机械工程测试技术基础--03传感器02

机械工程测试技术基础1河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第三章常用传感器与敏感原件第三章常用传感器（2）第三章常用传感器与敏感原件2河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第三章常用传感器与敏感原件第一节常用传感器分类第二节机械式传感器及仪器第三节电阻、电容与电感式传感器第四节磁电、压电与热电式传感器第五节光电传感器第六节光纤传感器第七节半导体传感器第八节红外测试系统第九节激光测试传感器第十节传感器选用原则第三章常用传感器与敏感原件3河北工程大学HebeiUniversityofEngineering第四节磁电、压电与热电式传感器磁电式传感器动圈式磁阻式压电式传感器热电式传感器热电偶热电阻第三章常用传感器与敏感原件4河北工程大学HebeiUniversityofEngineering二、压电式传感器压电元件机械量电量可逆换能器可测范围：0.1Hz~20Hz特点：体积小、质量小、精确度高、灵敏度高。工作原理：敏感元件的压电效应第三章常用传感器与敏感原件5河北工程大学HebeiUniversityofEngineering二、压电式传感器–1.压电效应当沿着一定方向施加力变形时，内部产生极化现象，同时在它表面会产生符号相反的电荷；当外力去掉后，又重新恢复不带电状态；当作用力方向相反时，电荷的极性也随之改变。这种现象称压电效应。在介质极化的方向施加电场时，电介质会产生形变，将电能转化成机械能，这种现象称逆压电效应。正压电效应逆压电效应第三章常用传感器与敏感原件6河北工程大学HebeiUniversityofEngineering石英晶体(a)晶体外形；(b)切割方向；(c)晶片zxyoxzyobzoxacy(a)(b)(c)天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。纵轴z轴，称为光轴；x轴，经过六面体棱线并垂直于光轴的方向，因为沿x轴的力作用下压电效应最强最明显，所以x轴也称为电轴；y轴，与x和z轴同时垂直的轴，因为电场作用下沿此轴方向机械变形最明显，故也称为机械轴。第三章常用传感器与敏感原件7河北工程大学HebeiUniversityofEngineering天然形成的石英晶体外形石英晶体切片双面镀银并封装石英晶体薄片第三章常用传感器与敏感原件8河北工程大学HebeiUniversityofEngineering通常把沿电轴X方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，电荷量正比于力，与尺寸无关。而把沿机械轴Y方向的力用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”，电荷量与尺寸有关，且与纵向效应电荷极性相反。沿光轴Z方向受力则不产生压电效应。第三章常用传感器与敏感原件9河北工程大学HebeiUniversityofEngineering二、压电式传感器–2压电材料在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压电材料。压电材料可以分为三大类：压电单晶、压电陶瓷、有机压电薄膜。第三章常用传感器与敏感原件10河北工程大学HebeiUniversityofEngineering压电陶瓷的压电原理压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它们有各自的极化方向,在无外电场作用时,不具有压电性质,压电陶瓷呈中性；即使有外力作用，由于材料的各电畴极化方向杂乱所以总体上不现电性。在一定温度下，施加强直流外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,使材料得到极化，此后去掉强电场常温下具有了压电性，有外力作用时，电畴极化总体上显现电性。第三章常用传感器与敏感原件11河北工程大学HebeiUniversityofEngineering高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达80dB。第三章常用传感器与敏感原件12河北工程大学HebeiUniversityofEngineering压电陶瓷外形高分子压电薄膜及拉制第三章常用传感器与敏感原件13河北工程大学HebeiUniversityofEngineering二、压电式传感器–3等效电路0aAC由于外力作用而在压电材料上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要测量回路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不适宜静态测量。动态测量时，压电材料变化快、漏电量相对较小，故适用于动态测量。当压电器件中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷，实际上是一个电荷发生器，又是一个电容器。/aaUqC第三章常用传感器与敏感原件14河北工程大学HebeiUniversityofEngineering实际应用中为了增大输出值，压电传感器往往用两个或两个以上的晶体串联或并联：并联时，输出电荷量大、电容大、时间常数大；适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。串联时，输出电压大、电容小、时间常数小。适宜测量高频信号和以电压输出的场合。第三章常用传感器与敏感原件15河北工程大学HebeiUniversityofEngineering压电传感器的特点能量转换型（有源）传感器􀀹􀀹体积小，重量轻，刚性好，可提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围。灵敏度高，稳定性好，可靠。有比较理想的线性，且通常没有滞后现象。低频特性较差，主要用于动态测量应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、低噪声电缆。工作原理可逆第三章常用传感器与敏感原件16河北工程大学HebeiUniversityofEngineering压电式加速度传感器当传感器感受振动时，质量块感受与传感器基座相同的振动，并受到与加速度方向相反的惯性力的作用。这样，质量块就有一正比于加速度的交变力作用在压电片上。由于压电片压电效应，两个表面上就产生交变电荷，当振动频率远低于传感器的固有频率时，传感器的输出电荷（电压）与作用力成正比，亦即与试件的加速度成正比。第三章常用传感器与敏感原件17河北工程大学HebeiUniversityofEngineering横向振动测振器纵向振动测振器压电式加速度传感器第三章常用传感器与敏感原件18河北工程大学HebeiUniversityofEngineering三、热电式传感器热电传感器是一种将温度变化转换为电量变化的装置。热电偶——将温度变化转换为电势变化热电阻——温度变化转换为电阻值的变化金属热电阻（热电阻）半导体热电阻（热敏电阻）第三章常用传感器与敏感原件19河北工程大学HebeiUniversityofEngineering1、热电偶传感器热电偶是将温度量转换为电势大小的热电式传感器。当有两种不同的导体或半导体A和B组成一个回路，其两端相互连接时，只要两结点处的温度不同，一端温度为T，称为工作端或热端，另一端温度为T0，称为自由端（也称参考端）或冷端，回路中将产生一个电动势，该电动势的方向和大小与导体的材料及两接点的温度有关。这种现象称为“热电效应”，两种导体组成的回路称为“热电偶”，这两种导体称为“热电极”，产生的电动势则称为“热电势”。热电势由两部分电势组成，一部分是两种导体的接触电势，另一部分是单一导体的温差电势。热端(工作端)冷端(自由端)第三章常用传感器与敏感原件20河北工程大学HebeiUniversityofEngineering将同温度的两种不同的金属互相接触，由于不同金属内自由电子的密度不同，在它们的接点处会产生接触电势。同一种导体因其两端的温度不同会产生温差电势。当热电偶两个电极的材料不同，且A、B固定后，热电势EAB(T,T0)便为两接点温度T和T0的函数，即当T0保持不变，则热电势EAB(T,T0)便为热电偶热端温度T的单值函数)()(),(00TETETTEAB)()(),(0TcTETTEAB第三章常用传感器与敏感原件21河北工程大学HebeiUniversityofEngineering几种常用热电偶的测温范围及特点分度号名称测量温度范围特点E镍铬－铜镍－40～800C优点：适用于还原气氛中，灵敏度高，价格低缺点：使用温度区窄，易氧化，高温有滞后现象K镍铬－镍硅-40～1000C优点：线性度好，适于氧化性气体，耐金属蒸汽，价格低缺点：略有滞后现象，高温还原气氛中易腐蚀S铂铑10—铂0～1400C优点：稳定性好，可做标准电极，可在氧化性和中性介质中使用缺点：铂分子易挥发而变质，热电势小，成本高B铂铑30－铂铑6300～1700C优点：可长期应用于1600°C以上高温，适合于氧化及中性介质中使用缺点：常温时热电势小，价格高第三章常用传感器与敏感原件22河北工程大学HebeiUniversityofEngineering接线盒引出线套管热电偶工作端（热端）不锈钢保护管普通装配型热电偶的结构放大图固定螺纹（出厂时用塑料包裹）第三章常用传感器与敏感原件23河北工程大学HebeiUniversityofEngineering2、热电阻传感器热电阻传感器是利用导体（或半导体——热敏电阻）的电阻值随温度变化而变化的原理进行测温的。优点：①测量精度高；②有较大的测量范围；－200～600℃③易于使用在自动测量和远距离测量中用于制造热电阻的金属材料应满足以下要求：（1）有尽可能大和稳定的电阻温度系数和电阻率,R-t关系最好成线性；（2）热容量小；（3）在工作范围内，物理和化学性能稳定，易复制，价格便宜；目前最常用的热电阻有铂热电阻和铜热电阻。第三章常用传感器与敏感原件24河北工程大学HebeiUniversityofEngineering铂的物理、化学性质都很稳定，耐高温、耐腐蚀。但在还原性介质中，特别是在高温下，易被氧化物中还原成金属的金属蒸汽污染，以致变脆，并改变电阻与温度的关系特性。可用保护套管设法避免或减轻。1）、铂电阻Pt由于铂是贵重金属，因此在一些测量精度要求不高且温度较低的场合，可采用铜热电阻进行测温，它的测量范围为-50～150℃。铜热电阻在测量范围内其电阻值与温度的关系几乎是线性的。铜热电阻线性好,价格便宜,但它易氧化,不适宜在腐蚀性介质或高温下工作。2）、铜热电阻第三章常用传感器与敏感原件25河北工程大学HebeiUniversityofEngineering光电传感器通常是指对由紫外线到红外线光的光能量敏感，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。第五节光电传感器光电效应：用光照射某一物体，即为光子与物体的能量交换过程，这一过程中产生的电效应称为光电效应。按原理分为：外光电效应、内光电效应、光生伏打效应。第三章常用传感器与敏感原件26河北工程大学HebeiUniversityofEngineering1、外光电效应光照时，物体内的电子从物体表面逸出的现象。光子的电磁能动能。光子的能量：hvE电子吸收了光子的能量：212hvmAh：普朗克常数；A：物体的逸出功；v：光的频率；ν：电子的溢出速度；光电子逸出表面的必要条件：hvA对每种光电阴极材料，均有一个确定的光频率阈值。当入射光频率不变时，入射光光强↑，光电子↑。应用外光电效应的主要器件：光电管、光电倍增管。第三章常用传感器与敏感原件27河北工程大学HebeiUniversityofEngineering光电管的典型结构如图所示。由玻璃壳、两个电极、引出插脚等组成。将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂上一层光电材料作为阴极K。当阴极K受到光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极A吸引，这样就在光电管内产生了电子流，在外电路中便产生了电流。光电管的结构第三章常用传感器与敏感原件28河北工程大学HebeiUniversity