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1、第三章第三章 常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件主要研讨内容：主要研讨内容：1.了解传感器的分类了解传感器的分类 2.常用传感器丈量原理常用传感器丈量原理3.传感器选用传感器选用3.1 概述概述1. 传感器传感器(Sensor)定义定义 传感器是能感受规定的被丈量、并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或安装。通常由敏感元件和转换元件组成(GB766-87)。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因此从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的器件或安装。霍尔霍尔电磁式车辆速度传感器由两个电磁线圈和永久磁铁电磁式车辆速度传感器由两个电磁线圈和永久磁铁组成。车速传感器安装在变
2、速器输出轴附近的壳体组成。车速传感器安装在变速器输出轴附近的壳体上，输出轴上的停车锁定齿轮为感应转子。当输出上，输出轴上的停车锁定齿轮为感应转子。当输出轴转动时，齿轮的凸齿不断接近和分开传感器，使轴转动时，齿轮的凸齿不断接近和分开传感器，使线圈内的磁通量发生变化，从而产生应变电流，线圈内的磁通量发生变化，从而产生应变电流，ECMECM经过线圈感应车辆速度。经过线圈感应车辆速度。 传感器在非电量电测系统中的作用：传感器在非电量电测系统中的作用：F一是一是 敏感作用：敏感作用：F 感受并拾取被感受并拾取被测对象的信号象的信号F二是二是变换作用：作用：F 被被测信号信号转换成易于成易于检测和和处置的
3、置的电信号信号 获得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；将物理量变换成电信号的变化水位、压力等。2. 传感器的分类传感器的分类(1)按被测物理量分类按被测物理量分类:常常见的被的被测物理量物理量机械量机械量: :长度度, ,厚度厚度, ,位移位移, ,速度速度, ,加速度加速度, , 旋旋转角角, ,转数数, ,质量量, ,分量分量, ,力力, , 压力力, ,真空度真空度, ,力矩力矩, ,风速速, ,流速流速, , 流量；流量；声声: : 声声压, ,噪声。噪声。磁磁: : 磁通磁通, ,磁磁场。温度温度: : 温度温度, ,热量量, ,比比热。光：光： 亮度，亮度，颜色
4、。色。温度传感器压力传感器扭矩传感器角位移传感器 光电式编码器电感式位移传感器直线光栅尺光电式编码器原理图光电式编码器原理图(2)(2)按传感器元件的变换原理分类按传感器元件的变换原理分类: :电阻式电阻式, ,电容式电容式, ,电感式电感式, ,压电式、光电式等压电式、光电式等. .物性型物性型: :依托敏感元件资料本身物理性质的变化来实现信号变换依托敏感元件资料本身物理性质的变化来实现信号变换. . 例如例如: :水银温度计水银温度计, ,压电测力计压电测力计. .构外型构外型: :依托传感器构造参数的变化实现信号转变依托传感器构造参数的变化实现信号转变. . 例如例如: :电容式和电感式
5、传感器电容式和电感式传感器. .电容传声器、压力传感器的直流极化电路电容传声器、压力传感器的直流极化电路能量能量转换型型: :直接由被直接由被测对象象输入能量使其任入能量使其任务。 例如例如: :热电偶温度偶温度计, ,压电式加速度式加速度计。能量控制型能量控制型: :从外部供从外部供应能量并由被丈量控制外部供能量并由被丈量控制外部供应 能量的能量的变化。化。 例如例如: :电阻阻应变片。片。能量能量传送型送型: :从某种能量从某种能量发生器与接受器生器与接受器进展能量展能量传送送 过程中程中实现敏感敏感检测。 例如例如: :超声波超声波发生器和接受器。生器和接受器。(3)(3)按传感器的能量
6、传送方式分类按传感器的能量传送方式分类: :3. 传感器的性能要求传感器的性能要求(1)(1)对被丈量系统的负载效应小；对被丈量系统的负载效应小； (2) (2)转换灵敏度高，有较好的线性关系；转换灵敏度高，有较好的线性关系；(3)(3)反复精度、精度适当，稳定性高；反复精度、精度适当，稳定性高；(4)(4)反响速度快，动态特性好；反响速度快，动态特性好；(5)(5)顺应性和适用性强。顺应性和适用性强。电阻式传感器是把被丈量转换为电阻变化的一种传感器电阻式传感器是把被丈量转换为电阻变化的一种传感器按任务的原理可分为按任务的原理可分为: :F热敏式敏式F电阻阻应变式式F变阻器式阻器式F光敏式光敏
7、式F电敏式敏式3.2 电阻式传感器电阻式传感器 电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变应变片片 金属电阻应变片的任务原理是基于金属导体的应变金属电阻应变片的任务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活力械变形时，其电效应，即金属导体在外力作用下发活力械变形时，其电阻值随着它所受机械变形阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变的变化而发生变化的景象。化的景象。 电阻丝应变片电阻丝应变片(康铜康铜)电阻丝应变片电阻丝应变片(康铜康铜)金属箔式应变片金属箔式应变片1) 任务原理任务原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R为为(1) 金属应变片金属应变片 不变不变金属
8、应变计金属应变计(2) 半导体应变片半导体应变片 变化变化半导体应变计半导体应变计2) 金属应变计金属应变计金属应变计有金属应变计有: :丝式和丝式和箔式。箔式。优点优点: :稳定性和温度特稳定性和温度特 性好。性好。缺陷缺陷: :灵敏度系数小。灵敏度系数小。应变计3) 半导体应变计半导体应变计优点：应变灵敏度大优点：应变灵敏度大; ;体积小体积小; ;能制成具有一定应能制成具有一定应变电阻的元件。变电阻的元件。缺陷：温度稳定性和可反复性不如金属应变缺陷：温度稳定性和可反复性不如金属应变片。片。 应变计薄膜型薄膜型分散型分散型 4)应变片丈量电路应变片丈量电路VER1R2R3R4令：令：金属丝
9、应变片：金属丝应变片：V V与与应变成成线性关系，可以用性关系，可以用电桥丈量丈量电压丈量丈量应变5) 电阻应变片的选择、粘贴技术电阻应变片的选择、粘贴技术 1.目目测电阻阻应变片有无折痕片有无折痕.断断丝等等 缺陷，有缺陷的缺陷，有缺陷的应变片不能粘片不能粘贴。2.用数字万用表丈量用数字万用表丈量应变片片电阻阻值大大 小。同一小。同一电桥中各中各应变片之片之间阻阻值 相差不得大于相差不得大于0.5欧姆欧姆.3.试件外表件外表处置：置：贴片片处置用置用细纱纸打磨干打磨干净，用，用 酒精棉球反复擦洗酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹，直到棉球无黑迹为止。止。4.应变片粘片粘贴:在在应变片基底上
10、片基底上挤一小滴一小滴502胶水，胶水， 悄然涂抹均匀，立刻放在悄然涂抹均匀，立刻放在应变贴片位置。片位置。5.焊线焊线:用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。用电烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。6.用兆欧表用兆欧表检查应变片与片与试件之件之间的的绝缘组织，应 大于大于500M欧。欧。7.应变片片维护：用：用704硅橡胶覆于硅橡胶覆于应变片上，防止片上，防止 受潮。受潮。6) 规范产品规范产品7) 运用运用电阻应变式传感器的运用：测力电阻应变式传感器的运用：测力案例：案例：7) 运用运用案例：桥梁固有频率丈量案例：桥梁固有频率丈量案例：冲床消费记数案例：冲床消费记数 和消费过程监测和消费过程
11、监测案例：机器人握力丈量案例：机器人握力丈量案例：振动式地音入侵探测器案例：振动式地音入侵探测器 适宜于金库、仓库、古建筑的防备，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。案例：电子称案例：电子称原理原理将物品分量将物品分量经过悬臂梁臂梁转化构造化构造变形再形再经过应变片片转化化为电量量输出。出。德国德国HBMHBM电阻应变式传感器电阻应变式传感器 3.3 电容式传感器电容式传感器 1.变换原理变换原理: 将被丈量的变化转化为电容量变化将被丈量的变化转化为电容量变化两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器, ,它的电容量为它的电容量为: :+A 当当被被丈丈量量、A或或发生生变化化时，都都会
12、会引引起起电容容的的变化化。假假设坚持持其其中中的的两两个个参参数数不不变，而而仅改改动另另一一个个参参数数，就可把就可把该参数的参数的变化化变换为单一一电容量的容量的变化。化。2. 分类分类 a) a) 极距变化型极距变化型; ;+c) c) 介量变化型介量变化型b)b)面积变化型面积变化型: :角位移型角位移型, ,平面线位移型平面线位移型, ,柱面线位移型柱面线位移型. .3. 丈量电路丈量电路直流极化电路直流极化电路谐振电路谐振电路电容传感器的电容作为谐振回路调谐电容的一部分。谐电容传感器的电容作为谐振回路调谐电容的一部分。谐振回路经过电感藕合，从稳定的高频振荡器获得振荡电振回路经过电
13、感藕合，从稳定的高频振荡器获得振荡电压。当传感器电容发生变化时，谐振回路的阻抗将发生压。当传感器电容发生变化时，谐振回路的阻抗将发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。放大、检波即可得到相应的输出。运算放大器电路位移丈量传感器运算放大器电路位移丈量传感器3. 运用运用1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度2.位移，挪动，位置，膨胀3.挠度，变形，动摇，倾斜4.尺寸，公差，分选，零件识别5.冲击，应变，轴向振动6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心3.4 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它
14、是把被丈量电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被丈量转化为电感量的一种安装。转化为电感量的一种安装。分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互感型1 自感型自感型-可变磁阻式可变磁阻式a)变间隙型原理原理: :电磁感应电磁感应b)变面积型c螺线管型d)差动型2 涡流式涡流式原理原理:涡流效应涡流效应原线圈的等效阻抗原线圈的等效阻抗Z变化：变化：a)高频反射式：集肤效应高频反射式：集肤效应b)低频透射式：互感原理低频透射式：互感原理案例：干净、高效的电磁炉案例：干净、高效的电磁炉电磁炉内部的励磁线圈电磁炉内部的励磁线圈电磁炉的任务原理电磁炉的任务
15、原理 高频电流经过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅 内 的 食 物。案例：案例： 延续油管的椭圆度丈量延续油管的椭圆度丈量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：原理：案例：案例： 无损探伤无损探伤原理裂纹检测，缺陷呵斥涡流变化。火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测案例：案例： 测厚测厚案例：案例： 零件计数零件计数3 变压器式变压器式-差动变压器差动变压器WW1W2Esx-x任务原理任务原理: :互感景象互感景象. .EwEout (1) 调幅式AM电路 4 丈量电路(2)调频调频FM式电路式电路(100
16、kHz1MHz 当电涡流线圈与被测体的间隔x 改动时，电涡流线圈的电感量L 也随之改动，引起LC 振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机丈量。假设要用模拟仪表进展显示或记录时，必需运用鉴频器，将f转换为电压Uo 。 运用运用: 厚度厚度,角度角度,外表粗糙度外表粗糙度;拉伸拉伸,紧缩紧缩,垂直度垂直度; 压力压力,流量流量,液位液位;张力张力,重力重力,负荷量负荷量;扭矩扭矩, 应力应力,动力动力;气压气压,温度温度;振动振动,速度速度,加速度加速度;等等.案例：板的厚度丈量案例：板的厚度丈量 案例：张力丈量案例：张力丈量3.5 磁电式传感器磁电式传感器 1.变换原理变换原理: 磁电式传感
17、器是把被丈量的物理量转换为感应电动磁电式传感器是把被丈量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。势的一种转换器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势U U为为 磁通磁通变化率与磁化率与磁场强度、磁阻、度、磁阻、线圈运圈运动速度有关，速度有关，改改动其中一个要素，都会改其中一个要素，都会改动线圈的感圈的感应电动势。 2 分类分类 磁磁电式式动圈式圈式磁阻式磁阻式线速度型速度型角速度型角速度型N3 动圈式传感器动圈式传感器 4 磁阻式传感器磁阻式传感器 5 运用运用b) 测速电机测速电机a)磁电式车速传感器磁电式车速传感器3.6压电式传感器压电式传感器 1.变换原理变换原理: 压电效应压电效应
18、某些物质，如石英，当遭到外力作用时，不仅几何尺寸会发某些物质，如石英，当遭到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，外表会产生电荷；当外力去掉时，又生变化，而且内部被极化，外表会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的形状，这种景象称为压电效应。重新回到原来的形状，这种景象称为压电效应。压电效应压电效应q=DFF+2、丈量电路、丈量电路 a)电压放大器电压放大器 b) b)电荷放大器电荷放大器F+3 运用运用b) 压力变送器压力变送器a) 加速度计，力传感器加速度计，力传感器 案例：飞机模态分析案例：飞机模态分析3.7光电式传感器光电式传感器 (1)光电式传感器具有构造简单、呼应速
19、度快、光电式传感器具有构造简单、呼应速度快、高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰才干强高精度、高分辨率、高可靠性、抗干扰才干强不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波、不受电磁辐射影响，本身也不辐射电磁波、可实现非接触式丈量等特点可实现非接触式丈量等特点(2)可以直接检测光信号，间接丈量温度、压力、可以直接检测光信号，间接丈量温度、压力、位移、速度、加速度等位移、速度、加速度等(3)其开展速度快、运用范围广，具有很大的应其开展速度快、运用范围广，具有很大的应用潜力用潜力 (1)由光路及电路两大部分组成由光路及电路两大部分组成(2)光路部分实现被测信号对光量的控制和光路部分实现被测信号对光量的控制和调
20、制调制(3)电路部分完成从光信号到电信号的转换电路部分完成从光信号到电信号的转换光子是具有能量的粒子，每个光子的能量光子是具有能量的粒子，每个光子的能量可表示为可表示为 光电效应方程光电效应方程 光电器件是将光能转变为电能的一种传光电器件是将光能转变为电能的一种传感器件。是构成光电式传感器的主要部感器件。是构成光电式传感器的主要部件。件。光电器件工件的物理根底：光电效应。光电器件工件的物理根底：光电效应。光电效应分为：内光电效应、外光电效光电效应分为：内光电效应、外光电效应应外光电效应型光电器件外光电效应型光电器件当光照射到金属或金属氧化物的光电资料上时，当光照射到金属或金属氧化物的光电资料上
21、时，光子的能量传给光电资料外表的电子，假设入光子的能量传给光电资料外表的电子，假设入射到外表的光能使电子获得足够的能量，电子射到外表的光能使电子获得足够的能量，电子会抑制正离子对它的吸引力，脱离资料外表而会抑制正离子对它的吸引力，脱离资料外表而进入外界空间，这种景象称为外光电效应。进入外界空间，这种景象称为外光电效应。即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体即外光电效应是在光线作用下，电子逸出物体外表的景象。外表的景象。根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光根据外光电效应做出的光电器件有光电管和光电倍增管。电倍增管。内光电效应型光电器件内光电效应型光电器件内光电效应是指在光线作用下，物体的导
22、内光电效应是指在光线作用下，物体的导电性能发生变化或产生光生电动势的景象电性能发生变化或产生光生电动势的景象这种效应可分为因光照引起半导体电阻率这种效应可分为因光照引起半导体电阻率变化的光电导效应和因光照产生电动势的变化的光电导效应和因光照产生电动势的光生伏特效应两种光生伏特效应两种 内光电效应分类光电导效应 在光线作用下，对于半导体资料吸收了入射光子能量， 假设光子能量大于或等于半导体资料的禁带宽度， 就激发出电子-空穴对，使载流子浓度添加，半导体的导电性添加，阻值减低的景象。如光敏电阻光生伏特效应 在光线的作用下可以使物体产生一定方向的电动势的景象。如光电池。 光敏晶体管光敏晶体管光敏晶体
23、管与普通晶体管很光敏晶体管与普通晶体管很类似，具有两个似，具有两个PNPN结，只是它的，只是它的发射极一射极一边做得很大，以做得很大，以扩展光展光的照射面的照射面积。 大多数光敏晶体管的基极无引出大多数光敏晶体管的基极无引出线，当集，当集电极极加上相加上相对于于发射极射极为正的正的电压而不接基极而不接基极时，集集电结就是反向偏就是反向偏压， 当光照射在集当光照射在集电结时，就会在就会在结附近附近产生生电子子空穴空穴对，光生，光生电子被子被拉到集拉到集电极，基区留下空穴，使基极与极，基区留下空穴，使基极与发射极射极间的的电压升高，升高，这样便会有大量的便会有大量的电子流向集子流向集电极，构成极，
24、构成输出出电流，且集流，且集电极极电流流为光光电流流的的倍，所以光敏晶体管有放大作用。倍，所以光敏晶体管有放大作用。 数字转速表数字转速表光电耦合器件光电耦合器件3.7传感器选用原那么传感器选用原那么 选择传感器主要思索灵敏度、线性范围、呼应特性、选择传感器主要思索灵敏度、线性范围、呼应特性、稳定性、准确度、丈量方式等六个方面的问题。稳定性、准确度、丈量方式等六个方面的问题。 1、灵敏度、灵敏度 普普通通说说来来，传传感感器器灵灵敏敏度度越越高高越越好好，但但在在确确定定灵灵敏敏度时，要思索以下几个问题。度时，要思索以下几个问题。 a)灵敏度过高引起的干扰问题；灵敏度过高引起的干扰问题； b)
25、量程范围；量程范围； c)交叉灵敏度问题。交叉灵敏度问题。3 呼应特性呼应特性 传传感感器器的的呼呼应应特特性性是是指指在在所所测测频频率率范范围围内内，坚坚持持不不失真的丈量条件。失真的丈量条件。 实实践践上上传传感感器器的的呼呼应应总总不不可可防防止止地地有有一一定定延延迟迟，但但总总希望延迟的时间越短越好。希望延迟的时间越短越好。 2 线性范围线性范围 任任何何传传感感器器都都有有一一定定的的线线性性任任务务范范围围。在在线线性性范范围围内内输输出出与与输输入入成成比比例例关关系系，线线性性范范围围愈愈宽宽，那那么么阐阐明明传传感感器器的的任任务务量量程程愈愈大大。传传感感器器任任务务在
26、在线线性性区区域域内内，是是保保证丈量精度的根本条件。证丈量精度的根本条件。 4 稳定性稳定性 稳稳定定性性是是表表示示传传感感器器经经过过长长期期运运用用以以后后，其其输输出出特特性性不不发发生生变变化化的的性性能能。影影响响传传感感器器稳稳定定性性的的要要素素是是时时间间与环境。与环境。5 准确度准确度 传传感感器器的的准准确确度度是是表表示示传传感感器器的的输输出出与与被被丈丈量量的的对对应程度。应程度。 6 丈量方式丈量方式 传传感感器器任任务务方方式式，也也是是选选择择传传感感器器时时应应思思索索的的重重要要要要素素。例例如如，接接触触与与非非接接触触丈丈量量、破破坏坏与与非非破破坏坏性性丈丈量、在线与非在线丈量等。量、在线与非在线丈量等。作业：作业：P126:4,7,8,11
