4常用的传感器及仪器.ppt

1、第四章 常用的传感器及仪器,学习要求,1.了解传感器的分类 2.了解常用传感器的基本原理和特点 3.了解传感器的选用原则,4. 常用的传感器及仪器,1. 传感器的构成,传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。 敏感器件是传感器的核心，直接感受被测物理量，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。,4.1 概 述,4.1 概 述,传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。,2. 传感器的分类,4.1 概 述,（1）按被测物理量分类 位移、力、力矩、温度、速度、加速度、角度等；,（2）按工作的物

2、理基础分类 机械、电气、光学、流体、半导体、红外、声发射式等；,（3）按信号变换特征分类 物性型：依靠敏感元件材料物理性质的变化实现信号变换； 结构型：依靠传感器结构参数的变化而实现信号变换；,4.1 概 述,（4）按敏感元件与被测对象之间的能量关系分类 能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作，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，如：电阻应变片。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,输出未弹性元件本身的弹性变形。 优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低。 缺点：弹性元件具有蠕变、弹性失效现

3、象。,一、机械式敏感元件,测力计,温度计 1-酒精，2-感温器，3-毛细管，4-波登管,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,压力计,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,二、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,例：玩具机器人,原 理 直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,2. 电阻应变式传感器应变片,工作原理：金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,（1）金属电阻应变片,丝式

4、电阻应变片,箔式电阻应变片,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,各种金属应变片,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,（2）半导体应变片,工作原理：单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化（压阻效应）。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,例：典型应变式传感器,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,例：桥梁固有频率测量,原 理 在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,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。,4.2 普通机械、电

5、气式传感器及仪器,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,4. 典型动态电阻应变仪,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。,三、电感式传感器,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,1. 自感型 （1）可变磁阻式,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,原理：电磁感应,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,传感器的灵敏度为：,愈小，灵敏度S愈高。由于S不是常数，故会出现非线性误差，通常规定在较小的范围内 工作。实际应用中，一般取 。这种传感器适用于较小位移的测量，一般约为0.0011mm。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,2）

6、差动型,两个线圈的间隙按 变化，将两线圈接于电桥的相邻桥臂，输出灵敏度可提高一倍，并改善了线性特性。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,3）单螺管线圈型,制造容易，但灵敏度低，适用于较大位移（数毫米）的测量。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,4）双螺管线圈差动型,采用差动式可以克服衔铁上电磁吸力、以及电源电压、频率的波动与温度变化等外界干扰对测量准确度的影响。,灵敏度和线性性较高，常用测量范围为2mm，最高分辨力为0.5m。,（2）涡流式,原理：涡流效应,原线圈的等效阻抗Z变化：,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,即涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h，金属板与线圈的距离及

7、线圈激磁电流圆频率等参数有关。 若改变其中二参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,低频透射式涡流传感器的工作原理,由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G，线圈2产生感应电动势e2。,试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少，若金属板材料的性质一定，利用e2的变化即可测量其厚度。,涡流式传感器测量电路,1）调幅电路,传感器线圈电感L和电容C组成并联谐振回路，其谐振频率f 随测量间隙的大小而变化。当振荡器频率f0与LC振荡回路的谐振频率f 随相同时，输出电压

8、u最大。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,涡流式传感器调幅电路的谐振曲线及输出特性,测量间隙变化时，LC回路谐振频率也变化，与振荡器电源频率失谐，输出电压u相当于一个被调制的调幅波。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,1）调频电路,把传感器线圈接入LC振荡器，作为振荡器的一个电感元件，与调幅电路不同的是它是以频率作为输出量。当位移产生变化时，引起线圈电感变化L，这个电感变化对振荡器调频，使振荡器的振荡频率产生f的变化。通过鉴频器进行频率电压转换变成输出电压。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,频率调制,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,鉴频,4.2 普通机械、电气式传感器及仪

9、器,涡流式传感器的应用,涡流式传感器可用来各种形状金属导体试件的位移的动态非接触测量。测量位移范围从1mm10mm，分辨力为0.1m。 涡流式传感器可以对各种振动的振幅频谱分布进行无接触地测量，可以进行金属元件合格检验（通过测量元件的厚度），金属元件计数，轴的位移和径向、轴向振动的测量，磨床的精密定位等。,优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。 应用：位移、力、振动测量，测厚，材质判别,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,例：径向振摆测量,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,例：轴心轨迹测量,例：转速测量,例：表面裂纹测量,例：穿透式测厚,例：零件计数,4.2 普通机械、电气式传感

10、器及仪器,例： 连续油管的椭圆度测量,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,例：无损探伤,原 理：缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,2. 互感型差动变压器,原理：互感现象,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,差动变压器式传感器工作原理,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感压电动势e1和e2。由于两个次级线圈极性反接，因此，传感器的输出电压为两者之差，即e0=e1-e2。活动衔铁能改变线圈之间的藕合程度。输出e0的大小随活动衔铁的位置而变。,差动变压器式传感器的应用 （1）位移测量：当没有信号输入时，

11、铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小；当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,差动相敏检波电路原理,（2）其他应用：差动变压器式传感器具有精度高达0.lm量级，线圈变化范围大(可扩大到士l00mm，视结构而定)、结构简单，稳定性好等优点，被广泛应用于直线位移及其他压力、振动等参量的测量。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,主要应用： 厚度，角度，表面粗糙度；拉伸，压缩，垂直度； 压力，流量，液位；张力，重力，负荷量； 扭矩，应力，动力；气压，温度； 振动，速度，加

12、速度等。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,四、电容式传感器,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,当被测量、S或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,1. 变换原理：将被测量的变化转化为电容量变化。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,分 类,（1）极距变化型,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,灵敏度为:,极距愈小，灵敏度愈高。由于电容量C与极距呈非线性关系，为减小这一误差，一般取极距变化为 。实际应用中，常常采用差动型电容式传感器。 灵敏度高，但非线性大，常用于微小位移测量。,（2）面积变化型

13、,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,面积变化型电容传感器的灵敏度为常数，是一种线性传感器，可测量较大的直线位移和角度位移，但灵敏度较低。,（3）介质变化型,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,由于各种介质的介电常数不同，当极板间的介电常数变化时电容量随之变化。常用于检测容器中液面的高度、溶液浓度和板材的厚度等。,2. 测量电路,（1）电桥型电路,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,差动电容传感器接入电桥电路中，电桥输出为一调幅波。,（2）直流极化电路（静压电容传感器电路）,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,弹性膜片在外力作用下发生位移，电容器的变化由高阻值电阻R转换为电压变化，电压

14、输出ey与膜片位移速度成正比，可以测量流体的压力振动速度。,（3）谐振电路,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,电容传感器的电容Cx与C2、L2组成谐振回路，电容Cx的变化被转换为电压或电流，经放大、检波后输出。为获得较好的线性，一般工作点选在谐振曲线一边的线性区域内。,（4）调频电路,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,电容传感器是振荡器谐振回路的一部分，电容Cx发生变化时，振荡器的频率受电容式传感器的电容调制，这样就实现了C/f的变换，故称为调频电路，频率的变化经鉴频器变为电压变化输出。电路抗干扰性强、灵敏度高。,（5）运算放大电路,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,采用比例运算放

15、大道路可以得到极距变化型电容传感器 输出电压uy与位移量的线性关系：,3. 集成电容压力传感器,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,采用集成电路工艺把电容敏感元件与测量电路制作在一起。可以把间隙和尺寸做得很小（微米）。,无压力：Cx = C0，无输出 有压力：CxC0，输出Ep 集成压力传感器的灵敏度很高，约为1V/Pa。,例：电容传声器,例：液面高度测量,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,电容式传感器的应用,微信息检测-测微仪；静态测量-金属零件计数； 高频信号检测-振动，转速；,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,例：电容式压力传感器,例：电容式加速度传感器,例：电容测厚仪,4.2

16、 普通机械、电气式传感器及仪器,五、压电式传感器,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,是机械能与电能可逆型转换器。广泛用于力、压力、加速度测量，也被用于超声波发射和接受装置。 具有体积小、重量轻、精度高及灵敏度高等优点。 用做加速度传感器时，可测频率范围为0.Hz20kHz，可测加速度范围：（10-2105）ms-2。 用于测力传感器时，灵敏度可达10-3N。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,压电效应：某些物质，如石英、钛酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面上也会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称之为压电效应。 逆压电效应：如

17、果将这些物质置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质 产生机械变形的现象称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。 压电材料：具有压电效应的物质称为压电材料。 常见的压电材料分为两类，即压电单晶体和多晶体压电陶瓷。,1. 压电效应,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,天然石英晶体为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。 纵轴z-z称为光轴，通过六棱线而垂直于光铀的x-x铀称为电轴，垂直于棱面的轴y-y称为机械轴。,石英晶体结构,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,石英晶片在正常情况下不呈现电性，沿电轴(x铀)方向加力产生 纵向压电效应，沿机械轴 (y轴)方向加力产生横向压电效

18、应。在光轴(z轴)方向的作用力不产生压电效应。 压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,石英晶体的压电效应,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,晶片并接时，传感器本身电容量大，输出电荷量大，时间常数大，宜于测量缓变信号，适用于以电荷作为输出； 晶片串接时，传感器本身电容量小，输出电压大，适用于以电压作为输出。,2. 压电式传感器及其等效电路,等效电荷源,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,压电式传感器是一个具有一定电容量的电荷源，电容器上的开路电压为： 。 当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容就形成传感器的并联电容Cc，后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻形成泄露电阻R0。,3.

19、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，将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出，方可输入到后续显示仪表中。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,压电式传感器的应用,例：加速度计，力传感器,例：压力变送器,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,例：飞机模态分析,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,六、磁电式传感器,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。,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，都会改变线圈的感应电动势。,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,感应线圈的感应电动势U为,1. 变换原理

20、,2. 分类,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,3. 动圈式传感器,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,动圈磁电式传感器等效电路,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,4. 磁阻式传感器,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,磁阻式传感器的应用,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,例：磁电式车速传感器,例： 测速电机,4.2 普通机械、电气式传感器及仪器,磁电式传感器的应用,4.3 光学传感器及仪器,4.3 光学传感器及仪器,1. 光学投影仪,将被测件轮廓或表面形状放大投影在影屏上进行比较和测量。,4.3 光学传感器及仪器,2. 微型计算机型万能根据显微镜,4.3 光学传感器及仪器,3

21、. 激光干涉系统,4.3 光学传感器及仪器,4. 光栅式传感器,4.3 光学传感器及仪器,5. 光电式绝对编码器,原理：平行光源码盘 光电元件电信号输出,4.3 光学传感器及仪器,4.3 光学传感器及仪器,十进制码盘,二进制码盘,4.3 光学传感器及仪器,6. 光纤式传感器,物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。,（1）物性型光纤传感器,光纤流速传感器,4.3 光学传感器及仪器,结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。,（2）结构型光纤传感器,4.3 光学传

22、感器及仪器,4.4 气动量仪,4.4 气动量仪,以空气为介质，将位移、尺寸等被测量转换成流量、流速或压力的变化量，经过测量系统测量、显示。,4.4 气动量仪,4.5 半导体传感器及仪器,4.5 半导体传感器及仪器,半导体敏感元件具有体积小、灵敏度高、寿命长等优点，在现代测试技术中应用广泛。,一、磁敏式传感器,1. 霍尔（Hall）元件,洛伦兹力FL,4.5 半导体传感器及仪器,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。,4.5 半导体传感器及仪器,霍尔元件的应用,4.5 半导体传感器及仪器,例：汽车速度测量,4.5 半导体传感器及仪器,例：电流传感器,例：管道裂纹检测,原理 磁场强度变化检测,4.

23、5 半导体传感器及仪器,4.5 半导体传感器及仪器,改变磁场的强弱，在洛伦兹力作用下，影响半导体内电流密度分布，表现为半导体片电阻的变化。用于位移、力、加速度等测量，及磁力探伤仪、接近开关和无触点开关等。,1. 磁阻元件,磁阻效应位移传感器,4.5 半导体传感器及仪器,二、光敏式传感器,光电转换元件是利用物质的光电效应将光能转化成电信号的器件。主要有光敏电阻、光电池和光敏管。,1. 光敏电阻（光电导元件）,光电导效应指半导体材料受到光照时电阻值见效的现象。基于这种效应的光电器件有光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管。,2. 光电池,半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势。 作为能量转换器

24、使用最广的是硅光电池。,4.5 半导体传感器及仪器,3. 光敏管,4.5 半导体传感器及仪器,4.5 半导体传感器及仪器,光敏式传感器的应用,光电转换元件灵敏度很高，体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜、应用广泛。,例：检查零件表面缺陷,原理 工件表面缺陷会引起光束偏转或散射。,例：光电鼠标利用LED与光敏晶体管组合来测量位移,例：亮度传感器 检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。,4.5 半导体传感器及仪器,三、热敏式传感器,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

25、度系数，随温度上升而阻值下降。,4.5 半导体传感器及仪器,热敏电阻温度系数：,热敏电阻的应用,温控器,热敏电阻,4.5 半导体传感器及仪器,四、气敏式传感器,气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。,4.5 半导体传感器及仪器,气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气体测量、酒精浓度探测等方面。,4.5 半导体传感器及仪器,四、湿敏式传感器,一些半导体材料，如氧化铁、氧化铝、氧化钒等，其电阻值岁湿气的吸附和

26、脱附过程而变化。,4.5 半导体传感器及仪器,Fe3O4湿敏元件及特性,4.5 半导体传感器及仪器,湿敏电阻,湿敏电容,六、固态图象传感器,金属-氧化物-硅MOS(Metal Oxide Semiconductor)电容器是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极而形成一只电容器。,在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,4.5 半导体传感器及仪器,4.5 半导体传感器及仪器,特点: (1) 非接触检测，可靠性高； (2) 响应快、精度高、高灵

27、敏、高稳定型； (3) 体积小、重量轻； 容易与计算机连接 (4) 对被测物体需要强光照射; (5) 受被测物体以外的光的影响。,4.5 半导体传感器及仪器,七、集成传感器,半导体传感器和其后续电路制作在同一芯片上，形成集成传感器。,4.5 半导体传感器及仪器,优先集成的电路有：各种调节和补偿电路，如稳压电路、温度补偿电路和线性化电路、信号放大电路和阻抗变换电路、信号数字化和信号处理电路、信号发送和接收电路，以及多传感器的集成。,智能传感器(Intelligent Sensor)是将传感器与微型计算机集成在一块芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知能力。,4.5 半导体传感器及仪器,（1）条件调节和环境补偿能力； 能自动补偿环境（如温度、气压等）变化的影响，