传感器原理与应用课件

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1、第六章 传感器原理与应用,电子测量北京交通大学 电气工程学院,1,传感器技术基础 电阻应变式传感器 电容式、电感式、压电式传感器 热电式传感器 光电式传感器,主要参考书,电子测量北京交通大学 电气工程学院,2,传感器原理、设计与应用， 刘迎春，叶湘滨编著， 国防科技大学出版社,教学目的,掌握不同物理量的测量方法 掌握不同物理量的传感器的原理、结构、特性、转换电路和典型应用方法,能根据不同的应用要求，设计和选用传感器及其应用电路,电子测量北京交通大学 电气工程学院,3,一、传感器技术基础,传感器的概念与定义 传感器组成与分类 传感器的地位与作用 传感器的现状与发展动向,电子测量北京交通大学 电气

2、工程学院,4,（一） 传感器的概念与定义,人体的感知过程：外界信息感觉器官脑躯体外部对象视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉 测控系统的感知过程：外界信息传感器计算机执行机构外部对象传感器相当于人的五官，在系统中实现信息的采集与转换,电子测量北京交通大学 电气工程学院,5,传感器的定义,能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置。 国家标准GB7665-87 感：能感受到被测量的信息 传：能将感受到的信息按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出 器：一种装置,电子测量北京交通大学 电气工程学院,6,（二）传感器组成,一般由敏感元件、转换元件、转换电路三部分组成,敏感元件 能灵

3、敏地感受被测变量，并对被测变量产生响应的元件 温度升降改变铂电阻的阻值，铂电阻是一种温度敏感元件 话筒中的 压电晶体或电容，是声音的敏感元件,例如,电荷变化,电容变化,电子测量北京交通大学 电气工程学院,7,对敏感元件的要求,只对被测量敏感不受或少受环境因素的影响 足够的灵敏度 输出信号的信噪比高 输出响应与输入变量之间具备明确的关系最好是线性关系 转换元件将敏感元件的输出转换成便于应用或处理的形式 转换电路 即信号调理环节，用以得到便于测量的电信号 电压/电流（幅值、相位、频率）信号 模拟/数字信号,电子测量北京交通大学 电气工程学院,8,（三） 传感器分类,按感知的被测量分类 位移、力、速

4、度、温度、流量、气体成份、 按工作原理分类 电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、热电、 按输出信号分类 模拟式、数字式 按物理现象分类 结构型、物性型 按能量关系分类 能量转换型、能量控制型,为什么分类 传感器种类繁多 为满足区分、研究、应用的不同需要 分类的主观性、多样性 分类的角度和方法多样，具有主观性、随意性 对于学习、研究，常按工作原理分类 对于选型、应用，常按被测量分类 本章以 工作原理分类为主，兼顾 被测量分类,电子测量北京交通大学 电气工程学院,9,电子测量北京交通大学 电气工程学院,10,传感器实例日常生活,电子测量北京交通大学 电气工程学院,11,传感器实例工业应用,电子测量

5、北京交通大学 电气工程学院,12,传感器实例工业应用,电子测量北京交通大学 电气工程学院,13,机器人技术,视觉: 平面、立体 非视觉：触觉、滑觉、热觉、力觉、接近觉、,电子测量北京交通大学 电气工程学院,14,医疗诊断中的应用,电子测量北京交通大学 电气工程学院,15,门禁系统,打破了人们几百年来用钥匙开锁的传统,指纹锁,密码锁,磁卡锁,电子测量北京交通大学 电气工程学院,16,环境及安防应用,半导体温度传感器,电子测量北京交通大学 电气工程学院,17,航空航天,电子测量北京交通大学 电气工程学院,18,农业,国防,交通,航海,电子测量北京交通大学 电气工程学院,19,起到人类五官的作用 延

6、长人类五官的感知范围 磁场、不可见光、超声、射线、无味气体等检测 各学科领域获取信息的主要途径与手段 科技发展的推动力量 国家综合实力的重要标志 信息技术的三大支柱之一,传感器的重要作用,信息采集、传输、处理,传感器、通讯、计算机,感官、神经、大脑,电子测量北京交通大学 电气工程学院,20,传感器发展方向,以电量作为为输出量的传感器得到飞速发展 提高与改善传感器的技术指标 发现新现象、开发新材料、研究新技术和新工艺 航空航天传感器 生物、化学传感器,细微加工技术 集成化、多功能化 数字化、智能化、网络化 差动技术、平均技术、补偿修正技术 隔离与干扰抑制、稳定性处理，,二、电阻应变式传感器,电子

7、测量北京交通大学 电气工程学院,21,二、电阻应变式传感器,应变式传感器的组成、原理与结构 弹性元件的特性 测量电路 电阻应变式传感器的应用,电子测量北京交通大学 电气工程学院,22,电子测量北京交通大学 电气工程学院,23,（一）概述,电阻式传感器的是将被测量的变化转换成元件的电阻值的变化，经过转换电路变成电信号输出的一类传感器。,电阻式传感器的类型很多，常用来测量应变、力、压力、位移、扭矩、加速度等，是目前使用最广泛的传感器之一。,电子测量北京交通大学 电气工程学院,24,电阻式传感器实例,电阻应变式血压换能器,电子秤,电子汽车衡,微型硅应变式压力传感器,TY2015A型电阻应变式称重传感

8、器,电子测量北京交通大学 电气工程学院,25,电阻式传感器实例,S型称重传感器,悬臂梁称重传感器,柱式称重传感器,轮辐式称重传感器,压力传感器,液位传感器,扭矩传感器,扭矩扳手,电子测量北京交通大学 电气工程学院,26,电阻式传感器实例,电位器 将关节驱动电机的转动角度变化转换为电位器阻值的变化,以下主要讨论电阻应变式传感器,电子测量北京交通大学 电气工程学院,27,（二）电阻应变式传感器的组成和原理,举例：称重传感器,应变片的布置,弹性敏感元件,组成： 弹性敏感元件（一个）应变片（若干） 转换电路（一套）,柱体展开图,结构设计有哪些特殊的考虑？ 克服偏心造成的误差,组成和原理（续）,转换电路

9、一般采用电桥电路,电子测量北京交通大学 电气工程学院,28,力 弹性敏感元件变形和应力 应力应变片电阻值变化 电阻值变化电桥电压变化 电压变化 “力”的大小,Fm=f1(Uo) =f1(f2(R)= f1(f2(f3()=)= f1(f2(f3(f4(F),可用于测量力、压力、加速度、转矩、应变、位移,电子测量北京交通大学 电气工程学院,29,涉及的问题,应变片的工作原理 电阻的变化量的测量方法 弹性敏感元件的选择 应变片与弹性体的粘合 非测量因素（例如温度）影响的消除 各种力学量的测量方法如何应用？,电子测量北京交通大学 电气工程学院,30,1.金属应变片的工作原理 金属的电阻应变效应,金属

10、导体的电阻值随着机械变形（拉伸或压缩）的而发生相应变化的现象，称为金属的电阻应变效应。,导体受力变形， ll+l ，SSS，+,则其电阻将产生变化,即：RR+R,产生的机理,电子测量北京交通大学 电气工程学院,31,导体电阻变化的通用公式,不妨设导体截面为半径为r的圆形，则,定义变量 x=l/l， y=r/r，分别为导体的轴向应变和径向应变，且 y= -x ， 称为导体材料的泊松系数，则,电子测量北京交通大学 电气工程学院,32,金属导体的电阻变化公式,对于金属材料，/可忽略，于是 金属导体的电阻变化率与其应变成正比，并且与金属导体的材料性质有关。 ( 1+2)称为金属（丝）导体的应变灵敏度系

11、数，记为Ks 在拉伸极限内， Ks为定值，一般在1.73.6 的范围内,电子测量北京交通大学 电气工程学院,33,2. 金属应变片的结构,初始电阻值为 R0 的金属导体，应变 x 的造成的电阻变化量为 R=(1+2)R0 x 其中，K=(1+2)R0 称为应变片的灵敏度系数。为提高K，除可选择高 材料外，还可以增大R0 ，即 提高电阻率 、增加导体长度 l、减小导体的截面积 S应变片通常采用较高的极细（=0.025mm）的金属丝构 金属丝盘成栅网状 ，粘贴于绝缘基底上，覆盖保护层，连出引线，就构成了电阻丝应变片,电子测量北京交通大学 电气工程学院,34,金属应变片的结构丝式应变片,电子测量北京

12、交通大学 电气工程学院,35,金属应变片的结构箔式应变片,利用照相制版或光刻腐蚀的方法，在绝缘基底上生成各种特定形状的、金属层厚度为1m10 m的电阻应变片。箔膜式应变片，应变花,单轴四栅全桥,单轴单栅,三轴45,圆膜栅,电子测量北京交通大学 电气工程学院,36,箔式应变片的优点,敏感栅的尺寸准确，图形可以根据应用需要灵活选择 便于粘贴，动态性能和传递性能好（质量小，轻而薄） 便于散热，允许通过较大的工作电流 可以忽略横向效应 蠕变、滞后小，疲劳寿命长,在普通测量条件下取代了丝式应变片,便于规模化生产,电子测量北京交通大学 电气工程学院,37,3. 半导体应变片的原理与结构,压阻效应 由于外力

13、作用而引起半导体材料电阻率变化的现象称为半导体的压阻效应在半导体材料上施加作用力，晶体除产生应变外，其电阻也会发生变化，即： 对于半导体材料，前一项可忽略，后一项起主要作用。, 材料的压阻系数， 应力 E 半导体元件的弹性模量， 应变,电子测量北京交通大学 电气工程学院,38,半导体应变片的结构,与材料的性质、晶体的切割方向、环境温度等因素有关温度稳定性差，元件的一致性差，线性差，误差较大 单个元件的应用较少，通常采用多个元件的集成了膜片式结构,电子测量北京交通大学 电气工程学院,39,例子：固态压阻式压力传感器,其核心是扩散了半导体应变片的硅膜片，与壳体一起构成高、低压腔，用于测量膜片两侧的

14、压力差。 应变片在内部接成电桥，通过引线与外部测量电路连接。,引线,低压腔,高压腔,硅环,硅膜片,电阻,优点 电阻同时生成，参数分散性小 外界因素对测量结果的影响大大降低 便于集成化、微型化 可将转换电路、处理电路集成为一体，并采用多种输出形式,电子测量北京交通大学 电气工程学院,40,4.半导体应变片的特点,灵敏度很高，一般在50200之间 采用集成电路工艺生产，因此成本低、同批次产品的一致性好 温度稳定性较差 因为与材料的掺杂浓度、温度、晶向等因素有关 线性度较差，误差较大 通过构造差动传感器加以可以改善上述两个缺点,电子测量北京交通大学 电气工程学院,41,5. 应变片的主要参数,初始阻

15、值：60，120，350，600，1000 绝缘电阻值：1010 灵敏度系数：要求大且稳定 允许电流：25mA(静态)；75100mA(动态) 应变极限 机械滞后，零漂和蠕变,电子测量北京交通大学 电气工程学院,42,（二） 弹性敏感元件,作用：将力转化为变形（应变） 特性： 刚度 k=dF/dx , 弹性滞后（迟滞现象） 固有振动频率材料：合金钢（不锈钢）、铜合金良好的弹性、足够的精度和稳定性,灵敏度 S=dx/dF,弹性后效,电子测量北京交通大学 电气工程学院,43,常用弹性元件的应变、应力计算,1. 圆柱（实心和空心）其中， 研究的截面与轴线的夹角，A-圆柱的横截面积 截面上的应力； 截面上的应变 材料的泊松系数； E 材料的弹性模量 灵敏度结构系数 应力、应变与圆柱的长度、截面的形状无关,电子测量北京交通大学 电气工程学院,44,2. 等截面悬臂梁,b梁宽， h梁厚， E 弹性模量 l0 观测点与力F作用点的距离,各处应变不等,3. 等强度梁（变截面梁）,令l0/b=C（常数），则,各处应变相等,电子测量北京交通大学 电气工程学院,