测试技术中的常用传感器课件模板

1、1,常用传感器,本章学习要求：,1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理 3.了解传感器测量电路,1,第3章 常用传感器,3.1 概述,1. 传感器,传感器（Transducer/Sensor）是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置。,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,2,现代信息技术的基础有三个主要方面： 信息采集 传感器技术 信息传输 通信技术 信息处理 计算机技术（包括软件和硬件）,2.传感器的构成,传感器由敏感器件、转换元件和基本转换电路组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进

2、行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,3.1 概述,3,被测信息,敏感元件,转换元件,辅助电源,基本转换电路,输出信息,传感器构成框图,3.传感器的分类,2.1 概述,1)按被测物理量分类,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,请大声点,4,2.1 概述,位移传感器, 力传感器, 滑觉传感器, 压力传感器， 流量传感器， 温度传感器等.,2)按被测量分类:,5,2.

3、1 概述,能量转换型:直接由被测对象输入转换为电能. （有源） 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 （无源） 供给能量的变化.例如:电阻应变片.,6,2.1 概述,4)按工作原理分类:,电阻应变式传感器， 电容传感器， 磁电式传感器， 光电式传感器， 光纤式传感器等,7,3. 传感器的选用,根据灵敏度、线性度、重复性、稳定性、精确度、动态特性、环境参数等指标选用。,2.2 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感器,是能量控制型传感器。,第2章 常用传感器,8,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,金属丝电阻R为,金属

4、电阻传感器工作原理,1) 工作原理,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,2.2 电阻式传感器,代入,金属应变片的电阻R为,9,2.2 电阻式传感器,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,10,2.2 电阻式传感器,有：,对金属材料，导电率不变(不同于半导体材料）：,金属丝应变片：,11,灵敏系数：,2)电阻应变式传感器-应变片,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象。,应变计,2.2 电阻式传感器,金属应变计,13,金属应变片按敏感栅的结构可分为：丝绕式、短接丝式、箔式等。,3) 应变片的

5、主要参数,5）其它表示应变计性能的参数如：工作温度（书 P8论述较详）、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿 命、横向灵敏度等）。,1）几何参数：基长L和基宽b，制造厂常用bL 表示。B一般在10mm以下，l通常为230mm。,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）允许电流：敏感栅流过电流，使得应变片产 生温升，影响测量精度。一般规定25mA。,(1)电阻温度系数的影响 (2)试件材料和敏感栅材料线膨胀系数的影响 因此，由温度变化引起的总的相对电阻增量为 或 温度补偿。常用的温度补偿方法有三种：桥路补偿法、应变片的自补偿、热敏电阻。,4).金属应变片的温度误

6、差,2.2 电阻式传感器,2.2 电阻式传感器,5) 应变片测量电路,16,2.2 电阻式传感器,令：,金属丝应变片：,V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变,17,2.2 电阻式传感器,电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆。,3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,18,2.2 电阻式传感器,5.

7、焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,19,2.2 电阻式传感器,压阻式传感器原理,因电阻变化主要由电阻率变化引起，上式可简化为：,优点：灵敏度大;体积小; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。 包括：体形、薄膜型和扩散型。,20,2.2 电阻式传感器,电阻应变式传感器的应用：测力,21,2.2 电阻式传感器,标准产品,22,本研究所承担的省科委科研项目：“带传感装置骨外固定器研究”.,案例：骨应力测量,23,案例：桥梁固有频率测量,2.2 电阻式传感器,2

8、4,案例：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。,2.2 电阻式传感器,25,案例：冲床生产记数 和生产过程监测,2.2 电阻式传感器,26,案例：机器人握力测量,2.2 电阻式传感器,27,2.2 电阻式传感器,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、爆破等破坏行为均可及时发现。,28,2.2 电阻式传感器,29,1 变阻器式传感器,30,等效电路分析:,x,L,2.2 电阻式传感器,L-变阻器总长; x-电刷移动量. R-总电阻; RL电刷电阻;,Rx=K*x,x=L*E1 / E,31,2.2 电阻式传感器,32,2.2

9、 电阻式传感器,测量时的负载效应,33,2.2 电阻式传感器,34,(2) 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围; 2) 分辨率; 5)电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差; 6)寿命;,(3)变阻器式传感器的分类,2.2 电阻式传感器,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,35,2.2 电阻式传感器,按制作方式：,线绕电位器,36,变阻器式传感器产品,2.2 电阻式传感器,37,案例：重量的自动检测-配料设备,2.2 电阻式传感器,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,38,案例：煤气包储量检测,2.2 电阻式传感器,原理：钢丝-

10、收线圈数 -电位器 -电阻,39,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,2.2 电阻式传感器,原理：电机-转角 -电位器 -电阻,40,第2章、常用传感器,2.2.2 电容式传感器,变换原理:将被测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:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,41,2.2.2电容式传感器,a)极距变化型,42,2.2.2电容式传感器,43,当动极板向定极板运动时，极板间的距离减小，电容的增量,当,100%,灵敏度：,相对误差：,2.2.2 电容式传感器,差动结构：,灵敏度：,100%,相对误差估算：,b)面积A变化型,2.2.2 电容式传感器,45,当

11、动极板有角位移时 ,电容变化量 :,灵敏度：,平面线位移型,2.2.2电容式传感器,46,灵敏度：,当动极板移动后，覆盖面积发生变化，由此产生的电容变化量,柱面线位移型.,2.2.2 电容式传感器,47,当覆盖长度l变化时，电容的变化量,灵敏度：,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,2.2.2电容式传感器,48,c) 介质变化型,2.3 电容式传感器,49,2.3 电容式传感器,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,2.3 电容式传感器,51,2.3 电容式传感器,液压差传感器,加速度传感器,测厚传感器应用,电容式传感器测钢带厚度,电容式接近开关

12、,2.3 电容式传感器,53,2.3 电容式传感器,54,3 测量电路,a)电桥电路,2.3 电容式传感器,55,b) 谐振电路,2.3 电容式传感器,56,d) 运算放大器电路,2.3 电容式传感器,57,第2章、常用传感器,2.2.3 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。,分类:,电感式传感器,58,2.4 电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,59,自感系数,忽略铁磁阻,灵敏度：,1）变气隙式自感传感器,初始间隙：0.10.5mm， 0/max取5。,3.4 电感式传感器,2）螺管式自感传感器,差动式变气隙自感传感器,2 互感型-差动变压器,

13、3.4 电感式传感器,61,测量电路：差动直流,特点：宽、好、高、高,应用：测直线和角位移、力,3.4 电感式传感器,62,差动变压器测量电路,3.4 电感式传感器,63,差动变压器位移传感器,3.4 电感式传感器,64,案例：板的厚度测量,3.4 电感式传感器,65,案例：张力测量,3.4 电感式传感器,66,电感式接近传感器（金属）,3.4 电感式传感器,67,3 涡流式,原理:涡流效应,3.4 电感式传感器,68,原线圈的等效阻抗Z变化：,3.4 电感式传感器,69,3.4 电感式传感器,70,产品：,3.4 电感式传感器,71,案例：连续油管的椭圆度测量,3.4 电感式传感器,72,案

14、例：无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,3.4 电感式传感器,73,油管检测,2.2.3 电感式传感器,压磁式传感器,第二章、常用传感器,2.3.1压电式传感器,1.变换原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，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，这种现象称为压电效应。(能量转换型，有源）,q=DF,75,第二章、常用传感器,等效电路,连接方式,外壳,压紧,质块,压电元件,加速度传感器,力传感器,2.3.1压电式传感器,2、测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大

15、器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。,77,ey,与电缆无关,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,2.3.1压电式传感器,78,第2章、常用传感器,2.3.2 磁电式传感器,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，都会改变感应电动势。,79,变磁通式磁电传感器,2.3.2 磁电式传感器,变磁阻,动圈（恒磁通）式传感器,线速度型,2.3.2 磁电式传感器,81,角速度型,测速电机,2.3.2 磁电式传感器,82,案例：鼠笼电机转子断细条检测,2.3.2 磁

16、电式传感器,83,2.热电偶 (热电温度计),热电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,2.3.3 热电偶传感器,84,由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。,k玻耳兹曼常数， e电子电荷量， T接触处的温度 NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。,2.3.3 热电偶传感器,85,热电偶测温基本定律,1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导

17、体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,2.3.3 热电偶传感器,86,3)冷端温度处理,2.3.3 热电偶传感器,87,（1）0C恒温法,（2）恒温转换法,（3）电桥补偿法,（4）延伸引线法,88,2.3.3 热电偶传感器,89,2.3.3 热电偶传感器,2.3.4 热电阻传感器,1.金属热电阻,热电阻温度传感器的基本工作原理是利用物质的电阻率随温度变化而变化的特性，即热阻效应。,常用的金属热电阻材料有铂、铜、镍、铟、锰、碳等。,因为铂的物理和化学性能稳定，抗氧化能力强，电阻率高，且材料易于提纯，复制性、工艺性好，作为测温电阻十分理想。 在国际实用温标中，从 温度范围内，以铂电阻温度计作

18、为标准仪器。,2.3.4 热电阻传感器,热电阻温度计的测量电路最常用的是电桥电路。为消除引线引起的测量误差，一般采用三线连接法和四线连接法。,三线法,四线法,2.3.4 热电阻传感器,2.热敏电阻,热敏电阻是用电阻值随电阻体温度而显著变化的半导体电阻制成的。采用重金属氧化物锰、钛、钴等材料，在高温下烧结混合成特殊电子元件。元件可制成球状、片状、圆柱状等。,多数热敏电阻具有负的温度系数，即当温度升高时，其电阻值下降，同时灵敏度也下降。这个特性限制了它在高温条件下使用。目前热敏电阻使用的上限温度约为。,负温度系数热敏电阻NTC、正温度系数热敏电阻PTC和临界温度系数热敏电阻CTR,热敏电阻不宜用于

19、较宽的温度范围，但对于特定的温度点的检测却十分灵敏。因此热敏电阻可用做检测元件、电路保护元件等。,93,2.3.4 热电阻传感器,产品,94,2.3.4 热电阻传感器,2.3 热电阻传感器,热电阻温度传感器的基本工作原理是利用物质的电阻率随温度变化而变化的特性，即热阻效应。当温度变化时，热电阻材料的电阻值随温度而变化，这样，用测量电路可将变化的电阻值转换成电信号输出，以而得到被测温度。从敏感元件材料分，热电阻传感器可分为金属热电阻和半导体热电阻两大类。半导体热电阻又称热敏电阻。,大多数金属材料的电阻随温度的升高而增加，但作为热电阻的金属材料，其电阻温度系数值要高且保持常值，电阻率要高，以减小热

20、惯性（元件尺寸小），在使用温度范围内，材料的物理化学性能稳定，工艺性好。常用的金属热电阻材料有铂、铜、镍、铟、锰、铁等。,1 热电阻传感器,在国际实用温标中，从温度范围内，以铂电阻温度计作为标准仪器。,2.3 热电阻传感器,3 热敏电阻传感器,半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物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，随温度上升而阻值下降。,2.3 热敏传感器,97,2.3 热敏传感器,98,2.3 热敏传感器,产品,99,温控器,2.3 热敏传感器,应用,汽车发动机传感器,水温感应塞,还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,100,第二章、常用传感器,2.

21、4 磁敏元件传感器,101,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。,2.4 磁敏元件传感器,102,2.4 磁敏元件传感器,103,测转角：,2.4 磁敏元件传感器,104,电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,2.4 磁敏元件传感器,105,铁磁材料裂纹检测,2.4 磁敏元件传感器,106,案例：汽车速度测量:,2.4 磁敏元件传感器,107,第二章、常用传感器,2.5 光电传感器,光电传感器通常是指对由紫外线到红外线光的光能量敏感，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基

22、于一些物质的光电效应。,内光电效应,半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应 。,光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管,108,第二章、常用传感器,109,第2章、常用传感器,照相机自动测光 光控灯 工业控制,110,2.12 光电传感器,光电池,光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。,111,应用,光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。,112,2.12 光电传感器,113,2.12 光

23、电传感器,114,2.12 光电传感器,115,2.12 光电传感器,案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来 测量位移。,116,2.12 光电传感器,117,2.12 光电传感器,相机测距反射式光电传感器,118,2.12 光电传感器,119,P35-T46 P39-T52,2.12 光电传感器,机械手抓取鸡蛋实验照片,案例：利用光电式滑觉传感器实现机械手软抓取,120,2.12 光电传感器,121,2.12 光电传感器,第二章、常用传感器,2.6 气敏电阻传感器,气体与人类日常生活密切相关，对气体的检测已经是保护和改善生态居住环境不可缺少手段，气敏传感器发挥着极其重要的作用。,如生

24、活环境中一氧化碳浓度达0.81.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。还有易燃、易爆气体、酒精等的探测。,烟雾报警器,酒精传感器,二氧化碳传感器,122,2.6 气敏电阻传感器,气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰。当它们吸收了气体烟雾，如一氧化碳、醇等时，电阻发生变化。从而使气敏元件电阻值随被测气体的浓度改变而变化。,123,2.6 气敏电阻传感器,124,气敏器件阻值与气体浓度关系,2.6 气敏电阻传感器,125,器件,2.6 气敏电阻传感器,燃气报警器,烟雾报警器,126,应用,酒精传感器,3.6 气敏电阻传感器,127,应用,超声波传感器原理,超声波发射原

25、理是把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。,接收原理是当超声波作用在磁滞材料上时，使磁滞材料磁场变化，使线圈产生感应电势输出。,2.7 超声波检测传感器,128,超声波传感器应用,超声波探伤/测距/测物,t,A,2.7 超声波检测传感器,129,倒车雷达,2.7 超声波检测传感器,130,鱼群探测器,2.7 超声波检测传感器,131,2.8 光纤传感器,光纤位移传感器原理如图所示。光纤位移传感器是利用光导纤维传输光信号的功能，根据探测到的反射光的强度来测量被测反射表面的距离。,第二章、常用传感器,132,光纤检测型光电传感器,作业件检测,颜色检测,2.8 光纤传感器,133,2

26、.9 CCD固态图象传感器,MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元 (MOS)。,第二章、常用传感器,134,在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,2.9 CCD固态图象传感器,135,2.9 CCD固态图象传感器,136,特点: (1) 非接触检测; (2) 响应快; (3) 可靠性高,为修简便; (4) 测量精度高; (5)

27、 体积小,重量轻; 容易与计算机连接 (6) 对被测物体需要强光照射; (7) 受被测物体以外的光的影响. 应用: (1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量.,2.9 CCD固态图象传感器,条形码扫描器,137,数码相机,2.9 CCD固态图象传感器,138,2.10 声发射检测传感器,材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变能的现象称声发射。各种材料声发射频率范围很宽，从次声、声频到超声。多数金属的声发射频带在超声范围内。,2.10声发射检测传感器,139,声发射AE(Acoustic Emission)技术是应用仪器检测、分析声发射信号并确定声发射源的技术。利用声发射技术可以对部件的缺陷进行判断和预报，并作出评价。,2.10声发射检测传感器,声发射检测诊断特点： 1）声发射技术是一种