第4章 常用传感器原理及应用.ppt

1、第4章通用传感器原理和应用，4.1概述4.2电阻应变传感器4.3传感传感器4.4电容传感器4.5电容传感器4.6磁传感器4.7光电传感器4.8集成传感器4.1概述，1，传感器定义传感器(transducer/senor)按照一定的规律易于应用，一般来说，传感器是将测量的非电容转换为电源的设备、测力计、压力计、温度计、2、传感器配置、传感器通常由敏感因素：直接检测测量、输出和测量决定关系组成。转换元件：敏感元件的输出是转换元件的输入，该元件将输入转换为电子参数。电路转换：将转换元件输出的电信号转换为易于处理、显示、记录或控制的有用电信号的电路。3，传感器类型，1，按测试对象：位移传感器、压力传感

2、器、压力传感器等2，根据工作原理：电阻应变、刘涛、电容和压电等；3、根据实测转换特性：结构和物理特性。结构传感器：根据传感器结构参数的变化执行信号转换。例如，电容式传感器会随着极板间距离的变化而发生电容变化。触电型传感器依靠电枢位移引起磁感或互感变化等。物理传感器根据敏感组件材料本身物理特性的变化实现信号转换。例如，利用水银的热膨胀冷缩现象制作水银温度计来测量温度。利用石英晶体的压电效应制作压电系统等。4、根据能量传递方式：能量控制型和能量转换型。能量控制传感器通过从外部供给辅助能量来运行，并测量以控制外部供给能量的变化。能量转换传感器通过测量对象(如热电偶温度计、弹性压力计等)直接输入能量来

3、工作。4.2电阻应变传感器，1，电阻应变传感器电阻应变传感器是使用电阻应变计将应变应变应变转换为电阻变化的传感器。测量物体力变形引起的变形的传感器，最常用的传感器元素是电阻应变。适用范围：您可以测量位移、加速度、力、力矩、压力等各种参数。1，金属电阻应变计金属电阻应变计的工作原理基于金属的电阻应变效应。金属导体在外力作用下发生机械变形时其阻力值随机械变形(拉伸或缩短)而变化的现象称为金属的阻力变形效应。金属应变计的结构和测量原理，电阻线应变计由直径为0.025mm、电阻率高的电阻线制成。为了获得高电阻，将电阻线排列成称为敏感格栅的晶格，并贴在绝缘的基底上。电阻线两端焊接引线。敏感的浇口上贴着有

4、保护作用的盖子。原理公式：K0称为金属线的敏感性系数，物理意义是单位变形引起的电阻的相对变化。一般情况下，K0=1.73.6，在电阻线拉伸比限制范围内，电阻的相对变化与接收轴变形成正比。应用：将应变计粘贴到弹性体表面，或将应变计直接粘贴到测试零件上。弹性体或试样的变形通过基底和粘合剂传递到敏感晶格，电阻值相应地变化，可以通过将电路转换为电压或电流来测量应变。1)将应变计粘贴到测试的零部件上，以直接测量零部件的应力或变形。例如，为了研究或验证某些零部件(例如机械、桥梁、建筑等)工作状态下的力、变形，可以使用不同外观的变形将其粘贴到零部件的预测部分。您可以测量元件的拉力、压力应力、扭矩或弯矩。2)

5、应变计附着在弹性元件上，与弹性元件一起形成应变传感器。此传感器常用于测量力、位移、压力、加速度等物理参数。在这种情况下，弹性分量接收与测量成比例的变形，然后通过变异转换为阻力的变化，然后输出。测量的物体产生位移时，悬臂梁发生位移相同的挠曲，因此应变相应地变形。将变径连接到桥路，输出与位移成比例的电压信号。测量时，支架固定在振动体上。振动加速度赋予质量块惯性力，悬臂梁在惯性力的作用下产生弯曲变形。梁的变形在一定的频率范围内与振动体的加速度成正比。2，半导体应变计，1)压阻效应：半导体材料受到应力时电阻率发生变化的现象。事实上，任何材料徐璐以不同的程度表现出电阻效果，但是半导体材料的这种效果特别强

6、。对于半导体硅，L=(4080)10-11m2/N，E=1.671011N/m2，k0=LE50100。半导体电阻材料的敏感系数比金属线高5070倍。2)压力电阻传感器的特征优点：灵敏度很高，有时即使传感器的输出没有放大，也可以直接用于测量。例如，在测量压力时，分辨率高，例如可以测量1020Pa的微压力。测量元件的有效面积可以很小，所以频率响应很高。可以测量低频加速度和线性加速度。缺点：温度误差大，必须在温度补偿或恒温条件下使用。4.3电感传感器，电感传感器作为电磁感应工作。将位移等测量转换为触电量变化的装置。根据转换方法，可分为自感(包括可变磁阻和涡流)和互感(差动变压器)。1，磁感应传感器

7、(可变磁阻传感器)可变磁阻传感器磁感应L与气隙成反比，与气隙磁截面区域S0成正比。0空气磁导率；w线圈匝，1，气隙，L与非线性(双曲)关系。传感器的灵敏度S与气隙长度的平方成反比，越小，灵敏度S越高。此传感器适用于小位移测量，一般约为0.0011 mm。2，可变面积表达式，磁感L和S0是线性关系，此传感器灵敏度低。3，螺旋管，单螺杆线圈类型，芯在线圈中移动时，松弛发生变化，线圈磁感发生变化。该传感器结构简单，制造容易，但灵敏度低，适用于大位移(数毫米)测量。双螺旋线圈微分类型，具有比单螺旋线圈类型更高的灵敏度和线性性，测量范围为0300米，最小分辨率为0.5m。线圈电感L1，L2随铁芯位移而变

8、化。测量精度高，距离大。2，差动变压器传感器(互感)，3，涡流传感器，高频(MHz以上)励磁电流I适用于相邻金属板一侧的线圈，线圈产生的高频电磁场作用于金属板表面。在金属板表面的薄层内产生旋涡I，漩涡I再次产生反转磁场，反作用于线圈，引起线圈磁感L或线圈阻抗Z的变化。l的变化程度取决于线圈到金属板的距离、金属板的电阻率、电导率、激励电流I的大小和角度频率等。测量的位移量发生变化时，线圈和金属板之间的距离发生变化，线圈阻抗z的变化通过测量电路转换为电压输出。高频反射涡流传感器常用于位移测量。低频透射涡流传感器主要用于测量材料厚度。发射线圈1和接收线圈2分别放置在测试的材料G的上方和下方，低频(音

9、频范围)电压E1添加到线圈1的两端后，在周围空间产生交流电磁场，在测试的材料G产生涡流I。这个涡流失去了部分能量，减少了穿透2的磁力线，减少了2产生的感应电势E2。E2的大小与G的厚度和材料特性相关，实验和理论证明E2随着材料厚度H的增加而根据负金志洙定律减少。因此，可以根据E2的变化测量材料的厚度。4.4容量传感器，容量传感器是将测量(如大小、压力等)的变化转换为容量变化的传感器。，1，电容式传感器的工作原理和类型，常识表明，测量、A或更改时会发生电容变化。如果将这些参数中的两个保持不变，仅更改其他参数，则可以将这些参数的变化转换为单个容量变化，然后通过匹配的测量电路将容量变化转换为电信号输

10、出。根据电容器参数变化的特点，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型、介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用更广。1 .极距变化型电容式传感器在电容器中，如果阳极板复盖徐璐区域，并且极间介质保持不变，则容量和极距将成为非线性关系。阳极板在测量参数的作用下位移时，电容量的变化与灵敏度、灵敏度K与极距平方成反比，极距越小，灵敏度越高。通常，通过减小初始极距来提高灵敏度。由于电容C和极距是非线性关系，因此可能发生非线性误差。在实际应用中，经常使用差动容量传感器，以提高传感器的灵敏度，增加线性操作范围，克服电源电压、环境温度等外部条件的变化对测量精度的影响。2 .面积变化型电容式传感器面积变

11、化型容量传感器的工作原理是在测量参数的作用下改变极板的有效面积，有两种常用的角度位移型和线位移型。如果平板传感器的可移动极板稍微向极距方向移动，则可能影响测量精度。如上所述，面积变化型容量传感器的优点是输出和输入是线性关系，但是与极板变化型相比，灵敏度较低，适用于大角度位移和直线位移测量。3 .油田常数变化型容量传感器大部分用于测量油田介质的厚度、位移、水位，根据极板间介质的介电常数，可以根据温度、湿度、容量变化来测量温度、湿度、容量等。可变电常数容量传感器的结构原理，H，0固定极板之间的距离，极间高度和间距中空气的电常数X，hx，测量的水的厚度，测量的液面高度及其介电常数L，B，ax固定极板

12、长度，宽度和测量的物体进入极板的长度(测量值)。R1、R2内外极管的工作半径。容量传感器功能及应用主要优点3360 (1)输送能量小，灵敏度高。(2)电参数相对变化较大。(3)动态特性好。(4)能源损失小。(5)结构简单，适应性好。主要缺点：非线性对。应用，(1)电容测厚仪3360测量轧制过程中金属带材的厚度，在C1，C2操作极板和带材之间形成两个电容，总电容为C=C1 C2。金属条在轧制中厚度的变化会引起电容量的变化。可以检测回路以反映这些变化，并转换和显示条带的厚度。(2)电容式速度传感器，齿轮旋转时，电气容量周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号时，频率计显示的频率指示转速大小。如果将齿

13、数设定为z，频率设定为f，则旋转速度为：4.5压电传感器，压电传感器基于某些材料的压电效应，在外力作用下，这些材料的表面会产生电荷，从而实现从非电量到功率的转换。1，压电效应和压电材料1，压电效应和反向压电效应一些物质在特定方向施加力使其变形时，在特定表面发生电荷，外力去除后，又回到没有电的状态，这种现象称为压电效应。如果在这些物质的极化方向上施加电场，这些物质在一定方向上产生机械变形或机械应力，当外部电场退出时，这些变形或应力也随之消失。这种现象称为逆压效应。叫做电拉伸效果。明显表现压电效果的敏感功能材料称为压电材料。常用的压电材料是压电单晶，例如石英、酒石酸钾钠等。多晶压电陶瓷(如钛酸、钛

14、酸铅、镁酸铅等)也称为压电陶瓷。此外，聚乙烯(PVDF)是一种新型的高分子物理性能检测材料，广泛应用。(新型材料)，2，等价电路，压电元件等于电荷源Q和电容器C0平行的等价电路。也可以相当于电压源U和电容器C0的串行等效电路。由于不可避免地有电荷泄漏，在使用电压式传感器测量静态或准静态值时，必须采取措施使电荷通过压电元件测量电路的泄漏而减少到足够小的程度。进行动态测量时，电荷不断补充，可以给测量电路提供一定的电流，电压式传感器适合动态测量。3，压电元件常用的结构形式是在实际使用中，例如，仅用一个压电元件工作，生产足够的表面电荷需要很大的作用力，所以一般使用两个或更多压电元件的组合。压电元件具有

15、极性，因此有两种连接方法：并行连接和串行连接。并行连接：两个压电元件的阴极集中在中间极板上，正极连接在上下两侧，此时电容大，输出电荷大，适用于以输出测量慢信号和电荷的情况。串行连接：上极板为正极，下极板为负极，中间有一个元件的阴极与另一个元件的正极连接。此时传感器本身的电容器小，输出电压大，需要电压时适用。测量电路还需要高输入阻抗。4.5磁传感器，磁传感器的磁传感器元素对磁场敏感，能把磁物理量转换成电信号。磁感应零件有霍尔元件、磁感应电阻、磁感应等。一个、霍尔效应金属或半导体薄片被放置在磁场中，如果电流过时，则以垂直于电流和磁场的方向产生电动势。这种物理现象称为霍尔效应。第二，霍尔元件根据霍尔效应工作的半导体元件称为霍尔元件，霍尔元件使用了很多N型半导体材料。孔元素越薄(D越小)