常用传感器与敏感元件.ppt

1、当我象嗡嗡作响的陀螺一样高速旋转的时候，就自然排除了外界各种因素的干扰，抵抗着外界的压力。 皮埃尔居里 Pierre Curie,法国 物理学家 18591906,第四章 常用传感器与敏感元件,4.1 概 述 4.2 机械式传感器 4.3 电阻传感器 4.4 电容传感器 4.5 电感传感器 4.6 磁电传感器 4.7 压电传感器 4.8 传感器选用原则,电子脉冲,地面激光接受装置,热射线,电子感受器,调制,解调,奥运圣火,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,水,列车自动供水系统,4.1 概 述,1.

2、 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、转换元件、测量电路和辅助电源组成(GB/T 7665-1987)。 狭义上，非电信号 电信号。,传感器的组成框图,在非电量电测系统中的作用,将物理量（水位、压力等）间接变换成电信号的变化。,获取传感器信号的两种方法,直接获得电信号的变化（开关传感器）；,开关量输出的传感器,模拟量输出的传感器,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

3、对象输入能量使其工作，不需要外加电源。 (无源传感器） 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。 (有源传感器） 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,(4)按信号的变换特征分类,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化实现信号变换。 例如:水银温度计，压力测力计等。 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变。 例如:电容式和电感式传感器。,3. 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

4、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. 对传感器的性能要求,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；（静态特性） 反应速度快，工作可靠性高；（动态特性） 适应性和适用性强。,作为检测系统的首要环节，必须具有快速、准确、可靠而又能经济地实现信号转换的性能。,5. 传感器的发展趋势,传感器的固态化（物性型传感器）； 传感器的智能化（传感器+计算机的某些功能）； 自补偿、自诊断、自校正、数据存储、分析、处理、通信 研究生物感官，开发仿生传感

5、器； 传感器的集成化和多功能化。,（1）机器人中的传感器信息融合,多传感器信息融合自主移动装配机器人,（2）舰船上的传感器信息融合,4.2 机械式传感器,1. 组成,2. 弹性敏感元件,弹性敏感元件在传感器中因为直接参与信号变换和测量，所以对其材料有一定的要求。,1）弹性蠕变和弹性后效要小； 2）弹性模数的温度系数要小；,3）线膨胀系数要小且稳定； 4）弹性极限和强度极限要高； 5）具有良好的稳定性和耐腐蚀性； 6）具有良好的机械加工性和热处理性。,3. 典型应用,4. 机械式传感器的特点, 结构简单，使用方便；价格低廉，读数直观。 机械式放大，指示系统使其惯性大，固有频率低， 故多用于静态量

6、或低频变化量的测量。 元件的弹性蠕变和后效现象影响输入、输出的线性关系。,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器。,按工作原理可分为:,热敏式,电阻应变式,变阻器（电位器）式,光敏式,湿敏式,4.3 电阻式传感器,一. 变阻器式传感器,变阻器式传感器也称为电位计式传感器，通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻R的变化。 有直线位移型、角位移型和非线性型三种。,1. 工作原理,R=f(,A,l) 。当电阻丝的截面积A与电阻率一定时，R=f(l) 是单值函数关系。,2. 直线位移型变阻器式传感器,设电位计触头移动x，A点与b点间电阻值变化R，则：,3. 角位移型变阻器式传感器,4.

7、 非线性电位计,5. 电压分压电路,6. 特点, 结构简单，性能稳定，使用方便。 分辨力低。 电阻丝的直径受到限制。 有较大的噪声。 电刷在滑动中与电阻的不断接触。,例1：材料重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移-电位器-电阻,反馈,例2：煤气包储量检测,原理：钢丝-收线圈数-电位器-电阻,特点： （1）测量量程大； （2）防爆； （3）可靠； （4）成本低。,例3：玩具机器人（广州中鸣数码）,原理：电机-转角-电位器-电阻,二. 电阻应变式传感器,电阻应变式传感器具有悠久的历史，是应用最广泛的传感器之一。 电阻应变片简称电阻片或应变片，是一种将应变变换成电阻变化的转换元件。将应变片

8、粘贴在被测构件表面上，接入测量电路，随着构件受力变形，应变片敏感栅也相应变形，从而使其电阻发生变化。电阻变化与构件表面的应变成比例。 应用：应力、应变、扭矩、压强、位移、温度等。 优点：体积小、动态响应快、测量精度高、使用方便。,1. 工作原理,式中：导线的电阻率，又称为电阻系数。,金属电阻应变片式：导体的应变效应,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，如金属丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变大时，则电阻值就减小。,电阻应变式传感器分为：金属电阻应变片式和半导体应变片式。,从半导体的物理性质可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，均能使其电阻率 发生

9、很大的变化。 压阻效应指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率 发生变化的现象。 半导体应变片的使用方法与金属电阻应变片相同，即粘帖在被测物体上，随被测试件的应变变化其电阻发生相应变化。,半导体应变片式：材料的压阻效应,：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）,2. 电阻的相对变化量（变化率）,几种常用半导体材料特性,3. 金属电阻应变片,金属电阻应变片的种类: 1、丝式 2、箔式 3、薄膜式 电阻值：60、120 、200 、350 等规格。 应变片的规格以使用面积和电阻值表示，如320mm2，120 。 优点: 稳定性

10、和温度特性好。 缺点: 灵敏度系数小。,应变计,丝式应变片,箔式应变片,4. 半导体应变片,优点：灵敏度大;体积小;固有频率高，响应快，结构简单，能制成具有一定应变电阻的元件。 缺点：温度误差大，其稳定性和可重复性不如金属应变片，故需温度补偿。,应变计,体型,薄膜型,扩散型,5. 应变片测量电路,惠斯登电桥电路,令：,金属电阻应变片：,V与应变成线性关系，可以用电桥电压测量应变。,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。,用万用表测量应变片的电阻。同一电桥中各应变片之间的阻值相差不得大于0.5欧姆。,试件表面处理。贴片处置用细纱纸打磨干净，用酒精棉球擦洗贴处，直到棉球无黑迹

11、为止。,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。,6. 应变片的选择、粘贴技术,用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应大于500M欧。,应变片保护。用704硅橡胶覆于应变片上，防止受潮。,7. 电阻应变式传感器的应用,位移传感器 加速度传感器 筒式压力传感器,立柱应力 桥梁应力 柱式测力传感器,例4：桥梁固有频率测量,测量原理 在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车过碍障物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。,例5：电子称,测量原理 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。,例6：冲床生产记数和生

12、产过程监测,例7：振动式地音入侵探测器,三. 其他电阻式传感器,1.热电阻传感器,利用导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。,制造热电阻的金属材料应满足以下要求： 电阻温度系数大，电阻随温度变化保持单值并且最好呈线性关系； 热容量小； 电阻率尽量大，保证在同样灵敏度下使元件尺寸做得小一些； 在工作范围内，物理和化学性能稳定； 容易获得较纯物质，材料复制性好，价格便宜。,（1）铂热电阻 在0630.74 范围内，铂电阻值与温度变化之间的关系为：,（2）铜热电阻 在-50150 范围内，铜电阻值与温度变化之间的关系为：,热电阻的结构,2. 热敏电阻传感器,圆形热敏电阻,柱形热敏

13、电阻,珠形热敏电阻,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：,用于液体、气体、固体以及海洋、高空、冰川等领域的温度测量； 测量的温度范围一般为10400； 温度电阻系数大、灵敏度高、形小体轻、结构简单、价格经济。,半导体热敏电阻与金属丝电阻比较，具有以下优点： 灵敏度高，可测0.001 0.005微小温度的变化； 热敏电阻元件可制成片状、柱状，直径可达0.5mm。由于体积小，热惯性小，响应速度快，时间常数可小到毫秒级； 元件本身的电阻值可达2k700k，当远距离测量时导线电阻的影响可以忽略不计； 在-50350温度范围内具有较好的稳定性； 非线性大，对环境温度敏感性大

14、，测量时易受干扰。,3. 光敏电阻传感器,4. 湿敏电阻传感器,有些半导体材料（如硫化镉），在黑暗的环境下其电阻非常高。但当受到光照射时，其电阻值就显著下降。灵敏度高、体积小、价格低。,能将湿度的变化转换成电阻的变化。有些氧化物，主要是金属氧化物（如氧化锂），当湿度变化时，会引起其电阻的变化。,4.4 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的变化。,两平行极板组成的电容器,其电容量为:,0真空介电常数， 08.8510-12F/m； 极板间介质的介电常数，当介质为空气时，1； A极板面积，m2; 两极板间的距离，m。,2. 分类,a)极距变化型,b)面积变化型:平面线位移

15、型,角位移型, 柱体线位移型,3. 灵敏度,a) 极距变化型,传感器的灵敏度为,变极距电容传感器,平板电容器,差动式,传感器灵敏度,b)面积变化型,a)直线位移型,平面线位移型,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,用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)等能导致极板间介电常数变化的物理量。,根据被测参数使介电常数变化而引起传感器电容量的变化来测量温度、湿度、容量(图d)等。,电容串联,电容并联,若忽略边缘效应，则单组式平板型厚度传感器的电容：,4. 测量电路,a) 电桥电路,b) 直流极化电路,电桥电路,c) 谐振电路,d) 调频电

16、路,e) 运算放大器电路,优点：温度稳定性好，结构简单，灵敏度高，分辨力高，动态响应好，可作非接触式测量。,5. 电容式传感器的特点,缺点：输出阻抗高，负载能力差；寄生电容大；极距变化型输出的非线性。,应用,6. 电容式传感器的应用,振动位移测量,旋转轴偏心量测量,电容式氢液高度传感器,纱条均匀度测试仪,4.5 电感式传感器,电感式传感器的敏感元件是电感线圈，是基于电磁感应原理，把被测量转化为电感量的一种装置。特征是具有线圈绕组。,分类: 按变换方式不同,电感式传感器,差动变压器式,1. 可变磁阻式(自感型),原理:电磁感应效应,N: 线圈匝数；l: 铁芯导磁长度； ： 铁芯磁导率；0：空气磁

17、导率； A：铁芯导磁截面积；A0：空气导磁截面积； Rm：磁路总磁阻。,可变磁阻式传感器结构原理,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,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呈线性关系。,传感器灵敏度：,L与A0的线性关系,=常数,(3)差动型,输出特性,传感器灵敏度：,(4)螺线管型,当其它参数不变，仅改变l，使Rm变化，从而产生线圈电感的变化。,铁心,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

18、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h和金属板与线圈距离、激励电流、线圈激磁角频率等有关。,根据激励频率高低可分为,1）高频反射式,2）低频透射式,原线圈的等效阻抗Z变化：,(1)高频反射式（集肤效应）,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,发射线圈,接收线圈,(3)测量电路, 阻抗分压式调幅电路, 调频电路,(4)涡流式传感器的应用,例8：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

19、或齿数。,例9:转速的测量,例10： 测厚度,例11： 零件计数,例12：无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,3. 互感型差动变压器式电感传感器,（1）工作原理: 把被测量的变化转化成互感系数M的变化。,（2）差动结构,输出特性：,（3）测量电路,差动相敏检波电路,补偿零点残余电压-可调电位器R； 分辨铁心移动方向（极性判别）-相敏检波电路。 各点信号波形。,（4）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,温度;振动,速度,加速度,等。,4.5 磁电传感器,1. 变换原理,磁电式传感器是把被测物理量转

20、换为感应电动势的一种转换器，是一种机电能量变换型传感器。,一个匝数为N的线圈，当穿过线圈的磁通发生变化时，线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度B、磁阻Rm、线圈运动速度v有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势e。,2. 分类,3. 动圈式磁电传感器,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。,线圈,4. 磁阻式传感器,磁阻式磁电传感器的线圈与磁铁均不动,由运动物体(导磁材料)改变磁路的磁阻,引起通过线圈的磁力线增强或减弱，使线圈产生变化的感应电动势。,测频数,测转速,5. 磁电传感器

21、的应用,测速电机,磁电式测速传感器,4.6 压电传感器,1. 变换原理: 压电效应,自然界某些物质，如石英、钛酸钡等，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，且内部被极化，表面上会产生电荷，形成电场；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。,正向压电效应：机电 逆向压电效应：电机,石英晶体,压电晶体,2. 石英晶体,石英晶体并不是在任何方向都存在压电效应。,压电效应模型：, 纵向压电效应(x轴), 横向压电效应(y轴), 切向压电效应(相对平面),特点：温度稳定好；机械强度高； 可用来测量大量程的力和加速度。,3. 压电式传感器及其等效电路,（1）等效电路, 压电式传感器等

22、效成一个与电容相并联的电荷源，也可以等效为一个电压源与电容串联。,（2）完整等效电路,压电传感器通过导线与测量仪表连接时，连接导线的等效电容Cc、前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci以及传感器的泄漏电阻Ra对电路的影响必须考虑进去。,压电传感器的实际等效电路,电荷等效电路,电压等效电路,（3）压电元件的结构形式, 并联,C=2C u=u q=2q,时间常数大，动态响应差，适合于慢变信号的测量。以电荷量输出的场合。, 串联,C=C / 2 u=2u q=q,时间常数小，动态响应好，适合于快变信号的测量。以电压作为输出的场合。,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，压电传感器

23、需后接高输入阻抗的前置放大器。, 放大传感器输出的微弱电信号。, 将传感器的高输出阻抗变换为低输出阻抗（阻抗匹配）。,电压放大器,电荷放大器,(1)主要作用,4. 测量电路,(2)电压放大器,压电式传感器连接电压放大器后的等效电路如图a所示。为便于计算和分析，将其简化为图b。,图a,图b,若在压电元件上沿电轴方向施加交变力F=Fmsinwt， 压电元件材料的压电系数为d，则在外力F的作用下，压电元件产生的电荷和电压均按正弦规律变化，其电压值为：,式中： 为压电元件输出电压的幅值。,电压放大器输入端的电压，其复数形式为,令R(Ca+Cc+Ci)， 为测量回路的时间常数，并令w0=1/，则,根据压

24、电传感器灵敏度的定义得,因为wR1，所以,结论：压电式传感器连接电压放大器的等效电路中电缆分布电容Cc对传感器测量精度影响较大，因而在某些场合限制了其应用。,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,5. 压电传感器的特点及注意事项,灵敏度和分辨率高，线性范围大，结构简单、牢固，可靠性好，寿命长； 体积小，重量轻，刚度、强度、承载能力和测量范围大，频带宽，动态误差小； 易于大量生产，便于选用，使用和校准方便，并适用于近测、遥测； 既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转换为机械能；

25、 随着与其配套的后续仪器，如电荷放大器等的技术性能日益提高，这种传感器的应用愈来愈广泛； 无静态输出，要求有很高的输出阻抗，并需用低电容的电缆。,石英晶体有三个晶轴：Z轴又称光轴，该方向上没有压电效应；X轴又称电轴，垂直于x轴的晶面上压电最显著；y轴又称机械轴，沿y轴方向上的机械变形最显著。 当沿着X轴对压电晶片施加力时，将在垂直于X轴的表面上产生电荷，这种现象称为纵向压电效应。沿着y轴施加力的作用时，电荷仍出现在与X轴垂直的表面上，这称之为横向压电效应。 用石英晶体制作的压电式传感器中主要使用纵向压电效应。其特点是晶面上产生的电荷密度与作用在晶体上的压强成正比，而与晶片厚度、面积无关。横向压

26、电效应产生的电荷密度除了与压强成正比外，还与晶片厚度成反比。,6. 其它的压电材料,（1）压电陶瓷,压电陶瓷是由许多铁电体的微晶组成的。 在一定的温度下，通过对其进行极化处理，即可获得材料形变与电场呈线性关系的压电效应。 压电陶瓷的压电常数比石英晶体的高数百倍。 压电陶瓷在现代声学和传感技术中应用最普遍。 钛酸钡（BaTiO3）是使用最早的压电陶瓷。目前使用最多的是锆钛酸铅（PZT）系列的压电陶瓷。,（2）高分子压电薄膜,聚偏二氟乙烯（PVdF）应用最广，是上世纪70年代在日本问世的一种新型高分子压电材料。 具有独特的介电效应、压电效应、热电效应。 PVDF压电膜比石英、PZT等具有压电常数大

27、，频带宽，机械强度好，耐冲击，质轻，柔韧，阻抗易匹配，易加工成大面积，不易受水和一般化学品的污染、价格便宜等特点。 它是一种极有发展前途的换能型高分子敏感材料。被广泛应用振动冲击、闯红灯拍照、交通人流车流信息采集、车速监测、交通动态称重以及安全防护、防盗报警、洗衣机不平衡、电器振动、脉搏检测、拾音传声等。,7. 压电传感器的应用,压力变送器,加速度计和力传感器,交通监测,将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,动态切削力的测量,压电式玻璃破碎报警器,粘贴位置,使用时，用干胶将其粘贴在玻璃

28、上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜会感受到剧烈振动，并在其表面产生电荷Q，在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。,将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时发出的振动，并将转换得到的电压信号传送给集中报警系统。,飞机模态分析,4.8 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。,1. 灵敏度,通常传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)灵敏度过高引起的干扰问题（高的信噪比）； b)测量范围。,3. 响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避

29、免的有一定延迟，但总希望延迟时间越短越好。,2. 线性范围,任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，表明其工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。 为了提高测量精度，应注意平常使用时的显示值应在满量程的50%左右来选择测量范围或刻度范围。,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。,5. 精确度,精确度是表示传感器的输出与被测量真值相一致的程度。,6. 测量方式,传感器的工作方式，是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在

30、线与非在线测量等。,应变片受力后，电阻的变化dR,则,两边同除以R，R=L/A，则,dL/L=金属导线长度的相对变化，称为纵向应变。 d/导线电阻率的相对变化。 dA/A导线截面积的相对变化，称为横向应变。,(1)工作原理,对于圆形截面的导线，若其直径为D，则,横向应变dA/A和纵向应变dL/L之比称为泊松比，即,故,E为导线材料的弹性模量，为压阻系数，与材料有关。,则,已知,当导体材料确定后，、E均为常数，则(1+2+E)为常数。,灵敏度为：,应变片电阻的相对变化率dR/R与应变之间是线性关系。,S 由两部分组成：, 前一部分(1+2)是由金属导线的几何尺寸变化引起的；, 后一部分E是电阻率随应变而引起变化的部分，除与导线几何尺