常用传感器资料

第3章常用传感器与敏感元件本章学习要求：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机械工程测试技术3.1概述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。物理量电量目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。2.传感器的构成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。dV3.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，色彩机械式,电气式,光学式,流体式等.2)按工作的物理基础分类:能量转换型和能量控制型.3)按信号变换特征: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.（无源传感器）（有源传感器）4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系: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.3.2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:变阻器式和电阻应变式两类。•1变阻器式传感器等效电路分析:xL•L-变阻器总长;•x-电刷移动量.•R-总电阻;•RL电刷电阻;•K单位长度电阻值R=K*LL=R/KEE1Lx=RRL=EE1x=L*E1/Ex=L*E1/E=k*E10LEE1x(k为定值)EE1VRmRxR-Rx1EE1=xLRmR+Lx()-负载效应1EE1=xLRmR+Lx()-[]0LE(2)变阻器式传感器的性能参数:1)线性(或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围;2)分辨率;5)电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差;6)寿命;(3)变阻器式传感器的分类按测量类型：单圈电位器多圈电位器直线滑动式电位器按制作方式：线绕电位器导电塑料电位器普通塑料基底导电材料粉变阻器式传感器产品2电阻应变式传感器--应变片电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。1)工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数金属应变片的电阻R为AlR/=dAldAAldlAdR+=2代入AlR/=dRAdARldlRdR+=dAdAldlRdR+=有：金属丝：2rA=drdrldlRdR+=2金属丝体积不变：==ldlrdr纵向应变泊松比有：dRdR++=2对金属材料，导电率不变：)21(+=RdR金属丝应变片：应变计金属应变计半导体应变计drdrldlRdR+=2简化为：dRdR=E=•优点：灵敏度大;体积小;•缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。基于压阻效应：半导体沿某一轴向外力作用时，电阻率发生变化。3、应变片的主要参数4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。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；3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数；3)应变片测量电路VER1R2R3R4342413212413()+()()+RRVERRRRRRVEEEERRRR=+=+令：RR=1dRRR+=4RRR==32V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变14232413+RRRRVERRRR=+（）()424dRdRVEERdRR=+()dRR电阻应变片的选择、粘贴技术1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。2.用数字万用表测量应变片电阻值大小。同一电桥中各应变片之间阻值相差不得大于0.5欧姆.3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。5.焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。电阻应变式传感器的应用：测力案例：冲床生产记数和生产过程监测案例：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。3.3电容式传感器变换原理:将被测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:AC0=+++Aδ、A或ε发生变化时，都会引起电容的变化。（1）极距变化型AC0=当极板间距有一微小变化量dδ时，电容发生变化：021ddCA=由此得到传感器灵敏度：02d1=dCSA=灵敏度与距离的平方成反比，引入非线性误差。（2）面积变化型AC0=a)角位移型22rA=202rC=20dd2rCS===常数该传感器输入与输出呈线性关系AC0=b)平面线位移型0bxC=（b极板宽度）0ddbCSx===常数该传感器输入与输出呈线性关系c)柱面线位移型.AC0=02In(/)xCDd=当覆盖长度x变化时，电容发生变化，灵敏度：02ddIn(/)CSxDd===常数该传感器输入与输出呈线性关系（3）介质变化型AC0=可用于测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度等。介质变化型电容式传感器应用举例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。(1)电容式测厚仪:测量金属带材在轧制过程中厚度（2）湿度传感器湿度传感器使用湿度敏感聚合物层作为电介质。随着湿度的增加，堆积越来越多的水分子，εr增大。接近传感器：印制电路板包括两个导体，中间媒介电介质的值非常小。如果一个物体（手）移动到电容器区域，将改变电容。人体的组成超过90%水,因而电介质的值非常大(约50)。3测量电路a)电桥电路b)谐振电路LCfπ210=c)运算放大器电路3.4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3.4电感式传感器1自感型--可变磁阻式可变导磁面积型差动型2002ANL=原理:电磁感应，自感L电感式接近传感器（金属）3.4电感式传感器2涡流式原理:涡流效应3.4电感式传感器原线圈的等效阻抗Z变化：),,,(ZZ=3.4电感式传感器3.4电感式传感器案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测3.4电感式传感器2互感型--差动变压器WW1W2Esx-x工作原理:互感现象.EwEout3.4电感式传感器差动变压器测量电路3.4电感式传感器差动变压器位移传感器3.4电感式传感器案例：板的厚度测量~3.4电感式传感器案例：张力测量3.4电感式传感器3.5磁电式传感器1.变换原理:磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势e为磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。cos=SB),,(mdtdRBdeNdt=2分类磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N3.5磁电式传感器动圈式传感器线速度型3.5磁电式传感器角速度型测速电机3.5磁电式传感器磁阻式传感器磁电式车速传感器3.5磁电式传感器3.6压电式传感器1.变换原理:压电效应+串联+并联某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。F+q=DF3.6压电式传感器2、测量电路压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。案例：飞机模态分析3.6压电式传感器3.7半导体传感器3.7.1磁敏元件传感器sinIBKVHH=金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。1霍尔元件霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。测转角：磁敏元件传感器铁磁材料裂纹检测NS磁敏元件传感器案例：汽车速度测量:磁敏元件传感器2磁电阻元件•磁阻效应)1()1(cos/2202020BRRRR+=+=--++lwx磁敏元件传感器特点•电阻的增量与磁场的平方成正比；•与磁场的正负无关；•温度系数影响大；•磁感应的范围比霍尔元件大。磁敏元件传感器产品磁敏元件传感器3.7.2热敏传感器1.双金属温度计把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。优点：结构简单牢固可靠防爆2.热电温度计(热电偶)热电效应将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。热敏传感器BAABNNekTTEln)(=ABTT0k——玻耳兹曼常数，e——电子电荷量，T——接触处的温度NA，NB——分别为导体A和B的自由电子密度。BAABNNekTTEln)(00=热敏传感器热电偶测温基本定律1)均质导体定律由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何，均不产生热电动势。TT02)中间导体定律在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。TT0V热敏传感器3)参考电极定律两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：),(),(),(000TTETTETTECBACAB=ABTT0=ACTT0—CBTT0由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。热敏传感器热敏传感器热敏传感器3热敏电阻传感器半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。热敏传感器)11(00TTeRR=RT热敏传感器产品温控器热敏传感器应用汽车发动机传感器水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等3.7.3气敏电阻传感器气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。如生活环境中一氧化碳浓度达0.8～1.15ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。烟雾报警器酒精传感器二氧化碳传感器气敏电阻传感器气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。气敏电阻传感器气敏电阻传感器实验室中的传感器气敏电阻传感器燃气报警器烟雾报警器酒精传感器气敏电阻传感器3.7.4光电传感器光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，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。内光电效应半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应。光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管照相机自动测光光控灯工业控制半导体敏感元件传感器光电池光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。+++---PN半导体敏感元件传感器应用光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸