转速，偏心测量，振动测量特点：简单，方便应用b)测速电机a)磁电式车速传感器磁电式传感器变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-150～＋90℃的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。第八节半导体传感器利用：半导体对光、热、力、磁、气体、温度等的敏感一.磁敏传感器霍尔组件，磁阻组件，瓷敏管等(一)霍尔组件霍尔效应：运动电荷受磁场中洛兰兹力的作用：BvqF霍尔电场：siniBkVHHHk：霍尔系数，决定于材质，温度，尺寸；:Bi,霍尔组件的应用：测位移，微压，压差，加速度，振动等霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图:3.7半导体敏感元件传感器霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm×2mm×0.1mm)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。3.7半导体敏感元件传感器应用从a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1－VH2。如果霍尔元件在初始位置