各种自动化传感器的使用.ppt

第三章 传感器,3-1 传感器的概念 3-2 电阻式传感器 3-3 电容式传感器 3-4 电感式传感器 3-6 压电式传感器,第三章 传感器,传感器是人类五官的延长，又称之为电五官； 传感器技术 通信技术 计算机技术 五官 神经 大脑 传感器是获取自然和生产领域中信息的主 要途径与手段 ； 现代工业生产尤其是自动化生产过程中，要用各种传感器来监视和控制生产过程中的各个参数；,信息技术三大支柱,传感器已渗透到诸如工业生产、宇宙开发、海洋探测、环境保护、资源探测、医学诊断、生物工程、甚至文物保护等等极其广泛的领域。从茫茫的太空到浩瀚的海洋，以至各种复杂的工程系统，几乎每一个现代化项目，都离不开各种各样的传感器。 传感器是将感知到的各种信号转换成易测量的信号，把相应的信号输入计算机，计算机发出指令，控制各执行机构。,3-1传感器的定义,一、传感器的定义（ Transducer/Sensor ） 定义：将被测参量转换为与之对应的，易于测量，传输和处理的信号的装置。 GB7665一87：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 传感器功用：感知被测信息，并传递给检测装置,传感器及传感技术,可从以下几个方面理解： 传感器是测量器件或装置，能完成检测任务； 输入量为位移、压力、温度、重量等被测量，是非电量； 输出量通常为易于传输、转换、处理、显示的电物理量（如：电压、电流、频率、功率等），也可以是气、光等物理量； 输出、输入有对应关系，且应有一定的精确程度。,1.传感器在工业检测和自动控制系统中的应用 工业自动化、全自动、半自动生产线 （石油、化工、钢铁、铁路、机械、电力） 自动控制系统 （正确的信息检测 准确的控制）,传感器的应用领域,传感器的应用领域,2.汽车与传感器 速度、里程、发动机旋转速度、燃料剩余量 安全气囊系统、防盗装置、黑匣子 发动机气缸压力（日本丰田汽车） 3.传感器与家用电器 电子炉灶、洗碗机、遥控电视、录像机、电饭煲 微波炉（松下电器采用湿度传感器） 电冰箱（温控器控制压缩机的开关） 家庭自动化（安全监视与报警、空调与照明控制、家务劳动自动化、人身健康管理）,传感器的应用领域,4.传感器在机器人上的应用 传统机器人（臂的位置和角度传感器） 智能机器人（触觉、压觉、重量、视觉等） 5.传感器在医疗及人体医学上的应用 应用医学传感器（B超仪、CT、核磁共振等） 医疗保健产品：电子血压计、脉搏计、电子温度计。,传感器的应用领域,6.传感器与环境保护 大气污染指数、水质污染、环境噪声等 各种环境监测仪器 7.传感器与航空航天 飞机的自动驾驶（飞行姿态、距离、航线） 恶劣环境的“盲目”着陆 空空导弹的自动跟踪,传感器的应用领域,8.传感器与遥感技术 遥感技术：从飞机、人造卫星、宇宙飞船、船舶上对远距离的广大区域的被测物体及其状态进行大规模探测的一门技术。 探测矿藏： 人造卫星上的红外传感器 红外线的量 通过微波 地面站 计算机分析处理,传感器的应用领域,传感器市场结构,从市场来看, 力、 压力、 加速度、 物位、 温度、 湿度、 水分等传感器将保持较大的需求量。,二、传感器的组成,二、传感器的组成 一般的，传感器由敏感元件、二次变换部分、辅助部分组成。,传感器的组成,敏感元件（预变换器）:它是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 二次变换部分：敏感元件的输出是转换元件的输入，主要作用将输入转换成电参数。 并非所有的传感器都包括敏感元件和转换元件，如热电偶！ 辅助部分：将转换元件的输出进行放大、运算、处理等进一步转换，便于应用。,传感器的组成,气体压力传感器,1-壳体 2-膜盒 3-电感线圈 4-磁芯 5-转换电路,压力,位移,电感,（敏感元件）,（转换元件）,（测量电路）,传感器的组成,热电偶,压电式加速度传感器,三、传感器的分类,传感器是知识技术密集的行业，与许多学科有关，种类繁多，分类方法也很多。 按工作机理：物理型、化学型、生物型； 按构成原理：结构型、物性型； 结构型传感器是利用物理学中场的定律构成的，包括动力场的运动定律，电磁场的电磁定律等；这类传感器的特点是传感器的工作原理是以传感器中元件相对位置变化引起场的变化为基础，而不是以材料特性变化为基础。,传感器的分类,物性型传感器是利用物质定律构成的，如虎克定律、欧姆定律等。这种法则，大多数是以物质本身的常数形式给出。这些常数的大小，决定了传感器的主要性能。因此，物性型传感器的性能随材料的不同而异。,传感器的分类,按能量转换情况：能量控制型、能量转换型； 能量控制型传感器在信息变化过程中，其能量需要外电源供给；(无源传感器) 能量转换型传感器主要由能量变换元件构成，不需外加电源；(有源传感器),传感器的分类,按测量原理分： 电参量式传感器(电阻式、电感式、电容式) 磁电式传感器(磁电感应式、霍尔式、磁栅式)； 压电式传感器； 光电式传感器； 气电式传感器； 热电式传感器； 波式传感器； 射线式传感器； 半导体式传感器； 其他原理的传感器。,传感器的分类,按传感器用途分(输入量) 温度传感器 湿度传感器 压力传感器 位移传感器 转速传感器 流量传感器 火灾传感器,传感器的分类,按传感器输出信号形式可分为：模拟传感器和数字传感器。 按输入量分类 优点：比较明确地表达了传感器的用途，便于使用者根据用途选用。 缺点：没有区分每种传感器在转换机理上有何共性和差异，不便于使用者比较各种传感器的原理异同点。,传感器的分类,按原理分类： 优点是：对传感器的工作原理比较清楚，类别少，有利于传感器专业工作者对传感器的深入研究分析。 缺点：不便于使用者根据用途选用。,四、传感器的命名法,由主题词加四级修饰语构成 传感器 1、被测量 2、转换原理 3、特征描述 4、主要技术指标 （量程、灵敏度、准确度等） 例：传感器 位移 应变式 100 习惯上用反序法，也可用简称。,五、对传感器的性能要求,可靠性：指传感器在规定的使用条件和期限内保持其准确计量性能的能力。 选择性：传感器的输出不受(少受)非被测量（干扰）的影响。 超然性：传感器不影响被测系统原来状态的能力。（实际有影响） 加速度传感器,3-2 电阻式传感器,受位移、压力、光热的作用 R R+R 电阻式传感器是利用电阻应变效应，将被测物体的变形转换成电阻变化，在经过转换电路变成电量输出的传感器。 它可以测量力、压力、位移、应变、加速度、温度等各种非电量。 现已被广泛应用于工程测量和科学实验中。,一、导电材料的电阻效应 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，这种现象称为金属的电阻应变效应。,设有一根长度为l、截面积为S、电阻率为的金属丝，其电阻R为 两边取对数，得 等式两边取微分，,l,l,3-2 电阻式传感器,dR/R 电阻的相对变化； d/电阻率的相对变化； dl/l 金属丝长度相对变化，用表示，= dl/l ,称为金属丝长度方向上的应变或轴向应变； dS/S 截面积的相对变化。,S= r 2,dS /S=2dr/r,dr/r为金属丝半径的相对变化，即径向应变为r。,r= ,由材料力学知：, 3-2-1 导电材料的电阻效应,将微分dR、d改写成增量R、，则,金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系。比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数。,变形,变性, 3-2-1 导电材料的电阻效应,物理意义：单位应变引起的电阻相对变化。 KS由两部分组成： 前一部分是（1+2），由材料的几何尺寸变化引起，一般金属0.3，因此（1+2）1.6； 后一部分为 ，电阻率随应变而引起的（称“压阻效应”）。 对金属材料，以前者为主，则KS 1+2； 对半导体， KS值主要由电阻率相对变化所决定。 实验表明，在金属丝拉伸比例极限内，电阻相对变化与轴向应变成正比。通常KS在1.83.6范围内。, 3-2-1 导电材料的电阻效应,3-2-2 电位计式传感器,二、电位计式传感器 电位计式传感器也称为变阻器式传感器，它通过改变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。根据下式 式中: 电阻率；l电阻丝长度；A电阻丝截面积。 如果电阻丝直径和材质一定时，则电阻值随导线长度而变化。式中电阻值的单位为。,常用电位计式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。,3-2-2 电位计式传感器,直线位移型：当被测位移变动时，触点c沿变阻器移动。若移动x，则c点与A点之间电阻值：R=kix 传感器灵敏度：S=dR/dx=ki 式中k单位长度内的电阻值。 当导线分布均匀时，ki为一常数。这时传感器的输出(电阻)与输入(位移)成线性关系。,3-2-2 电位计式传感器,回转型变阻器式传感器，其电阻值随转角而变化。其灵敏度 式中转角rad k单位弧度对应的电阻值。,3-2-2 电位计式传感器,非线性变阻器式传感器，或称为函数电位器。当被测量与电刷位移x之间具有某种函数关系时，通过它可以获得输出电阻与输入被测量的线性关系。设r(x)为电位器任意瞬时位置（微小区间x）内的电阻，则电阻位移为x时总电阻值为： 如果被测量为z(x)，它是位移x的函数， 若要得到线性输出，应满足 在已知z(x)的情况下，可以求得r(x) 和Rx, r(x)可以用来确定电位器的骨架形状。,3-2-2 电位计式传感器,变阻器式传感器的优点是结构简单，性能稳定，使用方便。 缺点是分辨力不高，因为受到电阻丝直径的限制。提高分辨力需使用更细的电阻丝，其绕制较困难。所以变阻器式传感器的分辨力很难优于20m。 由于结构上的特点，这种传感器还有较大的噪声。电刷和电阻元件之间接触面的变动和磨损、尘埃附着等，都会使电刷在滑动中的接触电阻发生不规则的变化，从而产生噪声。 变阻器式传感器被用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。,3-2-2 电位计式传感器,变阻器式传感器产品,3.2 电阻式传感器,案例：重量的自动检测-配料设备,3.2 电阻式传感器,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,案例：煤气包储量检测,3.2 电阻式传感器,原理：钢丝-收线圈数 -电位器 -电阻,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,3.2 电阻式传感器,原理：电机-转角 -电位器 -电阻,3.2 电阻式传感器,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,3.2 电阻式传感器,三、电阻应变片 金属应变片式传感器的核心元件是金属应变片，它可将试件上的应变变化转换成电阻变化。金属应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器，传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测物理量作用在弹性元件上，弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化，通过转换电路转变成电量输出，电量变化的大小反映了被测物理量的大小。,3-2 电阻式传感器,3-2-3 电阻应变片,1、丝式应变片 由敏感栅1、基底2、盖片3、引线4和粘结剂等组成。这些部分所选用的材料将直接影响应变片的性能。因此，应根据使用条件和要求合理地加以选择。,2,3,4,1,b,l,栅长,栅宽,电阻应变片结构示意图,（1） 敏感栅 由金属细丝绕成栅形，直径：（0.0150.05）mm 应变片的阻值：60、120、200等多种规 格，以120最为常用。（允许有一定的误差，但不能太大，否则影响平衡） 标距=栅宽栅长=bl 较大的应变片：5100（200）mm 较小的应变片：11（2）mm等。 结构：回线式（a）和短接式（b）,一般至少用两个，一个做测量，一个做温度补偿， 或用四个，两个做测量，两个做温度补偿。,3-2-3 电阻应变片,对敏感栅的材料的要求： 应变灵敏系数大，并在所测应变范围内保持为常 数； 电阻率高而稳定，以便于制造小栅长的应变片； 电阻温度系数要小； 抗氧化能力高，耐腐蚀性能强； 在工作温度范围内能保持足够的抗拉强度； 加工性能良好，易于拉制成丝或轧压成箔材； 易于焊接，对引线材料的热电势小。 对应变片要求必须根据实际使用情况，合理选择。,3-2-3 电阻应变片,（2） 基底和盖片 基底用于保持敏感栅、引线的几何形状和相对位置，盖片既保持敏感栅和引线的形状和相对位置，还可保护敏感栅。基底的全长称为基底长，其宽度称为基底宽。基底材料：胶基和纸基,（3） 引线 是从应变片的敏感栅中引出的细金属线，直径（0.150.2）mm。对引线材料的性能要求：电阻率低、电阻温度系数小、抗氧化性能好、易于焊接。大多数敏感栅材料都可制作引线。,3-2-3 电阻应变片,（4） 粘结剂 用于将敏感栅固定于基底上，并将盖片与基底粘贴在一起。使用金属应变片时，也需用粘结剂将应变片基底粘贴在构件表面某个方向和位置上。以便将构件受力后的表面应变传递给应变计的基底和敏感栅。 常用的粘结剂分为有机和无机两大类。有机粘结剂用于低温、常温和中温。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛树脂、有机硅树脂，聚酰亚胺等。无机粘结剂用于高温，常用的有磷酸盐、硅酸、硼酸盐等。,3-2-3 电阻应变片,2、箔式应变片 金属箔式应变片则是用栅状金属箔片代替栅状金属丝。金属箔栅系用光刻技术制造，适于大批量生产。其线条均匀，尺寸准确，阻值一致性好。箔片厚约110m，散热好，粘结情况好， 传递试件应变性能好。 因此目前使用的多系金属箔式应变片。,3-2-3 电阻应变片,3、薄膜应变片 是薄膜技术发展的产物，厚度在0.1m以下。 是采用真空蒸发法，将电阻材料蒸镀在基底上制成敏感栅而形成应变片。 灵敏度系数高，易于规模生产，是一种很有前途的新型应变片。 用得较少，自学了解。,3-2-3 电阻应变片,4、半导体应变片 半导体应变片最简单的典型结构如图所示。 半导体应变片的使用方法与金属电阻应变片相同，即粘贴在弹性元件或被测物 体上，其电阻值随被测试件的应 变而变化。 半导体应变片的工作原理是基于 半导体材料的压阻效应。,3-2-3 电阻应变片,所谓压阻效应是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。 优点：灵敏度高； 缺点：稳定性差，非线性严重。 做一批应变片，各不相同； 同一批应变片在不同条件下，变化很大。,3-2-3 电阻应变片,5、应变片的灵敏度系数 K：金属应变片的灵敏度系数指应变片安装于试件表面，在其轴向方向的单向应力作用下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比。 Ks: 金属丝的灵敏度系数金属单丝的电阻相对变化与它所感受的应变之比。 当金属丝做成应变片后，其电阻应变特性，与金属单丝情况不同。因此，须用实验方法对应变片的电阻应变特性重新测定。,3-2-3 电阻应变片,实验表明，金属应变片的电阻相对变化与应变在很宽的范围内均为线性关系。 即： K为金属应变片的灵敏系数。注意，K是在试件受一维应力作用，应变片的轴向与主应力方向一致，且试件材料的泊松比为0.285的钢材时测得的。,测量结果表明，应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS。原因：胶层传递变形失真，横向效应也是一个不可忽视的因素。,思考：K与KS大小的关系？,3-2-3 电阻应变片,第三节 电容式传感器,电容式传感器是将被测非电量的变化转换成电容量变化的一种传感器。 特点：结构简单，体积小，可实现非接触式测量，能在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作。 应用：压力、差压、液位、振动、位移、加速度、成分含量等多方面的测量。,3-3 电容式传感器,工作原理： 电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置。它实质上是一个具有可变参数的电容器。 从物理学可知，由两个平行极板组成的电容器其电容量为： 式中r极板间介质的相对介电常数，在空气中r=1； o真空中介电常数，o8.8510-12Fm； d极板间距离； S极板间相互覆盖面积。,3-3 电容式传感器,当被测量使d、S或发生变化时，都会引起电容C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电容量的变化。 根据电容器变化的参数，可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三类。在实际中，极距变化型与面积变化型的应用较为广泛。,3-3 电容式传感器,类型： (一)面积变化型 在变换极板面积的电容传感器中，一般常用的有角位移型和线位移型两种。,3-3 电容式传感器,角位移型：当动板有一转角时，与定板之间 相互覆盖面积就改变，从而改变电容的输出。,当=0时，,当0时，,传感器的电容量C与角位移呈线性关系。,3-3 电容式传感器,平面线位移型电容传感器：当动板沿X方向移动时，覆盖面积发生变化，电容量也随之变化。其电容量C 式中b极板宽度。 灵敏度,此传感器的电容量C与水平位移x呈线性关系。,3-3 电容式传感器,圆柱体线位移型电容传感器。动板(圆柱)与定板(圆柱)相互覆盖，其电容量 式中D圆筒孔径； d圆柱外径。 当覆盖长度x变化时， 电容量C发生变化，其灵 敏度,3-3 电容式传感器,面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系。但与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移的测量。,3-3 电容式传感器,(二)介质变化型 这种传感器大多用来测量电介质的厚度、位移、液位、液量。还可根据介质的介电常数随温度、湿度的改变而测量温度、湿度等。 当电极间存在导电物质时，电极的表面应涂盖绝缘层（如0.1mm厚的聚四氟乙烯等），防止电极间短路。 图中是这种传感器的典型实例。,3-3 电容式传感器,电容式液位传感器,传感器的电容量C与被测液位高度h呈线性关系。,相当于两个电容器并联：,= C0+A h,3-3 电容式传感器,另一种结构：,d0,d1,1,0,若d0,d1已知时，此结构可用来 测未知材料的介电常数 若1已知时，此结构可用来测某介电材料的厚度（如纸张、塑料薄膜等）,3-3 电容式传感器,(三)极距变化型 如果两极板互相覆盖面积及极间介质不变，则电容量C与极距呈非线性关系。当极距有一微小变化量d时，引起电容的变化量dC为 由此可以得到传感器灵敏度,3-3 电容式传感器,可以看出，灵敏度K与极距平方成反比，极距越小灵敏度越高。显然，由于灵敏度随极距而变化，这将引起线性误差。为了减小这一误差，通常规定在较小的间隙变化范围内工作，以便获 得近似线性关系。 一般取极距变化 范围约为 dd 00.1。,3-3 电容式传感器,结论：当d/d01时，电容输出可简化为：,此时，C与d呈线性关系，同时，减小d0可提高传感器的灵敏度。但d0过小，容易引起电容器击穿或短路。为提高传感器的灵敏度，极板间可采用高介电常数的材料作介质，如云母，塑料膜等。,一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间，极板间距离在20200m的范围内。最大位移应小于间距的1/10,在微位移的测量中应用广泛。,3-3 电容式传感器,将电容变化量按级数展开，可得：,忽略高次项，变极距型电容传感器的灵敏度为：,考虑线性项与二次项：,3-3 电容式传感器,传感器的相对非线性误差为：,结论：要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。,在实际应用中，为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精确度的影响，常常采用差动式。为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。,3-3 电容式传感器,差动平板式电容传感器结构图,当中间的动极板上移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d,电容器C2的间隙d2变为d0+d,3-3 电容式传感器,按级数展开，,电容值的总变化量为：,3-3 电容式传感器,相对变化量为：,略去高次项，,相对非线性误差为：,结论：电容传感器做成差动式后，灵敏度增加了一倍，而非线性误差大大降低了。,3-3 电容式传感器,差动式电容传感器的优点： 1、提高了灵敏度 2、降低了非线性误差 3、抑制了温漂，降低了误差,3-3 电容式传感器,利用电磁感应原理将被测非电量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈自感系数 L 或互感系数 M 的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，这种装置称为电感式传感器。 优点：结构简单，工作可靠，测量精度高，输出功率大；能实现信息的远距离传输。 缺点：灵敏度、线性度和测量范围相互制约；传感器频率响应低，不适合快速动态测量。,3-4 电感式传感器,第四节 电感式传感器,3-4 电感式传感器,电涡流式 按转换原理分：自感式和互感式 种类 差动变压器 按结构形式分：气隙型和螺管型 应用：广泛的用于位移、振动、压力、应变、流量、比重等参量的测量,3-4 电感式传感器,一、自感式传感器 1、气隙型电感传感器 工作原理 组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。 图中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为l 。,0.5l,1,2,3,x,(a)变隙式,(b)变截面式,传感器中有一个气隙 l ，它随被测物体的位移而产生 l 的变化，由于衔铁与其同步移动，将引起磁路中气隙磁阻发生相应的变化，从而导致线圈电感的变化。,用于较小行程,l1：铁芯磁路总长； 1：铁芯磁导率； l2：衔铁的磁路长； 2：衔铁磁导率； S：气隙磁通截面积； 0：真空磁导率， S1：铁芯横截面积； 0=410-7Hm； S2：衔铁横截面积； l：空气隙总长。,由磁路基本知识知，线圈自感为:,线圈匝数,磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻),磁路总磁阻为:,3-4 电感式传感器,磁阻是表示物质对磁通量所呈现的阻力的一个物理量。,3-4 电感式传感器,由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，即1=2 0所以上式可简化为,可见，自感L是气隙截面积和长度的函数，即 Lf(S,l)，如果S保持不变，则L为l的单值函数，构成变隙式自感传感器；若保持l不变，使S随位移变化，则构成变截面式自感传感器。,3-4 电感式传感器,输出特性曲线,L=f（S）,L,S,L,S,L=f（l）,变气隙式传感器特性曲线,变截面积式传感器特性曲线,L=f(l)为非线性关系。当l0时，L为，考虑导磁体的磁阻，当l0时，并不等于，而具有一定的数值，在l较小时其特性曲线如图中虚线所示。如上下移动衔铁使面积S改变，从而改变L值时,则Lf(S)的特性曲线为一直线。, L, l,自感变化灵敏度为：,线性度,l,L,L1,L2,L0,l0,结论：当气隙l发生变化时，自感的变化与气隙变 化均呈非线性关系，其非线性程度随气隙相对变化l/l的增大而增加； 气隙减少l所引起的自感变化L1与气隙增加同样l所引起的自感变化L2并不相等，即L1L2，其差值随l/l的增加而增大。,3-4 电感式传感器,3-4 电感式传感器,由前面的分析可见，变气隙式电感传感器的测量范围与灵敏度及线性度相矛盾。 由于以上特点，为了减小非线性误差，则要限定l的范围，因此变间隙式传感器只能用于微小位移的测量。 为了改善其非线性，常采用差动式的结构。 工作原理如下：,3-4 电感式传感器,E,USC,1,3,4,2,R,R,(l- l)/2,(l- l)/2,差动变气隙式自感传感器结构由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成。当衔铁3移动时，一个线圈的自感增加，另一个线圈的自感减少，形成差动形式。,灵敏度：,线性度：,3-4 电感式传感器,2、螺管型电感传感器 种类：单线圈和差动式结构形式。 单线圈螺管型传感器的主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形铁芯。传感器工作时，因铁芯在线圈中伸入长度的变化，引起螺管线圈自感值的变化。当用恒流源激励时，则线圈的输出电压与铁芯的位移量有关。,用于较大行程,r,x,螺旋管,铁心,单线圈螺管型传感器结构图,l,3-4 电感式传感器,线圈电感： l线圈长度 rc衔铁半径 r平均半径 r铁心的有效磁导率 N匝数 lc衔铁进入线圈的长度,若被测量与lc成正比，则L与被测量也成正比。实际上由于磁场强度分布不均匀，输入量与输出量之间关系非线性的。,螺管线圈内磁场分布曲线,r,x,l,1.0,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,1.0,H（ ）,IN,l,x（l）,铁芯在开始插入（x=0）或几乎离开线圈时的灵敏度，比铁芯插入线圈的1/2长度时的灵敏度小得多。这说明只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度，并且有较好的线性特性。,3-4 电感式传感器,为了提高灵敏度与线性度,常采用差动螺管式自感传感器。这种差动螺管式自感传感器的测量范围为(550)mm,非线性误差在0.5左右。,2lc,lc,2l,线圈,线圈,r,0.8,0.6,0.4,0.2,0.2,0.4,0.6,0.8,-0.8,0.8,0.4,1.2,-1.2,-0.4,x,H（ ）,IN,l,差动螺旋管式自感传感器 (a)结构示意图 (b)磁场分布曲线,x(l),(a),(b),3-4 电感式传感器,3-4 电感式传感器,综上所述，螺管式自感传感器的特点： 结构简单，制造装配容易； 由于空气间隙大，磁路的磁阻高，因此灵敏度低，但线性范围大； 由于磁路大部分为空气，易受外部磁场干扰； 由于磁阻高，为了达到某一自感量，需要的线圈匝数多，因而线圈分布电容大； 要求线圈框架尺寸和形状必须稳定，否则影响其线性和稳定性。,二、互感式传感器 把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。 这种传感器是根据变压器的基本原理制成的，并且次级绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器。 结构：变隙式、变面积式和螺管式。 其中螺线管式最为常用，可测量1100mm的机械位移。,3-4 电感式传感器,结构及工作原理,原理：当初级线圈加上某一频率的正弦交流电压后，次级线圈产生感应电压e21,e22，它们的大小与铁芯在线圈内的位置有关， e21和e22反极性连接就得到输出电压e2,3-4 电感式传感器,等效电路,e2,R21,R22,e21,e22,e1,R1,M1,M2,L21,L22,L1,I1,在理想情况下(忽略线圈寄生电容及衔铁损耗)，差动变压器的等效电路如图。 初级线圈的电流值为：,激励电压的角频率； e1激励电压；,e1 初级线圈激励电压 L1,R1 初级线圈电感和电阻 M1,M1 分别为初级与次级线圈 1,2间的互感 L21,L22 两个次级线圈的电感 R21,R22 两个次级线圈的电阻,3-4 电感式传感器,N2为次级线圈匝数。 Rm1和Rm2是通过两个次级线圈的磁阻。,在次级线圈中感应出电压e21和e22，其值分别为,初级线圈对两次级线圈的互感系数：,3-4 电感式传感器,其幅值：,输出阻抗：,因此空载输出电压:,3-4 电感式传感器,应用 测量振动、厚度、应变、压力、加速度等各种物理量。 1. 差动变压器式加速度传感器 用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上，才能得到精确的测量结果。可测量的振幅为(0.15)mm，振动频率为(0150)Hz。,稳压电源,振荡器,检波器,滤波器,(b),(a),220V,加速度a方向,a,输出,1,2,1,1 弹性支承 2 差动变压器,3-4 电感式传感器,2. 微压力变送器 将差动变压器和弹性敏感元件（膜片、膜盒和弹簧管等）相结合，可以组成各种形式的压力传感器。,220V,1接头 2 膜盒 3 底座 4 线路板 5 差动变压器 6 衔铁 7 罩壳,V,振荡器,稳压电源,差动变压器,相敏检波电路,1,2,3,4,5,6,7,这种变送器可分档测量(51056105)N/m2压力，输出信号电压为(050)mV，精度为1.5级。,3-4 电感式传感器,3-6 压电式传感器,第六节 压电式传感器 压电传感器是典型的有源传感器。 又称自发电式传感器及电势式传感器。 压电传感器的工作原理是基于某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应。 特点： 体积小、重量轻、结构简单、灵敏度高、工作可靠； 适合动态力学测量，不能测量静态量。,目前多用于加速度和动态力学或压力的测量。 压电传感器是一个机电转换元件。 应用： 拾音器、压电引信、燃气点火具。,3-6 压电式传感器,3-6 压电式传感器,一、压电效应 一些晶体结构的材料，当沿着一定方向受到外力作用时，内部产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷； 而当外力去掉后，又恢复不带电的状态； 当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变。,晶体受作用力产生的电荷量与外力的大小成正比，这种机械能转换为电能的现象称为正压电效应。 反之，如果给晶体施加以交变电场，晶体本身则产生机械变形，这种现象称为逆压电效应，又称电致伸缩效应。 压电效应具有可逆性。,电能,机械能,正压电效应,逆压电效应,3-6-1 压电效应,Z,X,Y,(a),(b),石英晶体 (a)理想石英晶体的外形 (b)坐标系,Z,Y,X,晶体 纵向压电效应:通常把沿电轴XX方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”； 横向压电效应:而把沿机 械轴YY方向的力作用 下产生电荷的压电效应 称为“横向压电效应； 沿光轴ZZ方向受力则 不产生压电效应。,光轴,电轴,机械轴,3-6-1 压电效应,纵向压电效应 横向压电效应：在YY方向受力产生的压电效应，其电荷分布与XX方向受力所产生的压电效应情况相反；当Y方向受压时（FY0），其电荷分布如同X方向受压所示。,3-6-1 压电效应,晶体切片,沿晶轴方向切下一六面体,3-6-1 压电效应,石英晶体的压电效应可以概括为： 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）之间呈线性关系