[工学]第四章 传感器.ppt

第四章 传感器,基本要求,掌握传感器的基本特性和工作原理 了解各类传感器的典型应用,4.1 应变式传感器,1. 工作原理 2. 电阻应变片的温度误差及补偿 3. 电阻应变片的测量电路 4. 应变式传感器的应用,1. 工作原理,应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件 具有弹性应变特性的物体,工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。,电阻应变片的工作原理是基于应变效应 即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时，其电阻值相应发生变化， 这种现象称为“应变效应”。 ,一根金属电阻丝，在其未受力时，原始电阻值为：,图1 金属电阻丝应变效应,当电阻丝受到拉力F作用时， 将伸长l，横截面积相应减小A，电阻率因材料晶格发生变形等因素影响而改变了，从而引起电阻值变化量为,式中：dl/l长度相对变化量，用应变表示为,电阻相对变化量：,dA/A圆形电阻丝的截面积相对变化量，设r为电阻丝的半径，微分后可得dA=2r dr，则,材料力学：在弹性范围内，金属丝受拉力时，沿轴向伸长， 沿径向缩短， 轴向应变和径向应变的关系可表示为,为电阻丝材料的泊松比， 负号表示应变方向相反。,推得：,定义：电阻丝的灵敏系数（物理意义）：单位应变所引起的电阻相对变化量。其表达式为,半导体应变片的灵敏系数比金属丝式高5080倍， 但半导体材料的温度系数大，应变时非线性比较严重， 使它的应用范围受到一定的限制。 ,应变片的结构,图2 金属电阻应变片的结构,丝式 箔式,图3 常用应变片的形式,2. 应变片的温度误差及补偿 1）. 应变片的温度误差 由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差， 称为应变片的温度误差。 产生应变片温度误差的主要因素有下述两个方面。 a. 电阻温度系数的影响 b. 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响,2. 电阻应变片的温度补偿方法 电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿和应变片自补偿两大类。 1) 线路补偿法 电桥补偿是最常用且效果较好的线路补偿。,图4 电桥补偿法,注意补偿条件： 在应变片工作过程中，保证R3=R4。 R1和RB两个应变片应具有相同的电阻温度系数、线膨胀系数、应变灵敏度系数K和初始电阻值R0。 粘贴补偿片的补偿块材料和粘贴工作片的被测试件材料必须一样，两者线膨胀系数相同。 两应变片应处于同一温度场。,2) 应变片的自补偿法 利用自身具有温度补偿作用的应变片来补偿的。,3. 电阻应变片的测量电路,3.1 直流电桥 1. 直流电桥平衡条件,图5 直流电桥,当RL时，电桥输出电压为,当电桥平衡时，Uo=0，则有,R1R4=R2R3,或,电桥平衡条件：欲使电桥平衡， 其相邻两臂电阻的比值应相等， 或相对两臂电阻的乘积应相等。,图6 差动电桥,减小和消除非线性误差的方法,半桥差动：在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变， 接入电桥相邻桥臂。 该电桥输出电压为,若R1=R2，R1=R2，R3=R4，则得,可知：Uo与R1/R1成线性关系，无非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU=E/2，是单臂工作时的两倍。,全桥差动：电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上。若R1=R2=R3=R4，且R1=R2=R3=R4，则,结论：全桥差动电路不仅没有非线性误差，而且电压灵敏度为单片工作时的4倍。,3.2 交流电桥 引入原因：由于应变电桥输出电压很小，一般都要加放大器，而直流放大器易于产生零漂，因此应变电桥多采用交流电桥。 由于供桥电源为交流电源 ，引线分布电容使得二桥臂应变片呈现复阻抗特性，即相当于两只应变片各并联了一个电容。,图7 交流电桥,式中, C1、C2表示应变片引线分布电容。,每一桥臂上复 阻抗分别为,交流电桥输出：,电桥平衡条件：Uo=0，即,Z1Z4=Z2Z3,整理可得,变形为：,交流电桥的平衡条件（实部、虚部分别相等）：,图8 交流电桥平衡调节,4. 应变式传感器的应用,应变片能将应变直接转换成电阻的变化 其它物理量（力、压力、加速度等），需先将这些量转换成应变(通过弹性元件） 应变式传感器的组成：弹性元件、应变片、附件（补偿元件、保护罩等）,4.1 应变式力传感器 被测物理量：荷重或力 主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、 水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件：柱式、筒式、环式、悬臂式等,图9 圆柱（筒）式力传感器 （a） 柱式；（b） 筒式；（c） 圆柱面展开图；（d） 桥路连线图,1. 柱（筒）式力传感器,2. 环式力传感器,图10 环式力传感器 (a) 环式传感器结构图； (b) 应力分布,4.2 应变式压力传感器 主要用来测量流动介质的动态或静态压力 应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。 在压力p作用下，膜片产生径向应变r和切向应变t，表达式分别为,图11 膜片式压力传感器 （a） 应变变化图; （b） 应变片粘贴,4.3 应变式容器内液体重量传感器 感压膜感受上面液体的压力。 当容器中溶液增多时，感压膜感受的压力就增大。将其上两个传感器Rt的电桥接成正向串接的双电桥电路，此时输出电压为,Uo=U1U2=(K1K2)hg,式中, K1，K2为传感器传输系数。,结论：电桥输出电压与柱式容器内感压膜上面溶液的重量成线性关系，因此可以测量容器内储存的溶液重量。,图12 应变片容器内液体重量传感器,4.4 应变式加速度传感器 用于物体加速度的测量。 依据：a=F/m。 ,图13 电阻应变式加速度传感器结构图,测量原理：将传感器壳体与被测对象刚性连接，当被测物体以加速度a 运动时，质量块受到一个与加速度方向相反的惯性力作用， 使悬臂梁变形，该变形被粘贴在悬臂梁上的应变片感受到并随之产生应变，从而使应变片的电阻发生变化。 电阻的变化引起应变片组成的桥路出现不平衡，从而输出电压， 即可得出加速度a值的大小。 适用范围：不适用于频率较高的振动和冲击场合， 一般适用频率为1060 Hz范围。,4.2 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:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,a)极距变化型,驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,b)面积变化型,平面线位移型,柱面线位移型.,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,c) 介质变化型,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,电容式接近开关,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,3 测量电路,a)电桥电路,b) 谐振电路,d) 运算放大器电路,4.3 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,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,电感式接近传感器（金属）,教学用低成本四线制无二次仪表传感器,2 涡流式,原理:涡流效应,原线圈的等效阻抗Z变化：,产品：,案例：连续油管的椭圆度测量,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,2 互感型-差动变压器,差动变压器测量电路,差动变压器位移传感器,案例：板的厚度测量,案例：张力测量,4.4 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。,2 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,动圈式传感器,线速度型,角速度型,测速电机,磁阻式传感器,案例：鼠笼电机转子断细条检测,4.5 压电式传感器,1.变换原理:压电效应,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。,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。,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,案例：飞机模态分析,案例：热轧设备诊断,4.6 磁敏元件传感器,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。,测转角：,电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,铁磁材料裂纹检测,叶片和齿轮位置传感器,应用,案例：汽车速度测量:,2 磁电阻元件,磁阻效应,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。,应用 磁头；接近开关和无触点开关。,3 磁感应半导体元件分类,霍尔元件,磁电阻元件,磁敏二极管,磁晶体管,磁半导体开关,产品,案例：转速测量,4.7 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。,k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。,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。,2)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。,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：,由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。,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。,产品,温控器,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,4.8 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0.81.15 ml/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。,实验室中的传感器,燃气报警器,烟雾报警器,酒精传感器,4.9 超声波检测传感器,1)声波及其分类,(1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。,(2)声波:振动频率在16Hz20KHz之间的机械波。,(3)超声波:高于20KHz的机械波。,2）超声波的物理性质,超声波与声波比，振动频率高，波长短，具有束射特性，方向性强，可以定向传播，其能量远远大于振幅相同的声波，并具有很高的穿透能力。,声压,所谓声压，是指某点上各瞬间的压力与大气压力之差值，单位为Pa，1Pa =1N/m2。,声强,声强是声波在传播方向上单位时间内通过单位面积的能量，单位为W/m2。,声功率,声功率(W)是声源在单位时间内发射出的总能量，单位是W。,超声波传感器原理,超声波发射原理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。,接收原理是当超声波作用在磁致材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。,超声波传感器对,超声波传感器应用,超声波探伤/测距/测物,t,A,案例：输油管检测检测机器人,倒车雷达,鱼群探测器,4.10 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,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。,外光电效应 在光线作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、 光电倍增管等。 ,光电传感器应用,光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。,4.11 光纤传感器,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,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,光纤检测型光电传感器,作业件检测,颜色检测,4.12 CCD固态图象传感器,MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构是在半导体(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，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元 (MOS)。,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。,特点: (1) 非接触检测; (2) 响应快; (3) 可靠性高,为修简便; (4) 测量精度高; (5) 体积小,重量轻; 容易与计算机连接 (6) 对被测物体需要强光照射; (7) 受被测物体以外的光的影响. 应用: (1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量.,条形码扫描器,4.13 其它类型的传感器,1、热辐射检测传感器,绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体温度(K).,应用： 冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。,2、声发射检测传感器,材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射。各种材料声发射频率范围很宽，从次声、声频