常用传感器课件

1、常用传感器原理及应用芬雷选煤工程技术（北京）有限公司2010.07 一、常用传感器分类及原理二、常用传感器应用一、常用的传感器分类及原理1 概述2 机械式传感器3 电阻式传感器4 电感式传感器5 电容式传感器6 压电式传感器7 磁电式传感器8 半导体式传感器9 光纤传感器10 分类回顾1 概述二 传感器的分类按被测量分: 位移式传感器,力传感器,温度传感器等按工作原理分: 机械式,电气式,光学式,流体式等 按信号变换特征分: 物性型和结构型按敏感元件与被测对象之间的能量关系:能量转换型与能量控制型按输出信号分: 模拟式和数字式2 机械式传感器原理：在测试技术中，以弹性体作为传感器的敏感元件，对

2、力、压力、温度等物理量进行测量，而输出弹性元件本身的弹性变形，经放大后成为仪表指针的偏转，借助刻度指示出被测量的大小。 典型应用：用于测力或称重的环性测力计、弹簧称等；用于测量流体压力的波纹膜片、波纹管等；用于温度测量的双金属片等 2 机械式传感器优点：结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等 缺点：弹性变形不宜大，以减小线形误差。 此外，由于放大和指针环节多为机械传动，不仅受间隙的影响，而且惯性大，固有频率低，只宜用于检测缓变或静态被测量。 3 电阻式传感器 电阻式传感器是一种把被测量转化为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和应变片式两类。 一、变阻器式传感器 原理：它通过改

3、变电位器触头位置，把位移转换为电阻的变化。根据下式 式中 电阻率 l 电阻丝长度 A 电阻丝截面积 3 电阻式传感器二、电阻应变式传感器 优点：体积小、动态响应快测量精度高、使用简便 电阻应变式传感器分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类 .（一）金属电阻应变片 常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。其工作原理都是基于应变片发生机械变形时，其电阻值发生变化。 把应变片用特制胶水粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上。在外力作用下，电阻丝随该物体一起变形，其电阻值发生相应变化。由此，将被测量转化为电阻变化。 3 电阻式传感器（三）电阻应变片式传感器应用方式 1）直接用来测定结构的应变或应力

4、2）将应变片贴于弹性元件上，作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。在这种情况下，弹性元件得到与被测量成正比的应变，在由应变片转换为电阻的变化。 4 电感式传感器 将被测参数转换为线圈自感量或互感量变化的装置。电感式传感器可分为自感型和互感型两大类 一、自感型 （一） 可变磁阻式传感器 图示动画为变磁阻式传感器的原理图。 4 电感式传感器（二） 涡电流式 涡电流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。涡电流式传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路及调频电路 。4 电感式传感器二、互感型差动变压器式传感器 这种传感器是利用电磁感应中的互感现象，如下图所示。 4 电感式

5、传感器当线圈 输入交流电流 时，线圈 产生感应电动势 ，其大小与电流 的变换率成正比，即 式中 M比例系数，称为互感 高频反射式涡流传感器 。如图所示，高频(1MHz)激励电流产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化。线圈自感L或阻抗ZL的变化与距离该金属板的电阻率、磁导率、激励电流i及角频率等有关。若只改变距离而保持其它参数不变，则可将位移变化转换为线圈自感变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。 案例： 测厚5 电容式传感器 一、电容式传感器工作原理设

6、平板电容器两极板间距离为，有效覆盖面积为A，极板间介质的相对介电系数，真空介电常数 ，则电容器的电容量为 如果在、A、三个参数中保持其中的两个不变，而只改变一个参数，则电容器的电容量将随之发生变化。所以电容式传感器可以分成三种类型：极距变化型（变）、面积变化型（变A）和介质变化型（变）。 返回章目录5 电容式传感器2.面积变化型 保持电容器极板距离、介质不变，仅改变极板间的相对覆盖面积。则此中传感器灵敏度为常数通常电容传感器的覆盖面积与线形位移间有良好的线形关系，故面积变化型传感器有着良好的线形关系。 3.介质变化型 利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。常用于液位测量，或某些材料

7、的厚度、温度、湿度等参数的变化测量 6 压电式传感器二、压电材料 常用的压电材料大致分为三类：压电单晶（机械强度好）、压电陶瓷（压电常数大）和有机压电薄膜（可大量生产）。 动画特点： 1.刚性好，固有频率高 2.灵敏度高且稳定 3.较好的线性，通常无滞后 4.系统使用和调整方便 应用： 压电式力传感器 压电式加速度计 7 磁电式传感器 把被测量转换成感应电动势的传感器称为电磁感应式传感器 原理：基于电磁感应定律：感应电动势取决于匝数W和磁通变化率d/dt，即 一、动圈式 当线圈在磁场运动时所产生的感应电动势为 （线速度型） （角速度型） 二、磁阻式物体运动磁路磁阻改变磁通变化产生感应电动势 8

8、 半导体传感器半导体有一个重要的特性是对光、热、力、磁、气体、温度等理化量的敏感性。利用半导体材料的这些特性，作为非电量电测的转换元件，是近代半导体技术应用的一个重要的方面。 半导体的特点是他们是一些物性型传感器，通常可以作成结构简单、体积小、重量轻的器件，他们的功耗低、安全可靠、寿命长；他们对被测量敏感，响应速度快；易于实现集成化。8 半导体传感器磁阻元件是利用半导体材料的磁阻效应来工作的。借用上面的动画来说明磁阻效应，磁阻效应将使通有电流i的金属或半导体片的ab两端之间的电阻随外磁场B而变化。磁阻效应与材料性质、几何形状有关，一般迁移率越大的材料，磁阻效应越显著，元件的长宽比越小，磁阻效应

9、越大。 磁阻元件可用于测量位移、力、加速度等参数。(二)磁阻元件8 半导体传感器二、光敏传感器 光敏传感器是将光量转换为电量的元件，其工作原理是利用半导体材料的光电效应。 光敏电阻其工作原理是基于半导体材料的内光电效应，即半导体当受到光照射时，其电阻值减小的现象。(一)光敏电阻 光电池直接将光能转换为电能，受光照射时，可直接输出电势，实际上是一个电源。 (二)光电池8 半导体传感器（三）光敏二极管和光敏三极管光敏二极管是一种既有一个PN结又有光电转化功能的晶体二极管。它将光信号转化为电压输出的基本电路如图所示。8 半导体传感器 若普通的晶体管的基极集电极制成光敏二极管，则成为光敏三极管。光敏二

10、极管的光电流成为基极电流，在三极管内放大，形成集电极电流。由于光敏三极管的基极电流由其基极集电极结构的光电流供给，因而许多光敏三极管不在设基极引线。下图为光敏三极管的基本电路。8 半导体传感器 下图动画为光电转速器的工作原理图，在电动机的转轴上涂上黑白两种颜色，当电动机转动时，光电元件接收到强弱交变的信号，再经过放大整形电路，输出整齐的方波信号，由数字频率计测出电动机的转速。8 半导体传感器三、固态图象传感器 从功能上说,它是一个把受光面的光像分成许多小单元,并将它们转换成电信号,然后输送出去的器件. 从构造上说,它是一种小型固态集成元件,它的核心多半是电耦合器(CCD),CCD具有光生电荷、

11、积蓄和转移电荷的功能. 固态图象传感器 具有小型、轻便、响应快 、灵敏度高、 稳定性好、 寿命高和以光为媒介可以到达危险地点工作 固态图象传感器主要用途:1.物位、尺寸、形状、探伤等2.作为光学信息处理的输入环节3.自动生产过程的控制敏感元件8 半导体传感器四、热敏电阻 热敏电阻是由金属氧化物的粉末按一定比例混合烧结而成的半导体.它具有负的电阻温度系数,随温度的上升而阻值下降.与金属丝电阻相比较优点是:1.灵敏度高2.热敏元件体积小,热惯性好,响应速度快3.元件本身的电阻值大,远距离时可忽略导线电阻的影响4.在-50350温度范围内具有交好的稳定度缺点是:非线形大,对环境温度敏感性大,测量时易

12、受到干扰8 半导体传感器五、气敏传感器 半导体气敏传感器具有在低浓度下对可燃气体和某些有毒气体的灵敏度高、响应快、制造使用和保养简便、价格便宜等优点。 但是它们的气体选择性差、元件性能参数分散，且时间稳定度欠佳。 电阻式半导体气敏传感器是应用较多的一种。被测气体一旦与这种传感器的敏感材料接触并被吸附后，传感器的电阻值随气体浓度而改变。其敏感材料广泛采用热稳定度较好的金属氧化物如氧化锌等，主要用于检测一氧化碳、甲烷、氢和乙醇等。这类气敏传感器中都有电极和加热丝。前者用于输出电阻值，后者用来灼烧敏感材料表面的油污，以加速被测气体的吸、脱过程的进程。8 半导体传感器六、湿敏传感器 制造半导体湿敏传感

13、器的材料有：四氧化三铁、铬酸镁-二氧化钛、五氧化二钒-二氧化钛等。其中四氧化三铁多制成胶体湿敏元件，其余均制成金属陶瓷湿敏元件。 金属陶瓷湿敏原理大致是，当水分子附着在半导体陶瓷上，使陶瓷表面层的电阻值明显下降。表面层电阻值下降到一定程度上，半导体内部的电阻以远大于表层电阻，电流主要从表层通过，体内电阻的作用可以忽略，而由湿度引起下降了的表层电阻起者主导作用。随着湿度的增加，此类半导体陶瓷的阻值可以下降三至四个数量级。8 半导体传感器七、集成传感器 后续电路和半导体传感器制作在同一芯片上,形成集成传感器.它具有传感器功能又能完成后续电路的功能. 随着集成技术的发展,集成传感器所包含的电路已具有

14、一定的智能,从而扩大使用范围和提高可靠性.9 光纤传感器 一、分类 按照调制方式光纤传感器可以分为强度调制、频率调制、相位调制和偏振调制四类。 按光纤的作用，光纤传感器可以分为功能型和传光型两种。9 光纤传感器二、传感器的特点1）采用光波传递信息，不受电磁干扰，电气绝缘性能好，可在强电磁干扰下完成传统的传感器难以完成的某些参量的测量。2）光波传输无电能和电火花，不会引起被测介质的燃烧和爆炸。而且耐高压耐腐蚀。3）某些光纤传感器的工作优于传统的传感器4）重量轻、体积小、可挠性好，可在狭小的空间使用5）具有良好的几何形状适应性6）频带宽，动态范围大，对被测对象不产生影响，利于提高精度7）利用现有的

15、光通讯技术，易于实现远距离测控10 传感器的选用原则 根据测试目的和实际条件，合理的选用传感器应遵从以下几条原则： 1.灵敏度2.响应特性3.线性范围4.可靠性5.精确度6.测量方式 除了以上因素外，还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回二、常用传感器1. 温度传感器2. 压力传感器3. 位移传感器4. 流量传感器5. 湿度传感器6. 称重传感器7. 拉力传感器1. 温度传感器能感受温度并转换成可用输出信号的传感器。 热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。 2.压力传感器电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器 把压力信号变成电信号3. 位移传感器 位移传感器又称为线性传感器，它分为电感式位移传感器，电容式位移传感器，光电式位移传感器，位移传感器超声波式位移传感器，霍尔式位移传感器。 5. 湿度传感器能感受气体中水蒸气含量，并转换成可用输出信号的传感器。 6.称重传感器种将质量信号转变为可测量的电信号输出的装置。 称重传感器