压磁式传感器.doc

压磁式(又称磁弹式)传感器是一种力电转换传感器。其基本原理是利用某些铁磁材料的压磁效应。1. 压磁效应铁磁材料的压磁效应的具体内容 2. 压磁式传感器工作原理 压磁式传感器的工作原理 在压磁材料的中间部分开有四个对称的小孔1、2、3和4，在孔1、2间绕有激励绕组N12，孔3、4间绕有输出绕组N34。当激励绕组中通过交流电流时，铁心中就会产生磁场。若把孔间空间分成A、B、C、D四个区域，在无外力作用的情况下，A、B、C、D四个区域的磁导率是相同的。这时合成磁场强度H平行与输出绕组的平面，磁力线不与输出绕组交链，N34不产生感应电动势，如图b所示。在压力F作用下，如图c所示，A、B区域将受到一定的应力，而C、D区域基本处于自由状态，于是A、B区域的磁导率下降、磁阻增大，C、D区域的磁导率基本不变。这样激励绕组所产生的磁力线将重新分布，部分磁力线绕过C、D区域闭合，于是合成磁场H不再与N34平面平行，一部分磁力线与N34交链而产生感应电动势e。F值越大，与N34交链的磁通越多，e值越大。 压磁式传感器结构 由压磁元件1、弹性支架2、传力钢球3组成。3. 压磁元件压磁式传感器的核心是压磁元件，它实际上是一个力-电转换元件。压磁元件常用的材料有硅钢片、坡莫合金和一些铁氧体。最常用的材料是硅钢片。为了减小涡流损耗，压磁元件的铁心大都采用薄片的铁磁材料叠合而成。冲片形状4. 压磁传感器的应用 压磁式传感器具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构和电路简单、能在恶劣环境下工作、寿命长等一系列优点。目前，这种传感器已成功地用在冶金、矿山、造纸、印刷、运输等各个工业部门。例如用来测量轧钢的轧制力、钢带的张力、纸张的张力，吊车提物的自动测量、配料的称量、金属切削过程的切削力以及电梯安全保护等。上一页 下一页讲解例题习题关键词实验动画学件9.4电容式传感器 电容式传感器是将被测量（如尺寸、压力等）的变化转换成电容量变化的一种传感器。9.4.1 工作原理及类型 由物理学可知，在忽略边缘效应的情况下，平板电容器的电容量为 （F）（9.22)式中真空的介电常数， =8.85410-12F/m； 极板间介质的相对介电系数，在空气中，=1； S极板的遮盖面积（m2）；两平行极板间的距离（m)。 上式表明，当被测量、S或发生变化时，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，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。1. 极距变化型电容式传感器极距变化型电容式传感器 传感器的灵敏度为 （推导过程） 结论上一页 下一页 9.1 传感器技术概论9.2 电阻应变传感器9.3 电感式传感器9.4 电容式传感器9.5 压电式传感器 9.6 磁电式传感器9.7 光电式传感器 9.8 热电式传感器9.9 数字式传感器 9.10 光纤传感器9.11 固态图象传感器9.12 红外辐射传感器9.13 超声波传感器9.14 核辐射传感器9.15 微型传感器9.16 智能传感器9.17 传感器的补偿与标定9.4.2 电容传感器特点与应用主要优点:(1)输人能量小而灵敏度高。 更多 (2)电参量相对变化大。 更多 (3)动态特性好。 更多 (4)能量损耗小。 更多 (5)结构简单，适应性好。 更多 主要缺点: （1）非线性大。 解决办法：利用测量电路。常用的电桥电路如下： 电容传感器的电桥电路 结论：电容转换成电压变化也是非线性的。因此，输出与输人之间的关系出现较大的非线性。采用差动式结构非线性可以得到适当改善，但不能完全消除。 比例运算放大器电路 结论：输出电压 与电容传感器间隙 成线性关系。（推导过程） （2）电缆分布电容影响大。更多 1. 电容式传感器应用举例 电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。电容式传感器的精度和稳定性也日益提高，高精度达0.01%电容式传感器已有商品出现，如一种250mm量程的电容式位移传感器，精度可达5m。 （1）电容式测厚仪: 测量金属带材在轧制过程中厚度 C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容， 其总电容为C= C1+C2 。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。 （2）电容式转速传感器 当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。设齿数为z,频率为f,则转速为:(4.36) 9.5压电式传感器 压电式传感器的工作原理是以某些物质的压电效应为基础，它具有自发电和可逆两种重要特性。9.5.1 压电效应与压电材料 1、压电效应与逆压电效应某些物质，当沿着一定方向对其加力而使其变形时，在一定表面上将产生电荷，当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。明显呈现压电效应的敏感功能材料叫压电材料。常用的压电材料有：压电单晶体，如石英、酒石酸钾钠等；多晶压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅、铌镁酸铅等，又称为压电陶瓷。此外，聚偏二氟乙烯(PVDF)作为一种新型的高分子物性型传感材料得到广泛的应用。石英晶体 说明：石英的压电效应 石英的压电效应解释讲解例题习题关键词实验动画学件9.5.2 压电式传感器及其等效电路压电元件等效电路。( 说明)压电元件等效为一个电荷源Q和一个电容器C0的等效电路也可等效为一个电压源U和一个电容器C0串联的等效电路 其中Ra为压电元件的漏电阻。工作时，压电元件与二次仪表配套使用必定与测量电路相连接，这就要考虑连接电缆电容Ca、放大器的输入电阻Ri和输入电容Ci。 由于不可避免地存在电荷泄漏，利用压电式传感器测量静态或准静态量值时，必须采取一定措施，使电荷从压电元件经测量电路的漏失减小到足够小的程度；而在作动态测量时，电荷可以不断补充，从而供给测量电路一定的电流，故压电式传感器适宜作动态测量。9.5.3 压电元件常用的结构形式 在实际使用中，如仅用单片压电元件工作的话，要产生足够的表面电荷就要很大的作用力，因此一般采用两片或两片以上压电元件组合在一起使用。由于压电元件是有极性的，因此连接方法有两种：并联连接和串联连接。压电元件并联连接和串联连接 并联连接：两压电元件的负极集中在中间极板上，正极在上下两边并连接在一起，此时电容量大，输出电荷量大，适用于测量缓变信号和以电荷为输出的场合。串联连接：上极板为正极，下极板为负极，在中间是一元件的负极与另一元件的正极相连接，此时传感器本身电容小，输出电压大，适用于要求以电压为输出的场合，并要求测量电路有高的输入阻抗。 .6磁电式传感器 磁电式传感器包括磁感应电式传感器、霍耳式传感器和磁栅等。9.6.1 磁感应电式传感器 1、磁感应电式传感器的特点按工作原理不同，磁电感应式传感器可分为恒定磁通式和变磁通式。2、 恒定磁通式磁电感应式传感器恒定磁通磁电感应式传感器的结构原理 动圈式结构类型磁电感应式传感器若以线圈相对磁场运动的速度v或角速度表示，则所产生的感应电动势e为 (4.40) 式中：l每匝线圈的平均长度；B线圈所在磁场的磁感应强度；S每匝线圈的平均截面积.在传感器中当结构参数确定后，B、l、N、S均为定值，感应电动势e与线圈相对磁场的运动速度(v或)成正比，所以这类传感器的基本形式是速度传感器，能直接测量线速度或角速度。如果在其测量电路中接入积分电路或微分电路，那么还可以用来测量位移或加速度。但由上述工作原理可知，磁电感应式传感器只适用于动态测量。动铁式结构类型的磁电感应式传感器3、 变磁通式磁电感应式传感器 变磁通式又称(变)磁阻式或变气隙式，常用来测量旋转物体的角速度。变磁通式磁电感应式传感器线圈3和磁铁5静止不动，测量齿轮1（导磁材料制成）每转过一个齿，传感器磁路磁阻变化一次，线圈3产生的感应电动势的变化频率等于测量齿轮1上齿轮的齿数和转速的乘积。 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，不影响测量精度，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。上一页 下一页9.1 传感器技术概论9.2 电阻应变传感器9.3 电感式传感器9.4 电容式传感器9.5 压电式传感器 9.6 磁电式传感器9.7 光电式传感器 9.8 热电式传感器9.9 数字式传感器 9.10 光纤传感器9.11 固态图象传感器9.12 红外辐射传感器9.13 超声波传感器9.14 核辐射传感器9.15 微型传感器9.16 智能传感器9.17 传感器的补偿与标定讲解例题习题关键词实验动画学件9.6.2 霍尔式传感器 1、霍尔传感器的特点2、 霍尔效应 金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。霍尔效应原理霍尔电势可用下式表示:(推导过程) 3、霍尔元件基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用N型半导体材料。霍尔元件越薄(d越小)，kH就越大，薄膜霍尔元件厚度只有1m左右。霍尔元件 目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。 4、 应用举例霍尔式位移传感器 从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；当改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。 霍尔乘法器 霍尔元件置于由坡莫合金(Ni79Mo4)制成的铁芯气隙中，激磁线圈绕于中间芯柱上，当输入直流激磁电流Im时，形成恒定磁场。如果通入霍尔元件的控制电流为i，则霍尔电势 （9.43） 即正比于i与了Im的乘积，因此霍尔元件可作为乘法器。 上一页 下一页 9.1 传感器技术概论9.2 电阻应变传感器9.3 电感式传感器9.4 电容式传感器9.5 压电式传感器 9.6 磁电式传感器9.7 光电式传感器 9.8 热电式传感器9.9 数字式传感器 9.10 光纤传感器9.11 固态图象传感器9.12 红外辐射传感器9.13 超声波传感器9.14 核辐射传感器9.15 微型传感器9.16 智能传感器9.17 传感器的补偿与标定讲解例题习题关键词实验动画学件9.6.3 磁阻效应传感器 磁阻元件类似霍尔元件，但它的工作原理是利用半导体材料的磁阻效应(或称高斯效应)。与霍尔效应的区别如下；即霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压，而磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化。磁阻效应传感器 表示一种测量位移的磁阻效应传感器。将磁阻元件置于磁场中，当它相对于磁场发生位移时，元件内阻R1、R2发生变化，如果将它们接于电桥，则其输出电压比例于电阻的变化。 产生磁阻效应的原理磁阻效应与材料性质及几何形状有关，一般迁移率大的材料，磁阻效应愈显著；元件的长、宽比愈小，磁阻效应愈大。磁阻元件可用于位移、力、加速度等参数的测量。 上一页 下一页 9.1 传感器技术概论9.2 电阻应变传感器9.3 电感式传感器9.4 电容式传感器9.5 压电式传感器 9.6 磁电式传感器9.7 光电式传感器 9.8 热电式传感器9.9 数字式传感器 9.10 光纤传感器9.11 固态图象传感器9.12 红外辐射传感器9.13 超声波传感器9.14 核辐射传感器9.15 微型传感器9.16 智能传感器9.17 传感器的补偿与标定讲解例题习题关键词实验动画学件9.1 传感器技术概论9.2 电阻应变传感器9.3 电感式传感器9.4 电容式传感器9.5 压电式传感器 9.6 磁电式传感器9.7 光电式传感器 9.8 热电式传感器9.9 数字式传感器 9.10 光纤传感器9.11 固态图象传感器9.12 红外辐射传感器9.13 超声波传感器9.14 核辐射传感器9.15 微型传感器9.16 智能传感器9.17 传感器的补偿与标定9.7光电式传感器 9.7.1光电效应及光电器件 光电传感器是将光量转换为电量。光电器件的物理基础是光电效应。1. 外光电效应在光线作用下，物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象，称为外光电效应。，光电子逸出时所具有的初始动能Ek与光的频率有关，频率高则动能大。(解释)由于不同材料具有不同的逸出功，因此对某种材料而言便有一个频率限，当入射光的频率低于此频率限时，不论光强多大，也不能激发出电子；反之，当入射光的频率高于此极限频率时，即使光线微弱也会有光电子发射出来，这个频率限称为“红限频率” 。基于外光电效应的光电器件属于光电发射型器件，有光电管、光电倍增管等。光电管有真空光电管和充气光电管。真空光电管 在一个真空的玻璃泡内装有两个电极,一个是光电阴极,一个是光电阳极。工作原理 2. 内光电效应受光照物体(通常为半导体材料)电导率发生变化或产生光电动势的效应称为内光电效应。内光电效应按其工作原理分为两种：光电导效应和光生伏特效应。（1）光电导效应：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，称为光电导效应。基于这种效应的光电器件有光敏电阻(光电导型)和反向工作的光敏二极管、光敏三极管(光电导结型)。光敏电阻(光导管) 在黑暗的环境下，它的阻值很高；当受到光照并且光辐射能量足够大时，光导材料禁带中的电子受到能量大于其禁带宽度Eg 的光子激发，由价带越过禁带而跃迁到导带，使其导带的电子和价带的空穴增加，电阻率变小。 光敏二极管和光敏三极管 光敏管的工作原理与光敏电阻是相似的，其差别只是光照在半导体结上而已。 (2) 光生伏特效应：是指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。因此光生伏特型光电器件是自发电式的，属有源器件。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件，硒和硅是光电池常用的材料，也可以使用锗。硅光电池 硅光电池也称硅太阳能电池，它是用单晶硅制成，在一块N型硅片上用扩散的方法掺入一些P型杂质而形成一个大面积的P-N结，P层做得很薄,从而使光线能穿透到P-N结上。硅太阳能电池具有轻便、简单，不会产生气体或热污染，易于适应环境。因此凡是不能铺设电缆的地方都可采用太阳能电池，尤其适用于为宇宙飞行器的各种仪表提供电源。 上一页 下一页 讲解例题习题关键词实验动画学件9.1 传感器技术概论9.2 电阻应变传感器9.3 电感式传感器9.4 电容式传感器9.5 压电式传感器 9.6 磁电式传感器9.7 光电式传感器 9.8 热电式传感器9.9 数字式传感器 9.10 光纤传感器9.11 固态图象传感器9.12 红外辐射传感器9.13 超声波传感器9.14 核辐射传感器9.15 微型传感器9.16 智能传感器9.17 传感器的补偿与标定9.7.2光电式传感器的形式 光电式传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。工作原理：首先把被测量的变化转换成光信号的变化，然后通过光电转换元件变换成电信号。 应用： 分类：按其接收状态可分为模拟式光电传感器和脉冲光电传感器。 1. 模拟式光电传感器模拟式光电传感器的工作原理是基于光电元件的光电特性,其光通量是随被测量而变,光电流就成为被测量的函数,故又称为光电传感器的函数运用状态光电传感器。这一类光电传感器有如下几种工作方式。1) 吸收式被测物体位于恒定光源与光电元件之间,根据被测物对光的吸收程度或对其谱线的选择来测定被测参数。如测量液体、气体的透明度、混浊度,对气体进行成分分析,测定液体中某种物质的含量等。2) 反射式恒定光源发出的光投射到被测物体上,被测物体把部分光通量反射到光电元件上,根据反射的光通量多少测定被测物表面状态和性质。例如测量零件的表面粗糙度、表面缺陷、表面位移等。3) 遮光式被测物体位于恒定光源与光电元件之间,光源发出的光通量经被测物遮去其一部分,使作用在光电元件上的光通量减弱,减弱的程度与被测物在光学通路中的位置有关。利用这一原理可以测量长度、厚度、线位移、角位移、振动等。4) 辐射式被测物体本身就是辐射源，它可以直接照射在光电元件上，也可以经过一定的光路后作用在光电元件上。光电高温计、比色高温计、红外侦察和红外遥感等均属于这一类。这种方式也可以用于防火报警和构成光照度计等。 2. 脉冲式光电传感器 脉冲式光电传感器的作用方式是光电元件的输出仅有两种稳定状态,也就是“通”、“断”的开关状态,所以也称为光电元件的开关运用状态。这类传感器要求光电元件灵敏度高,而对光电特性的线性要求不高。主要用于零件或产品的自动计数、光控开关、电子计算机的光电输入设备、光电编码器及光电报警装置等方面。 上一页 下一页 讲解例题习题关键词实验动画学件9.10光纤传感器 1. 光纤传感器及其分类由于光纤传感器具有不受电磁场干扰、传输信号安全、可实现非接触测量，而且具有高灵敏度、高精度、高速度、高密