常用传感器

2020/2/151机械电子工程学院高文杰机械工程测试技术基础2020/2/152第三章常用传感器▼▼▼▼▼▼3.1传感器作用及分类3.2机械式传感器及仪器3.3电阻、电容及电感式传感器3.4磁电、压电与热电式传感器3.5光电传感器3.6传感器的选用原则2020/2/1533.1概述1.传感器(Sensor)定义传感器是能感受规定的被测量，并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。狭义上，非电信号电信号。传感器是控制系统中的第一个环节，它具有两个作用：敏感作用：感受并拾取被测对象的信号变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号2020/2/154将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。获得传感器信号的两种方法直接获得电信号的变化（开关传感器）；2020/2/1552.传感器的分类(1)按被测物理量分类位移传感器,流量传感器,温度传感器等.电阻式,电容式,电感式,压电式,光电式等.能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作.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供给能量的变化.例如:电阻应变片.能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测.例如:超声波发生器和接受器.(3)按传感器的能量传递方式分类(2)按传感器元件的变换原理分类2020/2/1563.传感器的性能要求高灵敏度、线性、抗干扰的稳定性(对噪声不敏感)、容易调节(校准简易)高精度、高可靠性、无迟滞性、工作寿命长(耐用性)高响应速率、可重复性、抗老化、抗环境影响(热、振动、酸、碱、空气、水、尘埃)的能力选择性、安全性(传感器应是无污染的)、互换性、低成本宽测量范围、小尺寸、重量轻和高强度、宽工作温度范围传感器性能的基本要求2020/2/1574.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•P70机械工程中常用的传感器汇总表2020/2/1583-2机械式传感器及仪器常常以弹性体作为传感器的敏感元件。输入量可以是力、压力、温度等，输出则为弹性元件本身的弹性变形（或应变）。2020/2/159特点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等优点。但弹性变形不宜大，以减少线性误差。惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。为了提高测量的频率范围，可先用弹性元件将被测量转换成位移量，然后用其他形式的传感器将位移量转换成电信号输出。微型探测开关能把物体的运动、位置或尺寸变化转换为接通、断开型号。P72图3-4.2020/2/1510电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。•按工作的原理可分为:热敏式电阻应变式变阻器式光敏式湿敏式AlR1、电阻式传感器3.3电阻、电容与电感式传感器2020/2/15111）.可调电位器0OUTINA×REER为输出电压(V)；为外加固定电压(V);为材料的总电阻();为固定端至滑块的电阻()OUTEINEAR0R2020/2/15122020/2/15132020/2/1514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（受到电阻丝直径的限制）；噪声大（电刷与电阻元件之间的接触）常用于线位移、角位移测量。2020/2/15152020/2/15162020/2/15172）.应变式电阻传感器基片盖层敏感栅引线粘贴剂丝式应变片箔式应变片AlR2020/2/1518(1).应变效应AlR导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。应变片受力应变比例关系比例关系应变片电阻的变化2020/2/1519(2).工作原理AlR式中，ρ——导线的电阻率，又称为电阻系数金属导线的应变电阻效应：当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。LdLDD+dDPP拉伸拉伸2020/2/1520SERdR)21(S由两部分组成：前一部分(1+2μ)是由金属导线的几何变形引起的；后一部分λE除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。μ：泊松系数，E:弹性模量，ε:纵向应变，λ:压阻系数推导2020/2/15211金属应变片（不变）金属应变计2半导体应变片（变化）半导体应变计6.3~7.1)21(SRdR70~60SERdRSERdR)21(2020/2/1522(3).应变片的主要参数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。120欧姆最常用3)灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。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）。2020/2/1523(4).金属应变计金属应变计有:1、丝式2、箔式3、薄膜式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.应变计2020/2/1524(5).半导体应变计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。应变计体型薄膜型扩散型2020/2/1525立柱应力桥梁应力(6).应变式电阻传感器的应用德国HBM电阻应变式传感器2020/2/1526质量传感器位移传感器加速度计压力传感器2020/2/1527压力传感器转矩传感器2020/2/15282电容式传感器1）.变换原理将被测物理量的变化转化为电容量变化。两平行极板组成的电容器,它的电容量为:AC+++A当被测量δ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。2020/2/15292）.分类a)极距变化型+++c)介质变化型b)面积变化型:平面线位移型,角位移型,柱面线位移型AC2020/2/15303）.灵敏度a)极距变化型ACdAdC2传感器的灵敏度近似为：CAddCS2变极距电容传感器平板电容器ACC2020/2/1531传感器灵敏度b)面积变化型a)直线位移型bxC常数bdxdCS直线位移型b)角位移型22rC传感器灵敏度常数22rddCS角位移型xbx12x212020/2/1532c)介质变化型介质常数变化型电容式传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。2020/2/15334）测量电路电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化以后，由后续电路转换为电压、电流或频率信号。常用的电路有：（a）电桥电路2020/2/1534电容传感器的电容Cx作为谐振回路(L2、C2、Cx)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感耦合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。2020/2/1535（c）直流极化电路又称为静压电容传感电路。多用于电容传声器或压力传感器。P82图3-16（d）调频电路2020/2/1536（e）运算放大器电路2020/2/15375）电容集成压力传感器P832020/2/15386）.电容式传感器的应用振动测量旋转轴的偏心量的测量2020/2/15392020/2/15402020/2/15412020/2/1542电容式氢液高度传感器纱条均匀度测试仪2020/2/15433电感式传感器电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型2020/2/15441）.可变磁阻式001112AALmR原理:电磁感应W:线圈匝数；L1:软铁长度；μ1：软铁磁导率；μ0：空气磁导率A1：铁芯导磁截面A0：空气导磁截面123~xbaA0可变磁阻式传感器基本原理1．线圈2.铁芯3.衔铁mRWL22002AWL2020/2/15452002AWL(1).间隙变化型20022WAdLLSd间隙变化型可变磁阻式传感器结构当μ0、A0固定不变，改变δ时，L与δ呈非线形（双曲线）关系，LL0L与δ的双曲线关系传感器灵敏度：L2020/2/1546特点：•输出特性非线性；为获得较高灵敏度，气隙的初始值δ0不宜过大。为获得较好的线性关系，须限制测量范围，使衔铁位移在较小范围内变化，(Δδ«δ0),一般取Δδ=(0.1～0.2)δ0变气隙式传感器适用于微小位移的测量，测量范围：0.001～1mm。2020/2/15472002AWL(2).面积变化型面积变化型可变磁阻式传感器结构当μ0、δ固定不变，改变A0时，L与A0呈线形关系，传感器灵敏度2002WdLSdAL0A0L与A0的线形关系=常数输出特性为线性，因此测量范围大。要提高灵敏度，气隙厚度δ不能过大。2020/2/1548(3).螺线管型当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而产生电感的变化。001112AALmRmRWL2结构简单、制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移(数毫米)测量。2020/2/1549(4).差动型~~12xL0123变间隙型差动变压器输出特性传感器灵敏度LddLS2􀂾当气隙相对变化Δδ/δ1时，高次项迅速减小，非线性得到改善。然而，这会使传感器的测量范围变小，因此对输出特性线性的要求和对测量范围的要求是相互矛盾的。这正是取Δδ/δ=0.1～0.2的原因。􀂾当构成差动式电感传感器时，输出与ΔL1+ΔL2有关，它不存在偶次项，因此差动式电感传感器的非线性明显改善。2020/2/15502）.涡流式电感传感器当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。涡流的大小与金属板的电阻率ρ、磁导率μ、厚度t，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。涡流式电感传感器可分为1）高频反射式2）低频投射式金属板11i2020/2/1551原线圈的等效阻抗Z变化：),,,(ZZ(1).高频反射式（集肤效应）()Zfx金属板i11i高频反射式涡流传感器δ高频(lMHz)激励电流2020/2/1552(2).低频透射式（互感原理）低频透射式涡流传感器e2随材料厚度增加变化的规律1e1W2e2W低频(20kHz)激励电流2020/2/1553测量电路传感器由振荡器提供高频电源，当传感器谐振频率与电源频率相同时，输出电压u最大。1、调幅电路传感器线圈L与电容C共同组成并联谐振回路，谐振频率为：2020/2/1554测量时，传感器等效电感随x而改变，LC回路失谐，输出信号频率虽仍为电源频率，但幅值随x变化，即x对输出信号存在调幅作用。2020/2/15552、调频电路以LC振荡回路的谐振频率作为输出量。鉴频器：将调频信号转换为电压信号输出。2020/2/1556电涡流式传感器的特点非接触测量，抗干扰能力强灵敏度高分辨力高，位移检测范围：±1mm～±10mm，最高分辨率可达0.1%。结构简单，使用方便，不受油液等介质影响2020/2/1557（3）.涡流式传感器的应用案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量径向振动的测量构件振幅的测量构件振型的测量c)转速测量b)轴心轨迹测量a)径向振动测量d)表面裂纹测量轴心轨