第三章 传感器技术PPT课件

.,第三章传感器技术,课程：数据采集和处理系统教材：数据采集与处理技术,2011-10-17,第三章传感器技术,1.概述,2.位移传感器,3.温度传感器,4.力传感器,5.光电传感器,6.微机械传感器,传感器作为整个检测系统的前哨，它提取信息的准确与否直接决定着整个检测系统的精度。一个国家的现代化水平是用其自动化水平来衡量的。而自动化水平是用仪表及传感器的种类和数量多少来衡量的。信息化技术包括传感器技术、通讯技术和计算机技术。传感器技术列为信息技术之首，由此可见一斑。国内高精度、多功能、集成化、智能化传感器急需开发研制。,传感器技术信息采集“感官”通信技术信息传输“神经”计算机技术信息处理“大脑”,概述,传感器的定义与组成,概述,定义（Sensor）能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。（GB766587）它是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。输入量是物理量、化学量和生物量。输出量主要是电量。（电量最便于传输、转换、处理及显示）输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要满足测控系统的应用要求。,组成,概述,按工作机理分类,概述,传感器的分类,结构型传感器物性型传感器,按工作机理分类,概述,传感器的分类,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。物理学中的定律一般是以方程式给出的。对于传感器，这些方程式就是许多传感器在工作时的数学模型。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。,概述,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。物质定律是表示物质某种客观性质的法则。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。如，光电管，它利用了物质法则中的外光电效应。显然，其特性与涂覆在电极上的材料有着密切的关系。又如，所有半导体传感器，以及所有利用各种环境变化而引起的金属、半导体、陶瓷、合金等性能变化的传感器，都属于物性型传感器。,按工作机理分类,概述,按能量转换情况分类,能量控制型传感器能量转换型传感器,概述,能量控制型传感器，在信息变化过程中，传感器将从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号，这类传感器必须由外部提供激励源，如电阻、电感、电容等电路参量传感器都属于这一类传感器。基于应变电阻效应、磁阻效应、热阻效应、光电效应、霍尔效应等的传感器也属于此类传感器。,按能量转换情况分类,概述,能量转换型传感器，又称有源型或发生器型，传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，主要由能量变换元件构成，它不需要外电源。如基于压电效应、热电效应、光电动势效应等的传感器都属于此类传感器。,按能量转换情况分类,按物理原理分类,电参量式传感器：电阻式、电感式、电容式等；磁电式传感器：磁电感应式、霍尔式、磁栅式等；压电式传感器：声波传感器、超声波传感器；光电式传感器：一般光电式、光栅式、激光式、光电码盘式、光导纤维式、红外式、摄像式等；气电式传感器：电位器式、应变式；热电式传感器：热电偶、热电阻；,概述,概述,波式传感器：超声波式、微波式等；射线式传感器：热辐射式、射线式；半导体式传感器：霍耳器件、热敏电阻；其他原理的传感器：差动变压器、振弦式等有些传感器的工作原理具有两种以上原理的复合形式,如不少半导体式传感器，也可看成电参量式传感器。,按物理原理分类,按用途分类,位移传感器压力传感器振动传感器温度传感器速度传感器,概述,按输出电信号类型分类,模拟量传感器数字量传感器,概述,1、稳定性、可靠性一般用平均无故障时间来衡量稳定性、可靠性。在计量、工业生产等领域中稳定性、可靠性至关重要。2、静态精度测静态量，传感器精度应满足系统的精度要求。3、动态性能测动态量，如响应速度、工作频率、稳定时间等。4、量程测量被测量的范围。一般量程越大，精度越低。,概述,传感器的一般要求,5、抗干扰能力工业现场环境较恶劣，存在温湿度、电磁等干扰，设计的传感器能克服这些干扰，安全稳定运行。6、体积小、能耗低、成本低结构型传感器向物性型半导体传感器发展。如测人体血压的电子血压计。（uWmW级）,概述,第三章传感器技术,1.概述,2.位移传感器,3.温度传感器,4.力传感器,5.光电传感器,6.微机械传感器,电容式传感器电感式传感器光电式传感器,位移传感器,位移传感器包括：,1、工作原理,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,当被测量使、S或任何一个参数发生变化时，都会引起电容的变化。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。,电容式传感器工作原理及特性,电容式传感器,位移传感器,位移传感器之电容式传感器,2、分类,变极距型面积变化型介质变化型,位移传感器,位移传感器之电容式传感器,电容式传感器分类,(1)变极距型,位移传感器,(2)面积变化型有：角位移型,平面线位移型,柱面线位移型。,位移传感器,电容式传感器分类,(3)介质变化型,位移传感器,电容式传感器分类,3、主要性能,(1)静态灵敏度被测量变化缓慢的状态下，电容变化量与引起其变化的被测量之比。变极距的灵敏度与起始极距有关，而且不是常数(即输入被测量与输出电容呈非线性关系)。其它类型的电容传感器的输入被测量与输出电容的关系均为线性。差动式电容传感器的灵敏度是单边的倍。,(2)动态特性固有频率很高，动态响应时间短，能在几MHz的频率下工作，特别适用于动态测量。,位移传感器,位移传感器之电容式传感器,4、主要特点优点：温度稳定性好；结构简单，适应性强；动态响应好；可以实现非接触测量，具有平均效应。缺点：输出阻抗高，负载能力差；寄生电容影响大；输出特性非线性。,位移传感器,位移传感器之电容式传感器,5、提高电容传感器精度的技术措施减小环境温度、湿度等变化所产生的误差从选材、材料、加工工艺等方面，来抑制温度的影响，保证绝缘材料具有高的绝缘性能。消除和减小边缘效应减小极间距，使极径与间距比很大，可减小边缘效应的影响，但易产生击穿并有可能限制测量范围。也可以采用上述电极做得极薄使与极间距相比很小的办法来减小边缘电场的影响。除此之外，可在结构上增设等位环来消除边缘效应。,位移传感器,位移传感器之电容式传感器,消除和减小寄生电容的影响：(1)增加原始电容值可减小寄生电容的影响。(2)注意传感器的接地和屏蔽。(3)将传感器与电子线路的前置级(集成化)装在一个壳体内，省去传感器至前置级的电缆。(4)采用“驱动电缆”技术(也称“双层屏蔽等位传输”技术),位移传感器,位移传感器之电容式传感器,6、应用测量直线位移、角位移、振动振幅(可测至0.05m微小振幅)，尤其适合测量高频振动振幅、精密轴系回转精度、加速度等机械量，还可用来测量压力、差压力、液位、料面、成分含量(如油、粮食中的含水量)、非金属材料的涂层、油膜等的厚度，测量电介质的湿度、密度、厚度等。,位移传感器,位移传感器之电容式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，利用线圈的自感或互感的变化，把被测量转化为电感量的一种测量装置。可以用来测量位移、振动、压力、重量、力矩、应变等。,电感式传感器,位移传感器,位移传感器之电感式传感器,设线圈的匝数为N，通入线圈中的电流为I，每匝线圈产生的磁通为，由电感定义有：,（1）自感型-可变磁阻式,磁路的总磁阻为：,磁通：,忽略铁心的磁阻，得：,位移传感器,1、电感式传感器的结构形式,位移传感器之电感式传感器,自感传感器的其他结构形式,位移传感器,电感式传感器之自感传感器,差动变压器是互感式电感传感器，它可以将被测量的变化转换为互感系数M的变化。其工作原理类似于变压器，并常常做成差动的，故称为差动变压器。,（2）差动变压器式传感器,位移传感器,电感式传感器的结构形式,差动变压器的应用,位移的测量力和力矩的测量,位移传感器,电感式传感器之差动变压传感器,（3）涡流式传感器,当一块金属导体放置在一变化的磁场中，导体内就会产生感应电流，这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈，称之为电涡流或涡流。这种现象就称为涡流效应。涡流传感器可以对振动、位移、厚度、转速、温度和硬度等参数实现非接触式测量，还可以进行无损探伤，具有结构简单、频率响应宽、灵敏度高、测量线性范围大、体积小等优点。涡流传感器在金属导体上产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的励磁电流的频率有关。涡流传感器主要可分为高频反射和低频透射两类。,位移传感器,涡流式传感器的工作原理,电感式传感器的结构形式,高频反射涡流传感器低频透射式涡流传感器,位移传感器,涡流式传感器分类,电感式传感器之涡流式传感器,高频反射涡流传感器,位移传感器,涡流式传感器分类,高频反射式涡流传感器的结构特点,电涡流传感器是利用线圈与被测导体之间的电磁耦合进行工作的，因而被测导体作为“实际传感器”的一部分，其材料的物理性质，尺寸与形状都与传感器特性密切相关。被测导体的电导率、磁导率对传感器的影响：一般说来，被测体的电导率越高，灵敏度也越高；磁导率则相反，被测体的磁导率越高，灵敏度越低，而且被测导体有剩磁，将影响测量结果，应予消磁。,位移传感器,涡流式传感器分类,被测导体形状对测量精度的影响：若被测物体为平面，在涡流环的直径为线圈直径的1.8倍处，电涡流的密度衰减为最大值的5%，因而希望被测物体的直径不小于线圈直径的1.8倍。当被测物体的直径为线圈直径的一半时，灵敏度将减小一半，更小时，灵敏度则显著下降。被测导体表面镀层对测量精度的影响：若镀层性质和厚度不均匀，在测量转动或移动的被测物体时，这种不均匀将形成干扰信号，影响测量精度，尤其是激励频率较高时，电涡流的贯穿深度减小，这种干扰影响更大。,位移传感器,高频反射式涡流传感器的结构特点,低频透射式涡流传感器,当激励频率较高时，曲线的线性度不好，但当h较小时，灵敏度较高。而当激励频率较低时，线性好，测量范围宽，但灵敏度较低。,位移传感器,涡流式传感器分类,无损探伤,原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,涡流传感器的应用,位移传感器,电感式传感器之涡流式传感器,测厚,零件计数,位移传感器,涡流式传感器的应用,电感传感器的应用电感传感器主要应用于测量位移和尺寸，也可以测量能够转换为位移量的其它参数，如力、张力、压力、压差、应变、转矩、速度和加速度等。,位移传感器,位移传感器之电感式传感器,第三章传感器技术,1.概述,2.位移传感器,3.温度传感器,4.力传感器,5.光电传感器,6.微机械传感器,热敏电阻利用电阻随温度变化的特性制成的传感器称为热电阻传感器，它主要用于对温度和与温度有关的参量进行检测。分类：金属热电阻和半导体热电阻（热敏电阻）热敏电阻又可分为：负温度系数热敏电阻、正向特性热敏电阻和临界温度电阻器,温度传感器,温度传感器之热敏电阻,热敏二极管耐温范围-50到+1500C，线性度好、灵敏度高、体积小、响应快和输出电阻低。使用时，除应保持器件与被测物体间有良好的接触外，还应避免强光照射、放射性辐射及强磁场干扰的测量环境，必要时可使用屏蔽式探头。做控温使用时，还应注意器件测温的滞后性。,温度传感器,温度传感器之热敏二极管,热电偶把两种不同的导体或半导体连接成闭合回路，当两个节点保持不同的温度时，将产生热电动势（塞贝克效应），将此热电动势用于温度测量的元件成为热电偶热电动势的组成：接触电势和温差电势。接触电势：当两种导体接触时，由于两者电子密度不同而导致电子扩散而产生的。大小取决于两种导体的性质和接触点的温度。温差电势：由于同一导体两端因温度不同而产生的。,温度传感器,温度传感器之热电偶,第三章传感器技术,1.概述,2.位移传感器,3.温度传感器,4.力传感器,5.光电传感器,6.微机械传感器,电阻应变式传感器,金属丝的电阻应变效应电阻丝在外力作用下发生机械变形时，其电阻值发生变化，这一现象就是电阻丝的应变效应。设有一段长为，截面为，电阻率为的金属丝，则它的电阻为：,当它受到轴向力F而被拉伸(或压缩)时，其、均发生变化，如取金属丝是半径为r的圆形截面，那么：,力传感器,力传感器之电阻应变式传感器,故电阻的相对变化为：,力传感器,力传感器之电阻应变式传感器,电阻应变片1.电阻应变片的结构电阻应变片根据制作方法，一般可分为两类：电阻丝应变片：圆角线栅式和直角线栅式,制造方便，但横向效应较大,力传感器,力传感器之电阻应变式传感器,金属箔式应变片：,常用的有60、120、200、320、350、500、1000，其中120最为常用,主要是由金属丝栅(敏感栅)、绝缘基片及覆盖片三部分组成,力传感器,力传感器之电阻应变式传感器,2.电阻应变片主要特性(1)灵敏系数；(2)横向效应；(3)机械滞后；(4)温度效应；(5)零漂及蠕变；(6)应变极限；(7)绝缘电阻；(8)动态响应特性,力传感器,力传感器之电阻应变式传感器,电阻应变式传感器的应用应变式传感器包括两个主要部分：一个是弹性敏感元件亦称弹性体，利用它把被测的物理量(如力、扭矩、压力、加速度等)转换为弹性体的应变值；另一个是应变片，它作为传感元件，将应变转换为电阻值的变化。按照用途不同，应变式传感器可以分为应变式测力传感器、应变式压力传感器、应变式加速度传感器等。,力传感器,力传感器之电阻应变式传感器,工程应用：桥梁固有频率测量,原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,力传感器,力传感器之电阻应变式传感器,电子称,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,力传感器,力传感器之电阻应变式传感器,压电效应,某些晶体，当沿着一定方向受到外力作用时，内部会产生极化现象，同时在某两个表面上产生大小相等符号相反的电荷；当外力去掉后，又恢复到不带电状态；当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。这种现象叫压电效应。反之，如对晶体施加电场，晶体将在一定方向上产生机械变形；当外加电场撤去后，该变形也随之消失。这种现象称为逆压电效应，也称作电致伸缩效应。,力传感器,压电式传感器,力传感器之压电式传感器,x,y,石英晶体是个正六面体，其各个方向的特性是不同的。,纵向轴Z，又称光轴,X轴(电轴)：/六面体棱线Z轴,y轴(机械轴)：六面体棱面,沿X方向受力产生电荷的压电效应-纵向压电效应；沿Y方向受力产生电荷的压电效应-横向压电效应；沿Z方向受力时不产生压电效应。,力传感器,力传感器之压电式传感器,压电式传感器应用,(b)压力变送器,(a)加速度计，力传感器,力传感器,力传感器之压电式传感器,案例：飞机模态分析,力传感器,力传感器之压电式传感器,压电材料,作为敏感元件对压电材料的要求是：具有大的压电系数d；机械强度高，刚度大，以便获得高的固有频率；高电阻率和大介电常数；高的居里点；温度、湿度和时间稳定性好。,压电材料的主要特性参数,压电材料的分类及特性,压电材料可分为三大类：压电晶体（单晶）、压电陶瓷（多晶半导瓷）和新型压电材料（包括压电半导体和高分子压电材料）。,力传感器,力传感器之压电式传感器,石英晶体压电系数和介电系数的温度稳定性好，常温下几乎不变，在20200范围内其压电系数变化率仅为-0.016%；机械强度和品质因数高，允许应力高达6.8107Pa9.8107Pa，刚度大，动态特性好；居里点573，无热释电性，绝缘性好，重复性好。,(2)压电陶瓷,制作工艺简单、耐湿、耐高温，发展迅速，应用广泛。,(3)压电半导体,(4)高分子压电材料,(1)压电晶体,力传感器,力传感器之压电式传感器,第三章传感器技术,1.概述,2.位移传感器,3.温度传感器,4.力传感器,5.光电传感器,6.微机械传感器,光电效应可以分为外光电效应、内光电效应(包括：光电导效应、光生伏特效应)三种类型。,1、光电效应,外光电效应,在光的作用下，物体内的电子逸出物体表面，向外发射的现象叫外光电效应。利用外光电效应制成的光电器件有真空光电管、充气光电管和光电倍增管。,光电传感器,光电传感器,光电传感器之光电传感器,光电导效应,在光的作用下，电子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起物体电阻率的变化，这种现象称为光电导效应。利用光电导效应可制成半导体光敏电阻。,光生伏特效应,在光的作用下，能够使物体内部产生一定方向的电动势的现象叫光生伏特效应。利用光生伏特效应制成的光电器件有光敏二极管、光敏三极管和光电池等。,光电传感器,光电传感器之光电传感器,2、光电器件,光敏电阻,光敏电阻是利用光电导效应制成的。制造光敏电阻的材料：金属硫化物、硒化物、碲化物组成。,光电传感器,光电传感器之光电传感器,光敏电阻的暗电阻越大越好（通常为1M100M），亮电阻越小越好（通常在几千欧姆以下）。,光照特性多呈非线性，一般用作开关式光电信号传感元件,光电传感器,光电传感器之光电传感器,（2）光敏二极管和光敏三极管,与一般的二、三极管相似，其PN结对光敏感。将其PN结装在管的顶部，上面有一个透镜制成的窗口，以便使光线集中在PN结上。光敏三极管PN结产生光电流，相当于普通三极管基极电流，被放大（1+）倍，所以光敏三极管具有比光敏二极管更高的灵敏度。,光敏电阻对温度变化比较敏感，当温度升高时，它的暗电阻和灵敏度都将下降。,光电传感器,光电传感器之光电传感器,光电传感器,光电传感器之光电传感器,3.光电传感器的应用,光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式、反射式、辐射式四种基本形式。,光电传感器,光电传感器之光电传感器,光电传感器,光电传感器之光电传感器,第三章传感器技术,1.概述,2.位移传感器,3.温度传感器,4.力传感器,5.光电传感器,6.微机械传感器,微机械传感器的特点,体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量生产、易于集成和智能化的特点。同时，在微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统传感器所不能实现的功能。,微机械传感器,微机械压力传感器,分类：从信号检测方式来分，可分为压阻式和电容式，分别以微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造；从敏感膜结构来分，分为圆形、方形、矩形和E形等多种结构。用途：用于引擎控制、油压控制、车载空调等方面，在汽车上的用量占到93%。,微机传感器之微机械压力传感器,微机械传感器,微机械加速度传感器,现在广泛使用的为机械加速度传感器多为电容式微机械加速度传感器。工作过程：在外部加速的作用下，微机械加速度传感器中的惯性质量块与固定电极之间发生相对位移，由此引起两者之间电容的变化。组成：由惯性质量块、悬挂质量块的弹性结构元件组成。优点：灵明度高、精度好、漂移低、温度敏感性小、功耗低、噪声特性好、结构简单。,微机传感器之微机械加速度传感器,微机械传感器,微倾角传感器,其本质也是加速度传感器，只是被设置成测量物体与水平面的角度。应用领域：筑路机械、建筑物或大坝测量、挖掘机挖掘深度和倾斜测量、油井测量、平台校准和稳定、高空作业设备的倾