第4章常用传感器原理及应用1-3.ppt

本章总课时理论4课时、实验2课时，共计6课时。本章主要内容本章主要内容包括电阻应变式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏传感器、光电式传感器、集成传感器。本章基本要求熟练掌握不同类型传感器的工作原理及结构，熟练掌握不同类型传感器的特性及选用方法，掌握不同类型传感器的基本应用。本章重点及难点本章重点为不同类型传感器的工作原理及特性，其中基本原理、结构及特性为主要内容。难点为不同类型传感器的工作原理及特性分析。,1传感器概述,一.传感器在科技发展中的重要性1.传感器的作用与地位人类社会已进入信息时代，人们的社会活动主要依靠对信息资源的开发及获取、传输与处理。传感器处于研究对象与测试系统的接口位置，即检测与控制系统之首。因此，传感器成为感知、获取与检测信息的窗口，一切科学研究与自动化生产过程要获取的信息，都要通过传感器获取并通过它转换为容易传输与处理的电信号。所以传感器的作用与地位就特别重要了。,信息技术对社会发展、科学进步将起着决定性作用。现代信息技术的基础是信息采集、信息传输与信息处理，它们也就是传感器技术、通信技术和计算机技术。而且传感器在信息采集系统中处于前端，其性能将会影响整个系统的工作状态与质量。3.传感器技术与科学技术发展的关系传感器的重要性还体现在它已经广泛的应用于各个学科领域。例如工业自动化、农业现代化、军事工程、航天技术、机器人技术、资源探测、海洋开发、环境监测、安全保卫、医疗诊断、家用电器等领域，都与传感器密切相关。反过来，传感器的发展水平，会对其它学科的发展产生制约作用。科学技术上的每一个发现与进步，都离不开传感器与检测技术的保证。,2.传感器技术与信息技术的关系,二.传感器定义,依照国家标准(GB7665-87)，能感受(响应)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称为传感器(transducer/sensor)。传感器的定义中包括以下含义：1.传感器是一种测量装置，能完成检测任务。2.其输入量是某一被测量，可以是物理量，也可以是化学量、生物量等非物理量。3.其输出量是某种物理量，可以是气、光、电等物理量，但主要为电学量。其目的是为了便于传输、转换、处理、显示。4.输入输出量之间具有确定的对应关系，且具有一定的精度。,三.传感器的组成,传感器的组成可分为敏感元件、传感元件、检测电路等三个部分，其组成框图如图4.1.1所示。,图4.1.1传感器组成框图,1.敏感元件传感器中直接感受被测量(一般为非电量)，并输出与被测量成确定关系的其它量(包括电量)的元件称为敏感元件。其主要作用是将那些不能(或不易)用现有技术直接变换成电量进行测量的被测量，预先变换成另一种能够(或容易)用现有技术直接变换成电量的其它量。2.传感元件只感受由敏感元件输出的、与被测量成确定关系的另一种非电量，然后输出电量的元件称为传感元件(转换元件)。,3.检测电路检测电路即为基本转换电路，它只完成最基本的信号转换。传感元件输出信号一般比较微弱，或附含误差等，往往需要进行加工和处理，如放大(或衰减)、调制、解调、滤波、运算、数字化等，完成这一功能的电路称为检测电路或信号处理(调节转换)电路。其主要作用是将传感元件输出的电量变换成具有一定功率的模拟电压(电流)信号或数字信号，以推动后级的输出显示或记录设备、数据处理装置及执行机构。4.辅助电源对无源型传感器而言，它不能起换能作用，必须具有辅助能源。辅助电源同时也给检测电路及显示设备等提供能源。,三.传感器的分类,1.按被测对象分类速度传感器、温度传感器、压力传感器、湿度传感器、位移传感器等。2.按输出信号的性质分类模拟型传感器、数字型传感器。3.按能量传递方式分类有源型传感器也称为能量变换型传感器，为二端口结构。它类似于一台发电机，能直接将非电能变换为电能。无源型传感器也称为能量控制型传感器，为三端口结构。它不能起换能作用，被测物理量仅对传感器中的能量起控制或调制作用。其本身不是一个信号源，因而必须具有辅助能源。间接型传感器也称为能量传递型传感器，其对被测物理量的测量过程实际上就是一个能量传递过程。如激光式、热辐射式、超声波式传感器等。,4.按工作机理分类可分为电阻式、电感式、电容式、磁电式、压电式、热电式、电涡流式、光电式、磁弹性式、应变式传感器等。这种分类方法的优点是有利于对传感器工作原理进行系统性的研究，其缺点是用户选用传感器时会感到不便。5.按物理原理分类物性型传感器这种传感器依赖其敏感元件物理特性的变化来实现信息的转换。如热敏传感器、湿敏传感器等。结构型传感器这种传感器依赖其结构参数的变化来实现信息的转换。如电容式、电感式传感器等。,四.传感器技术的发展动向,1.发现新现象2.开发新生材料3.采用微细加工技术4.研究多功能集成传感器5.智能化传感器6.新一代航天传感器的研究7.仿生传感器的研究,科学技术上的每一个发现与进步，都离不开传感器与检测技术的保证。传感器的组成可分为敏感元件、传感元件、检测电路等三个部分。传感器种类繁多，分类方法也不尽相同，本课程主要是按工作机理与被测对象进行分类。如何采用新技术、新工艺、新材料以及探索新理论，以达高质量的转换效能是总的发展途径。,本节小结,2电阻式传感器,概念电阻式传感器是一类根据电阻定律而设计的传感器，它能将被测量(如位移、力、温度等)的变化转换为电阻的变化。分类主要可分为电位计(器)式与电阻应变式两大类。本节主要介绍电位计式电阻传感器与应变式电阻传感器。不包括热电阻、热敏电阻、磁敏电阻、气敏电阻、湿敏电阻、光敏电阻等内容。,一.电位计(器)式传感器,1.基本结构电位计(器)式传感器又称为变阻式传感器。常用的有三种形式，其基本结构如图4.2.1所示。电位计式传感器主要由线圈、骨架、滑动触头等构成。,(a)线位移式(b)角位移式(c)其非线性式图4.2.1电位计式传感器,2.基本转换原理,(1)基本原理电位计式传感器线圈绕于骨架上，触头可在绕线上滑动。当滑动触头在绕线上的位置发生改变时，相应电阻值也发生改变，即实现了将位移量变化为电阻值的转变。设绕线的电阻率、长度、截面积分别为(mm2/m)、l(m)、A(mm2)，则R=l(/A)()(4.2.1),(2)线位移式电位计式传感器设线位移式电位计式传感器电阻丝单位长度的电阻值为Ri，则当被测线位移变化时，滑动触头的触点C沿电位计移动x，则C点与A点之间的电阻为Rx=Rix(4.2.2)(3)线角位移式电位计式传感器设角位移式电位计式传感器电阻丝与单位弧度对应的电阻值为k，滑动触头的偏转角为，则C点与A点之间的电阻为R=k(4.2.3)(4)非线性式电位计式传感器当输入位移呈非线性变化规律时，为保证输入输出之间的线性关系，利于后续仪表的设计，可以根据输入的函数规律f(x)来确定其骨架的形状。如果输入量为f(x)=Ax2，则骨架应采用三角形；如果输入量为为f(x)=Ax3，则骨架应采用抛物线形。,3.灵敏度传感器的灵敏度S即为输入x对输出y的微分，即S=dy/dx(4.2.4)对线位移式与角位移式其灵敏度分别为Sx=dR/dx=Ri，S=dR/d=k(4.2.5)4.基本检测电路电位计式传感器一般采用电阻分压电路，将电参量R转换为电压输出给后续电路，如图4.2.2所示。,设电位计总电阻值为Rp，总长度为xP，后续电路输入电阻为RL，则当触头移动后，输出电压uy为uy=u0/xP/x+(Rp/RL)(1-x/xP)(4.2.6)可见，经后续电路后的实际输入、输出为非线性关系。为减小后续电路的影响，应使RLRp。此时，uy(u0/xP)x，近似为线性关系。,图4.2.2电阻分压电路,5.特点对于位移测量，电位计式传感器常用于伺服记录仪或电子电位差计等。电位计式传感器的优点是结构简单，性能稳定，使用方便。其缺点是分辨率不高，因受骨架尺寸和导线直径的限制，分辨率很难高于20m，由于滑臂机构的影响，使用频率范围也受到限制，其电噪声较大，绕制困难。,二.电阻应变式传感器,应变式电阻传感器(Resistancestrain-gagetransducer)主要由电阻应变片及转换电路等组成。电阻应变片主要分为金属应变片和半导体应变片，它们工作的物理基础分别为应变效应与压阻效应。,1.应变效应,金属导体的应变电阻效应：金属导体在承受机械变形时，其电阻值将相应地发生变化。导体的应变效应用应变灵敏系数来描述，它决定于导体电阻的相对变化R/R与其长度的相对变化l/l之比值，即K=(R/R)/(l/l)=(R/R)/(4.2.7)其中=l/l，在材料力学中称之为应变，单位为(1=110-6mm/mm)。,设有一长度为l，截面积为，电阻率为的金属丝，则其电阻为R=(l/S)。若有均匀应力作用于金属丝，则其尺寸将发生变化，比如受均匀拉力时，其机械变形为长度伸长而横截面减小，一般其值也将发生变化，由微分关系可得其相对变化量为R/R=l/l-S/S+/(4.2.8)对于直径为d的圆形截面金属丝有S/S=2(l/l)(4.2.9)运用材料的泊松系数(即：横向变形与纵向变形之间成正比系数，而变形符号相反=-(d/d)/(l/l)可得R/R=l/l(1+2)+/=k(l/l)(4.2.10),K=1+2+(/)/(l/l)=1+2+(/)/(4.2.11)上式中k称为金属电阻的灵敏系数，它受以下两个因素的影响。,第一，受力后由于材料的几何形状发生变化而引起的，即1+2项，对某种材料而言，它是常数。第二，受力后由于材料的电阻率发生变化而引起的，即(/)/项，该项与材料的物理特性有关。对金属材料而言，(/)/1+2，K(/)/。金属材料在弹性范围内，=0.20.4。在塑性变形范围内0.5。实测表明K=1.73.6。这样(/)/项对金属材料的灵敏系数还是有一定影响的。,2.压阻效应,半导体的压阻效应即指：半导体晶体受应力作用时，其电阻率随应变而变化。对一条形半导体压阻元件而言，其电阻变化仍可用(4.2.10)式来描述，且其中由压阻效应引起的第三项比由材料几何尺寸变化引起的第一、二项要大得多，即两项的5070倍，即R/R=l/l(1+2)+/(4.2.12),3.金属电阻应变片,(1)金属电阻应变片的结构为使应变片既具有一定的电阻值，又不太长，应变片均做成栅状。这样，金属导体的轴向长度缩短了，集中在一小块面积上，因而能近似地反映这一面积上的平均应变。图4.2.3所示为电阻应变片的典型结构。它主要由敏感栅(合金电阻丝)、基片、盖片及引线组成。,图4.2.3电阻应变片典型结构示意图,金属丝式电阻应变片的敏感栅(线栅)是一根具有很高电阻率P的金属丝线。其直径约为0.010.05mm，以曲折栅状形式放置在基片上。其基本形状又可分为U型、V型和H型，如图4.2.4所示。,(2)金属丝式电阻应变片,图4.2.4金属丝电阻应变片典型结构示意图,(3)金属箔式电阻应变片,箔式应变片的工作原理与金属丝式应变片完全相同。只是它敏感栅是由很薄的金属箔片制成，箔厚公有约0.0030.01mm。图4.2.5为两种形状各异的箔式应变片。,图4.2.5金属箔式电阻应变片典型结构示意图,(4)金属薄膜式电阻应变片,金属薄膜应变片是薄膜技术发展的产物(所谓薄膜是指厚度在0.1m以下的膜，厚度在25m左右的称为厚薄膜，箔式应变片即属厚模型)。薄膜应变片用真空蒸镀、沉积或溅射的方法，将金属材料在绝缘基底上制成一定形状的薄膜而形成敏感栅。膜的厚度从零点几nm到几百nm不等。当膜的厚度很小时，薄膜实际上是由无数彼此不相连的微小膜片所组成，称为不连续膜。此时的电传导是基于膜片之间的电子隧道效应，具有较高的电阻率。类似于半导体的特性，其应变灵敏系数比丝式或箔式应变片高一个或两个数量级。随着膜厚的增加，膜片之间逐渐连接而形成整体，称为连续膜，它的电传导特性与整体金属相同，其应变灵敏系数与一般的箔式应变片相近。,4.半导体应变片,半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件。其类型主要有体型、薄膜型及扩散型三大类。(1)体型半导体应变片由前述结论知，可将单晶体半导体元件按一定晶向abc用切片机切成薄片，再进行研磨加工，尔后切成细条，经光刻腐蚀工艺加工成敏感栅，经压焊安装内引线，粘贴于有接头的基片上，最后安装外引线，即制成体型半导体应变片。(2)薄膜型应变片这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成，其结构如图4.2.6所示。(3)扩散型半导体应变片这种应变片是在单晶硅或单晶锗等半导体基片上扩散杂质而形成敏感栅的。图4.2.7为其示意图。,图4.2.6薄膜型半导体应变片结构示意图,图4.2.7扩散型半导体应变片结构示意图,5.转换电路,应变片将应变的变化转换成电阻相对变化R/R，通常还需要把电阻的变化再转换为电压或电流的变化，才能用电测仪表进行测量。一般采用电桥电路实现微小阻值变化的转换。电桥电路在第五章作介绍。,6.电阻应变片的应用,电阻应变片的应用很广，可概括为以下两个方面。(1)应变片直接粘贴在弹性元件上，用于直接测量工程构件受力后的应力分布或所产生的应变。(2)将应变片粘贴在弹性元件上，进行标定后作为测量力、压力、位移等物理量的传感器。为了保证测量的精确度，一般要采取温度补偿措施，以消除温度变化所造成的误差。,本节小结,电阻式传感器是一类根据电阻定律而设计的传感器，它能将被测量(如位移、力、温度等)的变化转换为电阻的变化。电位计式传感器常用的有三种形式，即线位移式、角位移式、非线性式。电阻应变片主要分为金属应变片和半导体应变片，它们工作的物理基础分别为应变效应与压阻效应。注意：本节未介绍磁敏电阻、湿敏电阻等其它类型的电阻式传感器。,3电感式传感器,一.概述1.概念电感式传感器(Inductance-typetransducer)是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化，从而导致线圈电感量变化这一物理现象来实现测量的。利用这种转换原理可测量位移、振动、压力、应变、流量密度(比重)等参数，既可用于静态测量，又可用于动态测量。,2.分类,根据转换原理不同，可分为自感式和互感式两大类。人们习惯上讲电感式传感器常指自感式传感器，而互感式传感器，则由于它是利用变压器原理，又往往做成差动式，故常称为差动变压器式传感器(简称为差动变压器)。按照其结构形式，电感式传感器又可分为变气隙式、变截面积式和螺管式等形式，互感式传感器也可分为变气隙式和螺管式等形式。,3.电感式传感器的优缺点,(1)优点A.结构简单、可靠、测量力小。如当衔铁重为(0.5200)10-4N时，电磁吸力为(110)10-4N。B.分辨率高。能测量0.1m甚至更小的机械位移，能感受0.1角秒的微小位移。C.输出功率较大，不使用放大器时，其输出电压灵敏度一般可达(0.15)V/mm，因此有利于信号的传输与放大。D.零点稳定，其漂移最小可达0.1m。E.测量精度高，线性度优良，重复性好。在一定位移范围(最小几十m，最大达数十甚至数百mm)内，输出特性的线性度好，且比较稳定，输出线性度可达0.1%。(2)缺点A.频率响应较低，不宜于快速动态信号的测量。B.存在交流零位信号。C.分辨率与测量范围有关，测量范围愈大，分辨率愈低。,二.自感式电感传感器,1.变气隙式电感传感器变气隙式电感传感器从结构上可分为简单变气隙式(单线圈)及差动变气隙式(双线圈)两种。(1)结构及原理,图4.3.1变气隙式电感传感器,A.简单变气隙式电感传感器变气隙式电感传感器的结构原理图如图4.3.1(a)所示。,理论分析,设线圈匝数为N、磁路总磁阻为Rm，则线圈电感为L=N2/Rm(4.3.1),设铁芯与衔铁的磁路长分别为l1与l2；气隙磁通、铁芯、衔铁的截面积分别为A、A1、A2；铁芯、衔铁、真空的磁导率分别为1、2、0(=410-7Hm)；空气隙总长为l=，则对于变气隙式电感传感器，因为气隙较小(一般l=为0.11mm)，所以可将气隙磁场视为均匀磁场，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为,(4.3.2),(4.3.3),由于电感式传感器的铁芯一般工作在非饱和状态下，其导磁率r远大于空气导磁率0，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，设A=A1=A2，r=1=2l=，由式(4.3.3)得,当铁芯、衔铁的材料与结构确定后，电感L为A与l的函数。如果A保持不变，则L为l的单值函数，即可构成变气隙电感式传感器。注意：以A为变量时L与A为线性关系，以l=为变量时L与l=为非线性关系。,(4.3.4),B.差动变气隙式电感传感器,图4.3.1(b)为差动变气隙式电感传感器结构示意图，它由两个完全相同的线圈和磁路组成，共用一个活动衔铁。当衔铁移动时，一个线圈的电感增加，而另一个线圈的电感减少，形成差动形式。差动式电感传感器的结构要求是两个导磁体的几何尺寸完全相同，材料性能完全相同，两个线圈的电气参数(如电感、匝数、电阻、分布电容等)和几何尺寸也完全相同。,注意到衔铁移动时，L1若气隙减少，则电感增加L1，L2若气隙增加，则电感减少L2=-L1，利用式(4.3.5)可导出L/L0的表达式，展开得,(4.3.5),(2)特性分析,A.单线圈式特性分析变气隙式电感传感器的主要特性是灵敏度和线性度。,忽略高次项，即可得电感变化灵敏度与线性度分别为,(4.3.6),单线圈电感式传感器的特性如图4.3.2所示。,图4.3.2电感式传感器的L-特性,注意：单线圈电感式传感器具有非线性性(不论气隙减少或增加电感变化与气隙变化均呈非线性的关系)、非对称性(气隙减少与增加同样的所引起的电感变化L与-L并不相等)。因此，变气隙式电感传感器只能工作在一个很小的区域，即只能用于微小位移的测量。,B.差动式特性分析,如图4.3.1所示，通常将两个差动线圈分别接入测量电桥的相邻臂，两线圈的磁路与电气参数完全相同，并使两电感叠加，不考虑两线圈的互感，由(4.3.5)得其灵敏度与线性度分别为,(4.3.7),可见：差动式灵敏度比单线圈式提高一倍，且差动式非线性失真比单线圈式小。,2.变截面积式电感传感器,变截面积式电感传感器从结构上可分为简单变截面积式(单线圈)与差动变截面积式(双线圈)电感传感器两种。(1)结构及原理变截面积式电感传感器的结构原理如图4.3.4所示。由式(4.3.3)与式(4.3.4)知，电感L为A的单值线性函数。,图4.3.4变面积式电感传感器,(2)特性分析,如图4.3.5所示。图中，虚线为实际输出特性，实线为理想输出特性。,图4.3.5L-与L-A特性曲线,(3)差动变截面积式电感式电传感器,不难证明，不考虑互感时，两个差动变截面积式电感式电传感器在接成串联对称形式电桥时，其输入输出特性关系恒为线性。这样，变截面积式电感传感器在理想条件下其灵敏度为常数，且差动式的灵敏度为单线圈的2倍。,3.螺管式电感传感器,螺管式电感传感器有简单螺管式(单线圈)与差动螺管式(双线圈)电感传感器两类。(1)结构及原理螺管式电感传感器的结构如图4.3.6所示。,图4.3.6螺管式电感传感器,(2)测量原理,单线圈螺管式电感传感器结构很简单，主要元件为一只螺管线圈和一根圆柱形衔铁。传感器工作时，衔铁随被测对象移动，螺管磁力线路径上的磁阻发生变化，引起螺管线圈电感值的变化，当用恒流源激励时，线圈的输出电压就与衔铁的位移量有关。对于差动螺管式电感传感器，为获得较好的线性特性，衔铁总长为线圈总长的0.6倍左右，差动线圈I与作为电桥的两个相邻臂。,4.自感式电感传感器检测电路,自感式电感传感器主要利用交流电桥电路将电感变化转换为电压(或电流)变化，再送入下一级电路进行处理。,三.互感式电感传感器,1.基本结构差动变压器的结构形式较多，主要有变气隙式、变面积式、螺线管式，其结构如图4.3.7所示。在非电量测量中，就用最为广泛的是螺线管式，其次是变气隙式。,图4.3.7差动电感式传感器,2.基本原理,互感式传感器是利用被测非电量的变化引起线圈互感系数的变化，从而导致线圈电感量变化这一物理现象来实现测量的。由于这种传感器是根据变压器的基本原理设计的，并且其次级绕组都采用差动形式联接，所以又称为差动变压器式传感器，简称为差动变压器。一般变压器都是闭合磁路，其互感系数为常数，而差动变压器则是开磁路，其互感系数为变量，这一变量即为被测量的函数，因而其输出电压为被测量的函数。,四.电涡流式传感器,1.电涡流式传感器的工作原理(1)电涡流效应当导体处在变化的磁场中或相对于磁场运动时，在它们的内部会产生感应电流。如图4.3.8所示，如果有一块电导率为，磁导率为，厚度为a、温度为T的金属板，离此金属板d处有一个半径为r的线圈，当线圈中通以正弦交变电流时，线圈的周围空间就产生了正弦交变磁场H1。此时，置于此磁场中的金属板(被测试件)中将产生感应电动势，从而，导体中将会产生感生电流，从导体的上方垂直俯视，电流的形状呈闭合的涡旋状，所以这种感应电流被叫做涡电流，简称涡流。,(2)电涡流与被测试件的关系,在图4.3.8中，电涡流必然引起线圈的阻抗Z变化。假定金属导体是均质的，其性能是线性和各向同性的，则线圈金属导体系统的物理性质通常可由磁导率、电导率、尺寸因子r、a及x、激励电流I和频率等参数来描述，线圈的阻抗Z可用如下函数表示Z=F(,r,a,x,I,)(4.3.15)如果控制上式中的某些参数恒定不变，而只改变其中的一个参数，这样阻抗就成为这个参数的单值函数。,图4.3.8电涡流效应原理,2.电涡流式传感器的分类,3.电涡流式传感器的测量电路主要有交流电桥和谐振法两种。交流电桥是电涡流式传感器的主要测量电路，其作用是将线圈电感的变化转换为桥路的电压或电流输出。其原理图如图4.3.9所示，其中A、B为传感器线圈。当传感器约束力的阻抗变化时，电桥失去平衡，其不平衡输出经线性放大器和检波，即