安全检测技术-3传感器基础上.ppt

安全检测技术,常用传感器的原理及结构,传感器的作用,传感器：将被测的物理量按一定规律变换成另一物理量的装置。 通常是非电量到电量 由力、压力、重量、力矩、应力、应变、位移、速度、加速度、流量、振动、噪声 到电流、电压、电阻、电感、电容、电荷、频率、阻抗等 也可由电量到非电量 逆压电效应 作用 检测的首要环节，计算机比作人的大脑，则传感器就是五官 传感技术是衡量国家科技现代化的重要标志 应用非常广泛,传感器分类,按输入量(被测对象)分类 物理量传感器：温度、压力、位移传感器等等 化学量传感器 生物量传感器 方便选择，容易根据被测对象选择所需要的传感器。 按转换原理分类：结构型、物性型 结构型传感器是利用机械构件(如金属膜片等)在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移，将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量，它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。 物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应(即物质定律，如虎克定律、欧姆定律等)实现非电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。,传感器分类,按能量转换的方式分类 有源型：也称能量转换型或发电型，它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等(如磁电式、压电式、光电池、热电偶等)； 无源型：也称能量控制型或参数型，它把非电量变成电阻、电容、电感等量。 输出信号的形式分类 按输出信号的形式，传感器可分为开关式、模拟式和数字式 按输入和输出的特性分类 线性 非线性 输出信号的形式分类 开关式 模拟式 数字式,结构性传感器-电阻式传感器,电阻式传感器原理 改变l可做成电位器式传感器； 改变l ，A可做成电阻应变片； 改变可做成热敏电阻。 电位器式传感器 线绕电位器式传感器：由骨架、绕组、电刷、导电环及转轴构成。绕组用电阻丝的种类很多，电阻丝的材料是根据电位器的结构、容纳电阻丝的空间、电阻值和温度系数来选择。电阻丝越细，在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但电阻丝太细，影响传感器的寿命。 非线绕电位器式传感器 合成膜电位器 金属膜电位器 导电塑料电位器 导电玻璃釉电位器,线绕电位传感器阶梯特性,电刷在电位器的线圈上移动时，线圈一圈一圈的变化，电位器阻值随电刷移动不是连续地改变，导线与一匝接触过程中，虽有微小位移，但电阻值并无变化，因次输出电压也不改变，在输出特性曲线上对应地出现平直段；当电刷离开这一匝而与下一匝接触时，电阻突然增加一匝阻值，因次特性曲线相应出现阶跃段。,理想阶梯特性曲线,非线性电位器,变骨架式,非线性电位器,变节距式,非线绕电位器式传感器,为了克服线绕电位器存在的缺点，人们在电阻的材料及制造工艺上下了很多工夫，发展了各种非线绕电位器。 合成膜电位器 合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而成的，这种电位器的优点是分辨率较高、电阻范围很宽（1004.7M），耐磨性较好、工艺简单、成本低、输入输出信号的线性度较好等，其主要缺点是接触电阻大、功率不够大、容易吸潮、噪声较大等。,非线绕电位器式传感器,金属膜电位器 金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法，沉积在瓷基体上一层薄膜制成。 金属膜电位器具有无限的分辨率，接触电阻很小，耐热性好，它的满负荷温度可达70。与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小，所以特别适合在高频条件下使用。它的噪声信号仅高于线绕电位器。金属膜电位器的缺点是耐磨性较差，阻值范围窄，一般在10100k之间。由于这些缺点限制了它的使用。,非线绕电位器式传感器,导电塑料电位器 导电塑料电位器又称为有机实心电位器，这种电位器的电阻体是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成。导电塑料电位器的耐磨性好，使用寿命长，允许电刷接触压力很大，因此它在振动、冲击等恶劣的环境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率教高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。导电塑料电位器的 缺点是阻值易受温度和湿度的影响，故精度不易做得很高。,非线绕电位器式传感器,导电玻璃釉电位器 导电玻璃釉电位器又称为金属陶瓷电位器，它是以合金、金属化合物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉为粘合剂，经混合烧结在玻璃基体上制成的。导电玻璃釉电位器的耐高温性好，耐磨性好，有较宽的阻值范围，电阻温度系数小且抗湿性强。 导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化大，噪声大，不易保证测量的高精度。,电阻应变片式传感器,结构 由弹性敏感元件和电阻应变片（金属或半导体材料）组成。 物理效应 金属电阻应变效应：当金属丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将发生变化 半导体材料压阻效应：当半导体材料受到外力作用产生应力时，其电阻率将发生变化。 原理 弹性元件受力变形后，粘贴其上的电阻应变片因变形而电阻发生变化，通过测量电阻确定被测量 优点： 尺寸小，重量轻，对被测工件工作状态和应力影响小 测量应变的灵敏度和精度高，可测微米级应变； 测量范围宽，1%20% 适应高低温（压）、强磁场和腐蚀环境 缺点： 输出信号微弱 大应变状态下输出非线性明显,电阻应变片式传感器工作原理,F l、A 、 R,电阻相对变形量：,电阻应变片式传感器工作原理（续）,对于半径为r的圆导体，A=r2，故有 由材料力学可知，在弹性范围内，,为导体的纵向应变，其数值一般很小，常以微应变度量； 为电阻丝材料的泊松比，一般金属=0.30.5； k为灵敏系数,经整理：,应变片灵敏系数,材料的几何尺寸变化引起的 材料的电阻率随应变引起的,金属材料：k以前者为主，则k1+2=1.73.6 半 导 体：k值主要是由电阻率相对变化所决定,应变片的分类,按敏感材料分为：金属应变片和半导体应变片 按敏感栅结构分为，单轴应变片和多轴应变片。 按基底材料可分为；纸质应变片、胶基应变片、金属基底应变片、浸胶基应变片。 按制栅工艺可分为：丝绕式应变片、短接式应变片、箔式应变片、薄膜式应变片。 按使用温度可分为：低温应变片(一30以下)、常温应变片(一30一60)、中温应变片(60350)、高温应变片(350以上)。 按安装方式可分为：粘贴式应变片、焊接式应变片、喷涂式应变片、埋人式应变片。 按用途可分为：一般用途应变片、特殊用途应变片(水、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等） 按制造工艺分为：体型半导体应变片、扩散型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、NP元件半导体型应变片。,电阻应变片的结构,金属丝式 金属箔式 金属薄膜式,回线式 短接式,电阻应变片的基本结构丝绕式,敏感栅 直径为0.025mm左右的合金电阻丝制成，用来感受应变，是应变片的敏感元件。 基 底 绝缘 覆盖层 保护 引 线 传导信号至测量电路,金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线,金属箔式应变片,在绝缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状,箔式应变片,箔式应变片的外形,箔式应变片优点,（1）尺寸准确，线条均匀，适应不同的测量要求 （2）可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 （3）与被测试件接触面积大，粘结性能好。 散热条件好，允许电流大，灵敏度提高。 （4）横向效应可以忽略。 （5）蠕变、机械滞后小，疲劳寿命长。 缺点： 电阻值的分散性大 阻值调整,采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在0.1m以下的金属电阻材料薄膜敏感栅，再加上保护层，易实现工业化批量生产 优点：应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，易实现工业化生产 问题：难控制电阻与温度和时间的变化关系,金属薄膜应变片,半导体电阻应变片,压阻效应：对半导体材料施加载荷产生应力时，电阻率会产生变化 半导体应变片三种形式： 体型半导体应变片：将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小条，经腐蚀压焊粘贴在基片上而制成的应变片。 薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而成。 扩散型半导体应变片是将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上，形成一层极薄的P型导电层，再通过超声波和热压焊法接上引出线。 半导体应变片与金属电阻应变片相比其灵敏度高50一70倍，另外，其横向效应和机械滞后小。 温度稳定性差，在较大应变下，灵敏度非线性误差大。,电阻应变式传感器的测量电路,通常可以通过电桥将电阻的变化转变成电压或电流信号。 常用的全桥电路 假设电桥的输入电源内阻为零，输出为空载。 基于上面的假设，电桥的输出电压为 U0=UAB= UAC- UCB,电桥平衡指电桥的输出电压U0为零。此时若AB间装有检流计则检流计的指示为零。根据上式，平衡条件为：R1R4=R2R3,电阻应变式传感器的测量电路,设单臂受载，即仅R1为应变片，此时R1 R1+R1,代入,得到,设桥臂比为R2/R1=n，由于R1R1, 则分母中R1/R1可忽略。同时考虑到初始电桥平衡，即R1R4=R2R3,则有,电桥的灵敏度定义为,Kv的特征：1）正比于电桥供电电压E，但以应变片允许功耗为限； 2）桥比n的函数，当n=1时，Kv有最大值。,电容式传感器,电容式传感器的工作原理,改变A、d、 三个参量中的任意一个量，均可使平板电容的电容量C 改变。 固定三个参量中的两个，可以做成变面积、变极距、变介电常数三种类型的电容传感器。,电容传感器的理想公式为,A极板的有效面积；d极板间距离；0真空介电常数；r极板间相对介电常数,变面积式电容传感器,图a是平板形直线位移式结构，其中极板1可以左右移动，称为动极板。极板2固定不动，称为定极板。 图b是同心圆筒形变面积式传感器。外圆筒不动，内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。 图c是一个角位移式的结构。极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时，两极板的遮盖面积A就减小，因而电容量也随之减小。,平板式变面积电容传感器,当动极板相对于定极板沿着宽度 方向平移时（原理重复a），其电 容变化量化为,C与x间呈线性关系,角位移变面积电容式传感器,当=0时,当0时,传感器电容量C与角位移间呈线性关系,变面积式电容传感器的特性,变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。,变极距型电容传感器,若d/d1时，则上式可用泰勒级数展开得,若极距缩小d 则电容增加,初始电容,等式两边同除以C得到,略去高次非线性项得近似线性关系和灵敏度Kc为,Kc表示单位位移引起的电容量相对变化的大小。,特点：1）只有d 很小时，才有近似的线性输出；2） d 越小，灵敏度越高； 3）d过小非线性误差增大，同时易于击穿； 4）引入差动变极距型电容传感器,差动变极距型电容传感器,d1,d2,上下为定极板，中间位动极板，初始时d1=d2=d, C1=C2=C0, 中间极板上移d后,特点：灵敏度提高1倍，非线性误差降低。静电引力影响降低。,变介电常数型电容传感器,因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。,表5-1 几种介质的相对介电常数,变介电常数型电容传感器,初始电容,电容式液位传感器,电容与液位的关系为：,可见，传感器的电容量正比于液位的高度h,当L=0时，若 传感器的初始电容,b0为极板的宽度,当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为,电容变化量与电介质移动量L呈线性关系,变极距(）型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) （h） 变介电常数( )型: （i）(l),电容式传感器测量电路,被测位移量转化为电容量的变化，C较小 需要测量电路检测，并转换成电压、电流或频率 常用的有电桥式、运算放大器式、调频式、差动脉冲宽度调制式。 桥式,原理：电容传感器作为桥路的一部分，差动电容C1、C2作为相邻两臂接人电桥，另一相邻两臂为电感，构成电容传感器变压器电桥。电桥的输出是调幅波，经交流放大后，需经过相敏解调和滤波便可得到与电容量变化相应的直流电压输出。,电容式传感器测量电路,运算放大器式,原理：将变极距型电容传感器作为运算放大器的反馈环节。根据运算器的运算关系：,若激励电压Ui与输入电容C0不变，则输出电压U0与极距成线性关系。常用于位移测量,电容式传感器测量电路,调频电路,原理：电容式传感器作为调频振荡器中谐振回路的一部分。当物体的振动位移作为输入量时便引起电容传感器的电容量发生相应的变化，导致振荡器的振动频率的变化并输出相应的调频波，再由鉴频器转换为相应的电压变化，最后放大输出。 特点：抗干扰性强、灵敏度高等优点，可测0.01微米的位移变化量。缺点是电缆的分布电容影响大。,电感式传感器,依据的物理效应 利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测，它可以把输入的各种的机械物理量如位移、振动、压力、应变、流量、比重等参数转换成电量输出。,特点 1）结构简单，无活动电触点，可靠寿命长； 2）灵敏度和分辨率高，电压每毫米位移可达数百毫伏输出； 3）线性度、重复性和稳定性较好。,电感传感器工作原理,线圈电感,线圈总磁链,单位：韦伯； I通过线圈的电流，单位：安培； N线圈的匝数； 磁通； =NIS/l, 为磁导率， S为磁路的截面积，l 磁路总长度， Rm磁路总磁阻，Rm= l/ S：1/亨。,忽略铁芯衔铁的磁阻有,S0-气隙截面积； 0空气磁导率,原理：只要被测非电量能够引起空气间隙长度l0或截 面积S0发生变化，L就会变化。 类型：气隙型 、截面型 、螺管型,变气隙式电感传感器特性,L与之间是非线性关系,变面积式（截面）电感传感器,气隙长度不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则自感L=f（S）,且成线性关系。由于漏感，S0时，L并不绝对为零。,灵敏度,特点：1)线性度较好，量程较大； 2)与变气隙式传感器相比，灵敏度降低。,S,L,O,变面积式电感传感器输出特性,螺线管式电感传感器,由于线圈内磁场强度沿轴线分布不均匀。所以实际上它的输出仍有非线性。,由一柱型衔铁插入螺管圈内构成。其衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。,L：线圈长度，R：线圈平均半径，n：线圈匝数，la：衔铁进入线圈长度，ra：衔铁半径， m：铁芯有效磁导率,特点：1)灵敏度较低； 2)量程大； 3)结构简单，使用最广泛。,电感传感器的比较,变气隙长度式 灵敏度高，但非线性严重，为了限制线形误差，示值范围不能太宽，衔铁自由行程小； 变气隙截面式 有较好的线性，示值范围和自由行程都较宽 螺管式结构简单 容易制造和装配，示值范围和自由行程均较大，但灵敏度低。,差动电感传感器,三种类型传感器的缺点： 线圈中流过负载的电流不等于零，存在起始电流，非线性较大； 电磁吸力一直作用于活动衔铁； 易受外界干扰的影响，如电源电压和频率的波动、温度变化等都将使输出产生误差。 不适用于精密测量，只用在一些继电信号装置。在实际应用中，广泛采用的是将两个电感式传感器组合在一起，形成差动式传感器。,当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小,根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为,两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。,差动螺管式电感传感器,变气隙式差动电感传感器,两只完全对称的单个自感传感器合用一个活动衔铁，传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另外两只桥臂由电阻组成，构成交流电桥的四个臂，供桥电源为UAC。(交流)，桥路输出为交流电压U0. 初始状态时，衔铁位于中间位置，两边气隙宽度相等，两只线圈电感量相等，接在电桥相邻臂上，电桥输出U00，即电桥处于平衡状态。,当衔铁移动时，造成两边气隙宽度不一样，使两只线圈的电感量一增一减，电桥不平衡，电桥输出电压的大小与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动量的方向有关。因此，只要能测量出输出电压的大小和相位，就可决定衔铁位移的大小和方向，衔铁带动连动机构就可以测量多种非电量，如位移、液面高度等。差动自感传感器不仅可使灵敏度提高一倍，而且使非线性误差大为减小，当单边式非线性误差为10时，差动式非线性误差可小于1。,互感式电感传感器（差动变压器）,结构和原理：由可动铁芯和原、次级线圈构成。初级线圈接入交流电时，次级线圈因互感作用产生感应电动势，当互感变化时，输出电势亦发生变化。 由于两个次级线圈常接成差动的形式，故又称为差动变压器式电感传感器，简称差动变压嚣,当原线圈加上交流电压后，次级线圈产生感应电动势e1、e2,其大小和铁芯位置有关，并有 按如图反极性串联两次极线圈，则输出电势 e0=e1-e2,M初级线圈与次极线圈之间互感,当铁芯移动时，M1M2,e1 e2,随移动距离加大，e0逐渐增大，见上图。,互感式电感传感器测量电路,差动变压器的输出是一个调幅波，且存在一定的零点残余电压，因此为了判别铁芯移动的大小和方向，必须进行解调和滤波另外，为消除零点残余电压的影响，差动变压器的后接电路常采用差动整流电路和相敏检波电路差动整流电路就是把差动变压器的两个次级线圈的感应电动势分别整流，然后将整流后的两个电压或电流的差值作为输出。,U0=uab+ucd =uab-udc,铁芯零位时U0=0 上下移动时，零点残余电压抵消。故精度、灵敏度高、线性度大。,磁电式传感器,原理：通过电磁感应原理作用将被测量（如振动、转速、扭矩）转换成电势信号。 利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势，又称有源型传感器 特点：不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小 类型：磁电感应式；变磁阻式,法拉第电磁感应定律：,k为比例系数，E为感应电势，为磁通。当E的单位为伏特（V），的单位为韦伯（Wb），t的单位为秒（s）时，k1，这时感应电势为：,磁电感应式传感器的工作原理,如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的， 则当线圈与磁场的相对速度为时，线圈的感应电动势：,la线圈长度，为运动方向与磁场方向间夹角，当90，线圈的感应电动势为：,当N、B和la恒定不变时，E与=dx/dt成正比， 根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。,磁电感应式传感器的工作原理,如果线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，则感应电动势,S每匝线圈的截面积，=d/dt,旋转运动的相对角速度。当90，线圈的感应电动势为：,当N、B和S恒定不变时，E与转动速度 成正比， 根据感应电动势E的大小就可以知道被测转速度的大小。,不同类型的磁电式传感器,磁通量的变化实现办法: 磁铁与线圈之间做相对运动； 磁路中磁阻的变化； 恒定磁场中线圈面积的变化. 可做成恒磁通的动圈式和动铁式传感器 或变磁通（磁阻）的传感器，又分开磁路式和闭磁路式 应用 测定速度 在信号调节电路中接积分电路，可测量位移 在信号调节电路中接微分电路，可测加速度,动圈式磁电传感器原理,图5.1