第三章-常用传感器技术2010-2011

山东理工大学机械学院第三章常用传感器技术•第一节传感器的基本概念•第二节电阻式传感器•第三节电容式传感器•第四节电感式传感器•第五节压电式传感器•第六节磁电与热电式传感器•第七节光电式传感器•第八节光纤传感器•第九节半导体传感器•第十节其它类型传感器山东理工大学机械学院第一节传感器的基本概念一、传感器的定义与组成：传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。定义的解释：1.传感器是测量装置,能完成检测任务;2.它的输入量是某一被测量,可能是物理量(如位移、温度、力、压力、速度、加速度等),也可能是化学量、生物量等;3.它的输出量是某种物理量,这种量要便于传输、转换、处理、显示等,可以是气、光、电量,但主要是电量;4.输出与输入有一定的对应关系,且应有一定的精确度。山东理工大学机械学院传感器的基本组成：1.敏感元件：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系的某一物理量。2.转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电路参量。3.转换电路：把转换元件的电路参量转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号。其组成如图所示。山东理工大学机械学院二、常用传感器的分类1、按被测物理量分类机械量: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，色彩常见的被测物理量山东理工大学机械学院•机械式传感器以弹性体作为敏感元件，输入量可以是力、压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。•弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指示被测量的大小。•应用实例：测力计、压力计和温度计。测力计2、按传感器工作原理分类机械式,电气式,光学式,流体式等.山东理工大学机械学院压力计温度计弹性膜片波纹管波登管山东理工大学机械学院特点：–机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、读数直观；–弹性变形不宜大，以减小线性误差；–惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态被测量。–弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象，影响输出与输入的线性关系。山东理工大学机械学院3、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.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.山东理工大学机械学院能量转换型和能量控制型.4、按敏感元件与被测对象之间的能量关系能量转换型(无源传感器）:直接由被测对象输入能量使其工作.例如:热电偶温度计,磁电式加速度计.能量控制型（有源传感器）: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.山东理工大学机械学院V山东理工大学机械学院5．按传感器的输出量分模拟式传感器和数字式传感器模拟式传感器是指传感器的输出信号为连续形式的模拟量；数字式传感器是指传感器的输出信号为离散形式的数字量。山东理工大学机械学院第二节电阻式传感器一、电阻式传感器电阻式传感器是将被测量转变为电阻变化的传感器。电阻式传感器分类：–变阻器式传感器–电阻应变式传感器–固态压阻式传感器山东理工大学机械学院1、变阻器式传感器变阻器式传感器又称为电位器式传感器。工作原理：一个电导体的电阻值：式中：R－电阻（Ω）；ρ－材料的电阻率（Ω·mm2/m）；l－导体的长度（m）；A－导体的截面积（mm2）。电阻丝直径和材质一定，电阻值随导线长度改变。变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。)(AlR山东理工大学机械学院–直线位移型kl为单位长度中的电阻。其灵敏度：–角位移型灵敏度：α－触点转角(rad)；ka－单位弧度对应的电阻值。ldxdRkskddRsxkRlkR–非线性型输出电阻(或电压)与电刷位移(包括线位移或角位移)之间具有非线性函数关系的一种电位器。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院★变阻器式传感器的后接电路：电阻分压电路ueuopLPpeoxxRRxxuu1山东理工大学机械学院变阻器式传感器的优缺点：–优点：结构简单，性能稳定，使用方便；–缺点：分辨力受电阻丝直径限制，很难优于20μm；较大的噪声（电刷和电阻元件之间接触面磨损、尘埃附着等原因）。山东理工大学机械学院2、电阻应变式传感器可测参数：应变、力、位移、加速度、扭矩等。电阻应变式传感器:金属电阻应变片和半导体应变片。（1）金属电阻应变片基本工作原理：当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。山东理工大学机械学院主要形式：金属电阻应变片有丝式和箔式两种。–金属丝式应变片是用0.01～0.05mm的金属丝绕成敏感栅，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。–金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.003～0.01mm的金属箔片制成敏感栅。优点：可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅；散热条件好；生产效率高，便于实现自动化生产。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院应变计实际中的金属应变片山东理工大学机械学院将应变片粘贴于弹性元件或被测构件预定部位的表面。电阻应变片的选择、粘贴技术1.目测电阻应变片有无缺陷2.用数字万用表测量应变片电阻值大小3.试件表面处理4.应变片粘贴5.焊线6.用兆欧表检查应变片的引线与试件之间的绝缘阻值，应大于50M欧7.应变片保护应变片的使用：山东理工大学机械学院2ALdAALdAdLdRdAARdLLRdRALR公式推导：应变片实际使用：将其粘贴于弹性元件或被测物体表面。外力作用下，金属丝随物体一同变形，电阻值发生变化，将被测量的变化转换为电阻值的变化。山东理工大学机械学院设A=πr2，r为电阻丝半径，代入上式得)2(2322rdrdldlRdrrldrldlrdR电阻的相对变化)2(rdrdLdLRdR山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院•（1）电阻应变片的种类•常用的电阻应变片有两种：金属电阻应变片和半导体应变片。•（1）金属电阻应变片有丝式和箔式等结构形式。丝式应变片，将一根电阻丝绕成栅状，用胶粘剂贴于基底，其直径在0.012~0.050mm之间。•箔式应变片如图3-9b、c、d所示，它是用光刻、腐蚀等工艺方法制成的一种很薄的金属箔栅，其厚度一般在0.003~0.010mm。它的优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，故允许通过较大的电流，并可做成任意的形状，适于大批量生产。•箔式应变片的使用范围日益广泛，并有逐渐取代丝式应变片的趋势。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院（2）半导体应变片半导体应变片的结构如图，使用方法同电阻丝应变片。工作原理：单晶半导体材料在沿某一轴向受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。实际上，任何材料都不同程度地呈现压阻效应，但半导体材料的这种效应特别强。单晶半导体在外力作用下，原子点阵排列规则变化，导致载流子迁移率及载流子浓度变化，从而引起电阻率变化。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院•半导体应变片的优点是:–灵敏度非常高，有时传感器的输出不需放大可直接用于测量；–分辨率高，例如测量压力时可测出10～20Pa的微压；–机械滞后小，横向效应小、体积小。•最大的缺点是温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。山东理工大学机械学院（3）电阻应变片式传感器的应用实例将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。山东理工大学机械学院应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。山东理工大学机械学院测量时，基座固定在振动体上。振动加速度使质量块产生惯性力，悬臂梁则相当于惯性系统中的弹簧，在惯性力的作用下产生弯曲变形。因此，梁的应变在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。山东理工大学机械学院第三节电容式传感器一、工作原理及类型定义：电容式传感器采用电容器作为传感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化。公式：忽略边缘效应，平板电容器的电容可表达为：FAC0山东理工大学机械学院各参数含义：ε—极板间介质的介电常数，当介质为空气时ε=1；ε0—真空介电常数,ε0=8.85×10-12(F/m);A—极板面积（m2）；δ—两极板间距离（m）。结论：被测量使δ、A或ε变化，均会引起电容C变化。保持其中的两个参数不变，仅改变另一参数，即可把该参数的变化变换成电容量的变化。分类：根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，前两种应用较广。山东理工大学机械学院（1）极距变化型极距有一微小变化量dδ时，引起电容变化量dC为dAdC20山东理工大学机械学院灵敏度为20AddCS结论：山东理工大学机械学院（2）面积变化型山东理工大学机械学院a)角位移型电容量灵敏度结论：输出与输入成线性关系。山东理工大学机械学院b)平面线位移型山东理工大学机械学院c)圆柱体线位移型山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院（3）介质变化型大多用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间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、容量等。图解：图3－24a，在两固定极板间的介质层的厚度、温度或湿度发生变化时，介电常数变，导致电容量变；图3－24b，电容式液面计，液面位置变动，两电极侵入高度变化，电容量变化。山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院二、测量电路电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电路转换成电压、电流或频率等输出量。（1）变压器式交流电桥电容传感器所用变压器式交流电桥测量电路如图3-21所示，电桥两臂C1、C2为差动式电容传感器，另外两臂为交流变压器二次绕组阻抗的一半，即L1和L2。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后获得输出，再推动显示仪表。山东理工大学机械学院图3-21变压器式交流电桥应用电路山东理工大学机械学院（2）直流极化电路又称静压电容传感器电路，多用于电容传声器或压力传感器。组成：弹性膜片、电容器、直流极化电压E0、高阻值电阻R。输出电压：被测量：测量气流（或液流）振动速度，进而测其压力。dtdAREdtdREUCg2000山东理工大学机械学院山东理工大学机械学院（3）调频电路电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率f为：式中L——振荡回路电感。当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录器或显示仪表指示。LCf21山东理工大学机械学院调频电路工作原理山东理工大学机械学院(4）运算放大电路输出电压和位移量的关系：xgCCuu00ACuug000则有式中u0——信号源电压；ug——运放输出电压；co——固定电容；cx——传感器等效电容。★输出电压uo与电容传感器间隙δ成正比关系。山东理工大学机械学院0ugu山东理工大学机械学院三、电容式传感器的应用：电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高精度达0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种250mm量程的电容式位移传感器，精度可达5μm。山东理工大学机械学院（1）电容式测厚仪:测量金属带材在轧制过程中厚度C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容，其总电容为C=C1+C2。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。山东理工大学机械学院（2）电容式转速传感器当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为z,频率为f