传感器原理与应用.doc

第一章 测量技术基础检测系统的基本概念 检测系统（测试系统/测量系统）1、定义：确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作2、被测对象：宇宙万物（固液气体、动物、植物、天体 ）3、被测信息：物理量（光、电、力、热、磁、声、）化学量（PH、成份）生物量（酶、葡萄糖、）4检测技术是实验科学的一部分，主要研究各种物理量的测量原理和信号分析处理方法。 检测技术是信息技术的重要组成部分，它所研究的内容是信息的提取与处理的理论、方法和技术。5信息与信号信息 是指客观世界物质运动的内容。 如：天气较冷、某处地震、刀具发生了磨损、李四病了。信号 是指信息的表现形式。 如：刀具磨损，切削力会加大；李四病了，可能会发烧；等等。6检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段，起着人的感官的作用。简单的检测系统可以只有一个模块，如玻璃管温度计。它直接将被测温度变化转化为液面示值。没有电量转换和分析电路，很简单，但精度低，无法实现测量自动化。 为提高测量精度和自动化程度，以便于和其它环节一起构成自动化装置，通常先将被测物理量转换为电量，再对电信号进行处理和输出。B 在电工、电子等课程中讲授，大多数不属于本课程的范围。）检测系统的组成 一般说来，检测系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。传感器将被测物理量(如噪声,温度) 检出并转换为电量，中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经A/D变换后用软件进行信号分析，显示记录装置则将测量结果显示出来，提供给观察者或其它自动控制装置。 第二章 传感器概述传感器的组成和分类一 、传感器定义 传感器是一种以一定的精确度把被测量转成与之有确定关系的，便于应用的某种物理量的测量装置。传感器名称：变送器、变换器、探测器、敏感元件、换能器、一次仪表、探头等二、传感器的组成三、传感器的分类按被测参数分类：温度、压力、位移、速度等按传感器工作原理分类：应变式、电容式、压电式、磁电式等传感器的基本特性一、传感器的静态特性静态特性：是指输入的被测参数不随时间而变化，或随时间变化缓慢时，传感器的输出量和输入量之间的关系。1、精确度：指标有三 精密度、准确度和精确度（1）精密度：它说明测量传感器输出值的分散性，即对某一稳定的被测量，由同一个测量者，用同一个传感器，在相当短的时间内连续重复测量多次，以检查测量结果的分散程度。（2）准确度：它说明传感器输出值与真值的偏离程度。（3）精确度：它是精密度和准确度两者之和，精确度高，表示精密度和准确度都高。2、稳定性：指标有二 稳定度和影响量（1）稳定度：是指在规定的时间内，测量条件不变的情况下，由于传感器的随机性被动、周期性变动和漂移等引起的输出值的变化。一般用精密度和观测时间长短来表示。（2）影响量：测量传感器由于外界环境变化引起输出值变化的量。说明影响量时，必须将影响因素与输出值偏差同时表示。3、传感器的静态输入-输出特性（1）线性度定义 ：是指传感器的输出和输入关系之间的数量关系的线性程度。表示方法 ：线性化处理：非线性补偿电路或计算机软件。特殊情况：如果传感器的非线性方次不是很高，输入量变化范围较小，则可以有一条直线近似表示实际曲线的一段，来做线性化处理。所采用的直线称为拟合直线。实际的特性曲线与拟合直线之间的偏差为传感器的非线性误差（线性度），（2）灵敏度：是指传感器输出量的增量与引起输出量的增量的输入量增量的比值。（3）迟滞：指传感器在正（输入量增加）反（输入量减小）行程期间，其输出输入特性不重合的现象。（4）重复性：指传感器的输入量按同一方向作全量程连续多次变化时，所得曲线不一致的程度。传感器的选用1、灵敏度通常在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。因此，要求传感器本身应具有较高的信噪比，尽员减少从外界引入的厂扰信号。2、精度精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测量系统的精度要求就可以，不必选得过高。这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。3、可靠性可靠性是指传感器在规定的工作条件下和规定的工作时间内，保持原有技术性能的能力。4、线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性。5、频率响应传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有一定延迟，希望延迟时间越短越好。传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。在动态测量中，应根据信号的特点(稳态、瞬态、随机等)响应特性，以免产生过火的误差。6、稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。第三章 电阻式传感器电位器式传感器一、定义：电位器是一种常用的电子元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它是一种把机械的线位移和角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻和电压输出的传感元件。 二、结构：直滑式和旋转式，旋转式有单圈旋转式和多圈旋转式两种，电刷有触头、臂、导向及牰承等装置组成。触头常用银、铂铱、铂铑等金属。电刷臂用磷青铜等弹性较好的材料。骨架常用陶瓷、酚醛树脂及工程数料等绝缘材料。 三、原理分析应变式传感器一、组成：电阻丝应变片是用直径为0.025mm具有高电阻率的电阻丝制成的。为了获得高的阻值，将电阻丝排列成栅网状，称为敏感栅，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接引线。敏感栅上面粘贴有保护用的覆盖层。二、电阻的应变效应（一）、应变效应应变效应：金属导体的电阻值随着它受力所产生机械变形(拉伸或压缩)的大小而发生变化的现象称之为金属的电阻应变效应。 （二）、灵敏系数（三）测量原理当外力作用到弹性元件（试件）上时，弹性元件被压缩（或拉伸），即产生微小的机械变形，粘贴在弹性元件上的应变片感受到应力的作用，根据胡克定律，应变与应力成正比，即 E又由应变效应可知，应变片的应变与电阻值的相对变化dR/R成正比，所以，实现了对微小机械变量的测量。四、应用（一）柱式力传感器（原理分析）荷重传感器原理演示（二）梁式力传感器（原理分析）（三）应变式加速度传感器压阻式传感器一、压阻效应及压阻系数单晶硅材料在受到应力作用后，其电阻率发生明显变化，这种现象被称为压阻效应。优点：灵敏度高，比金属丝式高5080倍、尺寸小，横向效应小，动态响应好、精度高、易于微型化和集成化等。缺点：温度系数大，应变时非线性比较严重，稳定性和可重复性不如金属应变片。二、应用液位测量投入式液位传感器：1、支架；2、压阻式压力传感器；3、背压管。安装方便，适应于深度为几米至几十米，且混有大量污物、杂质的水或其他液体的液位测量。压阻式加速度传感器优点：具有高灵敏度，卓越的低频感应性能，使其加速度传感器适用于长期中低振动频率的测试。应用范围：汽车、工民建、铁路、桥梁等振动测试与检测第四章 电容式传感器第一节 电容式传感器的工作原理由当被测参数d、S、r 发生变化时，相应的电容发生变化，如果保持其中两个参数不变，而仅改变其中一个参数时，就可把该参数的变化转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。故电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质（变介电常数）型三种。 一、变面积型动极板移动时，两极板间的相对有效面积S发生变化，引起电容C发生变化。二、变介电常数型两平行极板固定不动，极距为d0，相对介电常数r2为的电介质以不同深度插入电容器中。传感器的总电容相当于两个电容C1和C2的并联，即： 三、变极距型一、基本结构二、差动结构第二节 测量电路（一）交流不平衡桥（PPT演示）（二）二极管环形检波电路其工作原理如下：线路接通后，在正半周时D1导通，D2截止，C1充电至U，在负半周D1截止,D2导通，C2充电至U，同时C1经R1以电流I1向负载RL供电；第二周期,C1充电,C2经R2向RL供电，由于C1=C2, R1=R2 ,通过RL的平均电流为零,其输出电压平均值也为零。当传感器电容变化时， C1C2这时负载上平均电流I10，其输出电压的平均值为： 其特点：(1)电源、传感器电容、负载均可同时在一点接地；(2)二极管D1、D2工作于高电平下，故非线性失真小；(3)其灵敏度与电源频率有关，因此电源频率需要稳定；(4)将D1、D2、R1、R2安装在C1、C2附近能消除电缆寄生电容影响，线路简单；(5)输出电压较高；(6)输出阻抗与电容C1、C2无关，而仅与R1、R2 及RL有关；(7)输出信号的上升沿时间取决于负载电阻RL，可用于动态测量；(8)传感器的频率响应取决于振荡器的频率。 第三节电容式传感器应用随着电容式传感器应用问题的完善解决，它的应用优点十分明显：(1)分辨力极高，能测量低达10-7的电容值0.01m 的绝对变化量和高达(C/C100%200%的相对变化量，因此尤适合微信息检测；(2)动极质量小，可无接触测量；自身的功耗、发热和迟滞极小，可获得高的静态精度和好的动态特性； (3)结构简单，不含有机材料或磁性材料，对环境(除高湿外)的适应性较强；(4)过载能力强。一、电容式位移传感器 (PPT演示)二、电容式加速度传感器(PPT演示)三、电容式力和压力传感器(PPT演示)第五章 电感式传感器1. 电感式传感器是利用线圈自感和互感的变化实现非电量电测的一种装置。2. 可以用来测量位移、振动、压力、应变、流量、密度等。3. 特点：（1 结构简单可靠（2 分辨率高：能测量0.1mm（3 零点漂移小（4 线性度好5.1电感式传感器一、工作原理（自感式传感器工作原理）二. 输出特性三、差动螺管式电感传感器测量范围为（550）mm， 特点：1结构简单，制造装配容易2.灵敏度低，但线性范围大3.磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰五、 应用当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动， 从而使气隙发生变化， 流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。 5.2 差动变压器式传感器 一、 变隙式差动变压器1. 工作原理假设闭磁路变隙式差动变压器的结构如下图（PPT）（a）所示， 在A、B两个铁芯上绕有W1a=W1b=W1的两个初级绕组和W2a=W2b=W2两个次级绕组。两个初级绕组的同名端顺向串联， 而两个次级绕组的同名端则反相串联。 当没有位移时，衔铁C处于初始平衡位置，它与两个铁芯的间隙有a0=b0=0，则绕组W1a和W2a间的互感Ma与绕组W1b和W2b的互感Mb相等，致使两个次级绕组的互感电势相等，即e2a=e2b。由于次级绕组反相串联，因此，差动变压器输出电压Uo=e2a-e2b=0。 当被测体有位移时，与被测体相连的衔铁的位置将发生相应的变化，使ab，互感MaMb，两次级绕组的互感电势e2ae2b，输出电压Uo=e2a-e2b0，即差动变压器有电压输出， 此电压的大小与极性反映被测体位移的大小和方向。 二、 螺线管式差动变压器两个次级线圈反相串联，并且在忽略铁损、导磁体磁阻和线圈分布电容的理想条件下, 其等效电路如下图所示。 当初级绕组加以激励电压U时, 根据变压器的工作原理,在两个次级绕组W2a和W2b中便会产生感应电势E2a和E2b。 如果工艺上保证变压器结构完全对称,则当活动衔铁处于初始平衡位置时, 必然会使两互感系数M1=M2。根据电磁感应原理, 将有E2a=E2b。由于变压器两次级绕组反相串联, 因而Uo=E2a-E2b=0, 即差动变压器输出电压为零。 当活动衔铁向上移动时,由于磁阻的影响，W2a中磁通将大于W2b，使M1M2，因而E2a增加，而E2b减小。反之，E2b增加，E2a减小。因为Uo=E2a-E2b，所以当E2a、E2b 随着衔铁位移x变化时， Uo也必将随x而变化。差动变压器式传感器的应用可直接用于位移测量，也可以测量与位移有关的任何机械量，如振动、加速度、应变、比重、张力和厚度等。 5.3 电涡流式传感器 一、 工作原理 PPT演示根据法拉第定律，当传感器线圈通以正弦交变电流I1时，线圈周围空间必然产生正弦交变磁场H1，使置于此磁场中的金属导体中感应电涡流I2，I2又产生新的交变磁场H2。根据愣次定律， H2的作用将反抗原磁场H1，由于磁场H2的作用，涡流要消耗一部分能量，导致传感器线圈的等效阻抗发生变化。 线圈阻抗的变化完全取决于被测金属导体的电涡流效应。测量方法： 如果保持上式中其它参数不变，而只改变其中一个参数， 传感器线圈阻抗Z就仅仅是这个参数的单值函数。通过与传感器配用的测量电路测出阻抗Z的变化量，即可实现对该参数的测量。 二、 基本特性 PPT演示电涡流传感器简化模型中，把在被测金属导体上形成的电涡流等效成一个短路环，即假设电涡流仅分布在环体之内， 模型中h（电涡流的贯穿深度）可由下式求得： 三、 电涡流传感器测量电路（ 主要有调频式、 调幅式电路两种） 四、电涡流传感器的应用PPT演示1. 低频透射式涡流厚度传感器2. 高频反射式涡流厚度传感器 3. 电涡流式转速传感器第6章 压电式传感器 6.1 压电效应 6.1.1压电效应基本概念某些物质沿某一方向受到外力作用时，会产生变形，同时其内部产生极化现象，此时在这种材料的两个表面产生符号相反的电荷，当外力去掉后，它又重新恢复到不带电的状态，这种现象被称为压电效应。当作用力方向改变时，电荷极性也随之改变。这种机械能转化为电能的现象称为“正压电效应”或“顺压电效应”。反之，当在某些物质的极化方向上施加电场，这些材料在某一方向上产生机械变形或机械压力；当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失。这种电能转化为机械能的现象称为“逆压电效应”或“电致伸缩效应”。常见的压电材料可分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。压电单晶体有石英(包括天然石英和人造石英)、水溶性压电晶体(包括酒石酸钾钠、酒石酸乙烯二铵、酒石酸二钾、硫酸锤等)；多晶体压电陶瓷有钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷和铌镁酸铅压电陶瓷等。6.1.2 石英晶体的压电效应1、石英晶体特性天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，可以把将其用三根互相垂直的轴表示，其中，纵轴Z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的X铀称为电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴 (垂直于六棱柱体的棱面)称为机械轴。 如果从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称为“纵向压电效应”，把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称为“横向压电效应”，沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。沿相对两棱加力时，则产生切向效应。压电式传感器主要是利用纵向压电效应。 2. 石英晶体产生压电效应的微观机理石英晶体具有压电效应，是由其内部分子结构决定的。图是一个单元组体中构成石英晶体的硅离子和氧离子，在垂直于z轴的xy平面上的投影，等效为一个正六边形排列。 图中“”代表硅离子Si4+， “”代表氧离子O2-。 当石英晶体未受外力作用时，正、负离子正好分布在正六边形的顶角上，形成三个互成120夹角的电偶极矩P1、P2、P3。因为P = qL（q为电荷量，L为正负电荷之间的距离），此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即 P1+P2+P30所以晶体表面不产生电荷，呈电中性。当晶体受到沿x方向的压力（F x 0 在y、z方向上的分量为: (P1+P2+P3)y = 0 (P1+P2+P3)z= 0当晶体受到沿x方向的拉力（Fx 0）作用时，其变化情况如图5（c）所示。电偶极矩P1增大， P2、 P3减小，此时它们在x、y、z三个方向上的分量为 (P1 +P2 +P3) x0 (P1+ P2+ P3)y =0 (P1 +P2 +P3)z =0在x轴的正向出现负电荷，在y、z方向依然不出现电荷。可见，当晶体受到沿x(电轴)方向的力Fx 作用时，它在x方向产生正压电效应，而y、z方向则不产生压电效应。晶体在y轴方向受力Fy作用下的情况与Fx 相似。当Fy 0时，晶体的形变与图5（b）相似；当Fy 0时，则与图5（c）相似。由此可见，晶体在y（即机械轴）方向的力 Fy作用下，在x方向产生正压电效应，在y、z方向同样不产生压电效应。 晶体在z轴方向受力Fz的作用时，因为晶体沿x方向和沿y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这就表明，在沿z(即光轴)方向的力Fz 作用下，晶体不产生压电效应。3. 作用力与电荷的关系若从晶体上沿y方向切下一块如图6（a）所示的晶片，当沿电轴x方向施加应力x时，晶片将产生厚度变形，并发生极化现象。在晶体线性弹性范围内，极化强度P11与应力x 成正比。 d11压电系数。下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向；b、c石英晶片的长度和宽度。而P11在数值上等于晶面上的电荷密度 将以上两式联立，得 当晶片受到x方向的压力作用时，qx只与作用力Fx成正比，而与晶片的几何尺寸无关； 沿机械轴y方向向晶片施加压力时，产生的电荷是与几何尺寸有关的； 石英晶体不是在任何方向都存在压电效应的； 晶体在哪个方向上有正压电效应，则在此方向上一定存在逆压电效应； 无论是正或逆压电效应，其作用力（或应变）与电荷（或电场强度）之间皆呈线性关系6.1.3 压电陶瓷的压电效应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，它有一定的极化方向，从而存在电场。 在无外电场作用时，电畴在晶体中杂乱分布，它们各自的极化效应被相互抵消，压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性，不具有压电性质。在陶瓷上施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向于按外电场方向的排列，从而使材料得到极化。外电场愈强，就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度，即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时，当外电场去掉后，电畴的极化方向基本变化，即剩余极化强度很大，这时的材料才具有压电特性。 对于压电陶瓷，通常取它的极化方向为z轴，垂直于z轴的平面上任何直线都可作为x或y轴，在是和石英晶体的不同之处。当压电陶瓷在沿极化方向受力时，则在垂直于z轴的上、下两表面上将会出现电荷，其电荷量q与作用力Fz成正比。压电陶瓷的压电系数比石英晶体的大得多，所以采用压电陶瓷制作的压电式传感器的灵敏度较高。极化处理后的压电陶瓷材料的剩余极化强度和特性与温度有关，它的参数也随时间变化，从而使其压电特性减弱。 6.2压电材料压电材料应具备以下几个主要特性：转换性能。要求具有较大的压电常数。机械性能。机械强度高、刚度大。电性能。高电阻率和大介电常数。环境适应性。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。 6.2.1 石英晶体在几百摄氏度的温度范围内，其介电常数和压电系数几乎不随温度而变化。但是当温度升高到573时，石英晶体将完全丧去压电特性，这就是它的居里点。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，它有很大的机械强度和稳定的机械性能。但石英材料价格昂贵，且压电系数比压电陶瓷低得多。因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。石英晶体有天然和人工培养两种类型。人工培养的石英晶体的物理和化学性质几乎与天然石英晶体没有区别，因此目前广泛应用成本较低的人造石英晶体。因为石英是一种各向异性晶体，因此，按不同方向切割的晶片，其物理性质（如弹性、压电效应、温度特性等）相差很大。在设计石英传感器时，应根据不同使用要求正确地选择石英片的切型。6.2.2 压电陶瓷压电陶瓷主要有以下几种：1. 钛酸钡压电陶瓷钛酸钡（BaTiO3）是由碳酸钡（BaCO3）和二氧化钛（TiO2）按1：1分子比例在高温下合成的压电陶瓷。它具有很高的介电常数和较大的压电系数（约为石英晶体的50倍）。不足之处是居里点温度低（120），温度稳定性和机械强度不如石英晶体。2. 锆钛酸铅系压电陶瓷（PZT）锆钛