第三章传感器PPT课件

1、第二节 机械式传感器 敏感组件： 弹性体 输入：力，压力，温度等 输出： 弹性组件本身的变形 特点： 简单、可靠、使用方便，价低， 读 数直观；但固有频率低 弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象 适宜： 检测缓变或静态被测量 敏感元件：直接感受被测物理量弹性后效是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产生类似蠕动的位移蠕变：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第1页/共62页第2页/共62页微型探测开关可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等第3页/共62页第三节 电阻式传感器一、变阻器式传感器位移电阻变化 AlR被测量 - 电阻变化转化为电阻传感器 变阻器式 电阻

2、应变式 直线位移型传感器 角位移型传感器 非线性型 金属电阻应变片 半导体应变片 丝式 箔式 第4页/共62页直线位移型 灵敏度： 常lkdxdRs输入：x(位移) 输出：R(电阻) 测：直线位移 角位移型 常kddRs输入：角位移 输出：阻值R 测：角位移 非线性型 骨架按要求定 第5页/共62页若被测量： )(xf要求： 2)(kxxf为使输出的阻值： 2)()(ckxxcfxR骨架当触点在x处时： xkcxdxxrxR02)()()(xr：任一位置微小区间内的电阻 ( )2r xkcxKx所以:骨架形状应为三角形 第6页/共62页后接电路：电阻分压电路0()(1)ypPLpuuxRxxR

3、xPLRR 0ypuuxx时 m20变阻器式传感器的优点： 简单、性能稳定、使用方便缺点：分辨力低，20微米， 噪音较大应用：测线位移，角位移 第7页/共62页 应用案例1：重量的自动检测-配料设备设定值原材料 比较电阻式传感器原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化第8页/共62页二电阻应变式传感器 应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等 特点：体积小、动态响应快、精度高、使用方便（一）金属电阻应变片传感器 工作原理：应变片发生机械变形时引起电阻值变化应变片工作时：粘固在被测物表面上或弹性体上丝式 箔式 丝式：康铜或镍铬合金直径0.025mm第9页/共62页几何参数：栅长L

4、和栅宽b，制造厂常用bL表示。第10页/共62页第11页/共62页箔式：线条均匀，尺寸准确，粘结情况好， 传递试件应变性能好 工作原理： AlRdRdAARdllRdRrA2drldrrldlrdR2322)2(drdrldlR)21 (ER弹性模量ldlldlrdrEd纵向应变 电阻丝泊松比压阻系数与材质有关第12页/共62页灵敏度： 常21/ldlRdRRdRSg Sg=1.73.6 )21 ( ：是由电阻丝几何尺寸变化所引起的E：是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的 )21 ( RdR对于电阻丝：)21 (ERdR 金属应变片有： 丝式、箔式 优点： 稳定性和温度特性好 缺点： 灵敏度

5、系数小第13页/共62页（二）半导体应变片工作原理：半导体材料的压阻效应压阻效应：单晶半导体材料在 沿某一轴向受到外力作用时， 其电阻率 发生较大变化 )21 (RdR对半导体： )21 ( 很小，可略去 RdR灵敏度： RdRSg/较金属丝电阻应变片大5070倍 第14页/共62页金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：前者利用导体形变引起阻值的变化，后者利用半导体电阻率变化引起阻值的变化。 半导体应变片优点： 灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小 缺点：温度稳定性差，灵敏度分散度大（晶向、杂质 等因素影响），非线性误差大（三）电阻应变式传感器的应用 1.直接测结构的应变或应力2.将应

6、变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、加速度等弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由 转变为的变化 ，再由后续电路转变为电压的变化R第15页/共62页第16页/共62页第17页/共62页RdR注意：1）应变片的粘接 2）温度的影响，温度补偿 3）用于动态测量时，要注意应变 片的上限测量频率 第18页/共62页应用案例1：桥梁固有频率测量原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。第19页/共62页案例案例2 2：电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。第20页/共62页 应变片有如下的优点：应变

7、片有如下的优点： . .测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测1 122，误差小于，误差小于1 1。. .应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对应变片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量态测量. .测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变形范围可从1 12 2。. .适应性强。可在高温、超

8、低温、高压、水下、强磁场以及核辐射适应性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。等恶劣环境下使用。. .便于多点测量、远距离测量和遥测。便于多点测量、远距离测量和遥测。. .价格便宜，品价格便宜，品种多，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量各种物理量。种多，工艺较成熟，便于选择和使用，可以测量各种物理量。第21页/共62页第四节 电感式传感器一、 自感型(一) 可变磁阻式原理： 线圈自感量： mRWL2电感式传感器 自感型(L): 可变磁阻式 涡电流式 互感型(M): 第22页/共62页当 较小，且不考虑磁路的铁损，002AAlRm因： 铁心磁阻 空气隙的磁阻002

9、ARm2002AWL 灵敏度 常数20022AWddLS所以存在线性误差 时： 故： 当固定 ，改变 0A变 L 变 位移传感器 变化过程： 机械量 变 L 变 1 . 00第23页/共62页此传感器适： 测较小位移，约为 0.0011 mm其它几种常用的可变磁阻式传感器： 1.面积变化型机械量 LAx02002AWL 常202WdAdLSS: 较低 第24页/共62页2. 差动型：初始状态：x=000020210212AwLLL 当 x)(200021xAwL)(200022xAwL 将两线圈接于电桥的相邻桥臂，输出灵敏度 提高一倍，并改善了线性特征 004URRUy002URRUy差动连接

10、：第25页/共62页3. 单螺管型：灵敏度低 适：较大位移（数毫米）测量4双螺管线圈差动型：较单螺管型灵敏度 提高一倍， 较好的线性, 测量范围:0300 , 分辨力: 0.5 mm第26页/共62页(一) 涡电流式传感器涡电流效应：变换原理：金属导体在交变磁场中的涡电流效应影响高频线圈阻抗 Z 、自感L的因素1.线圈与金属 2. 金属板的 3.金属板的 4.线圈激磁板间距离 电阻率 磁导率 圆频率 w测：位移 振动 厚度测：材质 探伤 第27页/共62页测量电路： 阻抗分压式调幅电路： 变电感 L 变电压u变 第28页/共62页调频电路： 变电感 L 变 转化为电压 u的变化 振荡器 f 变

11、 涡电流传感器的特点： 动态非接触测量范围:1mm 10 mm 分辨力：1 m简单，使用方便，不受油液等介质的影响； 应用：位移，振动，测厚，探伤，材质鉴别，径向摆动，回转轴误差，转速，零件计数，表面裂纹，缺陷等；第29页/共62页二、互感型差动变压器式电感传感器工作原理：电磁感应中的互感现象 感应电动势： dtdiMe112M：互感系数（ H ）M:大小与相对位置，介质的导磁能力， 线圈形状、大小、匝数有关 表明：两线圈之间的耦合程度； 螺管型差动变压器传感器第30页/共62页1.工作原理：2. 测量电路：注意：零点残余电压的补偿；位移正负的判断：相敏检波 3. 特点：精度高，可达0.1 m

12、 线性范围大: 达 100 m稳定性好，使用方便 4.适于：测直线位移，压力，重量等 螺管型差动变压器传感器第31页/共62页一、变换原理:被测量电容量的变化 （一）极距变化型 1. 工作原理： dAdc20灵敏度： 20Addcs S 存在线性误差，故一般： 1 . 00(3). 实际应用时：差动式第五节 电容式传感器Ac0固定 A，变 极距变化型 固定 ，变 A 面积 固定 A，变 介质 第32页/共62页2.特点： 非接触动态测量,灵敏度高,测较小位移（达0.01 ) m线性误差，杂散电容对灵敏度及测量精度的影响，电子线路复杂；(二) 面积变化型 角位移型 平面线位移型 圆柱体线位移型2

13、,2202rcrA常220rddcsbxc0常bdxdcs0)/ln(20dDxc常)/ln(20dDdxdcs第33页/共62页面积变化型传感器的特点： 常输入输出 灵敏度较低 适：较大直线位移及角位移的测量 (三) 介质变化型 变 C 变 可测：材料的厚度，温度，湿度,液位高度的测量第34页/共62页二、测量电路1.电桥型电路2. 直流极化电路第35页/共62页3. 谐振电路：4. 调频电路第36页/共62页5. 运算放大器： xyCCuu00ACuuy000第37页/共62页 应用电容式传感器 案例1：电容传声器 案例2:转速测量第38页/共62页第六节 压电式传感器 可逆型换能器: 机

14、械能 电能 应用：力，压力，加速度的测量 工作原理：某些物质的压电效应 一. 压电效应压电效应 逆压电效应压电材料：石英，钛酸钡等第39页/共62页zz: 光轴xx: 电轴 yy: 机械轴电荷量： Fdqccd：压电系数，与材质与切片方向有关 F：作用力 第40页/共62页二、压电式传感器极其等效电路压电传感器：电荷发生器，又是一个电容器Ac0压电传感器宜：动态测量实际使用时芯片的连接 ：并联：电容大，电荷量 大，时间常数大； 适：缓变信号 串联：电容小，输出 电压大； 适：以电压输出 第41页/共62页压电芯片及等效电路：cC：电缆寄生电容 0R：后续电路的输入 阻抗和传感器中的漏 电阻所形

15、成的泄漏电阻；三、测量电路前置放大器 的作用 1.将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出 2.放大传感器输出的电信号 第42页/共62页不同前置放大器的特点： 电压放大器：受电缆电容影响较大，影响灵敏度； 电荷放大器：受电缆电容影响较小，灵敏度无明显变 化，但电路复杂，价高；压电式传感器的应用: 测力、压力、振动的加速度fycq0第43页/共62页产品压力变送器加速度计力传感器 压电式传感器 第44页/共62页第七节 磁电式传感器 被测物理量 感应电动势 原理：感应电动势 dtdWeW：线圈匝数 ：磁通量 影响磁通量 的因素 1.磁场强度 2.磁路磁阻 3.线圈的运动速度磁阻式 动圈式 磁电式传感

16、器 动圈式 磁阻式 角速度型 线速度型 第45页/共62页一. 动圈式1.线速度型感应电动势： sinWBlve :Bv,时当090WBlve ve 惯性式速度计 2. 角速度型感应电动势： kWBAe 转速测量 当结构一定， W ,B, A 为常数时e第46页/共62页动圈式磁电传感器测量电路：当 0ZRL， 且不使用特别加长电缆时： euL: 负载电阻 LR0Z: 线圈阻抗 0011ZCjZZeucLL第47页/共62页二. 磁阻式传感器工作原理：线圈与磁铁无相对运动，由运动着的物体 （导磁材料）来改变磁路的磁阻，引起磁力 线的增强与减弱，线圈中产生感生电动势。应用：测频数，转速，偏心测量

17、，振动测量特点：简单，方便第48页/共62页应用b) 测速电机a)磁电式车速传感器磁电式传感器 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。 第49页/共62页第八节 半导体传感器利用：半导体对光、热、力、磁、气体、温度等的敏感一. 磁敏传感器 霍尔组件，磁阻组件，瓷敏管等(一) 霍尔组件霍尔效应：第50页/共62页运动电荷受磁场中洛兰兹力的作用：BvqF霍尔电场： siniBkVHHHk：霍尔系数，决定于材质，温度，尺寸； :Bi, 霍尔组件的应用：测位移，微压，压差，加速度，振动

18、等第51页/共62页霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图:3.7 半导体敏感元件传感器 霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm2mm0.1mm)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。 第52页/共62页第53页/共62页3.7 半导体敏感元件传感器 应用 从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1 VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；1、位移传感器第54页/共62页半导体敏感元件传感器 2、测速传感器第55页/共62页3、管道裂纹检测半导体敏感元件传感器 原理磁场强度变化检测第56页/共62页4、汽车速度