6-传感器原理1

1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路第三章传感器测量原理3.1概述•人类通过5种感官获取信息，在人的一生中发挥着传递信息和指导人类活动的重要作用•眼——视觉，83%•耳——听觉，11%•鼻子——嗅觉，3.5%•舌头——味觉，1%•手等——触觉，1.5%3.1概述人类感官获取信息的局限性感官生理机能的限制视觉：0.38～0.78μm听觉：20Hz～20KHz神经脉冲的速度：250Km/h受限于不同个体的思维和理解能力机械师听声识故障中医切脉、CT图像、超声图像对音乐的感受信号的频谱分析3.1概述•人类感官的延伸——传感系统3.1概述1.传感器定义广义：传感器是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。物理量（化学量、生物量）电量（非电量）狭义：传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。2.传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。3.1概述dV3.传感器的分类3.1概述1)按被测物理量分类常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩3.1概述机械式,电气式,光学式,流体式等.2)按工作的物理基础分类:3.1概述能量转换型和能量控制型.3能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.(无源传感器)例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部(有源传感器)供给能量的变化.例如:电阻应变片.按敏感元件与被测对象之间的能量关系:3.1概述4)按信号变换特征:物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计，光电管等.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如:电容式和电感式传感器.3.1概述四、传感器的发展方向1.利用新材料和新工艺扩展传感器感测信息的谱域•视觉与光学传感器•光谱范围：可见光——x射线、γ射线、远红外线•响应速度：0.1s——10-9s•分辨率：0.1~0.2mm——10-7mm•听觉与声压传感器：超声波与次声波•触觉与温度压力传感器：测温范围与灵敏度大大提高•嗅觉传感器：电子鼻－－半导体材料吸收可燃气体发生还原反应•味觉传感器：人工舌－－辨别酸甜苦，啤酒与咖啡，定量分析2.智能化(MEMS与CPU、信息控制技术的结合)未来智能传感器装有微处理器，除执行信息处理和信息存储，还能够进行逻辑思考和对特殊情况作出判断并进行处理。3.纳米传感器(纳米技术与传感技术的结合)纳米技术的发展，为传感器提供了优良的敏感材料，纳米技术中的关键技术STM，研究对象向纳米尺度过渡的MEMS技术等。推动了传感器的制作水平，拓宽了传感器的应用领域。4.无线网络化(MEMS网络技术的结合)随着通讯技术的发展、无线技术的广泛应用，无线技术也应用到传感器技术中来。比如水文观测中通过传感器收集到水文的信息，然后通过无线技术发送到集中控制平台，这样我们就可以在控制平台上监测到各个点的水文信息。在航天技术中我们通过卫星把传感器的采集数据发回地面，从而了解到到太空中的各种情况。5.微型化(微电子与微机械的结合)由于计算机技术的发展，辅助设计（CAD）技术和集成电路技术迅速发展，微机电系统（MEMS）技术应用于传感器技术，从而引发了传感器微型化。6.仿生学的应用仿生学的发展也促进了传感器的发展，这是一个新的发展方向。在2002年美国空军通过对毒蛇的仿生学研究开发微热型传感器。这种微热型传感器像毒蛇的热感系统一样，可以感知任何环境温度的变化。3.1概述五、传感器的选用原则•灵敏度•一般愈大愈好，但须考虑噪声、量程等问题•响应特性•响应时间越短越好•线性范围•稳定性•长时间使用输出特性不发生变化•工作环境•精确度•输出与被测量的对应程度•测量方式－接触与非接触，破坏与非破坏、在线与非在线合于使用原则3.2电阻式传感器•电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,然后通过转换电路将电阻值的变化转换成电压或电流的输出。•按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.•对应变、力、位移、温度、加速度等参数进行测量•一般说来，电阻式传感器结构简单，性能稳定，灵敏度较高，有的还适合于动态测量3.2电阻式传感器1变阻器式(电位计式)传感器组成：骨架、线圈、滑动触头（电刷）电阻丝横截面积电阻丝长度电阻率：，：，：电阻定律：A,/)(2lmmmAlR•线性电位器空载等效电路分析:xL3.2电阻式传感器•L-变阻器总长;•x-电刷移动量.•R-总电阻;•RL电刷电阻;UUoLx=RRL=UUox=L*Uo/U3.2电阻式传感器0UoULxx=L×Uo/U＝k×Uo3.2电阻式传感器UUoVRmRxR-Rx1UUoxLRmR+Lx()-•线性电位器负载等效电路分析:3.2电阻式传感器负载效应0LE1UUoxLRmR+Lx()-应该使RmR(2)变阻器式传感器的性能参数:1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命;(3)变阻器式传感器的分类3.2电阻式传感器按测量类型：单圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器3.2电阻式传感器按制作方式：线绕电位器导电塑料电位器普通塑料基底导电材料粉变阻器式传感器产品3.2电阻式传感器(4)变阻器式传感器的特点：3.2电阻式传感器电阻器制作特点绕线式直径0.012-0.1mm的镍铬合金的精密电阻丝绕在绝缘的薄膜铜丝或绝缘的胶木板等卷心上而制作电阻温度系数非常好，为±(5－20)×10-6/℃；精度、稳定性、重复性比薄膜式好；分辨力低于薄膜式金属陶瓷式电阻胶印在陶瓷基板上，并用高温烧制而成分辨力高，环境适应性强，电阻温度系数为±200×10-6/℃左右导电-塑料式将基板的树脂与电阻膜制成一体，或将电阻胶涂于薄膜基片上分辨力高，寿命长，线响应特性好，电阻温度系数为±400×10-6/℃混合式导电型树脂涂于线绕式电阻元件上兼有绕线式、导电－塑料式的优点，电阻温度系数为±150×10-6/℃案例：煤气包储量检测煤气包钢丝3.2电阻式传感器特点：（1）测量量程大；（2）防爆；（3）可靠；（4）成本低。原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化案例：玩具机器人3.2电阻式传感器原理：电机-转角-电位器-电阻2电阻应变式传感器--应变片3.2电阻式传感器电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。1)工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数3.2电阻式传感器金属应变片的电阻R为AlR/dAldAAldlAdR+2代入AlR/dRAdARldlRdR+3.2电阻式传感器dAdAldlRdR+有：金属丝：2rAdrdrldlRdR+2金属丝体积不变：纵向应变为泊桑比＝横向应变/ldlrdr3.2电阻式传感器有：)(2弹性模量压阻系数，EEddRdR++对金属材料，导电率不变：)21(+RdR金属丝应变片：应变计3.2电阻式传感器金属应变计3.2电阻式传感器半导体应变计drdrldlRdR+2简化为：dRdRE•优点：灵敏度大;体积小;•缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。3)应变片的主要参数4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）3.2电阻式传感器1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用b×L表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。3.2电阻式传感器3)应变片测量电路VER1R2R4R3ERRRRRRRRV))((32413142++3.2电阻式传感器ERRRRRRRRV))((32413142++令：RR1dRRR+3RRR42ERRdRRRRRdRRRV))(()(++++RdRE4)21(+RdR金属丝应变片：V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变3.2电阻式传感器电阻应变片的选择、粘贴技术1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。3.2电阻式传感器5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。3.2电阻式传感器电阻应变式传感器的应用：3.2电阻式传感器电阻应变式传感器的应用：测力3.2电阻式传感器标准产品案例：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。3.2电阻式传感器案例：冲床生产记数和生产过程监测3.2电阻式传感器案例：机器人握力测量3.2电阻式传感器3.2电阻式传感器案例：振动式地音入侵探测器适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。