2020_第四章_常用传感器原理及应用ppt课件

1、青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 本章学习要求：本章学习要求： 1 1、了解传感器的分类、了解传感器的分类 2 2、掌握常用传感器测量原理、掌握常用传感器测量原理 3 3、了解传感器测量电路、了解传感器测量电路第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 1 1、传感器定义、传感器定义 传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。种信息的装置。 引引 言言 目前，传感器转换后的信号多为电信号，故从狭义上目前，传感器转换后的信号多为电信号，故从狭义上讲，传感器是把

2、外界输入非电信号转换成电信号的装置讲，传感器是把外界输入非电信号转换成电信号的装置.青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用物理量物理量电量电量 2 2、传感器的构成、传感器的构成 由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件用于感受被测由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件用于感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件对敏感器件物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件对敏感器件输出电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入输出电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入. .V青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应

3、用常用传感器原理及应用 3 3、传感器的分类、传感器的分类 1) 1)按被测物理量分类按被测物理量分类 常见的被测物理量常见的被测物理量 机械量机械量: :长度、厚度、位移、速度、加长度、厚度、位移、速度、加速度、旋转角、转数、质量、分量、力、压速度、旋转角、转数、质量、分量、力、压力、真空度、力矩、风速、流速、流量。力、真空度、力矩、风速、流速、流量。 声：声压、噪声。声：声压、噪声。 磁：磁通、磁场。磁：磁通、磁场。 温度：温度、热量、比热。温度：温度、热量、比热。 光：亮度、颜色。光：亮度、颜色。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应

4、用 2) 2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类 机械式，电气式机械式，电气式( (电阻应变式，电感式，电容式，压电阻应变式，电感式，电容式，压电式等电式等), ), 光学式等。光学式等。 3按被测量和工作原理联合分类 电阻应变式力传感器、电感式位移传感器、压电式加电阻应变式力传感器、电感式位移传感器、压电式加速度传感器等。速度传感器等。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实物性型：依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换，如水银温度计。现信号变换，如水银温度计。 结构型：依靠

5、传感器结构参数的变化实现信号转变，结构型：依靠传感器结构参数的变化实现信号转变，如如: :电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器. . 4 4按信号变换特征按信号变换特征青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 能量转换型和能量控制型。能量转换型和能量控制型。 能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作，例能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作，例如，热电偶温度计如，热电偶温度计, ,压电式加速度计。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

6、变片。供给能量的变化，例如，电阻应变片。 5) 5)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 （1 1集成化集成化 传感器本身的集成化：传感器本身的集成化：CCDCCD器件器件 传感器与后续电路的集成化：频率输出型单块集成压传感器与后续电路的集成化：频率输出型单块集成压力传感器力传感器 （2 2多维化多维化 单光电探测器单光电探测器 辐射光功率的大小辐射光功率的大小 一维与二维光电探测器一维与二维光电探测器 入射光点的位置入射光点的位置 4 4、传感器技术的发展、传感器技术

7、的发展 （3 3微传感器微传感器 基于基于MEMSMEMS技术的新型传感器，其敏感元件尺寸为技术的新型传感器，其敏感元件尺寸为0.1m0.1m100m100m。微传感器不是传统传感器按比例缩小。微传感器不是传统传感器按比例缩小的产物，其理论基础、结构工艺、设计方法等有许多自的产物，其理论基础、结构工艺、设计方法等有许多自身的特殊现象和规律。身的特殊现象和规律。单元单元线阵线阵阵列阵列青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 （4 4智能化智能化 智能传感器一种将普通传感器与微处理器一体化，兼智能传感器一种将普通传感器与微处理器一体化，兼有检

8、测和信息处理功能的新型传感器，集信息采集，信有检测和信息处理功能的新型传感器，集信息采集，信息的记忆、区分、存储、处理于一体。息的记忆、区分、存储、处理于一体。 （5 5网络化传感器网络化传感器 网络化传感器是在智能传感器基础上，把网络化传感器是在智能传感器基础上，把TCPTCPIPIP协协议作为一种嵌入式应用，嵌入现场智能传感器的议作为一种嵌入式应用，嵌入现场智能传感器的ROMROM中，中，从而使信号的收、发都以从而使信号的收、发都以TCPTCPIPIP方式进行。方式进行。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用第一节第一节 电阻式传感

9、器电阻式传感器 电阻式传感器：是把被测量转换为电阻变化的一种传电阻式传感器：是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。感器。 按工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式、热敏按工作的原理可分为：变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式。式、光敏式、电敏式。 1 1、变阻器式传感器、变阻器式传感器青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 （1 1等效电路分析等效电路分析 L L变阻器总长变阻器总长 xx电刷移动量电刷移动量 RLRL总电阻总电阻 RxRx电刷电阻电刷电阻xLEE111LxRLEx L EExRE 0LExE1青岛大学机电工程学院

10、青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用VRmEE1RxR-RxmxmxmxmxxRRRRRRRRRREE1 考虑负载效应，有考虑负载效应，有)1 (1LxRRxLEEmRx/Rm0LE理想理想实践实践青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 （2 2变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数 1 1线性线性( (或曲线的一致性或曲线的一致性) )；2 2分辨率；分辨率；3 3整个电整个电阻值的偏差；阻值的偏差；4 4移动或旋转角度范围；移动或旋转角度范围；5 5电阻温度系电阻温度系数；数；6 6寿命

11、；寿命； （3 3变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类 1按测量类型按测量类型 单圈电位器单圈电位器 多圈电位器多圈电位器 直线滑动式电位器直线滑动式电位器青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 2 2按制作方式按制作方式 线绕电位器线绕电位器 导电塑料电位器导电塑料电位器普通塑料基底普通塑料基底导电材料粉导电材料粉青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 变阻器式传感器产品变阻器式传感器产品青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及

12、应用 案例：重量的自动检测案例：重量的自动检测-配料设备配料设备 比较重量设定重量设定原材料原材料原理：弹簧原理：弹簧力力位移位移电位器电位器电阻电阻青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 案例：煤气包储量检测案例：煤气包储量检测煤气包煤气包钢丝钢丝原理：钢丝原理：钢丝收线圈数收线圈数电位器电位器电阻电阻青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 案例：玩具机器人广州中鸣数码）案例：玩具机器人广州中鸣数码）原理：电机原理：电机转角转角电位器电位器电阻电阻青岛大学机电工程学院青岛大学机电工

13、程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用第二节第二节 电阻应变式传感器电阻应变式传感器 电阻应变片工作原理是基于金属导体电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即外力的应变效应，即外力金属导体机械变金属导体机械变形形( (伸长或缩短伸长或缩短)电阻值变化。电阻值变化。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 一、金属电阻应变片一、金属电阻应变片 电阻丝：一般采用直径为电阻丝：一般采用直径为0.025mm左右的康铜左右的康铜(含含57%Cu、43%Ni)或镍铬合金或镍铬合金(含含80%Ni、20%Cr)丝，丝，敏感栅

14、粘贴在基片和覆盖层之间，由引线接出。敏感栅粘贴在基片和覆盖层之间，由引线接出。 l 称为应变片的基长，称为应变片的基长，b 称为基宽，称为基宽， lb 称为应变片称为应变片的使用面积。应变片的阻值系列有的使用面积。应变片的阻值系列有60、120、350、600、1000，以，以120为最常用。应变片的规格一般用使用为最常用。应变片的规格一般用使用面积和电阻值表示，例如面积和电阻值表示，例如,（310)mm，120。 常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。常见的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。丝式应变片的主要结构丝式应变片的主要结构 做成栅状的电阻丝做成栅状的电阻丝(敏感栅敏感栅) 绝缘基片绝缘

15、基片 覆盖层覆盖层 1、丝式应变片、丝式应变片青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用应变计 金属应变片金属应变片青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属箔式应变片是通过光刻、腐蚀等工艺制成很薄的金属箔栅，厚度一般在箔栅，厚度一般在0.003mm0.01mm之间。可根据需之间。可根据需要制成任意形状。它的线条均匀、尺寸准确、散热好、要制成任意形状。它的线条均匀、尺寸准确、散热好、易粘贴、适于大批量生产，已逐渐取代丝式应变片。易粘贴、适于大批

16、量生产，已逐渐取代丝式应变片。 3、金属电阻应变片的工作原理、金属电阻应变片的工作原理 把应变片粘贴在弹性敏感元件或需要测量变形的试件把应变片粘贴在弹性敏感元件或需要测量变形的试件表面上。受到外力作用，电阻丝随着一起变形，引起电表面上。受到外力作用，电阻丝随着一起变形，引起电阻值发生变化。这样，将被测量转换为电阻变化。阻值发生变化。这样，将被测量转换为电阻变化。 2、箔式应变片、箔式应变片青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 工作原理：工作原理： 金属丝的原始电阻：金属丝的原始电阻：ALRLdLLdL纵向应变纵向应变rdr横向应变横向应

17、变LdLrdr 微分dALdAALdLAdR2泊松比泊松比dAdALdLRdR 电阻的相对变化：电阻的相对变化：青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用KRdRdrdrLdLRdR2由于由于2rArdrdA2dRdR)21 (21RdRLdLRdRK=常数常数dRdRK)21 (令令0灵敏度一般在灵敏度一般在1.73.6左右。金属应左右。金属应变片的灵敏度较低，但温度稳定性好，变片的灵敏度较低，但温度稳定性好，用于测量精度要求较高的场合用于测量精度要求较高的场合.称为金属丝的应变称为金属丝的应变系数或灵敏度系数或灵敏度青岛大学机电工程学院青

18、岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 二、半导体应变片二、半导体应变片 压阻效应：半导体单晶材料在沿某一方向受到外压阻效应：半导体单晶材料在沿某一方向受到外力作用时，电阻率会发生相应变化的现象。力作用时，电阻率会发生相应变化的现象。 压阻效应的产生原因：半导体单晶在外力作用下压阻效应的产生原因：半导体单晶在外力作用下，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率和载，原子点阵排列规律发生变化，导致载流子迁移率和载流子浓度变化，从而导致电阻率的变化。流子浓度变化，从而导致电阻率的变化。 半导体应变片的工作原理就是基于压阻效应。半导体应变片的工作原理就是基于压阻效

19、应。 制作程序：由单晶硅、锗一类半导体材料经切型制作程序：由单晶硅、锗一类半导体材料经切型、切条、光刻腐蚀成形，然后粘贴而成。、切条、光刻腐蚀成形，然后粘贴而成。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 优点：灵敏度高，比金属应变片高优点：灵敏度高，比金属应变片高50705070倍，体积小倍，体积小. . 缺陷：温度稳定性和线性不如金属应变片。缺陷：温度稳定性和线性不如金属应变片。对于半导体应变片，对于半导体应变片，该项很小，可忽略该项很小，可忽略EdRdRdRdR)21 ( 半导体应变片受力后的电阻相对变化也可表示为：半导体应变片受力后的

20、电阻相对变化也可表示为：灵敏度为：灵敏度为： ERdRK弹弹性性模模量量正应力正应力压压阻阻系系数数青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用VER1R2R3R4 电桥电路电桥电路 三、转换电路三、转换电路力力 应变应变 电阻变化电阻变化 电流或电压电流或电压？青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 四、电阻应变片的应用四、电阻应变片的应用青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 标准产品标准产品青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学

21、院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 案例：桥梁固有频率测量案例：桥梁固有频率测量青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 案例：电子称案例：电子称原理：将物品重量通过悬臂梁转化原理：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结构变形，再通过应变片转化为电量输出。量输出。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 案例：冲床生产记数和案例：冲床生产记数和生产过程监测生产过程监测青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感

22、器原理及应用 案例：机器人握力测量案例：机器人握力测量青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 案例：振动式地音入侵探测器案例：振动式地音入侵探测器 适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。破等破坏行为均可及时发现。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 电感式传感器是基于电磁感应原理，把被测量转化为电感式传感器是基

23、于电磁感应原理，把被测量转化为电感量的一种装置。电感量的一种装置。电感式传感器分类电感式传感器分类第三节第三节 电感式传感器电感式传感器 优点：灵敏度高能测优点：灵敏度高能测0.1m的位移）、线性较好的位移）、线性较好(非非线性误差线性误差0.1%)、输出功率大等。、输出功率大等。 缺陷：频率响应较低；测量范围越大，分辨率越低。缺陷：频率响应较低；测量范围越大，分辨率越低。自感式自感式互感式互感式可变磁阻式可变磁阻式涡流式涡流式青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 一、一、 自感式传感器自感式传感器002AAlRm 由于由于很小，可认为

24、气隙磁场是均匀很小，可认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为：的，若忽略磁路的铁损，则总磁阻为： 1 1、变气隙式、变气隙式 变气隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕变气隙式自感传感器由线圈、铁心和衔铁三部分组成。线圈绕在铁心上在铁心上,衔铁和铁心间有一气隙衔铁和铁心间有一气隙 。线圈线圈铁芯铁芯衔铁衔铁 分为变气隙式、变面积式、螺旋管式三类。分为变气隙式、变面积式、螺旋管式三类。 线圈自感量线圈自感量L为：为：mRNL2线圈匝数线圈匝数磁路总磁阻磁路总磁阻铁芯导磁长度铁芯导磁长度铁芯磁导率铁芯磁导率铁芯截面积铁芯截面积空气磁导率空气磁导率气隙长度气隙长度气隙截面积气

25、隙截面积青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用这种传感器适用于较小位移这种传感器适用于较小位移的 测 量 ， 测 量 范 围 约 在的 测 量 ， 测 量 范 围 约 在0.0011mm左右。左右。002AAlRm002ARm由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略由于铁心磁阻与气隙相比要小得多，可以忽略2002ANL dANdL20022 传感器灵敏度：20022ANK青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 2 2、变面积式、变面积式 3、螺管式、螺管式 特点：灵敏度比变气隙型的低

26、，但其灵敏特点：灵敏度比变气隙型的低，但其灵敏度为一常数，因而线性度较好，量程范围可度为一常数，因而线性度较好，量程范围可取大些，自由行程可按需要安排，制造装配取大些，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便，因而应用较为广泛。也较方便，因而应用较为广泛。铁芯铁芯线圈线圈衔铁衔铁 原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相原理：气隙长度不变，铁心与衔铁之间相对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致对而言覆盖面积随被测量的变化而改，导致线圈的电感量发生变化。线圈的电感量发生变化。铁芯铁芯线圈线圈 原理：衔铁随被测对象移动，线圈原理：衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈磁力线路径上的磁阻

27、发生变化，线圈电感量也因此而变化。电感量也因此而变化。 特点：灵敏度更低，但测量范围大特点：灵敏度更低，但测量范围大，线性也较好，同时自由行程可任意，线性也较好，同时自由行程可任意安排，制造装配方便，应用较广泛。安排，制造装配方便，应用较广泛。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 以上三类自感式传感器在实际应用时，一般由两单一以上三类自感式传感器在实际应用时，一般由两单一结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结结构对称组合，构成差动式自感传感器。采用差动式结构可改善非线性，提高灵敏度，对电源电压及温度变化构可改善非线性，提高灵敏

28、度，对电源电压及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高传感器的稳定性。等外界影响也有补偿作用，从而提高传感器的稳定性。 差动式电感传感器差动式电感传感器 (a) 变间隙型变间隙型 (b) 变面积型变面积型 (c) 螺管型螺管型 1线圈线圈 2 铁芯铁芯 3 衔铁衔铁 4 到杆到杆(a)(b)(c)青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 二、差动变压器式传感器二、差动变压器式传感器 差动变压器式传感器是把被测量的变化转换成互感系数差动变压器式传感器是把被测量的变化转换成互感系数M M的变的变化。传感器本身是互感系数可变的变压器。因为它是基

29、于互感变化。传感器本身是互感系数可变的变压器。因为它是基于互感变化的原理，故也称为互感式传感器。化的原理，故也称为互感式传感器。EwEoutEW1EW2WW1W2Esx-x输出电压输出电压Eout=EW1-EW2Eout=EW1-EW2，当铁，当铁芯在中央位置时，芯在中央位置时，EW1=EW2 EW1=EW2 。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用单螺管线圈型单螺管线圈型螺管线圈差动螺管线圈差动双螺管线圈差动型传感器测量电路双螺管线圈差动型传感器测量电路青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器

30、原理及应用 差动变压器位移传感器差动变压器位移传感器青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 案例：板的厚度测量案例：板的厚度测量 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 案例：张力测量案例：张力测量青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 三、电涡流式传感器三、电涡流式传感器 原理：将金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电，原理：将金属导体置于变化的磁场中，导体内就会产生感应电，这种电流的流线在导体内自行闭合，称为电涡流效

31、应。这种电流的流线在导体内自行闭合，称为电涡流效应。高频交高频交变电流变电流线圈线圈交变磁交变磁通通电涡流电涡流交变磁交变磁通通11使原线圈的等效阻抗使原线圈的等效阻抗 Z Z 发生变化发生变化青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z Z变化：变化：),(ZZ 线圈与金属线圈与金属板的距离板的距离金属板的金属板的电阻率电阻率金属板的金属板的磁导率磁导率线圈激励线圈激励角频率角频率青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用青岛大学机电工程学院青岛大学机电工

32、程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 产品：产品：青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 案例：连续油管的椭圆度测量案例：连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 案例：无损探伤案例：无损探伤原理：裂纹检测，缺陷造原理：裂纹检测，缺陷造成涡流变化。成涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应

33、用常用传感器原理及应用第四节第四节 电容式传感器电容式传感器 原理：将被测量的变化转化为电容量变化。原理：将被测量的变化转化为电容量变化。 两平行极板组成两平行极板组成的电容器的电容器, ,它的电容它的电容量为：量为：AC +A介电常数介电常数两极板相互两极板相互覆盖的面积覆盖的面积极板间的距离极板间的距离极距变化型极距变化型 面积变化型面积变化型 介电常数变化型介电常数变化型 电容式传感器的电容式传感器的三种类型：三种类型：青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 1 1、极距变化型、极距变化型+21AddCK 灵敏度灵敏度青岛大学机电工

34、程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 驻极体电容传声器驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。性能优越、使用方便。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 最大的最大的应小于极板间距应小于极板间距的的1/51/51/1

35、01/10。因此极距。因此极距变化型电容传感器的量程范围在变化型电容传感器的量程范围在0.01m0.01m数百数百mm。为。为了提高灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常采用差了提高灵敏度和改善非线性，在实际应用中常常采用差动的形式。灵敏度可提高一倍。动的形式。灵敏度可提高一倍。 2 2、面积变化型、面积变化型 在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位在面积变化型传感器中，常用的有直线位移型和角位移型两种。图为直线位移型。当动极板沿移型两种。图为直线位移型。当动极板沿x方向移动时，方向移动时，动、静极板覆盖面积发生变化，电容量随之变化。动、静极板覆盖面积发生变化，电容量随之变化。xbCbx

36、 其电容量为：其电容量为：bdxdCK灵敏度灵敏度= =常数，输入与输出成线性关系常数，输入与输出成线性关系. .青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 角位移型角位移型+r2222rrA覆盖面积覆盖面积青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用电容量电容量22rC 面积变化型线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位面积变化型线性度好，但灵敏度低，故适用于较大位移的测量。移的测量。灵敏度灵敏度 22rddCK= =常数常数柱面线位移型柱面线位移型青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章

37、第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 3 3、介电常数变化型、介电常数变化型 此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。此类传感器可用来测量液体的液位和材料的厚度等。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 两圆筒间的电容为：两圆筒间的电容为：)ln(21rRLC 如果电极的一部分被菲导如果电极的一部分被菲导电性液体所浸没时，则会有电性液体所浸没时，则会有电容量的增量电容量的增量C C产生：产生：)ln()(212rRlClC 外电极外电极内半径内半径内电极内电极内半径内半径电极电极长度长度空气的介空气的介电常数电常数空气的

38、介空气的介电常数电常数液体浸液体浸没长度没长度液位测量示意图液位测量示意图青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 如果被测介质为导电性液体，内电极要用绝缘物如聚乙如果被测介质为导电性液体，内电极要用绝缘物如聚乙烯覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。烯覆盖作为中间介质，而液体和外圆筒一起作为外电极。此时两极间的电容量为：此时两极间的电容量为：)ln(23rRlC中间介质的介电常数中间介质的介电常数绝缘覆盖层外半径绝缘覆盖层外半径液体浸没长度，即电极长度液体浸没长度，即电极长度 电容传感器的转换电路主要有：电桥型电路，谐振电电容传

39、感器的转换电路主要有：电桥型电路，谐振电路，调频电路，运算放大器电路等。路，调频电路，运算放大器电路等。 电容传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应电容传感器的优点：结构简单、灵敏度高、动态响应好等。好等。 影响测量精度的主要因素：电路寄生电容、电缆电容影响测量精度的主要因素：电路寄生电容、电缆电容和温度、湿度等外界干扰。以往减小这些干扰的措施成本很和温度、湿度等外界干扰。以往减小这些干扰的措施成本很高，但集成电路技术的发展和工艺的进步，已使上述因素的高，但集成电路技术的发展和工艺的进步，已使上述因素的影响大为减小，为电容传感器的应用开辟了广阔前景。影响大为减小，为电容传感器的应用开辟了广

40、阔前景。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 产品：产品：电容式液位传感器液位计电容式液位传感器液位计/ /料位计）料位计）青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 电容式接近开关：电容式接近开关：振荡电路振荡电路被测物体被测物体 感应电极感应电极被测电容被测电容 测量头构成电容器的一个极板，测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和关的介电常数发生变化，使得

41、和测量头相连的电路状态也随之发测量头相连的电路状态也随之发生变化生变化. .接近开关的检测物体，接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。缘的液体或粉状物体。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用第五节第五节 压电式传感器压电式传感器 一、压电效应一、压电效应 某些材料如石英），当沿着一定方向受到外力作用某些材料如石英），当沿着一定方向受到外力作用时，不仅产生机械变形，而且内部会被极化，表面产

42、生时，不仅产生机械变形，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现电荷；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。象称为压电效应。 二、二、 压电材料及其特性压电材料及其特性 常用的压电材料大致有三类：压电单晶、压电陶瓷和常用的压电材料大致有三类：压电单晶、压电陶瓷和新型压电材料。新型压电材料。压力压力 压电材料压电材料 产生电荷产生电荷 相反，在这些材料的某些方向上施加电场，它会产生相反，在这些材料的某些方向上施加电场，它会产生机械变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，这种现机械变形，当去掉外加电场后，变形随之消失，这种现象称为逆压电效应或电致

43、伸缩效应。象称为逆压电效应或电致伸缩效应。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 1、 压电单晶压电单晶 压电单晶为单晶体，各向压电单晶为单晶体，各向异性。主要有石英异性。主要有石英(Si02)、铌酸锂铌酸锂(LiNb03)等等 石英晶体有天然与人工石英晶体有天然与人工之分，是压电单晶体中最之分，是压电单晶体中最具代表性的。石英晶体呈具代表性的。石英晶体呈六角棱柱体。有光轴六角棱柱体。有光轴( (中性中性轴轴) )、电轴和机械轴。、电轴和机械轴。 光轴光轴z纵轴线，沿该轴方向纵轴线，沿该轴方向无压电效应。无压电效应。 电轴电轴x通过六角棱

44、柱的棱而通过六角棱柱的棱而垂直于光轴的轴。在垂直于此轴垂直于光轴的轴。在垂直于此轴的平面上压电效应最强。的平面上压电效应最强。 机械轴机械轴y垂直于棱面的垂直于棱面的y轴轴，在电场作用下，沿该轴的机械，在电场作用下，沿该轴的机械变形最明显。变形最明显。光轴光轴电轴电轴机械轴机械轴青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用zxyFxFx+-zxyFyFy + -zxyFyFy - + 纵向压电效应纵向压电效应沿沿x x轴受力产生的压电效应；横向压电效轴受力产生的压电效应；横向压电效应应沿沿y y轴受力产生的压电效应；切向压电效应轴受力产生的压电

45、效应；切向压电效应沿切向受沿切向受力产生的压电效应力产生的压电效应 从晶体上沿各轴线切下一片平行六面体切片，当受到力的从晶体上沿各轴线切下一片平行六面体切片，当受到力的作用时，其电荷分布在垂直于作用时，其电荷分布在垂直于x x轴的平面上。轴的平面上。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 由纵向压电效应产生的电荷量由纵向压电效应产生的电荷量q q为：为：Fdq11作用力作用力纵向压电常数纵向压电常数 石英晶体：压电常数比较低，石英晶体：压电常数比较低，d11=2.3110-12C/N；良好的机械强度和时间及温度稳定性。适用于精确度和良好的

46、机械强度和时间及温度稳定性。适用于精确度和稳定度要求特别高的场合。稳定度要求特别高的场合。 铌酸锂晶体：是人工拉制晶体。居里点高铌酸锂晶体：是人工拉制晶体。居里点高(12000C)(12000C)，适于高温传感器；缺陷：质地脆适于高温传感器；缺陷：质地脆, ,抗冲击性差抗冲击性差, ,价格较贵价格较贵 2、压电陶瓷、压电陶瓷 压电陶瓷压电陶瓷是一种经极化处理后的人工多晶体。如是一种经极化处理后的人工多晶体。如钛酸钡、锆钛酸钡。压电陶瓷特点：压电系数大，灵敏钛酸钡、锆钛酸钡。压电陶瓷特点：压电系数大，灵敏度高，价格低廉，居里点较低。度高，价格低廉，居里点较低。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程

47、学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 3 3、新型压电材料、新型压电材料 （1 1有机压电薄膜有机压电薄膜 某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电场极化后形成具有某些合成高分子聚合物，经延展拉伸和电场极化后形成具有压电特性的薄膜。如聚偏氟乙烯压电特性的薄膜。如聚偏氟乙烯(PVF2)(PVF2)、聚氟乙烯、聚氟乙烯(PVF)(PVF)等。等。 特点：柔软，不易破碎，面积大等。可制成大面积阵列传感特点：柔软，不易破碎，面积大等。可制成大面积阵列传感器和机器人触觉传感器。器和机器人触觉传感器。 （2 2压电半导体压电半导体 有些材料，如硫化锌有些材料，如硫化锌(ZnS)(ZnS)

48、、氧化锌、氧化锌(ZnO)(ZnO)、硫化钙、硫化钙(CaS)(CaS)、砷、砷化镓化镓(GaAs)(GaAs)等，既具有半导体特性，又有压电特性。因此，既可等，既具有半导体特性，又有压电特性。因此，既可利用压电性能制作敏感器件，又可利用半导体特性制成电路器件利用压电性能制作敏感器件，又可利用半导体特性制成电路器件，研制成新型集成压电传感器。，研制成新型集成压电传感器。 居里点或居里温度：指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的居里点或居里温度：指材料可以在铁磁体和顺磁体之间改变的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的温度。低于居里点温度时该物质成为铁磁体，此时和材料有关的磁场很

49、难改变。当高于居里点温度，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很难改变。当高于居里点温度，该物质成为顺磁体，磁体的磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为磁场很容易随周围磁场的改变而改变。这时的磁敏感度约为10-6. 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 三、等效电路三、等效电路蒸镀金属蒸镀金属形成电极形成电极晶片两表面相当于电晶片两表面相当于电容器的两个极板容器的两个极板F + + + + + + + + - - - - - - - 两极板之间的压电材两极板之间的压电材料等效于电介质料等效于电介质 因此，压电晶片相当于一只平行极板

50、电容器，其电容因此，压电晶片相当于一只平行极板电容器，其电容量为：量为：ACa极板面积极板面积压电材料的介电常数压电材料的介电常数压电晶片的厚度压电晶片的厚度 压电元件可等效为一个具有一定电容的电荷源。电容压电元件可等效为一个具有一定电容的电荷源。电容器上的开路电压器上的开路电压U0为：为：aCqU 0压电元件上所产生的电荷量压电元件上所产生的电荷量青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用+并联：适于测缓并联：适于测缓变信号和以电荷变信号和以电荷为输出量的场合为输出量的场合+ 当压电式传感器接入测量电路，连接电缆的寄生电容形成当压电式传感器

51、接入测量电路，连接电缆的寄生电容形成传感器的并联寄生电容传感器的并联寄生电容CcCc，传感器中的漏电阻和后继电路的输，传感器中的漏电阻和后继电路的输入阻抗形成泄漏电阻入阻抗形成泄漏电阻R0R0，等效电路为：，等效电路为：R0CcqCa 由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压电元件由于后继电路的输入阻抗不可能为无穷大，而且压电元件本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无法保持不变，从本身也存在漏电阻，极板上的电荷由于放电而无法保持不变，从而造成测量误差。因此，不宜利用压电式传感器测量静态或准静而造成测量误差。因此，不宜利用压电式传感器测量静态或准静态信号，而适宜做动态测量。态信号，而适宜

52、做动态测量。 压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往是两片压电晶片有方形、圆形、圆环形等各种，而且往往是两片或多片进行串联或并联。或多片进行串联或并联。串联：适于测高串联：适于测高频信号和以电压频信号和以电压为输出量的场合为输出量的场合青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 四、测量电路四、测量电路 输出电荷量很小，输出电荷量很小，且压电元件本身且压电元件本身的内阻很大的内阻很大压电式压电式传感器传感器高输入阻抗高输入阻抗前置前置放大器放大器输出电压输出电压或电荷或电荷电压电压放大器放大器电荷电荷放大器放大器可采用比例放大器。电可采

53、用比例放大器。电路简单，但输出受到连路简单，但输出受到连接电缆对地电容的影响接电缆对地电容的影响目前常用目前常用UyUyUiUi传感器电容传感器电容电缆电容电缆电容放大器输入电容放大器输入电容电荷放大器：高增益带电荷放大器：高增益带电容反馈的运算放大器电容反馈的运算放大器青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 若电荷放大器的开环增益足够大，放大器输出电压：若电荷放大器的开环增益足够大，放大器输出电压：yfUq C可见，在一定条件下，输出电压与传感器的电荷量成正比，且与可见，在一定条件下，输出电压与传感器的电荷量成正比，且与电缆电容无关。电

54、缆电容无关。 压电式传感器动态特性好、体积小、重量轻，常用来测量动态压电式传感器动态特性好、体积小、重量轻，常用来测量动态力、压力，特别是测量振动加速度的惯性拾振器大多采用压电式力、压力，特别是测量振动加速度的惯性拾振器大多采用压电式传感器。传感器。力传感器力传感器 压力变送器压力变送器加速度计加速度计 产品：产品：青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 案例：热轧设备诊断案例：热轧设备诊断青岛大学机电工程学

55、院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用第六节第六节 磁敏传感器磁敏传感器 一、霍尔元件一、霍尔元件 霍尔效应霍尔效应将导电体薄片置于磁感应强度为将导电体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，如的磁场中，如果在果在a、b端通以电流端通以电流I，则在，则在c、d端就会出现电位差。端就会出现电位差。abcd 霍尔效应原理：在磁感强度为霍尔效应原理：在磁感强度为B的磁场中，电荷为的磁场中，电荷为q、运动速度、运动速度为为v的带电粒子，所受的磁场力的带电粒子，所受的磁场力洛仑兹力，为洛仑兹力，为 sinmFqv B qv B 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章

56、第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用霍尔电势霍尔电势UHUH为为sinIBKUHH霍尔常数霍尔常数磁感应强度磁感应强度电流与磁场电流与磁场方向的夹角方向的夹角 霍尔元件一般由锗霍尔元件一般由锗(Ge)(Ge)、锑化铟、锑化铟(InSb)(InSb)等半导体材料制等半导体材料制成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。将霍尔片、稳压成。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。将霍尔片、稳压电源、温度补偿电路和信号处理电路集成在同一个芯片上，即构电源、温度补偿电路和信号处理电路集成在同一个芯片上，即构成线性霍尔传感器。成线性霍尔传感器。 青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四

57、章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 霍尔传感器有单端输出和双端输出霍尔传感器有单端输出和双端输出( (差动输出差动输出) )两种电路。两种电路。 开关型霍尔传感器：由霍尔元件、放大器、施密特整形电开关型霍尔传感器：由霍尔元件、放大器、施密特整形电路和集电极开路输出等部分组成。路和集电极开路输出等部分组成。青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 施密特触发器的工作特点：施密特触发器的工作特点： 施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，施密特触发器属于电平触发器件，适用于缓慢变化的信号，当输入信号达到某一定电压值时，输出

58、电压会发生突变。当输入信号达到某一定电压值时，输出电压会发生突变。 电路有两个阈值电压。电路有两个阈值电压。 输入信号增加和减少时，电路的阈输入信号增加和减少时，电路的阈值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性值电压不同，电路具有如下图所示的传输特性 。 o vI vO VOH VOL (a) VT+VT_ o vI vO1 VOH VOL (b) VT+VT_ 1 vovI 1 vovI关于施密特触发器关于施密特触发器青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用vI VT+VT_vO00tt0vIvOVT+VT_VDD(a) 工作波形工作波形

59、(b) 传输特性曲线传输特性曲线 1 1 G1 G2 vI vO R2 R1 vO1 vI1门电路组成的施密特触发器门电路组成的施密特触发器青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 霍尔传感器应用霍尔传感器应用 1直流无刷电机的位置传感器，检测转子位置，以直流无刷电机的位置传感器，检测转子位置，以 实现换向实现换向霍 尔 元 件霍 尔 元 件H2面向转面向转子子N极方向极方向H2导 通导 通为 低为 低电平电平功率功率管管V T 2导通导通绕组绕组W2通通过电流过电流IW2S转子顺时转子顺时针旋转针旋转青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学

60、院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 2 2测转角测转角青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 3 3电流传感器电流传感器/ /钳形表钳形表 当电流流过导线，在导线周围产生磁场，磁场大小与电流大小当电流流过导线，在导线周围产生磁场，磁场大小与电流大小成正比，该磁场可通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件检测。成正比，该磁场可通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件检测。 4叶片和齿轮位置传感器叶片和齿轮位置传感器青岛大学机电工程学院青岛大学机电工程学院第四章第四章 常用传感器原理及应用常用传感器原理及应用 5 5汽车速度测量汽车