传感器原理及工程应用基础知识

编辑版 word 第二章第二章 传感器概述传感器概述 1 传感器是能感受规定的被测量并按照一定 的规律转换成可用输出信号的器件或装置 2 传感器是由敏感原件和转换原件组成 3 两种分类方法 一种是按被测参数分类 一种是按传感器工作原理分类 4 传感器的基本特性可分为静态特性和动态 特性 5 静态特性是指被测量的值处于稳定状态时 输入与输出的关系 主要指标有灵敏度 线性 度 迟滞 重复性和漂移等 6 灵敏度是输出量增量 Y 与引起输出量增 量 Y 的相应输入量增量 X 之比 用 S 表示 即 S Y X 7 线性度是指传感器的输入与输出之间数量 关系的线性程度 也叫非线性误差用 L 表示即 L 8 传感器在相同工作条件下输入量由小到大 正量程 及由大到小 反量程 变化期间输 入输出特性曲线不重合的现象称为迟滞 迟滞 误差用 9 重复性是指传感器在相同的工作条件下输 入量按同一方向做全量程连续多次变化时 所 得特性曲线不一致的程度 最大重复差值 10 漂移是指输入量不变的情况下传感器输出 量随着时间变化 产生漂移的原因有两个一是 传感器自身结构参数一是周围环境 温度漂移 的计算 第三章第三章 应变式传感器应变式传感器 1 电阻应变式传感器是以电阻应变片为转换 原件的传感器 2 工作原理是基于电阻应变效应 即导体在 外界作用下产生机械变形 拉伸或压缩 是 其电阻值相应发生变化 应变效应 3 电阻应变片分为丝式电阻应变片和箔式电 阻应变片 4 电阻在外力作用下而改变原来尺寸或形状 的现象称为变形 而去掉外力后物体又能完全 恢复其原来的尺寸和形状 这种变形称为弹性 变形 具有弹性变形特性的物体称为弹性原件 5 应变片的电阻值是指应变片没有粘贴且未 受应变时 在室温下测定的电阻值即初始电阻 值 6 将直的电阻丝绕成敏感栅后 虽然长度不 变 但应变状态不同 应变片敏感栅的电阻变 化减小 因而其灵敏系数 K 较整长电阻丝的 灵敏系数 K0 小 这种现象称为应变片的横向 效应 为了减少横向效应产生的测量误差 现 在一半多采用箔式应变片 7 应变片温度误差 由于测量现场环境温度 的改变而给测量带来的附加误差 产生的主要 因素有以下两个方面 一是电阻温度系数的影 响 一是试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数 的影响 8 电阻应变片的温度补偿方法 1 线路补偿 法 2 应变片的自补法 9 电阻应变片的测量 电路 10 压阻效应是指在一块半导体的某一轴向施 加一定的压力时 其电阻值产生变化现象 第四章第四章 电感式传感器电感式传感器 1 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 2 零点残余电压 传感器在零点位移时的输 出电压 产生原因主要有以下两点一是由于两 电感线圈的电气参数及导磁体几何尺寸不完全 对称 因此在两电感线圈上的电压幅值和相位 不同 从而形成了零点残余电压的基波分量 一是由于传感器导磁材料磁化曲线的非线性 如铁磁饱和 磁滞损耗 使得激励电流与磁 通波形不一致 从而形成了零点残余电压的高 次谐波分量 为减小电感式传感器的零点残余 电压 可以采取以下措施 1 在设计和工艺上 力求做到磁路对称 铁芯材料均匀 要经过热 处理以除去机械应力和改善磁性 两线圈毕恭 毕敬绕制要均匀 力求几何尺寸与电气特性保 持一致 2 在电路上进行补偿 3 把被测的非电量变化转化为线圈互感变化 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 差动变压器结构形式较多 有变隙式 变面积 式和螺线管式等等 4 差动式变压器传感器的测量电路 1 差动 整流电路 2 相敏检波电路 用来区分大小方 向 5 根据法拉第电磁感应定律 块状金属导体 置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运 动时 导体内将产生呈旋涡状的感应电流 此 电流叫电涡流 以上现象称为电涡流效应 根 据电涡流效应制成的传感器称为电涡流传感器 电涡流传感器可分为高频反射式和低频透射式 两类 6 电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外 半径的 1 8 2 5 倍范围内 且分布不均匀 7 所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表 面强度的 1 e 处的表面厚度 8 电涡流传感器的测量电路 1 调频式电路 2 调幅式电路 第五章第五章 电容式传感器电容式传感器 1 电容式传感器是将被测非电量的变化转换 为电容量变化的一种传感器 可分为 1 变极 距型电容传感器 2 变面积型电容式传感器 3 变介质型电容式传感器 2 电容传感器做成差动式之后 灵敏度增加 了一倍 而非线性误差则大大降低了 第六章第六章 压电式传感器压电式传感器 1 压电式传感器的工作原理是基于某些介质 材料的压电效应 是一种典型的有源传感器 通过材料受力作用变形时 其表面会有电荷产 生面实现非电量测量 2 某些电介质同学录沿着一定方向对其施力 而使它变形时内部就产生极化现象 同时在它 的两个表面上便产生符号相反的电荷同学录外 力去掉后 又重新恢复到不带电的状态 这种 现象称压电效应 当作用力方向改变时 电荷 的极性也随之改变 有时人们把这种机械能转 换为电能的现象 称为 正压电效应 相反 当在电介质极化方向施加电场 这些电介质也 会产生几何变形 这种现象称为 逆压电效应 3 压电材料分为两大类 压电晶体和压电陶 瓷 主要特性参数有 1 压电常数 是衡量压 电效应强弱的参数 它直接关系到压电输出灵 敏度 2 居里点温度 它是指压电材料开始 丧失压电特性的温度 4 纵向轴 Z 称为光轴 经过六面体棱线并垂 直于光轴的 X 轴称为电轴 与 X 和 Z 轴同 时垂直的轴 Y 称为机械轴 通常批把沿电轴 方向作用下产生的电荷的压电效应称为 纵向 压电效应 而把沿机械轴 Y 方向的力作用下 产生电荷的压电效应称为 横向压电效应 5 压电陶瓷要先极化再应用 6 压电式传感器的测量电路有 1 电压放大 电路 阻抗变换器 2 电荷放大器 7 了解压电式加速度传感器 工作原理 当 加速度传感器和被告测物一起受到冲击振动时 压电元件受质量块惯性力的作用 根据牛顿第 二定律 此时惯性力是加速度的函数 即 F ma 式中 F 质量块产生的惯性力 m 质量块的质量 a 加速度 此时惯性力 F 作用于压电元件上 因而产生电荷 Q 当传感 器选定后 m 为常数 则传感器输出电荷为 q d1 1F d1 1ma 与加速度 a 成正比 因此 测得加速度传感器输出设备的电荷便可知加速 度的大小 第七章第七章 磁电式传感器磁电式传感器 1 磁电式传感器是通过磁电作用将被测量转 换成电信号的一种传感器 磁电传感器有磁电 编辑版 word 感应式传感器 霍尔式传感器等 2 磁电式传感器的结构有两种 变磁通式和 恒磁通式 变磁通式传感器又可分为开磁路 变磁通式 线圈 磁铁静止不动 和闭磁路 变磁通式传感器 3 磁电式传感器的基本特性有非线性误差和 温度误差 4 置于磁场中的静止载流导体 当它的电流 方向与磁场方向不一致时 载流体上垂直于电 流和磁场的方向上将产生电动势 这种现象称 霍尔效应 5 霍尔元件基本特性 1 输入电阻和输出电 阻 激励电极间的电阻值称为输入电阻 霍尔 电极输出电势寻电路外部来说相当于一个电压 源 其电源内阻即为输出电阻 不等位电势和 不等位电阻 当霍尔元件的激励电流为 I 时 若元件所处位置磁感应电流强度为零 则它的 霍尔电势应该为零但实际不为零这时测得的空 载霍尔电势称为不等势电势 产生原因 1 霍尔电极安装位置不对称或不在同一等电位面 上 2 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀 右是几何尺寸不均匀 3 激励电极接触不良造成 激励电流不均匀分布等 寄生直流电势 在 外加电场为零 霍尔元件用交流激励时 霍尔 电极输出除了交流不等位电势外 还有一直流 电势称为寄生直流电势 6 大多数霍尔元件的温度系数 是正值 它 们的霍尔电势随温度升高而升高而增加了 T 倍 第八章第八章 光电式传感器光电式传感器 1 光电式传感器 1 定义 是将被测量的变 化转换成光信号的变化 再通过光电器件把光 信号的变化转换成电信号的一种传感器 2 组成 一般由光源 光学通路 光学器件三部 分组成 3 优点 频谱宽 不易受电磁干扰 的影响 非接触式测量 响应快 可靠性高等 2 光电器件 是将光信号的变化转换成电信 号的一种器件 它是构成光电式传感器最主要 的部件 光电器件工作的物理基础是光电效应 光电效应分为外光电效应和内光电效应 3 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 光电管 光电倍增管等基于外光电效应 4 内光电效应 在光线作用下 物体的导电 性能发生变化或产生光生电动势的效应称为内 光电效应 内光电效应分为光电导效应 如光 敏电阻 和光生伏特效应 光电池 光敏二 极管 光敏晶体管也基于内光电效应 5 光敏电阻 又称为光导管 它几乎都是用 半导体材料制成的光电器件 其常用材料有硫 化镉 硫化铅 锑化铟等 主要参数 暗电阻 与暗电流 光敏电阻在不受光照射时的阻值称 为暗电阻 此时流过的电流称为暗电流 亮 电阻与亮电流 光敏电阻在受光照射时的电阻 称为亮电阻 此时流过的电流称为亮电流 光电流 亮电流与光电流之差称为光电流 6 光敏电阻的基本特性 伏安特性 光照特 性 光谱特性 频率特性 温度特性 7 光电池 是一种直接将光能转换为电能的 光电器件 光电池的工作原理是基于 光生伏 特效应 的 光电池的基本特性 光谱特性 光照特性 频 率特性 温度特性 8 光电耦合器件 是由发光原件 如发光二 极管 和光电接收原件合并使用 以光作为媒 介把输入端的电信号耦合到输出端的一种器件 9 光电开关 是一种利用感光元件对变化的 入射光加以接受 并进行光电转换 同时加以 某种形式的放大和控制 从而获得最终的控制 输出 开 关 信号保定器件 10 光导纤维 简称光纤 是一种特殊结构的 光学纤维 组成 纤芯 包层 保护层 11 光纤的基本特性 1 数值孔径 NA 是表征光纤集光本领的一个重要参数即反应光 纤接收光量的多少 其意义是 无论光源发射 功率有多大 只有入射角处于 2 c 的光椎角内 光纤才能导光 2 光纤模式 是指光波传播 的途径和方式 一般纤芯直径为 2 12um 只 能传输一种模式称为单模光纤 纤芯直径较大 50 100um 传输模式较多称为多模光纤 3 光纤传输损耗 主要来源于材料吸收损 耗 散射损耗 光波导弯曲损耗 12 光纤传感器一般分为两大类 一类是利用 光纤本身的某种敏感特性或功能制成的传感器 称为功能型 又称为传感型传感器 一类是光 纤仅仅起传输光的作用 它在光纤端面或中间 加装其它敏感元件感受测量的变化 这类称为 非功能性 又称为传光型传感器 13 光纤传感器由光源 敏感元件 光纤或非 光纤的 光探测器 信号处理系统以及光纤 等组成 14 光纤传感器的应用 光纤加速度传感器 光纤温度传感器光纤旋涡流量传感器 第十章第十章 超声波传感器超声波传感器 1 超声波特性 聚束 定向 反射 透射等 按超声振动辐射大小不同大致可分 用超声波 使物体或物性变化的功率应用 称之为功率超 声 用超声波获取若干信息 称之为检测超声 2 波型分为 1 纵波 质点振动方向一致的 波 它能在固体 液体和气体介质中传播 2 横波 质点振动方向垂直于传播方向的 波 只能在固体介质中传播 3 表面波 质点的振动介于横波和纵波之间 沿着介质表 面传播 其振幅随深度增加而迅速衰减的波 表面波只在固体表面传播 3 声波从一种介质传播到另一种介质 在两 个介质的分界面上一部分声波被反射 另一部 分声波透射过界面 在另一种介质内继续传播 这两种情况称之为声波的反射和折射 4 利用超声波在超声场中的物理特性和各种 效应而研制的装置可称为超声波传感器 换能 器或探测器 5 超声波发射器和接收器简称为超声波探头 按工作原理分为压电式 磁致伸缩式 电磁式 等 压电式最为常用 压电式超声波探头常 用的材料是压电晶体和压电陶瓷 第十五章第十五章 传感器在工程检测中的应用传感器在工程检测中的应用 1 温度测量可以分为接触式测温和非接触式 测温两大类 2 热电偶测温原理 两种不同材料的导体可 半导体组成一个闭合回路 当两接点温度 T 和 To 不同时 则在该回路中就会产生电动势 这种现象称为热电效应 该电动势称为热电势 这两种不同材料的导体或半导体的组合称为热 电偶 超导体 A B 称为热电极 两个接点 一个称热端 又称为测量端或工作端 测温时 将它置于被测介质中 另一个称为冷端 又称 参考或自由端 它通过导线与显示仪器表相连 3 热电偶基本定律 1 均质导体定律 由 两种均质导体组成的热电偶 其热电动势的大 小只与两材料季两接触点温度有关 与热电偶 的大小尺寸 形状及沿电极各处的温度分布无 关 2 中间导体定律 在热电偶测温回路内 接入第三种导体时 只要第三种导体的两端温 度相同 则对回路中的总热电势没有影响 4 热电偶的结构形式 1 普通型热电偶 一般由热电极 绝缘套管 保护管和接线盒组 成 2 铠装热电偶 又称为套管热电偶 是 由热电偶丝 绝缘材料和金属套管三者经拉伸 加工而成的坚实组合体 3 薄膜热