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1、第3章 安全检测常用传感器,3.1 传感器的作用及分类 3.2 结构性传感器 3.3 物性传感器 3.4 其他类型传感器 3.5 传感器的选用原则,3.1 传感器的作用及分类,国家标准（GB7665-87）中传感器的定义：,传感器：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。,传感器名称：发送器、传送器、变送器、检测器、换能器、探测器,传感器功用：一感二传，即感受被测信息，并传送出去。,工业测量,标准输出信号,转换效率,能量转换,3.1 传感器的作用及分类,1、按工作机理：物理型、化学型、生物型等,2、按构成原理：结构型与物性型两大类,3、根据能量转换：能量控制型和能量转
2、换型传感器,4、按照用途分类 ：位移、压力、振动、温度等传感器,6、根据输出信号：模拟信号和数字信号,5、根据输入输出特性 ：线性和非线性,7、根据是否使用电源：有源传感器和无源传感器,传感器的分类,1 电阻式传感器,3.2 结构型传感器,工作原理金属体有一定电阻，电阻值因金属的种类而不同。,如果发生应变的物体上有金属电阻，当物体伸缩时，金属体按一定比例发生伸缩，因而电阻值产生变化。,3.2 结构型传感器,2 电位器式传感器,工作时，在电阻原件两端即 端加上固定的直流工作电压，从 端就有电压输出，并且输出电压的大小与电刷的位置相关，当电刷臂随着被测量产生位移x时输出电压就发生相应的变化。,应变
3、式传感器的核心元件：电阻应变片，试件上的应力变化转换成电阻变化。,应变效应:导体或半导体在受到外界力的作用时，产生机械变形，机械变形导致其阻值变化，这种因形变而使阻值发生变化的现象称为应变效应。,一、工作原理 对于一长为L、横截面积为A、电阻率为的金属丝，其电阻值R为,如果对电阻丝长度作用均匀应力，则、L、A的变化(d、dL、dA)将引起电阻R变化dR。通过对上式的全微分可得dR为,3.2 结构型传感器,3 电阻应变式传感器,3.2 结构型传感器,若电阻丝是圆形的，则A=r ,对r 微分得dA=2r dr，则,在弹性范围内金属丝受拉力时，沿轴向伸长，沿径向缩短，则轴向应变和径向应变的关系为 y
4、=-x 为金属材料的泊松系数。,定义：KS为金属丝的灵敏系数，表示单位应变所引起的电阻的相对变化，则有,一、工作原理,根据应力和应变的关系:应力=E，应变dR，dR。,确定的金属材料，(1+2)项是常数，其数值约在12之间，实验证明d/x 也是常数。,金属的电阻相对变化与应变成正比关系。,通过弹性元件，可将应力转换为应变，这是应变式传感器测量应力的基本原理。,3.2 结构型传感器,一、工作原理,二、测量电路 假设输入电源内阻为0，输出为空载,当RL时，电桥输出电压,当电桥平衡时，U0=0， R1 R4 = R2 R3或R1/R2 =R3/R4,若R1由应变片替代，当电桥开路时，不平衡电桥输出的
5、电压为,3.2 结构型传感器,二、测量电路,设桥臂比n=R2/R1，R1R1有, 电压灵敏度KU正比于供桥电压，供电电压越高，灵敏度越高，但供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制，要作适当选择。,当供桥电压和电阻相对变化一定时，电桥的输出电压及其灵敏度也是定值，且与各桥臂阻值大小无关。, 电压灵敏度是桥臂比的函数，恰当地选择桥臂比的值，保证有高的电压灵敏度。 在当供桥电压E确定后，当n=1即R1= R2、R3= R4时，电桥的灵敏度最高。,3.2 结构型传感器,3.2 结构型传感器,电子天平,吊钩秤,4 电容式传感器,3.2 结构型传感器,以电容器为敏感元件，将被测非电量的变化转换为电容量变化
6、的传感器。 电容式传感器的感测量位移、振动、压力、加速度、液位、成分含量等。 电容式传感器的种类根据结构形式：变极距型、变面积型和变介质型。,3.2 结构型传感器,电容极板间介质的介电常数，0为真空介电常数，r极板间介质的相对介电常数；A两平行板所覆盖的面积；d两平行板之间的距离。,两个平行金属板组成的平板电容器，不考虑边缘效应时电容量为,一、基本工作原理,被测参数变化A、d或发生变化时，电容量C也随之变化。,仅改变一个参数，该参数的变化可转换为电容量的变化，通过测量电路就可转换为电量输出。,3.2 结构型传感器,若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d，电容量增大了C，则有,d/d01时，1-
7、(d/d0)21，则,C与d近似呈线性关系。变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时，才有近似的线性关系。,二、变极距型电容传感器,3.2 结构型传感器,电容的相对变化量为,当|d/d0|1时，级数展开有,输出电容的相对变化量与输入位移之间成非线性关系。 传感器的相对非线性误差：,二、变极距型电容传感器,3.2 结构型传感器,电容传感器的灵敏度为,二、变极距型电容传感器,单位输入位移所引起的输出电容相对变化的大小与d0呈反比关系。,当|d/d0|1时有近似线性关系,要提高灵敏度，应减小起始间隙d0，但非线性误差却随着d0的减小而增大。,一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间
8、，极板间距离在25200m的范围内。 最大位移应小于间距的1/10。 变极距电容式传感器在微位移测量中应用最广。,3.2 结构型传感器,在差动式平板电容器中，当动极板位移d时，电容器C1的间隙d1变为d0-d，电容器C2的间隙d2变为d0+d，则,三、差动变极距型电容传感器,在实际应用中，为了提高灵敏度，减小非线性误差，大都采用差动式结构。,3.2 结构型传感器,三、差动变极距型电容传感器,电容值相对变化量为,略去高次项，则C/C0与d/d0近似线性关系为,电容值总的变化量为,差动式传感器的灵敏度为,差动式传感器的相对非线性误差近似为,差动式结构的电容传感器非线性误差大大降低，灵敏度增加了一倍
9、。,3.2 结构型传感器,三、差动变极距型电容传感器,电容式传感器测量电路： 运算放大器电路、电桥型电路、调频电路、脉冲宽度调制电路。,3.2 结构型传感器,5 电感式传感器,电感式传感器的优点 结构简单、可靠 分辨率高机械位移0.1m，甚至更小；角位移0.1角秒。输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 重复性好，线性度优良在几十m到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。 能实现远距离传输、记录、显示和控制,变磁阻式传感器即自感式电感传感器：利用线圈自感量的变化来实现测量的。 传感器结构：线圈、铁芯和衔铁三部分组成。,线圈中电感量：,工作原理：铁芯和衔铁由导磁材料如硅钢
10、片或坡莫合金制成，在铁芯和衔铁之间有气隙，气隙厚度为，传感器的运动部分与衔铁相连。当被测量变化时，使衔铁产生位移，引起磁路中磁阻变化，从而导致电感线圈的电感量变化。 因此只要能测出这种电感量的变化，就能确定衔铁位移量的大小和方向。,总磁阻,线圈匝数,一、工作原理,3.2 结构型传感器,3.2 结构型传感器,一、工作原理,气隙截面积A保持不变，则L为的单值函数，构成变气隙厚度式自感传感器。,保持气隙间距不变，A随被测量（如位移）变化，构成变气隙面积式自感传感器。,3.2 结构型传感器,变磁阻式传感器即自感式电感传感器的基本类型：,（1）变气隙厚度式 （2）变气隙面积式 螺管式,变气隙厚度式,螺管
11、式,变气隙截面式,3.2 结构型传感器,6 磁电式传感器,磁电感应式传感器：利用电磁感应原理将被测量（如振动、位移、转速等）转换成电信号的一种传感器。 无源传感器：不需要辅助电源，就能把被测对象的机械量转换成易于测量的电信号。 特点：输出功率大，性能稳定，具有一定的工作带宽（101000 Hz）。,3.3 物性传感器,1 压电式传感器,压电式传感器的工作原理是基于某些介质材料的 压电效应，是典型的双向有源传感器。当材料受力作 用而变形时, 其表面会有电荷产生，从而实现非电量 测量。压电式传感器具有体积小、重量轻、工作频带宽 等特点，因此在各种动态力、机械冲击与振动的测 量，以及声学、医学、力学
12、、宇航等方面都得到了非 常广泛的应用。,3.3 物性传感器,压电效应：某些电介质，在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个表面上生成符号相反的电荷，当外力去掉后，它又会恢复到不带电状态，这种现象称为压电效应。具有这种压电效应的物体称为压电材料或压电元件。常见的压电材料有石英，钛酸钡等。压电效应是可逆的。 逆压电效应： 在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或叫做电致伸缩效应。,3.3 物性传感器,Z,X,Y,(a),(b),Z,Y,X,一、石英晶体的压电效应石英晶体是最常用的压电晶体之一
13、。 其化学成分为SiO2，是单晶体结构。它理想的几何形状为正六面体晶柱，如图所示。,3.3 物性传感器,经过正六面体（两相对）棱线且垂直于光轴的x轴 称为电轴；与x轴和z轴同时垂直的y轴称为机械轴，如 图所示。通常把沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效 应称为“纵向压电效应”;把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应， 称为“横向压电效应”。作用力为剪切力时称为“切向压 电效应”。,3.3 物性传感器,石英晶体具有压电效应，是由其内部结构决定的。组成 石英晶体的硅离子Si4+和氧离子O2-在Z平面投影，如图(a)。 为讨论方便，将这些硅、氧离子等效为图(b)中正六边形排 列，图中“”代表Si
14、4+，“”代表2O2-。,硅氧离子的排列示意图 (a) 硅氧离子在Z平面上的投影（b）等效为正六边形排列的投影,一、石英晶体的压电效应,3.3 物性传感器,当作用力FX=0时，正、负离子（即Si4+和2O2-）正好分布在正六边形顶角上，形成三个互成120夹角的偶极矩P1、P2、P3，如图（a）所示。此时正负电荷中心重合，电偶极矩的矢量和等于零，即P1P2P30,当晶体受到沿X方向的压力（FX0,在Y、Z方向上的电偶极矩分量为0,一、石英晶体的压电效应,3.3 物性传感器,（P1+P2+P3）X0 （P1+P2+P3）Y=0 （P1+P2+P3）Z=0,当晶体受到沿X方向的拉力（FX0）作用时，
15、其 变化情况如图（c）。此时电极矩的三个分量为,在X轴的正向出现负电荷，在Y、Z方向则不出现电荷。,一、石英晶体的压电效应,3.3 物性传感器,可见，当晶体受到沿X(电轴)方向的力FX作用时，它在X方向产生正压电效应，而Y、Z方向则不产生压电效应。晶体在Y轴方向力FY作用下的情况与FX相似。当FY0时，晶体的形变与图（b）相似；当FY0时，则与图（c）相似。由此可见，晶体在Y（即机械轴）方向的力FY作用下，使它在X方向产生压电效应，在Y、Z方向则不产生压电效应。晶体在Z轴方向力FZ的作用下，因为晶体沿X方向和沿Y方向所产生的正应变完全相同，所以，正、负电荷中心保持重合，电偶极矩矢量和等于零。这
16、就表明，沿Z(即光轴)方向的力FZ作用下，晶体不产生压电效应。,一、石英晶体的压电效应,3.3 物性传感器,石英晶体,3.3 物性传感器,3.3 物性传感器,二、等效电路当压电传感器中的压电晶体承受被测机械应力的作用时，在它的两个极面上出现极性相反但电量相等的电荷。可把压电传感器看成一个静电发生器，如图(a)。也可把它视为两极板上聚集异性电荷，中间为绝缘体的电容器，如图(b)。其电容量为,当两极板聚集异性电荷时，则两极板呈现一定的电压，其大小为因此，压电传感器可 等效为电压源Ua和一个 容器Ca的串联电路，如 图(a)；也可等效为一个 电荷源q和一个电容器Ca 的并联电路，如图(b)。,3.3 物性传感器,二、等效电路,2 半导体敏感元件,3.3 物性传感器,一、半导体热敏电阻,半导体热敏电阻是利用半导体材料的热敏特性工作的 半导体电阻。它是用对温度变化极为敏感的半导体材料 制作成的，其电阻值随温度变化而发生极为明显的变化。 半导体热敏电阻随温度变化典型特性可分为三种类型: （1）负温度系数热敏电阻(NTC) （2）正温度系数热敏电阻(PTC) （3）临界温度热敏电阻(CTR)。在工作温度范围内，正温度系数热敏电阻的阻值随温 度升高而急剧增大，负温度系数热敏电阻的阻值随温度升 高而急剧减小。临界温度热敏电阻是在特定温度下电阻值 发生突变。,
