第4章常用传感器.ppt

1、第四章 常用传感器,4.1 概 述 4.2 电阻传感器 4.3 电容传感器 4.4 电感传感器 4.5 磁电传感器 4.6 压电传感器 4.7 磁敏传感器 4.8 传感器选用原则,4.1 传感器概述,1. 传感器(Sensor)定义,传感器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。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。 狭义上，非电信号 电信号。,在非电量电测系统中的作用,敏感作用：感受并拾取被测对象的信号,变换作用： 被测信号转换成易于检测和处理 的电信号,将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。,获得传感器信号的两种方法,直接获得电信号的变化（开

2、关传感器）；,2. 传感器的分类,(1)按被测物理量分类 (2)按传感器元件的变换原理分类,位移传感器,流量传感器,温度传感器等.,电阻式,电容式,电感式,压电式,光电式等.,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型: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. 能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测.例如:超声波发生器和接受器.,(3)按传感器的能量传递方式分类,3. 传感器的性能要求,工作范围或量程应足够大，具有一定的过载能力 与检测系统匹配性好，转换灵敏度高 精度适当，稳定性高 反应速

3、度快，工作可靠性高 适应性和适用性强,4. 常见的被测物理量,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. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩,4.2 传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,4 稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。,按工作的原理可分为:,热敏式,电阻应变式,变阻器式,光敏式

4、,湿敏式,4.3电阻式传感器,1.可调电位器,为输出电压(V)； 为外加固定电压(V) ; 为材料的总电阻( ); 为固定端至滑块的电阻( ),2.应变式电阻传感器,丝式应变片,箔式应变片,(1).应变效应,导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。,传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。,应变片受力,应变,比例关系,比例关系,应变片电阻的变化,(2).工作原理,式中，导线的电阻率，又称为电阻系数,金属导线的应变电阻效应：,当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细

5、丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。,S由两部分组成：,前一部分(1+2)是由金属导线的几何变形引起的；,后一部分E除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。,：泊松系数，E:弹性模量，:纵向应变，:压阻系数,推导, 金属应变片（不变）, 半导体应变片（变化）,(3). 应变片的主要参数,1) 几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL 表示。 2) 电阻值：应变计的原始电阻值。 3) 灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4) 其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,(4).金属应变片,金属应变计有: 1、

6、丝式 2、箔式 3、薄膜式 优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小.,应变计,(5).半导体应变片,优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件. 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,应变计,体型,薄膜型,扩散型,立柱应力,桥梁应力,(6).应变式电阻传感器的应用,质量传感器,位移传感器,加速度计,压力传感器,压力传感器,转矩传感器,3.其他电阻传感器,(1).热电阻传感器,利用导电物体电阻率随本身温度变化而变化的温度电阻效应制成的传感器。,温度(热量)的变化电阻的变化,温度检测 :-200+500,(2).热敏电阻传感器,圆形热敏电阻,柱形热敏电阻,珠形热敏电阻,

7、热敏电阻在电路中的符号,非线性元件:它的温度-电阻关系是指数关系,温度为-50350,(3).光敏电阻传感器,(4).湿敏电阻传感器,4.4 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,1. 可变磁阻式(自感型),原理:电磁感应,W:线圈匝数； L1:软铁长度； 1：软铁磁导率； 0：空气磁导率 A1：铁芯导磁截面 A0：空气导磁截面,可变磁阻式传感器基本原理,1线圈 2. 铁芯 3. 衔铁,(1).间隙变化型,间隙变化型可变磁阻式传感器结构,当0 、A0固定不变，改变时，L与呈非线形（双曲线）关系，,L与的双曲线关系,传感器灵敏度：,(2).面积变化型

8、,面积变化型可变磁阻式传感器结构,当0 、 固定不变，改变A0时，L与A0呈线形关系，,传感器灵敏度,L与A0的线形关系,=常数,(3).螺线管型,当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而产生电感的变化。,(4).差动型,变间隙型差动变压器,输出特性,传感器灵敏度,2. 涡流式电感传感器,当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。,涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度t，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。,涡流式电感传感器可分为,1）高频反射式,2）低频投射式,原线圈的等效阻抗Z变化：,(1).高频反射式（集

9、肤效应）,高频反射式涡流传感器,(2).低频透射式（互感原理）,低频透射式涡流传感器,e2随材料厚度增加变化的规律,4.涡流式传感器的应用,案例：位移、振幅、轴心轨迹的测量,径向振动的测量,轴心轨迹的测量,其中，n为转轴的转速；f为脉冲频率；z为转轴上的槽数或齿数。,案例:转速的测量,案例： 测厚,案例： 零件计数,案例： 连续油管的椭圆度测量,原理：,案例： 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,3. 变压器式-差动变压器,工作原理:互感现象.,应用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度; 压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩, 应力,动力;气压,

10、温度;振动,速度,加速度;等.,4.5 电容式传感器,1. 变换原理,将被测物理量的变化转化为电容量变化。,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,当被测量、A或发生变化时，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。,2. 分类,a) 极距变化型,b)面积变化型:平面线位移型,角位移型, 柱面线位移型,3. 灵敏度,a) 极距变化型,传感器的灵敏度近似为：,变极距电容传感器,平板电容器,传感器灵敏度,b)面积变化型,a)直线位移型,直线位移型,b)角位移型,传感器灵敏度,角位移型,c)介质变化型,介质常数变化型电容式传感器,大

11、多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c),根据极板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(图d)等 。,4.电容式传感器的应用,振动测量,旋转轴的偏心量的测量,电容式氢液高度传感器,纱条均匀度测试仪,4.6 压电传感器,1. 变换原理,某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,压电效应,式中，q为电荷量；D为压电常数，与材质及切片方向有关；F为作用力。,q=DF,ea：开路电压； q:压电晶片表面上的电荷； Ca 为压电晶片的电容。,2. 测

12、量电路,压电式传感器输出电荷q很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：,(1) 放大微弱的压电信号,(2) 进行阻抗匹配,电压放大器,电荷放大器,(1).主要作用,放大器的输入电压：,系统的输出电压为：,系统的灵敏度为：,当电缆长度变化时，Cc变化， ei变化，系统的灵敏度发生变化，此时测试比较困难,(2).电压放大器,qqt+qf= ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf= eiC+ (ei-ey)Cf,ei=(q+eyCf)/(C+Cf),推导,(3).电荷放大器,3. 压电传感器的应用,压力变送器,加速度计，力传感器,压电式压力传感,压电式压力传感器特性,阻抗头的结构原

13、理图,阻抗头的安装结构,4.7 磁电传感器,1. 变换原理,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。,2. 分类,3. 动圈式传感器,l:每匝线圈的平均长度；B:线圈所在磁场的磁感应强度； A:每匝线圈的截面积； :线圈运动方向与磁场方向的夹角； k:传感器的结构系数。,4. 磁阻式传感器,5. 磁电传感器的应用,测速电机,磁电式测速传感器,4.7.2 磁敏传感器,1.半导体霍尔元件,霍尔效应,当半导体中流过一个电流时，若在与该电流垂直的方向上外加一个磁场，

14、则在与电流及磁场分别成直角的方向上会产生一个电压。这种现象也称为霍尔效应 。,霍尔效应原理图,半导体霍尔元件的结构,半导体磁敏电阻,半导体磁敏电阻的结构(蛇形元件),利用磁场造成的电流偏转使元件阻抗增加这种特点制成的双端磁敏传感器。,磁性体磁敏电阻,利用强磁材料的磁场异向性制成的磁敏元件。,磁性体磁敏电阻的结构,电磁感应型磁敏传感器,原理：,范围：,法拉第电磁感应定律,只能检测交流磁场，不能检测直流磁场,电磁感应型磁敏传感器,2. 磁敏传感器的应用,电流计,磁感应开关,磁敏电位器,霍尔电动机,纸币及预付卡识别设,卡形电流计的结构,霍尔电动机的结构示意图,霍尔电动机等效电路,4.8光电式传感器,

15、光电式传感器的概念：光电式传感器是以光电元件作为转化元件，可以将被测的非电量通过光量的变化再转化成电量的传感器。 光电式传感器一般由光源、光学元件和光电元件三部分组成。 光电式传感器的物理基础是光电效应。 种类：光电、光纤、光栅、激光、电荷耦合器件（CCD）,光电效应,外光电效应：在光线作用下能使电子逸出物体表面 基于外光电效应的器件 . 光电管、光电倍增管 内光电效应之一(光电导效应) 内光电效应之二(光生伏特效应) 基于内光电效应的器件 . 光敏电阻 . 光敏晶体管,1. 外光电效应 在光线照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应，也叫光电发射效应。 其中，向外发射的电子称为光

16、电子，能产生光电效应的物质称为光电材料。,外光电效应器件 ：光电管 光电管的结构：,工作原理：光照在阴极光敏材料上，电子逸出，形成空间电子流，在外电路形成电流，电流的大小与光强成函数关系,光电倍增管, 光电倍增管的结构, 光电倍增管的工作原理,光电倍增管是利用二次电子释放效应，将光电流在管内部进行放大。 所谓的二次电子是指当电子或光子以足够大的速度轰击金属表面而使金属内部的电子再次逸出金属表面，这种再次逸出金属表面的电子叫做二次电子。,外光电效应器件的应用 烟尘浊度监测仪,2. 路灯光电控制器,2. 内光电效应 在光线照射下，物体内的电子不能逸出物体表面，而使物体的电导率发生变化或产生光生电动

17、势的效应称为内光电效应。 内光电效应分为： 光电导效应、光生伏特效应,（1） 光电导效应,在光线作用下，电子吸收光子能量后而引起物质电导率发生变化的现象称为光电导效应。,1） 光敏电阻,光敏电阻的结构,光敏电阻的工作原理：光照引起电阻改变,2） 光敏二极管 光敏二极管的结构,光敏三极管 光敏三极管结构：,3）光电导器件的应用,灯光亮度自动控制器,光控闪烁安全警示灯,测光器,（2） 光生伏特效应 在光线照射下，半导体材料吸收光能后，引起PN结两端产生电动势的现象称为光生伏特效应。,PN结产生光生伏特效应：,补充：其它常见的传感器,光栅 激光 光纤,光栅式传感器,- 等节距的透光和不透光的刻线均匀

18、相间排列构成的光学元件,物理光栅：,计量光栅：,利用光的衍射现象分析光谱、测定波长,利用光的莫尔条纹现象测量精密位移,长光栅 - 直线位移；圆光栅 - 角位移,构成：主光栅 - 标尺光栅，定光栅；指示光栅 - 动光栅,长度 - 测量范围；刻线密度 - 测量精度 ( 10、25、50、100、125线/mm ),(1) 莫尔条纹（Moire）,条纹宽度：,W-栅距， a-线宽， b-缝宽,W=a+b ，a=b=W/2,特例：当 =0, w1=w2 B= 光闸莫尔条纹 当 =0, w1w2 纵向莫尔条纹,莫尔条纹特性：,方向性：垂直于角平分线，当夹角很小时 与光栅移动方向垂直 同步性：光栅移动一个

19、栅距 莫尔条纹移动一个间距一方向对应 放大性：夹角很小 BW 光学放大 提高灵敏度 可调性：夹角 条纹间距B 灵活 准确性：大量刻线 误差平均效应 克服个别/局部误差 提高精度,(2) 光栅传感器分类与结构原理,按运动形式分： 直线型-主光栅为直尺形直线移动 旋转型-主光栅为圆盘形旋转运动,按光学形式分： 透射式-光源与光电元件在两侧透射光 反射式-光源与光电元件同一侧反射光,(3) 光栅传感器特点,精度高：测长(0.2+210-6L)m，测角0.1 量程大：透射式-光栅尺长（米），反射式-几十米 响应快：可用于动态测量 增量式：增量码测量 计数 断电数据消失 要求高：对环境要求高温度、湿度、

20、灰尘、振动、移动精度 成本高：电路复杂,激光测距系统,3）激光三角法,- 大范围远距离测距（几千/几十千米）,1）脉冲测距法,2）相位差测距法,测量精度：时间间隔测量精度（脉冲窄、响应速度快）,远距离 - 固体/二氧化碳；近距离 - 半导体,巨脉冲激光器 - 地球月球距离（分辨力：1m）,激光束调制 - 相位差 - 时间 - 距离,距离,特点：测量精度高、分辨力强,原理：,y = f (x),Keyence 激光测距传感器,特点： 非接触、不易划伤表面、结构简单、测量距离大、 抗干扰、测量点小（几十微米）、测量准确度高,精度：光学元件本身的精度、环境温度、激光束的光强和直径大小以及被测物体的表

21、面特征,光纤传感器,光纤最早在光学行业中用于传光和传象，在70年代初生产出低损耗光纤后，光纤在通信技术中用于长距离传递信息。 由于光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中的传播时表征光波的特征参量（振幅、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力、磁场、电场、位移等）的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用作传感器元件来探测各种待测量（物理量、化学量和生物量），这就是光纤传感器的基本原理。,光纤传感器在易燃易爆场合的应用,光纤传感器在高电压、强电磁场干扰场合的应用,一、光纤结构,n纤芯n包层,二、光纤的种类,按材料分： 玻璃光纤 塑料光纤 石英光纤,按折射率分布分： 阶跃型光纤 梯度型光纤 特种光纤 保偏光纤 图像传输光纤 液芯光纤,按模式分： 单模光纤 多模光纤,光纤传光原理 全反射,n1 n2 入射角（临界角）,三、光纤传感器的原理,光纤传光与数值孔径(NA:Numerical Aperture),光纤传感器的原理,光纤传感器与电类传感器对比,从对比可见光纤传感器与电类传感器是并行互补的一类新型传感器,光纤传感器所用器件,光源：要求体积小、功率大、波长合适、工作稳定 相干光：半导体激光器等 非相干光：发光二极管、白炽灯等 探测器：灵敏度好、响应快、线性好 光电二极管、光电倍增