传感器12级资料.ppt

1、,第五章 常用机械量测量的传感器,学习要求,了解传感器的选用原则；,掌握机械工程测试中常用各种传感器的基本原理、 结构及性能参数及其适用范围。,传感器的定义,GB/T 7665-2005传感器通用术语对传感器的定义是：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。,解 释,传感器是测量装置，能完成检测任务；,输入量是某一被测量，可能是物理量（位移、温度、力、 压力、速度、加速度等），也可能是化学量、生物量等；,输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、 显示等，可以是气、光、电量，但主要是电量；,输出与输入有一定的对应关系，且应有一定的精确度。,传感器的作用,变换作

2、用：将非电量变换成电量。,传感器是控制系统中的第一个环节，其性能直接影响整个测试系统，主要有两个作用：,敏感作用：感受物理量的变化，以完成对被测信 号的拾取。,传感器的基本组成,敏感元件：直接感受被测量，输出与被测量成确定关系 的某一物理量。,转换元件：敏感元件的输出作为转换元件的输入，它把 输入转换成电路参量。,转换电路：把转换元件输出的电路参量转换为便于处理、 显示、记录或控制的有用的电信号。,一、 常用传感器分类,1、按被测物理量分类,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角， 转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩, 风速,流速,流量； 声: 声压,噪声； 磁: 磁通,磁场；

3、温度: 温度,热量,比热； 光： 亮度，色彩。,常见的被测物理量,2、按传感器工作原理分类,机械式,电气式,光学式,流体式等。,3、按敏感元件与被测对象之间的能量关系,能量转换型(无源传感器）: 直接由被测对象输入能量使其工作。 例如:热电偶温度计,磁电式加速度计。 能量控制型（有源传感器）: 从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的 变化。例如:电阻应变片。,4、按信号变换特征,物性型传感器: 依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换。 例如:水银温度计。 结构型传感器: 依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。 例如:电容式和电感式传感器。,二、机械式传感器及仪器,测力计,机械式传

4、感器以弹性体作为敏感元件，输入量可以是力、 压力、温度等物理量，输出量为弹性元件本身的弹性变形。,弹性变形经放大后可转化为仪表指针的偏转，借助刻度指 示被测量的大小。,应用实例：测力计、压力计和温度计。,压力计,温度计,弹性膜片,波纹管,波登管,特 点,机械式指示仪表结构简单、可靠、使用方便、价格低、读 数直观； 弹性变形不宜大，以减小线性误差； 惯性大、固有频率低，只宜测缓变或静态被测量。 弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象，影响输出与输入的 线性关系。,解 释,蠕变：固体材料在保持应力不变的情况下，应变随时间缓 慢增长的现象。,弹性后效：指载荷在停止变化之后，弹性元件在一段时间 之内还会继续

5、产生类似蠕动的位移。,三、涡流式传感器,利用金属导体在交变磁场中的涡电流效应。,高频反射式涡流传感器工作原理,涡流产生：当线圈中通以一交变高频电流i时，会引起一交变磁通。在靠近线圈的金属表面内部产生一感应电流i1，该电流i1即为涡流。,抵抗作用：根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁通1将与线圈产生的磁场方向相反，亦即1将抵抗的变化。,变换原理,原线圈的等效阻抗Z（equivalent impedance）的变化,金属板电阻率,磁导率,线圈激磁圆频率,改变可作为位移、振动测量； 改变,可作为材质鉴别或探伤。,径向振动测量,轴心轨迹测量,工程应用实例,涡流式传感器可用于动态非接触测量。近年来涡流式

6、位移和振动测量仪、测厚仪和无损检测探伤仪等在机械、冶金等部门中日益得到广泛应用。,转速测量,零件计数器,表面裂纹测量,穿透式测厚,安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈。当有金属物体通过时，交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流，会在接收线圈中感应出电压，计算机根据感应电压的大小、相位来判定金属物体的大小。在安检门的侧面还安装一台“软x光”扫描仪，它对人体、胶卷无害，用软件处理的方法可合成完整的光学图像。,电涡流式通道安全检查门,手持式裂纹测量仪,电涡流表面探伤,油管探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,四、电容式传感器,工作原理,采用电容器作为敏感元件，将不同物理量的变化转换为电容量的变化

7、。,平板电容器的电容量,极板间介质的相对介电系数， 空气中,真空中介电常数，,极板间距离,A 极板面积,（1）极距变化型,极距有一微小变化量d时，引起电容变化量,灵敏度,分 类,由于灵敏度随极距变化，引起非线性误差，规定在较小的间隙范围内工作，一般取,指纹识别,指纹识别,优点：体积小、成本低，成像精度高，而且耗电量很小，因此非常适合在消费类电子产品中使用。,指纹识别目前常用的是电容式传感器，也被称为第二代指纹识别系统。,右图为指纹经过处理后的成像图,指纹识别所需电容传感器包含一个大约有数万个金属导体的阵列，其外面是一层绝缘的表面，当用户的手指放在上面时，金属导体阵列/绝缘物/皮肤就构成了相应的

8、小电容器阵列。它们的电容值随着脊（近的）和沟（远的）与金属导体之间的距离不同而变化。,（2）面积变化型,特 点,输出与输入成线性关系，灵敏度低，适于较大直线位移及角位移测量。,油量表可用于飞机油箱,（3）介质变化型,用于测量电介质的厚度、位移、液位，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量等。,测量电路,电容式传感器将被测量转换为电容量的变化后再由后续电路转换成电压、电流或频率等输出量。,（1）电桥型电路,电容传感器作为电桥的一部分，电容变化转换为电桥电压输出。图示为电感、电容组成的交流电桥。电桥的输出为一调幅波，经放大、相敏解调、滤波后输出。,（2）调频

9、电路,电容传感器作为振荡器谐振回路一部分，调频振荡器的谐振频率,振荡回路电感,当被测量使电容值发生变化时，则振荡器频率也发生变化，频率的变化经鉴频器变为电压变化，再放大后由记录器或显示仪表指示。,（1）电容式测厚仪: 测量金属带材在轧制过程中厚度,C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容， 当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映此变化，并转换和显示出带材的厚度。,应用实例,电容式传感器广泛应用在位移、压力、流量、液位等的测试中。精度和稳定性日益提高，高精度达0.01%，精度可达5m。,当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显

10、示的频率代表转速大小。,（2）电容式转速传感器,设齿数为z，频率为f，则转速,一个电容测微仪其传感器的圆形极板半径r=4mm，工作初始间隙=0.3mm，问：1）工作时，如果传感器与工件的间隙变化量=1m时，电容变化量是多少？2）如果测量电路的灵敏度S1=100mV/pF，读数仪表的灵敏度S2=5格/mV，在=1m时，读数仪表的指示值变化多少格？,例,解：,极距变化型电容传感器电容的变化量,仪表的指示值变化为,灵敏度？,五、磁电式传感器,一种将被测物理量转换为感应电动势的装置，又称电磁感应式或电动式传感器。,由电磁感应定律可知，当穿过线圈的磁通发生变化时，线圈中所感应产生的电动势,磁通变化率与磁

11、场强度、磁路磁阻、线圈的运动速度有关，改变其中一个因素，都可改变线圈的感应电动势。,分 类,1、动圈式,线速度型,在永久磁铁产生的直流磁场内，线圈在磁场中作直线运动，切割磁力线，因此所产生的感应电动势,说 明,当传感器的结构参数（B，l，N）选定，则感应电动势e的大小使正比于线圈的运动速度v。,将测得的速度经微分和积分运算又可得加速度和位移，因此速度传感器又可用来测量运动物体的位移和加速度。,可测量物体转速。,角速度型,线圈在磁场中转动时，产生的感应电动势,说 明,当传感器的结构参数（N，B， A）选定时，感应电动势e与线 圈相对于磁场的转动角速度成 正比。,动圈磁电式传感器等效电路,导线电阻

12、,负载电阻,线圈阻抗,等效电路输出电压,导线分布电容,六、压电式传感器,压电式传感器是一种可逆型换能器。,机械能电能：用来测量力、压力、加速度等；,电能机械能：用于高频振动台、超声发射器、扬声器。,优 点,体积小； 重量小； 固有频率高（加速度传感器，可测频率范围0.120kHz) ； 灵敏度高（加速度传感器可测10-2105ms-2、力传感器分 辨力达10-3N）。,利用某些物质的压电效应，即受到外力作用而发生变形时，其表面将产生电荷，形成电场，当外力作用去除后，电场随之消失。,工作原理,说 明,压电效应可逆：当压电晶体置于外电场，其几何尺寸也会发生变化，称为逆压电效应。,具有压电效应的晶体

13、称为压电晶体，石英晶体是常用的压电材料之一。,石英晶体的压电效应演示,形 式,电轴,机械轴,光轴,纵向压电效应：沿电轴X-X方向的作用力产生的压电效应。,横向压电效应：将沿机械轴Y-Y方向的作用力产生的压电效应。,切向效应：沿相对两平面加力。,当沿光轴Z-Z方向作用有力时不产生压电效应。,实验证明：压电效应呈线性。,晶体表面出现的电荷的多少和形变的大小成正比，形变改变符号时，电荷也改变符号。,说 明,石英晶体切片受x向压力，产生的电荷量与作用力成正比，与切片的几何尺寸无关；,石英晶体切片受y向压力，产生的电荷量与切片的几何尺寸有关，且电荷的极性与沿x轴施加压力时产生的电荷极性相反。,天然形成的

14、石英晶体外形,2、压电材料,主要有压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜三类。,石英晶体薄片,双面镀银并封装,石英晶体切片及封装,石英晶体振荡器（晶振）,石英晶体在振荡电路中工作时，压电效应与逆压电效应交替作用，从而产生稳定的振荡输出频率。,压电陶瓷,未极化,正极化,极化后,极化过程,常用的有钛酸钡、锆钛酸铅等。,利用强电场使陶瓷电畴规则排列，呈现压电性。极化电场去除后，电畴取向保持不变，常温下呈压电性。,高分子压电薄膜,测量电路,前置放大器电路作用,将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出；,放大传感器输出的微弱电信号。,前置放大器电路的两种形式,用电阻反馈的电压放大器，输出受连接电缆对地电容的影响。

15、,带电容反馈的电荷放大器。,粘贴位置,工程应用实例,玻璃打碎报警装置,将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,交通监测,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,七、电阻应变式传感器,可测参数：应变、力、位移、加速度、扭矩等。,可分为金属电阻应变片式和半导体应变片式两类。,（1）金属电阻应变片,工作原理,常用的金属电阻应变片有丝式、箔式两种。当应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。,位移、力、力矩

16、、 加速度、压力,弹性敏感元件,应变,金属丝电阻应变片,金属丝式应变片是用0.010.05mm的金属丝绕成敏感栅 ，粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间，由引出导线接于电路上。,金属箔式应变片,优点：可制成多种复杂形状、尺寸准确的敏感栅；散热条件好；生产效率高，便于实现自动化生产。,金属箔式应变片是利用照相制版或光刻技术，将厚约为0.0030.01mm的金属箔片制成敏感栅。,实际中的金属应变片,优点： 稳定性和温度特性好 缺点： 灵敏度系数小,应变片的使用,将应变片粘贴于弹性元件或被测构件预定部位的表面。外力作用下，金属丝随物体一同变形，将被测量的变化转换为电阻值的变化。,电阻应变片的选择、粘贴技术,

17、目测电阻应变片有无缺陷； 用数字万用表测量应变片电阻值大小； 试件表面处理； 应变片粘贴； 焊线； 用兆欧表检查应变片的引线与试件之间的绝缘 阻值，应大于50M欧； 应变片保护。,金属电阻应变片电阻值,电阻增量,电阻的相对变化,纵向应变,横向应变,几何尺寸变形,电阻率变化,金属电阻应变片电阻值,由电阻丝几何尺寸改变引起电阻的变化。,说 明,Sg为应变片系数或灵敏度，金属电阻丝的灵敏度常在1.7-3.6，常用的金属材料有银、铬镍合金、或铁镍合金等。,电阻丝应变片的标准阻值有60、120、350、600和1000。其中120最为常用。,灵敏度,（2）半导体应变片,工作原理,单晶半导体材料在沿某一轴

18、向受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。,灵敏度,特点,灵敏度高，分辨率高，机械滞后小，横向效应小、体积小；,温度误差大，故需温度补偿或恒温条件下使用。,应用实例,将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。,齿轮弯矩,机身应力,立柱应力,桥梁应力,应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。,弹性元件将得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。,4、典型动态电阻应变仪,动态电阻应变仪电路原理框图,有一电阻应变片灵敏度Sg=2，R=120，设工作时电压1.5V，其应变为1000，问R=？试求：1）无应变时电流表示值；2）有应变时电

19、流表示值。,例,解：,（1）无应变时,（2）有应变时,八、热电式传感器,温度：反映了物体冷热的程度，与自然界中的各种物理和化学过程相联系。,温度测量：以热平衡为基础。,温度最本质特性：当两个冷热程度不同的物体接触后就会产生导热、换热，换热结束后两物体处于热平衡状态，则它们具有相同的温度。,测量方式：接触式和非接触式。,模拟图：在一个密闭的空间里，气体分子在高温时的运动速度比低温时快！,CPU散热风扇,低温时显示蓝色,温度升高后变为红色,温度测量方法,变色涂料在电脑内部温度中的示温作用,气体的体积与热力学温度成正比,体积热膨胀式,不需要电源，耐用；但感温部件体积较大。,红外温度计,热电式传感器定

20、义,把被测量（温度）转换为电量变化的一种装置，其变换是基于金属的热电效应。,分 类,热电偶传感器 热电阻传感器,1、热电偶传感器,属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；,测温范围广：下限可达-270C ，上限可达1800C以上；,各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。,（1）优 点,热电极A,右端称 自由端 参考端 冷端,左端称 测量端 工作端 热端,热电极B,热电势,A,B,（2）热电偶工作原理演示,结 论,当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动势。,两种不同的金属A和B构成闭合回路，当两个接触端TT0时，回路中会产生热电势。,铠装型热电偶可长达上百米,普

21、通装配型热电偶的外形,柔性安装型铠装结构,小型K型热电偶,其他热电偶外形,2、热电阻传感器,利用电阻随温度变化的特点制成的传感器，主要用于对温度和与温度有关的参数测量。,分 类,热电阻：以金属材料作为温感元件。,热敏电阻：以半导体材料作为温感元件。,（1）热电阻,由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部分组成。,铂热电阻,铜热电阻,主要作为标准电阻温度计，广泛应用于温度基准、标准的传递。,测量精度要求不高且温度较低的场合，测量范围一般为-50150。,（2）热敏电阻,利用半导体的电阻值随温度显著变化的特性制成，由金属氧化物和化合物按不同的配方比例烧结。,特 点,热敏电阻的温度系数比金属大（49倍）。

22、,电阻率大，体积小，热惯性小，适于测量点温、表面温度及快速变化的温度。,结构简单、机械性能好。,线性度较差，复现性和互换性较差。,热敏电阻分类,正温度系数（PTC）热敏电阻,用途：彩电消磁，各种电器设备的过热保护，发热源的定温控制，限流元件。,临界温度系数（CTR）热敏电阻,负温度系数（NTC）热敏电阻,用途：温度开关。,应用：点温、表面温度、温差、温场等测量自动控制及电子线路的热补偿线路。,热敏传感器,温控器,热敏传感器,汽车发动机传感器,水温感应塞,广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,集成温度传感器（温度IC）将温度敏感元件和放大、运算和补偿等电路采用微电子技术和集成工艺集成在一片芯片上，

23、从而构成集测量、放大、电源供电回路于一体的高性能的测温传感器。,集成温度传感器,电流输出型温度传感器能产生一个与绝对温度成正比的电流作为输出，AD590是电流输出型温度传感器的典型产品。,模拟型集成温度传感器,空脚（接地）,AD590封装示意图,电压输出型集成温度传感器LM35/45,外形及引脚图,散热风扇,集成温度IC,CPU插座,CPU散热片,在电脑中，集成温度传感器用于CPU散热保护电路。,九、半导体传感器,物性型传感器,利用敏感元件材料本身的物理化学性质实现信号的变换。物性型传感器大多属于半导体传感器。,半导体传感器的优点,结构简单，体积小，重量轻，灵敏度高。 功耗低，安全可靠，寿命长。 对被测量敏感，响应快。 易集成化。,霍尔传感器,利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。,霍尔元件：基于霍尔效应工作的半导体器件，一般由锗、锑化铟、砷化铟等半导体材料制成。,工作原理：将霍尔元件置于磁场中，如果在a、b端通以电流i，在c、d端就会出现电位差，称为霍尔电动势