Measurement传感器资料PPT课件

.,1,第四章常用传感器,一、传感器的分类,1.传感器直接作用于被测量，并能按一定规律将其转换成同种或别种量值输出的器件，称为传感器。,4.1传感器概述,2.传感器的分类,1)按被测量分类位移、力、温度、压力、流量、速度传感器等。,.,2,2)按工作原理分类机械式、电气式、光学式、流体式等。,3)按信号构成原理分类a)物性型：依靠敏感元件本身的物理性质的变化实现信号变换。如水银温度计、压电式传感器等。b)结构型：依靠传感器结构参量的变化实现信号转换。如电容式、电感式传感器等。,4)按能量变换关系分类a)能量转换型(无源型、发电型或主动传感器)：直接由被测对象输入能量使其工作。如热电偶温度计、弹性压力计、压电式传感器等。能量转换型传感器存在负载效应。,.,3,b)能量控制型(有源型、能量调节型或被动传感器)：由外部辅助能量使其工作，并由被测量控制外部供给能量的变化。如电桥式电阻应变计等。能量控制型传感器本身参数的改变（电阻、电容、电感）不起换能作用。注意：传感器的换能元件可能不止一个（如电容式压力传感器），甚至是一个小型装置（如力反馈式加速度计）。,5)按输出信号分类模拟式、数字式。,.,4,第4.2节电阻式传感器,概述:电阻式传感器将被测量转换成电阻变化量，再通过中间变换电路将电阻变化变换为电压或电流进行测量。,.,5,一.电阻应变式传感器1.原理导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随所受机械变形（应变）的变化而发生变化的现象，称为导体的电阻应变效应。,设电阻应变片的初始阻值为：,变形时，、l、A将同时发生变化，从而导致R改变。,.,6,若、l、A的变化量为d、dl、dA，则：,即：,对半径为r的金属电阻丝有：,，,从而：,2.金属电阻应变片,.,7,：电阻丝轴向相对变形，或称纵向应变。,：电阻丝径向相对变形，或称横向应变。,横向应变与纵向应变间的关系为：,为泊松比。负号表示两者变化相反。,：电阻丝电阻率相对变化，与电阻丝轴向所受正应力有关，,E为电阻丝材料的弹性模量；为压阻系数，与材质有关。,.,8,因此：,即电阻相对变化与应变成正比。比值sg称为电阻应变片的应变系数或灵敏度。,通常sg=1.73.6。,由电阻丝几何尺寸随应变改变所引起,电阻率随应变的改变引起.对金属电阻丝，很小,.,9,(1).丝式应变片,2.金属电阻应变片分为丝式、箔式和膜式等。,(结构图),.,10,回线式.横向效应较大,短接式.两端用直径比栅线直径大510倍的镀银丝短接而成克服了横向效应.,.,11,康铜箔或镍铬箔经光刻，腐蚀工艺制成的栅状箔片。目前使用的应变片大多是金属箔式应变片。,(2).箔式应变片,.,12,敏感栅尺寸准确，栅长最小可到0.2mm；,.,13,.散热好，允许电流大；横向效应、蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长；,.,14,柔性好（可贴于形状复杂的表面），传递试件应变性能好。,.,15,膜式应变片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0.1mm以下的金属电阻材料薄膜的敏感栅。,(3).膜式应变片,它的优点是应变灵敏系数大，允许电流密度大，工作范围广，可达197317。,.,16,二.变阻器式传感器1.原理变阻器式传感器实际是精密线绕电位器，通过改变电位器触头位置将位移转换为电阻变化。,其中，：电阻率；l：导体长度；A：导体截面积。显然，若导体材质和截面积一定，其阻值随导线长度而线性变化。,导体电阻公式：,（）,.,17,（1）.直线位移型如图，当改变触点C的位置时，AC间电阻值：,kl：单位长度内的电阻值。,当导线均匀分布时，输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。,传感器灵敏度：,（/m）,2.变阻器式传感器分为直线、角位移型及非线性型,.,18,（2）.角位移型,（/rad）,：角位移；k：单位弧度对应的电阻值。,传感器灵敏度：,.,19,（3）.非线性型,.,20,3.负载特性、负载误差(1)负载特性对于后接电阻分压电路的变阻器式传感器：,线性电阻器的电阻分压电路图,令,对直线位移型变阻器:,.,21,于是：,其中：,空载(RL=)时：,由此可见，当接入负载电阻RL后，输出uy与r不再保持线性关系。,.,22,(1)特点优点：结构简单，性能稳定，使用方便，输出信号大，受外界条件影响小。缺点：因触点与绕线间存在摩擦，动态响应较差。分辨力低，一般小于20m。噪声大。,4.特点与应用,(2)应用主要应用于线位移、角位移测量。或作为伺服记录仪或电子电位差计。,.,23,三.半导体应变片,利用半导体单晶的压阻效应使阻值变化。,压阻效应：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。,单晶半导体在外力作用下的电阻变化量仍为：,对半导体而言，电阻率变化引起的电阻变化,，远远大于形变引起的电阻变化,，,从而：,.,24,半导体应变片可分为体型、薄膜型、扩散型、P-N结元件等。,灵敏度比金属丝应变片大5070倍。,.,25,1.半导体应变片的优点：,a.灵敏度高b.机械滞后小、横向效应小、体积小、频响高c.易于集成化2.缺点：a.温度稳定性能差b.灵敏度分散度大c.较大应力作用下，非线性误差大d.机械强度低,.,26,四.电阻应变式传感器的应用,1.直接用来测量结构的应变或应力,.,27,2.将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器,.,28,3.应用注意事项,a.应变极限：随应变加大，应变片输出的非线性加大，一般将误差达到10%时对应的应变，作为应变片的应变极限。,b.机械滞后：敏感栅、底基及胶粘层承受机械应变后，一般都会存在残余变形，造成应变片的机械滞后。,c.零漂和蠕变：在恒定温度，无机械应变时，应变片阻值随时间变化的特性，称为零漂；在恒定温度、恒定应变时，应变片阻值随时间变化的特性，称为蠕变。,.,29,零漂和蠕变的原因：应变片制造过程中产生的内应力；在一定温度和载荷条件下电阻丝材料、胶粘剂和底基内部结构的变化。,d.绝缘电阻：粘在试件上的应变片的引出线与试件之间的电阻。通常绝缘电阻为50100M，在长时间精密测量时要求大于100M，甚至达到10G。,e.最大工作电流：应变片正常工作允许通过的最大电流。通常静态测量时为25mA，动态测量时为75100mA。工作电流过大会导致应变片过热、灵敏度变化、零漂和蠕变增加，甚至烧毁。,.,30,f.温度影响：由温度变化导致的应变片电阻变化与由应变引起的电阻变化往往具有同等数量级，须用适当电路进行温度补偿。g动态响应特性,h.粘贴剂的选择：粘贴剂和粘贴工艺直接影响应变片的线性、滞后、零漂和蠕变等。要求粘贴强度高、固化后收缩率小、电气绝缘阻抗大、耐湿、耐老化、耐疲劳等。,常用粘贴剂：硝化纤维素型、氰基丙烯酸型、聚酯树脂型、环氧树脂型、酚醛树脂型等。一般短时间测量可使用502胶水。,.,31,五.应变式传感器的特点(1)性能稳定、精度高，综合误差在1.0%0.1%，高精度力传感器已能达到0.03%0.01%。(2)测量范围广压力：104109Pa；力：0.1107N(3)能适应较大的振动和冲击，抗辐射能力强。,.,32,概述:电感式传感器将被测量，如位移或能转换成位移的机械量，转换为电感量的变化。其变换的基础是电磁感应原理。,第4.3节电感式传感器,按照变换方式的不同可分为：自感型（包括可变磁阻式与涡电流式）、互感型（差动变压器式）。,.,33,一.自感型1.可变磁阻式(1)工作原理可变磁阻式传感器的构造如图.,.,34,由电工学可知，线圈自感量：,其中，W：线圈匝数i：线圈中流过的电流：通过线圈的磁通量Rm：磁路的总磁阻（H-1）Rm=RF+RRF：铁芯与衔铁的磁阻R：空气隙磁阻,.,35,其中：l1、l2：铁芯和衔铁的导磁长度1、2：铁芯和衔铁的磁导率A1、A2：铁芯和衔铁的导磁截面积：气隙长度0：空气磁导率，0=410-7A0：空气隙导磁截面积。,若不考虑磁路的铁损，且空气隙较小时：,.,36,一般，1和2远远大于0，即：RFR，因此：,从而：,上式表明：自感L与气隙成反比，而与气隙导磁截面积A0成正比。当固定A0，变化时，L与成非线性关系，此时，传感器灵敏度：,一般实际应用中，取/00.1。适用于微小位移的测量.,.,37,(2)可变磁阻式传感器典型结构,a.可变导磁面积型：线性，灵敏度底,b.差动变气隙型：提高灵敏度，改善线性性,.,38,c.单螺管线圈型：结构简单、易制造，灵敏度低，适于较大位移（数毫米）测量,d.双螺管差动型：提高灵敏度，改善线性性,.,39,e.差动变气隙传感器工作原理,对差动式传感器，当共用衔铁位移时，两线圈的间隙按0、0+变化，即一个线圈自感增加，另一个减小：,.,40,当/e2，eo与e1同相。,.,52,c.铁芯P下移：M1=MM，M2=M+M，e1e2，eo0，eo与e2同相。,显然eo与M成正比。,2.几点说明,a.存在零点残余电压（铁芯位于中心处时，M1M2，eo0）b.传感器输出电压包含了位移的大小及方向，但因其为交流信号，只有接入相应电路（相敏检波），才能提取出这两种信息。,.,53,下图为用于小位移测量的差动相敏检波电路，其中R用于调节零点残余电压的大小。,.,54,三.压磁式传感器1.压磁效应:铁磁材料受外力,内部发生变形,各磁畴(铁磁材料在晶格形成过程中形成,各个磁畴的磁化强度矢量是随机的)之间的界限发生移动,使磁畴磁化强度矢量转动,从而也使材料的磁化强度发生相应的变化.这种应力使铁磁材料的磁性质发生变化的现象称为.,.,55,2.压磁式传感器工作原理力应力磁导率变化磁路磁阻变化线圈的阻抗变化或感应电动势变化,.,56,3.压磁元件力电转换元件。硅钢片（常用）、坡莫合金（最理想，价格高）和一些铁氧体（较脆，不常用）。,薄片叠合，以减少涡流损耗,.,57,4.压磁传感器的应用,.,58,5.特点,a.精度高(0.1m数量级，最高可达0.01m)，高精度型非线性误差可达0.1%b.线性范围大（可达100mm）c.稳定性好，结构简单，使用方便d.因包含机械结构，频率响应较低，不宜测量高频动态参量,.,59,一.变换原理,第4.4节电容式传感器,中间充满介质的两块平行金属极板构成的电容器，其电容量为：,式中，：介质相对真空的介电常数，空气1；0：真空的介电常数，0=8.8510-12F/m；：极板间距；A：极板面积。,.,60,当被测量使、A或发生变化时，都会引起C的变化。实际使用中，通常仅改变一个参数，根据变化参数的不同，可分为三类：,a.改变极板间距的极距变化型b.改变极板相互遮盖面积的面积变化型c.改变极板间介质的介质变化型（改变）,.,61,1.极距变化型,初始电容：,显然，C与极距成反比（如图）。,当极板间距减小时，电容为：,.,62,电容增量为：,当/0Ri），为了减小误差，Ri越大越好。显然，电荷泄漏使得利用压电传感器测量静态或准静态量非常困难。通常压电传感器适宜作动态测量。,电阻并联,.,86,a)串接,为了增大输出值，压电传感器往往用两个（较多见）或两个以上的晶体串接或并接：,(1)n个晶体串接时，输出电荷量与单片晶体电荷相同，总电容为单片晶体电容的1/n，输出电压为单片晶体电压的n倍。串接时，输出电压大、电容小、时间常数小，适宜测量迅变信号和以电压输出的场合。,4.压电式传感器有电荷及电压两种输出方式。,.,87,b)并接,n个晶体并接时，输出电荷量为单片晶体电荷n倍，总电容为单片晶体电容n倍，输出电压等于单片晶体电压。并接时，输出电荷量大、电容大、时间常数大，适宜测量缓变信号和以电荷输出的场合。,.,88,5.压电式传感器的特点及应用,(1)特点a.能量转换型（发电型）传感器b.体积小，重量轻，刚性好，可以提高其固有频率，得到较宽的工作频率范围b.灵敏度高，稳定性好，可靠。对应用纵向压电效应的传感器，电荷量与晶体的变形无关，因而灵敏度与传感器刚度无关。c.有比较理想的线性，且通常没有滞后现象,.,89,d.低频特性较差，主要用于动态测量e.存在横向效应，影响测量结果f.应用中要求采取严格的绝缘措施，并采用低电容、低噪声电缆。g.工作原理可逆,(2)应用广泛应用于冲击、振动及动态力的测量。,.,90,.,91,注意：压电加速度传感器的上限频率与安装方式有关。,.,92,概述:,第4.6节磁电式传感器,磁电式传感器将被测物理量转换为感应电动势，也称为（电磁）感应式或电动式传感器。,根据法拉第电磁感应定律，运动线圈在磁场中切割磁力线或线圈所在磁场磁通变化时，线圈两端会产生感应电动势，其大小和方向为：,其中，W：线圈匝数，：通过线圈的磁通量,.,93,变化的方法：,a.线圈与磁场间的相对运动b.磁路中磁阻的改变c.恒定磁场中线圈面积的变化d.磁场强度的变化,按照结构方式不同，磁电式传感器可分为恒磁通的动圈式或动铁式和变磁通（变磁阻）的磁阻式两种。,一.磁感应电式(感应式)传感器,.,94,1.动圈式,.,95,线速度型：e=WBlvsin角速度型：e=kWBA其中，B：磁场强度；l：单匝线圈的有效长度；v：线圈与磁场的相对运动速度；：线圈运动方向与磁场方向的夹角；A：单匝线圈的截面积；：角速度；k：与结构有关的系数，kZ0),.,97,注意：,a.上面讨论的速度是指线圈与磁场（壳体）的相对速度，非壳体的绝对速度。,c.线圈运动产生感应电动势后，线圈中将有电流流过，此电流产生的交变磁通会削弱传感器的磁场磁通，使传感器灵敏度降低，导致非线性（可由补偿装置减小非线性）。,b.磁电式传感器工作原理可逆，作为传感器它处于发电状态；若对线圈施加交流激励电压，线圈将在磁场中振动（电动机）。,.,98,2.磁阻式,磁阻式传感器线圈与磁头彼此无相对运动，而是由运动的导磁物体改变磁路磁阻，引起磁力线的增强或减弱，使线圈产生感应电动势。,.,99,.,100,.,101,概述:,二.霍尔式传感器,利用半导体材料对光、热、力、磁、气体、湿度等物理量的敏感性制成的物性型敏感器件。,霍尔元件磁电转换传感器,置于均匀磁场中的通电半导体（锗、锑化铟、砷化铟等），在垂直于电场和磁场的方向产生横向电场的现象称为霍尔效应，相应电场称为霍尔电场。,.,102,.,103,霍尔效应的产生是运动电荷受磁场中洛伦磁力作用的结果。假设一通以固定电流i的N型半导体薄片置于与薄片厚度方向平行的磁场B中，则其中运动的载流子（电子）将受到洛伦磁力FL的作用向一边偏移，并形成电子累积，另一边积累正电荷，产生电场。该电场对电子产生电场力FE，阻止运动电子的继续偏转，当FE=FL时，电子积累达到动态平衡。此时电场即为霍尔电场。,.,104,VH=kHiBsin其中，kH：霍尔常数，取决于材质、温度、元件尺寸（厚度）：电流与磁场方向的夹角。显然，改变i或B，即可改变VH。,霍尔电场对应的电势称为霍尔电势（VH），其大小为：,.,105,霍尔元件,.,106,霍尔元件应用,.,107,.,108,三.磁阻效应传感器磁阻效应是沿电流方向的电阻变化.因载流子的速度是不完全相同的,因而,在洛论兹力作用使一些载流子往一边偏转半导体内电流分布不均匀改变磁场的强弱影响电流密度的分布半导体片的电阻变化.而霍尔电势是指垂直于电流方向的横向电压.霍尔效应认为载流子都按同一速度形成电流.磁阻效应则是沿电流方向的电阻变化.,.,109,.,110,第4.7节光电式传感器,(1)外光电效应：在光线作用下使物体的电子逸出表面的现象；如光电管、光电倍增管。(2)内光电效应：在光线作用下使物体电阻率改变的现象；如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管等。(3)阻挡层光电效应：在光线作用下使物体产生一定方向电动势的现象；如光电池、光敏晶体管等。也称光生伏