发电式传感器与其应用

《发电式传感器与其应用》由会员分享，可在线阅读，更多相关《发电式传感器与其应用（85页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、测试技术 发电式传感器及其应用,第五章,内 容,压电式传感器 磁电式传感器 光电式传感器 图像传感器 霍尔传感器 热电偶传感器 红外探测器,1.原理：利用压电材料的压电效应，将被测量的变化转换成感生的电荷量变化实现测量 敏感元件力敏感元件压电材料石英晶体、压电陶瓷压电陶瓷比石英晶体的压电灵敏度高得多（数百倍），而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷（钛酸钡、锆钛酸铅等）。 测量的物理量测量那些最终能变成力的物理量 力，力矩和压力 振动加速度，声音 特点：响应快、灵敏度高、结构简单、性能可靠;不适合静态、准静态信号的测量,5.1.1 压电式传感器基本原理,什么类型传

2、感 器可测静态量？,压电陶瓷外形,5.1.1 压电式传感器基本原理,压电陶瓷及其换能器外形,5.1.1 压电式传感器基本原理,压电效应: 外力作用下在压电材料一定方向的两个表面产生电荷,压电效应分为： 正压电效应：上述现象为正压电效应，传感器利用正压电效应。 逆压电效应：在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当 去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应。,六角形晶柱,当动态力变为静态力时，电荷将由于表面漏电而很快泄漏、消失; 当力的方向改变时，电荷的极性随之改变; 输出电压的频率与动态力的频率相同.,5.1.1 压电式传感器基本原理,为什么压电传感器不宜测量

3、静态量？,2.压电传感器等效电路 两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器,5.1.1 压电式传感器基本原理,3.结构形式为了提高灵敏度，可用多片压电材料串、并联组成。,并联接法：电容量大、时间常数大，响应慢测量缓变信号适合电荷输出,串联接法：电容量小、时间常数小，响应快测量快变信号适合电压输出,5.1.1 压电式传感器基本原理,5.1.2 压电式传感器的应用,1压电转换元件 2传感器体 3弹性膜片 4电极 5引线,1.压电式压力传感器,原理：利用正压电效应，将压力转换成电荷量实现测量 测量动态力：机械结构的拉伸和压缩力,5.1.2 压电式传感器的应用,2.压电加速度计,原理：利用正压电效应

4、，将加速度转换成电荷量实现测量 典型加速度计特性参数：频响范围：1Hz22KHz量 程：02000g适用温度：150260，灵 敏 度：572mv/g 优点：尺寸小、重量轻、频响宽、坚固耐用，应用广泛 缺点：低频性能差，不适用静态测量；阻抗高，测量噪声大,1压电元件 2预压弹簧 3外壳 4质量块 5基座,比较力传感器与加速度传感器结构的最大区别？,因此：是常用的高频振动测量传感器！,5.1.2 压电式传感器的应用,压电加速度计结构形式,压缩式 剪切式 弯曲式,弯曲式 灵敏度高 体积大 机械强度差 固有频率低，低频测量,剪切式 灵敏度高 横向灵敏度小 容易小型化 固有频率高，高频测量,压缩式 结

5、构简单 装配方便 是目前常用的结构形式,5.1.2 压电式传感器的应用,压电加速度计安装,(a) 直接螺栓固定：测量强振和高频率振动，比较常用 (b) 绝缘连接：减少振动表面电干扰 (c) 腊膜粘附：不牢靠 (d) 手持接触：适合低频（1000Hz）振动,误差大 (e) 磁铁吸附：方便可靠，适合小振动，比较常用 (f-g) 粘结剂连结：需表面处理,（1）内装IC 压电加速度传感器特点 内装微型IC-集成电路放大器 低阻抗输出，抗干扰，噪声小 性能价格比高，安装方便，尤其适于多点测量 稳定可靠、抗潮湿、抗粉尘、抗有害气,典型加速度计特性参数 灵敏度：100mV/g 量程：50g 频率范围：0.5

6、-8000Hz（10%) 安装谐振点:30kHz 分辨率：0.0002g 线性：1% 输出偏压：8-12VDC 恒定电流：2-20mA 输出阻抗：150 激励电压：18-30VDC,5.1.2 压电式传感器的应用,典型压电加速度计,（2）复合式压电传感器机械阻抗测量头 同时测量同一个点动态加速度和力的传感器机械阻抗：响应加速度/激振力如：8770A5型阻抗头量程 灵敏度 频率范围 加速度 5g 1000 mV/g 1Hz 4kHz 力 5Lb 1000 mV/Lb,5.1.2 压电式传感器的应用,压电（陶瓷 /晶体）式传感器的优点 具有很高的刚度，即很高的机械阻抗，测量过程中变形甚小，是一种近

7、乎理想的测力元件； 尺寸与重量很小，可以小到只有零点几克，因而使用中对被测对象的附加质量小； 固有频率高，可以高达数万赫兹，因此测量频率范围大，一般几kHz. 线性好； 做成多向测力仪时，其横向干扰小（最大不超过5%，一般在3%以下）； 响应快、灵敏度高、信噪比大、结构简单、性能可靠。,压电（陶瓷 /晶体）式传感器的缺点 不能用于静态测量，对于静态信号，压阻式比压电式好； 需经常校正灵敏度; 调理特殊：输出电信号是很微弱的电荷，而且传感器本身有很大内阻，故输出能量甚微，通常将压电式传感器的输出信号先输入到具有高输入阻抗的前置放大器.,5.1.2 压电式传感器的应用,5.1.2 压电式传感器的应

8、用,问题：检测一个旋转机械的转子及轴承的振动，一般采用什么传感器？,采用电涡流传感器测量转子振动（径向及轴向）采用压电式加速度测量轴承振动,5.1.2 压电式传感器的应用,1）应减小电缆噪声产生原因：电缆芯与绝缘体间、金属屏蔽套与绝缘体间因滑移摩擦和分离，产生静电荷感应干扰。减小方法：固定好传感器的引出电缆和选用低噪声电缆。 2）应减小接地回路噪声产生原因：不同电位处多点接地，形成了接地回路和回路电流。减小方法：传感器与被测对象绝缘连接，并使测试系统同一点接地。,压电（陶瓷 /晶体）式传感器应用时注意事项：,固定电缆,单点接地,可用于波形分析报警的高分子压电踏脚板,5.1.2 压电式传感器的应

9、用,3.高分子压电材料及其应用,高分子压电材料是近年来发现的一种新型智能材料（如PVDF）。其压电特性并不是很好，但它易于大批量生产，且具有面积大、柔 软不易破碎等优点，可用于微压测量和机器人的触觉。,鞋跟发电机,N匝线圈与磁铁相对运动、切割恒定磁场磁力线，产生感应电动势：磁通变化率取决于：磁场强度B，线圈运动速度， 磁路磁阻分类：1）动圈式(线圈运动)：常用于测量直线运动速度或振动速度.2）变磁阻式：常用于测量角速度或转轴转速、扭矩；,5.2.1 磁电式传感器基本工作原理,1. 原理：利用电磁感应原理。,当线圈匝数N、磁场强度B、磁场中的导体长度L为 常数时，感应电动势与速度成正比：,5.2

10、.1 磁电式传感器基本工作原理,2.动圈式磁电传感器及其应用,特点：输出功率大，调理电路简单，性能稳定，频响101000Hz。,磁电式速度传感器动态特性下限频率受固有频率影响。为了扩大下限可测频率，固有频率应该尽可能低，但可能存在体积过大、重力场中静变形过大、易受交叉振动干扰。因此，固有频率一般取1015Hz。 上限频率受到安装频率影响。接触杆与被测物体表面的接触（安装）共振频率决定 工作频率：151000Hz 阻尼比：阻尼比（0.5-0.7），可扩展频率下限,5.2.2 磁电式传感器的应用,可见，要实现不失真测量对幅频特性的要求，速度传感器应工作在频率比大于1的频段；最佳阻尼比可提高测量频率

11、范围。,比较,1）动圈式磁电绝对速度传感器 组成：磁钢、惯性质量、弹簧、磁阻尼环、线圈 壳体振动磁钢随之振动芯轴相对静止线圈切割磁力线线圈中感应电势 感应电势E=kV，k取决于磁感应强度、线圈长度和匝数,V为绝对振动速度,5.2.2 磁电式传感器的应用,2）动圈式磁电相对速度传感器芯轴为顶杆 壳体与顶杆间产生相对速度 输出电压：正比相对速度 测量频率：5Hz1kHz,1、顶杆 2、拱形簧片 3、磁钢 4、线圈 5、引出线 6、壳体,5.2.2 磁电式传感器的应用,将壳体固定于一试件，通过压缩弹簧片，使顶杆另一端顶住另一试件，则线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度，可为相对速度计。,原理：永

12、久磁铁产生确定强度的磁场，磁铁与线圈均不动，被测量使磁路磁阻变化，引起磁通变化而使线圈产生感应电势。典型代表：磁电式传感器测转速齿圈齿顶与极轴的间隙变化 导致磁路磁阻变化。 缺点：对转轴有阻力矩；低速时输出信号较小，故不适用于低转速测量。,5.2.2 磁电式传感器的应用,3.变磁阻磁电式传感器及其应用,1）变磁阻磁电式转速传感器,OD9001磁电式转速传感器 测量频响范围为3Hz-10kHz 输出的波型近似正弦波，输出信号幅值大小与转速成正比，与探头端面距齿顶间距的大小成反比 高灵敏度、高抗干扰性 不需供电,5.2.2 磁电式传感器的应用,2）变磁阻磁电式扭矩传感器,5.2.2 磁电式传感器的

13、应用,电压u1和u2的相位差与扭转轴的扭转角成正比，而扭转角又与扭矩成正比，故通过测量相位差就可求得扭矩。,优点： 能够直接测量线速度和角速度； 输出功率大，可用于远距离测量； 结构简单，工作可靠。 缺点： 动圈式下限频率高，一般为1015Hz； 变磁阻式对转轴有阻力矩，低速时输出信号较小； 不宜在高温及强磁场的环境中工作。,测角速度型,5.2.2 磁电式传感器的应用,4.磁电式传感器的优缺点,常用的直接测 量位移及加速 度的传感器？,5.3.1 光电式传感器基本工作原理,原理：基于光电子元件（半导体）的光电效应。每个光子具有能量，用光照射某一物体时，会发生光子与物体的能量交换，产生的电效应为

14、光电效应。 分类：外光电效应：在光照作用下，物体内的电子从物体表面逸出的现象。 光照后会产生光电流；光电元件：光电管、光电倍增管内光电效应：在光照作用下，物体的电阻率发生改变的现象。光电元件：光敏电阻 光生伏打效应：在光照射下能使物质产生一定方向的电动势的效应。光电元件：光电池、光敏晶体管,2.光电器件及其性能 光电管：光电管由阴极及阳极组成。原理：当阴极受到适当波长的光线照射时便发射电子，电子被带正电位的阳极所吸引，这样在光电管内就有电子流，在外电路中便产生了电流 。 光电管接收的入射光通量与输出的光电流成比例关系（线性关系）。,5.3.1 光电式传感器工作原理,光电倍增管：在阴极和阳极之间

15、装了若干级“倍增极”，它在电子轰击下能反射更多电子，目的是提高灵敏度。适合在微弱光下使用，但不能接收强光刺激，否则易于损坏。,光敏电阻电阻随光照强度的增加而减小.两个重要参数：暗电阻未受光照时电阻。越大越好，一般是兆欧数量级；亮电阻受光照时的电阻。越小越小，一般为千欧数量级。 1) 光照特性亮电阻与光照强度之间的关系称为光敏电阻的光照特性;光敏电阻的光照特性为非线性特性，因此，常用作开关电路；2) 灵敏度光敏电阻对于不同波长的入射光的灵敏度不同；硫化镉、硒化镉适用于可见光（0.4-0.75m)硫化铅、硒化铅适用于红外光（波长大于可见光）,5.3.1 光电式传感器工作原理,光电池（光敏二极管）：

16、光照在较大面积的PN结上，能使其产生一定方向的电动势，即：直接把光能转换成电能。 1)光照特性可跟踪KHz光频率变化;开路电压与光照强度为非线性关系；短路电流与光照强度为线性关系；因此,一般用作电流源. 2) 灵敏度光电池对不同波长的入射光的灵敏度不同：硅光电池适用波长范围：0.4-1.1 m硒光电池适用波长范围：0.3-0.6 m,光敏二极管,5.3.1 光电式传感器工作原理,光敏晶体管（光敏三极管）：光敏晶体管的光照在发射极与基极之间的PN结上，集电极会产生较大电流，把光能转换成电能。 1)光照特性可跟踪MHz光频率变化;输出电流的大小随光照强度的增加而增加，线性度没有光敏二极管好。 2)灵敏度光敏晶体管对不同波长的灵敏度不同，且与入射光的方向有关。硅管常用可见光测量锗管常用红外光测量,