第四章 常用传感器工作原理

青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用本章学习要求：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四章常用传感器原理及应用1、传感器定义传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。引言目前，传感器转换后的信号多为电信号，故从狭义上讲，传感器是把外界输入非电信号转换成电信号的装置.青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用物理量电量2、传感器的构成由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件用于感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件对敏感器件输出电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入.ΩV青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用3、传感器的分类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。青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用2)按工作的物理基础分类机械式，电气式(电阻应变式，电感式，电容式，压电式等),光学式等。3）按被测量和工作原理联合分类电阻应变式力传感器、电感式位移传感器、压电式加速度传感器等。青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用物性型：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。结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变，如:电容式和电感式传感器.4）按信号变换特征青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用能量转换型和能量控制型。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。5)按敏感元件与被测对象之间的能量关系青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用（1）集成化传感器本身的集成化：CCD器件传感器与后续电路的集成化：频率输出型单块集成压力传感器（2）多维化单光电探测器辐射光功率的大小一维与二维光电探测器入射光点的位置4、传感器技术的发展（3）微传感器基于MEMS技术的新型传感器，其敏感元件尺寸为0.1μm～100μm。微传感器不是传统传感器按比例缩小的产物，其理论基础、结构工艺、设计方法等有许多自身的特殊现象和规律。单元线阵阵列青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用（4）智能化智能传感器一种将普通传感器与微处理器一体化，兼有检测和信息处理功能的新型传感器，集信息采集，信息的记忆、辨别、存储、处理于一体。（5）网络化传感器网络化传感器是在智能传感器基础上，把TCP／IP协议作为一种嵌入式应用，嵌入现场智能传感器的ROM中，从而使信号的收、发都以TCP／IP方式进行。青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用第一节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。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。1、变阻器式传感器青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用（1）等效电路分析★L—变阻器总长★x—电刷移动量★RL—总电阻★Rx—电刷电阻xLEE111LxRLExLEExRE0LExE1青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用VRmEE1RxR-RxmxmxmxmxxRRRRRRRRRREE1考虑负载效应，有)1(1LxRRxLEEmRx//Rm0LE理想实际青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用（2）变阻器式传感器的性能参数1）线性(或曲线的一致性)；2）分辨率；3）整个电阻值的偏差；4）移动或旋转角度范围；5）电阻温度系数；6）寿命；（3）变阻器式传感器的分类1）按测量类型▲单圈电位器▲多圈电位器▲直线滑动式电位器青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用2）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青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用变阻器式传感器产品青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用案例：重量的自动检测--配料设备比较重量设定原材料原理：弹簧→力→位移→电位器→电阻青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用案例：煤气包储量检测煤气包钢丝原理：钢丝→收线圈数→电位器→电阻青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用案例：玩具机器人（广州中鸣数码）原理：电机→转角→电位器→电阻青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用第二节电阻应变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，即外力→金属导体机械变形(伸长或缩短)→电阻值变化。青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用一、金属电阻应变片电阻丝：一般采用直径为0.025mm左右的康铜(含57%Cu、43%Ni)或镍铬合金(含80%Ni、20%Cr)丝，敏感栅粘贴在基片和覆盖层之间，由引线接出。l称为应变片的基长，b称为基宽，l×b称为应变片的使用面积。应变片的阻值系列有60、120、350、600、1000Ω，以120Ω为最常用。应变片的规格一般用使用面积和电阻值表示，例如,（3×10)mm²，120Ω。常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。丝式应变片的主要结构●做成栅状的电阻丝(敏感栅)●绝缘基片●覆盖层1、丝式应变片青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用应变计金属应变片青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属箔栅，厚度一般在0.003mm～0.01mm之间。可根据需要制成任意形状。它的线条均匀、尺寸准确、散热好、易粘贴、适于大批量生产，已逐渐取代丝式应变片。3、金属电阻应变片的工作原理把应变片粘贴在弹性敏感元件或需要测量变形的试件表面上。受到外力作用，电阻丝随着一起变形，引起电阻值发生变化。这样，将被测量转换为电阻变化。2、箔式应变片青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用工作原理：金属丝的原始电阻：ALRLdLLdL纵向应变rdr横向应变LdLrdr微分dALdAALdLAdR2泊松比dAdALdLRdR电阻的相对变化：青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用KRdRdrdrLdLRdR2因为2rArdrdA2dRdR)21(21RdRLdLRdRK=常数dRdRK)21(令≈0灵敏度一般在1.7~3.6左右。金属应变片的灵敏度较低，但温度稳定性好，用于测量精度要求较高的场合.称为金属丝的应变系数或灵敏度青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用二、半导体应变片★压阻效应：半导体单晶材料在沿某一方向受到外力作用时，电阻率会发生相应变化的现象。★压阻效应的产生原因：半导体单晶在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率和载流子浓度变化，从而导致电阻率的变化。★半导体应变片的工作原理就是基于压阻效应。★制作程序：由单晶硅、锗一类半导体材料经切型、切条、光刻腐蚀成形，然后粘贴而成。青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用优点：灵敏度高，比金属应变片高50~70倍，体积小.缺点：温度稳定性和线性不如金属应变片。对于半导体应变片，该项很小，可忽略EdRdRdRdR)21(半导体应变片受力后的电阻相对变化也可表示为：灵敏度为：ERdRK弹性模量正应力压阻系数青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用VER1R2R3R4电桥电路三、转换电路力应变电阻变化电流或电压？青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用四、电阻应变片的应用青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用标准产品青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用案例：桥梁固有频率测量青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用案例：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。青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用案例：冲床生产记数和生产过程监测青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用案例：机器人握力测量青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用案例：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。青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用电感式传感器是基于电磁感应原理，把被测量转化为电感量的一种装置。电感式传感器分类第三节电感式传感器优点：灵敏度高（能测0.1μm的位移）、线性较好(非线性误差0.1%)、输出功率大等。缺点：频率响应较低；测量范围越大，分辨率越低。自感式互感式可变磁阻式涡流式青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用一、自感式传感器002AAlRm由于δ很小，可认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为：1、变气隙式变气隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕在铁心上,衔铁和铁心间有一气隙δ。线圈铁芯衔铁分为变气隙式、变面积式、螺旋管式三类。线圈自感量L为：mRNL2线圈匝数磁路总磁阻铁芯导磁长度铁芯磁导率铁芯截面积空气磁导率气隙长度气隙截面积青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用这种传感器适用于较小位移的测量，测量范围约在0.001~1mm左右。002AAlRm002ARm由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略2002ANLdANdL20022传感器灵敏度：20022ANK青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用2、变面积式3、螺管式特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏度为一常数，因而线性度较好，量程范围可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便，因而应用较为广泛。铁芯线圈衔铁原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致线圈的电感量发生变化。铁芯线圈原理：衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。特点：灵敏度更低，但测量范围大，线性也较好，同时自由行程可任意安排，制造装配方便，应用较广泛。青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用以上三类自感式传感器在实际应用时，一般由两单一结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结构可改善非线性，提高灵敏度，对电源电压及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高传感器的稳定性。差动式电感传感器(a)变间隙型(b)变面积型(c)螺管型1—线圈2—铁芯3—衔铁4—到杆(a)(b)(c)青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用二、差动变压器式传感器差动变压器式传感器是把被测量的变化转换成互感系数M的变化。传感器本身是互感系数可变的变压器。因为它是基于互感变化的原理，故也称为互感式传感器。EwEoutEW1EW2WW1W2Esx-x输出电压Eout=EW1-EW2，当铁芯在中央位置时，EW1=EW2。青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用单螺管线圈型螺管线圈差动双螺管线圈差动型传感器测量电路~青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用差动变压器位移传感器青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用案例：板的厚度测量~青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用案例：张力测量青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用三、电涡流式传感器原理：将金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电，这种电流的流线在导体内自行闭合，称为电涡流效应。高频交变电流线圈交变磁通φ电涡流交变磁通φ1使原线圈的等效阻抗Z发生变化青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用原线圈的等效阻抗Z变化：),,,(ZZ线圈与金属板的距离金属板的电阻率金属板的磁导率线圈激励角频率青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用产品：青岛大学机电工程学院第四章常用传感器原理及应用案例：连续油管的椭圆度测量C