第三章 常用的传感器

第三章常用的传感器郑惠萍河北科技大学机械电子工程学院内容提要•基本概念、传感器的分类•传感器的分类•机械式传感器•电阻式传感器•电感式传感器•电容式传感器•压电式传感器•磁电式传感器•热电式传感器•光电式传感器•光纤式传感器•半导体传感器•红外测试系统•激光测试系统•传感器的选用原则基本概念•传感器的定义把直接作用于被测量，能按一定规律将其转变成同种或别种量值输出的器件•传感器的作用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•测量变换器提供与输入量有给定关系的输出量的器件传感器就是输入量为被测量的测量变换器；位于测试装置的输入端传感器的分类•按被测量分类位移、速度、加速度、力、温度•按传感器工作原理分类机械、电器、光学、流体式•按信号变换特征分类物性型、结构型•根据敏感元件与被测对象之间的能量关系分类能量转换（无源传感器）、能量控制型（有源传感器）•按输出信号分类•模拟式、数字式物性型、结构型传感器•物性型传感器是依靠敏感元件材料本身的物理化学性质的变化来实现信号的变换的。–水银温度计：水银的热胀冷缩现象–压力测力计：石英晶体的压电效应•结构型传感器是依靠传感器结构参数变化而实现信号转换的。–电容式传感器：极板距离电容变化–电感式传感器：衔铁位移自感或互感变化返回能量转换、能量控制型传感器•能量转换型（无源）传感器：直接由被测对象输入能量使其工作；热电偶温度计、弹性压力计等•能量转换型（有源）传感器：由外部供给能量使传感器工作，并且由被测量来控制外部供给能量的变化；电阻应变计+电桥返回机械式传感器1•工作原理：以弹性体作为传感器的敏感元件，输出为弹性元件本身的弹性变形。机械式传感器2•特点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读书直观；但弹性变形不宜大，机械传动宜受间隙影响，惯性大、固有频率低•应用：用于检测缓变或静态被测量•提高测量频率范围的方法•被测量变形（位移）电信号弹性元件敏感元件机械式传感器3•在自动检测、自动控制技术中广泛应用的微型探测开关也被看作机械式传感器。电阻式传感器1•定义：把被测量转换为电阻变化的传感器。•分类（按工作原理）：–变阻式（电位差计式）传感器–电阻应变片式传感器•金属电阻应变片•半导体应变片变阻式传感器1•工作原理：位移变化电阻的变化电位器触头位置变阻式传感器22)(kxxf)()(xfxR骨架形状须根据所要求的输出来确定，以保证)(xf变阻式传感器的后接电路•一般采用电阻分压电路变阻式传感器的特点应用•特点：优点是结构简单，性能稳定，使用方便。缺点是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。提高分辨力需使用更细的电阻丝，其绕制较困难。所以变阻器式传感器的分辨力很难优于20μm。由于结构上的特点，这种传感器还有较大的噪声。•应用：被用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。电阻应变式传感器---金属电阻应变片1•工作原理：是基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。•常用的有丝式和箔式两种。电阻应变式传感器---金属电阻应变片2电阻应变式传感器---金属电阻应变片3电阻应变式传感器---金属电阻应变片4电阻应变片的应变系数或灵敏度电阻应变式传感器---金属电阻应变片5•制造应变片的电阻丝的灵敏度多在1.7~3.6。•一般市售电阻应变片的标准阻值有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1200Ω等。其中以120Ω为最常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。•常用电阻丝材料的物理性质见表3-2。电阻应变式传感器---半导体应变片1•工作原理：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ρ发生变化的现象。灵敏度比金属丝电阻应变片大50~70倍电阻应变式传感器---半导体应变片2•优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小以及体积小•缺点：温度稳定性能差、灵敏度分散度大(由于晶向、杂质等因素的影响)以及在较大应变作用下，非线性误差大•几种常用半导体材料特性见表3-3。注意：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电阻的变化，后者利用半导体电阻率变化引起电阻的变化。电阻应变式传感器应用实例1•直接用来测定结构的应变或应力电阻应变式传感器应用实例2•将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、压力、加速度等物理参数的传感器。弹性元件得到与被测量成正比的应变，再由应变片转换为电阻的变化。电阻应变式传感器应用注意事项•电阻应变片测出的是构件或弹性元件上某处的应变，而不是该处的应力、力或位移。•粘合剂和粘合技术对测量结果有着直接影响。•用于动态测量时应考虑应变片的动态响应特性。其中，限制应变片上限测量频率是所使用的电桥激励电源的频率和应变片的基长。一般上限测量频率应在电桥激励电源频率的1/5~1/10以下。基长愈短，上限测量频率可以愈高。一般基长为l0mm时，上限测量频率可高达25kHz。•要采取相应的温度补偿措施，以消除温度变化所造成的误差。电感式传感器•工作原理：把被测量，如位移等，转换为电感量变化的一种装置。其变换是基于电磁感应原理。•按照变换方式的不同可分为–自感型（可变磁阻式、涡流式）–互感型（差动变压器式）电感式传感器—可变磁阻式（自感型）1•线圈自感量L电感式传感器—可变磁阻式（自感型）2变气隙自感式传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.001~1mm。可变磁阻式传感器典型结构方案常用测量范围0~300μm，最小分辨力0.5μm电感式传感器—涡电流式（自感型）1•工作原理：利用金属导体在交变磁场中的涡电流效应。•涡电流的磁场使原线圈的等效阻抗Z发生变化。•影响Z的因素除了δ外，还有金属板的电阻率、磁导率及线圈激磁园频率。•改变其中某一种因素达到不同的测试目的。涡电流式传感器的测量电路1阻抗分压式调幅电路涡电流式传感器的测量电路2•调频电路涡电流式传感器应用•用于动态非接触式测量，测量范围±1mm~10mm,最高分辨力达0.1μm•在径向摆动、回转轴误差运动、转速和厚度测量，以及在零件计数、表面裂纹和缺陷测量中都可应用。电感式传感器----差动变压器式（互感型）•工作原理：利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化，实质上是一个变压器。差动变压器式传感器工作原理差动变压器式传感器注意事项•输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比，其输出电压如用交流电压表指示，输出值只能反映铁心位移的大小，不能反映移动的方向性。•交流电压输出存在一定的零点残余电压。零点残余电压是由于两个次级线圈结构不对称，以及初级线圈电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使铁心处于中间位置输出也不为零。为此，差动变压器式传感器的后接电路形式，需要采用既能反映铁心位移方向性，又能补偿零点残余电压的差动直流输出电路。差动变压器式传感器特点和应用•特点：具有精确度高(高到0.1μm数量级)，线性范围大(可扩大到±100mm)，稳定度好和使用方便；但其实际测量频率上限受制于传感器中所包含的机械结构•应用：广泛应用于直线位移的测量；借助于弹性元件可用于压力、重量的测量电容式传感器•定义：将被测物理量转换为电容量变化的装置。它实质上是一个具有可变参数的电容器。•工作原理：•分类：极距变化型、面积变化型和介质变化型电容式传感器--极距变化型1通常规定在较小的间隙变化范围内工作，以便获得近似线性关系。一般取极距变化范围约为Δδ/δ=0.1。在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精确度的影响，常常采用差动式。电容式传感器--极距变化型2•优点：可进行动态非接触式测量，对被测系统的影响小；灵敏度高，适用于较小位移(0.01~数百微米)的测量。•缺点：有线性误差、传感器的杂散电容也对灵敏度和测量精确度有影响，与传感器配合使用的电子线路也比较复杂。电容式传感器—面积变化型2电容式传感器—面积变化型3•特点：输出与输入成线性关系。但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移的测量。电容式传感器—介质变化型•一种利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。可用来测量电介质的液位或某些材料的厚度、温度和湿度等，也可用来测量空气的湿度。电容式传感器---测量电路11.电桥型电路2.直流极化电路（用于电容传声器或压力传声器中）电容式传感器---测量电路2•谐振电路电容式传感器---测量电路3•调频电路•运算放大器电路电容式传感器---注意事项•注意：1）电容传感器的电容量很小，一般只有几十或几百pF，测量时电容量的变化更小，常在lpF以下；2）传感器板极与周围元件之间以及连接电缆都存在着寄生电容，其电容值甚大且不稳定。•措施：缩短传感器和测量电路之间的电缆，甚至将测量电路的一部分和传感器做成一体或采用专用的驱动电缆。压电式传感器1•定义：是一种可逆型换能器，既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能。•工作原理：利用某些物质的压电效应。•基本概念：–压电效应–逆压电效应（电致伸缩效应）压电材料•常用的压电材料大致可分为三类：压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。•压电单晶为单晶体，常用的有石英晶体(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)等。•压电陶瓷为多晶体，常用的有钛酸钡(BaTiO3)、锆钛酸铅（PZT）等。•高分子压电薄膜以聚偏二氟乙烯（PVdF）最为著名。压电传感器及其等效电路测量静态核准静态量时，必须采用极高负载的阻抗；适宜于动态测量压电传感器测量电路1•前置放大器–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，这给后接电路带来一定困难。为此，通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器。•前置放大器的主要作用–将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出–放大传感器输出的微弱电信号压电传感器测量电路2•前置放大器电路形式–用电阻反馈的电压放大器，其输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比；（电缆的长度和形态变化使传感器灵敏度发生变化，对测量结果有影响）–带电容反馈的电荷放大器，其输出电压与输入电荷成正比；（在一定条件下，与电缆对地电容无关）压电传感器测量电路3fyCquficafCCCCAC)(当压电传感器应用•应用领域–常用来测量力、压力、振动的加速度，也用于声学(包括超声)和声发射等测量•压电传感器类型–压电式力传感器：10-3N到104kN，动态范围一般为60dB；测量方向有单方向的，也有多方向的。–压电式压力传感器：1）利用膜片式弹性元件；2)利用活塞–压电式加速度传感器：系列产品（不同灵敏度、不同量程、不同大小），灵敏阈达10-6gn注意事项•必须采用阻抗变换器或电荷放大器。己有将阻抗变换器和传感器集成在一起的集成传感器，其输出阻抗很低。•在低频振动时，压电式加速度计振动圆频率小，受灵敏度限制，其输出信号很弱，信噪比差。•使用时，应该选用横向灵敏度小的传感器•在安装使用时，应力求使最小横向灵敏度方向与最大横向干扰力方向重合。•经常校准压电式传感器是十分必要的。磁电式传感器•定义：是把被测物理量转换为感应电动势的一种传感器，又称电磁感应式或电动式传感器。•工作原理：•按结构方式分类：动圈式、磁阻式注意：线圈与磁场相对速度惯性式速度计工作原理磁电式传感器测量电路不使用特别加长电缆时，并且时，则放大器输入电压0ZRLeuL磁阻式电磁传感器1•原理：线圈和磁铁不做相对运动，由运动着的物体（导磁材料）来改变磁路的磁阻，而引起磁力线的改变，使线圈产生感应电动势。•组成：由永久磁铁及缠绕其上的线圈组成。磁阻式电磁传感器2热电式传感器•工作原理：把被测量(主要是温度)转换为电量变化的一种装置，其变换是基于金属的热电效应。•分类（按照变换方式）：–热电偶–热电阻传感器热电偶1•工作原理：热电偶属于结构型传感器；把两种不同的导体或半导体连接成图示的闭合回路，如果将它们的两个接点分别置于温度为T和T0(假定TT0)的热源中，则在该回路内就会产生热电动势，这种现象称为热