检测与控制-第二章：常用传感器.ppt

1、1,第二章 材料成形及控制工程常用传感器第一节 概述,表2-1 人体五感与传感器,2,一、传感器的分类1、按传感器输入端被测物理量（用途）分类（1）机械量：质量、力、扭矩、应力等；（2）热工量：热量、热流、温度、流速、流量等；（3）物性参量：密度、粘度、酸碱度等；（4）光学量：光强、光通量、辐射能量等；（5）化学量：气体的组分、液体的组分等。,3,2、按传感器输出端被测物理量分类（1）电参数型传感器：电阻式、电容式、电感式；（2）电量型传感器：感应式、压电式、热电式、光电式等；,4,3、按能量关系分类（1）能量转换型（有源型、发生器型）： 如热电偶、光电池等。 （2）能量控制型： 如R、L、C

2、电参数型传感器，必须由外部提供激励源（电源）。,5,4、按传感器结构是否变化分类（1）结构型：由敏感元件（如弹性元件）和变换器（如电阻式变换器）组成。 （2）物性型：只有变换器，如热电偶（既是变换器也是传感器）,6,二、传感器技术的现状与发展（1）小型轻量化；（2）数字化；（3）多样化；（4）集成化；（5）新型化；（6）智能化。,7,第二节 电参数型传感器 其输出量为电参数：电阻、电感、电容、互感。 一、电阻式传感器 被测非电量的变化引起电阻器阻值改变的变换元件。 原理：R=L/A 其中，R电阻值；L 导线长度； 电阻率；A导线截面积。,8,电阻式传感器的类型有以下三种： 1）电位器式传感器：

3、利用电刷来回移动，改变电阻器长度L 2）电阻应变式传感器：利用应力应变使电阻丝产生变形，使电阻丝长度L、截面积A和电阻率均发生改变。 3）利用热或其它物理量使传感器的电阻率发生变化,9,1、电位器式传感器 按其输出特性不同，可分为线性电位器和非线性电位器。 （1）线性线绕电位器 原理：Uo=xUi/L（见图2-1，P21） 其中， Uo电刷行至x处对应的电压； x 电刷行程； Ui电位器输入电压； L 电位器总行程；,10,（2）非线性线绕电位器（函数电位器） 输出电压（或电阻）与电刷行程之间呈非线性关系，可以实现指数、对数、三角及其它任意非线性函数的输出。分为变骨架式和变节距式。 1）变骨架

4、式非线性线绕电位器 在其它结构参数不变的条件下，通过改变骨架高度来实现非线性函数的关系变换（见图2-3 a)，P22）。 2）变节距式非线性线绕电位器 在其它结构参数不变的条件下，通过改变绕线节距来实现非线性函数的关系变换（见图2-3 b)，P22）。,11,2、电阻应变式传感器 将应变量输入转换为电量输出。 （1）构成及其工作原理 由电阻应变片、弹性元件和粘接剂三部分组成。,12,（2）电阻应变片的分类及其构造 由敏感元件、基片、覆盖片和引出线四部分组成。 1）电阻丝式应变片：敏感元件为金属丝（U、V和H，见图2-4 a)、b)、c)，P23）。 2）箔式应变片：敏感元件为采用光刻及腐蚀技术

5、而制成的金属箔柵（单应力、扭矩和压力，见图2-5 a)、b)、c)，P24）。 箔式应变片比电阻丝式应变片性能好。 3）半导体应变片： 原理：半导体单晶的压阻效应（结构见图2-5 a)、b)、，P25） 。 优点：灵敏度高。,13,3、热电阻和热敏电阻 原理：金属和半导体的电阻率随温度的变化而变化。 （1）金属丝热电阻：常用的测温的金属丝有：铂、铜、铁和镍等。其电阻与温度的关系为： Rt=R0(1+t) 其中， Rt、R0温度为t和 t0时的电阻值； 电阻温度系数，随材料不同而异。 半导体热敏电阻的热敏温度系数为正值。,14,（2）半导体热敏电阻：锰、铜、镍、钴和钛等氧化物，按一定比例混合烧结

6、而成。其外形有珠状、片状和柱状（如图2-8 ：a)、b)、c)，P26）。 基本特性是电阻与温度之间的关系，即 R=Aexp(B/T) 其中， A与热敏电阻尺寸、形式及半导体物理性能有关的常数； B 与半导体物理性能有关的常数； T热敏电阻热力学温度。 半导体热敏电阻的热敏温度系数为负值。,15,4、气敏电阻传感器 原理：吸附气体引起敏感元件的电阻值发生变化。 图2-9为常见的检测可燃性气体的气敏元件：a)多孔质烧结体型；b)薄膜型；c)厚膜型。 一般有加热器，以烧去附在元件表面的油污和尘埃。,16,二、电容式传感器 原理：C=0rS/d 其中，S两金属板间相对有效面积； d两金属板间距离；

7、r极板间介质相对介电常数； 0真空介电常数。 改变r （改变介电常数） 、S（改变面积）、d（改变极距）中的 任意参数，即可使电容C发生变化。 1、改变极板间距离的电容式传感器（图2-10，P28） C1= C0Sln C0 / 0 ( C1与有近似线性关系） 在实际应用中，为了提高灵敏度（比单一电容提高一倍）， 做成差动形式（图2-11，P29）。,17,2、改变极板有效面积的电容式传感器（图2-12，P30） 图2-12为一种电容式角位移传感器，当动片有一角位移时， 与定片相叠部分的面积S发生变化，从而使两极板间电容量发 生变化。 C1= C0- C0 / (其中 C0=S/0） 图2-1

8、3为一种筒形线位移传感器，当内、外相叠长度l与筒 间隙（ =R-r）相比大很多时，电容增量为 C=C l / l (其中 C=2 l /(lnR/r)） 在实际应用中，常做成差动形式，以改善其线性度。,18,二、电感式传感器 原理：依据电磁感应的原理，把被测位移变化转换为自感系数 L或互 感系数M 的变换。前者称为自感传感器，后者称为互感传感器或变压器式 传感器。 1、自感式传感器 （1）改变气隙厚度的自感传感器 线圈绕在铁心上，铁心与衔铁之间有一气隙，其厚度为 （见图2-14，P31），线圈的电感值L为： L W20S/（2） 电感量L与气隙厚度成反比。 其缺点是非线性严重（图2-15，P3

9、1）,19,（2）改变通磁气隙截面积的自感传感器 由公式 L W20S/（2）知， 电感量L与气隙厚度成反比。改变通磁气隙截面积S可使L发生变 化，并且电感量L与S在一定范围内具有良好的线性关系。 （图2-16 a)，P31） 。 图2-16 b)给出了其工作原理：当衔铁随测杆产生一定位移 后，使通磁气隙截面积S发生相应变化，从而改变线圈的电感量L。 （3）螺线管式自感传感器 工作原理如图2-17（P32）所示，当测杆有一定位移时，带动铁心在螺 线管中移动，使线圈的电感量发生变化。 由于其磁力线路径不规则，很难用数学公式描述线圈电感量 与铁心位移之间的关系，故设计时一般靠经验数据和实验来确 定

10、。,20,2、互感式传感器 把位移量变化转换为线圈互感系数M变化，其本身为一个变压器。 （1）改变气隙厚度的互感式传感器 与自感式传感器工作原理相似（图2-18，P32）。 可以证明：输出电压Usc与传感器变压比W2/ W1、衔铁偏移 量、激励电压E成正比，与磁路气隙厚度0成反比。 （2）螺线管型差动变压器式传感器 主要由线圈、线圈框架和铁心组成（图2-19，P33）。 一次线圈(W1)通电激励所引起磁场的强度在二次线圈(W21 和W22）中的分布，与铁心所处位置有关。,21,第三节 电量型传感器 电量型传感器的输出量是电量（电压、电流、电荷）。 一、磁电（感应）式传感器 1、基本原理 利用电

11、磁感应原理，将运动速度转换为线圈中的感应电动势输出。 原理：E=-N d/ dt 其中，N线圈匝数； 磁通。 从上式可知，线圈中感应电动势E的大小，取决于匝数N和穿过先圈的 磁通变化率。,22,2、磁电式传感器的基本结构形式 （1）线速度型 磁路系统由圆柱型永久磁铁和极掌、圆筒形磁轭以及圆筒形空气隙组 成。空气隙中磁感应强度B呈辐射状，线圈以垂直切割磁力线方向相对磁 铁运动速度为v,如图2-22（P35）所示。 对于N匝线圈，在线圈中产生的感应电动势e为： e=-N d/ dt= -NBldx/dt = -kv 其中，k线速度型灵敏度常数，k=NBl。 从上式可知，当N、B、L均为常数时， e

12、与线圈对磁场的相对运动的 速度v成正比，因此可以构成线速度传感器。 在测量电路中接一积分单元，则输出电压与位移成正比；接一微分单 元，则输出电压与加速度成正比。因此可测位移、速度和加速度。,23,（2）角速度型 如图2-23（P36）所示。 对于N匝线圈，在线圈中产生的感应电动势e为： e=-N d/ dt= -NBhbd/dt = -NBA 其中，A=hb 单匝线圈的截面积； 角速度 从上式可知，当N、B、A均为常数时， e与线圈对磁场的相对运动的角 速度成正比，因此可以构成转速传感器。 （3）磁阻式(变磁通式） 在这种结构中，线圈与磁铁之间没有相对运动，由运动者的被测物体 （导磁材料）来改

13、变磁路的磁阻，引起磁通量变化，从而在线圈中产生感 应电动势。 图2-24中所示的永久磁铁及缠绕其上的线圈组成此种传感器。其中图 2-24a为频率传感器，当齿轮旋转时，在线圈中感应出交流电势E，其频率 便等于齿轮的齿数和转速的乘积。,24,二、压电式传感器 利用压电材料的压电效应而制成的一种变换器，当有力作用在压电材 料上时，传感器就有电荷（或电压）产生。 如图2-25a（P37）所示，压电晶片受力F后产生电荷Q，其值与所加的 力成正比。若压电晶片的电容为C，则其输出电压U为 U=Q/C=(k/C)F=KUF 其中，KU压电系数。 图2-25b（P37）是压电加速度的原理。当加速度计与被测件一起

14、以加 速度a运动时，重块就以F=ma作用在压电晶片上。在压电晶片两端面产生 的电荷（或电压）与加速度成正比。,25,三、压磁式传感器 某些铁磁性物质，在外界机械力的作用下其内部产生机械应力，从而 引起磁导率的改变，这种改变导磁性质的物理现象称为“压磁效应”。 压磁式传感器就是利用上述原理制成的。 在一定形状硅钢片上交叉绕上两个绕组，即构成压磁式传感器的检测 元件（图2-26，P38）。 通过测量感应出的电流I或U，即可测定作用力F的大小。,26,四、霍尔元件式传感器 利用霍尔效应（图2-27，P39）而制成。 实践证明，霍尔电压E与电流I、磁感应强度B成正比，即 E=kIB 当移动产生磁场的磁

15、铁或者移动霍尔片时，就相当于改变磁感应强度 B，从而使霍尔电压E改变，起到了将位移量转换成电压量的作用。 一般根据上述原理制造测力、测位移的传感器。,27,五、光电式传感器（光电探测器） 利用某些材料在光作用下产生光电效应的原理，将光量转换为电量。 1、光电管与光电倍增管 （1）光电管 典型结构如图2-28（P39）所示。 电流I的大小与光通量成正比，即 I=K 式中，K光电管的灵敏度。 （2）光电倍增管 在入射光极微弱时，光电管产生的光电流很小。为此，可采用光电倍 增管放大其电流（图2-30）。,28,2、光敏电阻（光导管） 基于物质内光电效应而制成的一种光电元件。 典型结构如图2-31（P40）所示。