最新常用传感器1PPT课件.ppt
常用传感器12.传感器的构成 传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。传感器可以用来探测人们无法用感官直接感知的事物，比如：用热电偶测得物体的温度，用超声波感知海水深度及水下地貌形态等。弹性敏感元件：弹性体输入量：力、压力、温度等物理量输出量：弹性体本身的弹性变形为了提高测量的频率范围，可先用弹性元件将被测量转换成位移量，然后用其他形式的传感器（如电容等）将位移量转换成电信号输出。被测量弹性元件位移量其他型式的传感器电信号输出弹性元件具有蠕变、弹性后效等现象。蠕变:金属在一定的压力和温度作用下逐渐产生塑性变形的现象。弹性后效：加载(或卸载)后经过一段时间应变才增加(或减小)到一定数值的现象。微型探测开关能把物体的运动、位置或尺寸变化转换为接通、断开信号。它由两个簧片组成，在常态下处于断开状态。当它与磁性块接近时，簧片被磁化而接合，成为接通状态；只有当钢制工件通过簧片和电磁铁之间时，簧片才会被磁化而接合，从而表达了有一件工件通过。3电阻、电容与电感式传感器一、电阻式传感器电阻式传感器：是一种把被测量（如位移、速度、力、加速度等）转换为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为变阻器式和电阻应变式两类。电阻式传感器变阻器式电阻应变片式线性线绕非线性线绕金属应变片半导体应变片工作原理特性曲线材料电阻应变式压力传感器 变阻器式传感器、变阻器式传感器变阻器式传感器也称为电位计式传感器,它通过改变电位器触头位置,把位移转换为电阻的变化。式中 电阻率 l电阻丝长度 A电阻丝截面积 如果电阻丝直径和材质一定时,则电阻值随导线长度而变化。常用变阻器式传感器有直线位移型、角位移型和非线性型等。直线位移型 若触点B沿变阻器移动x,则C点与A点之间的电阻值为：传感器灵敏度：当导线分布均匀时，kl为一常数，这时传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。回转型变阻式传感器 若单位弧度对应的电阻值为ka，电阻值随电刷转角而变化，其灵敏度为 当导线分布均匀时，传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系。非线性变阻器式传感器 又称为函数电位器。其骨架形状根据要求的输出f(x)来决定。例如,输出 f(x)=kx2,其中x为输入位移,为要得到输出电阻值 R(x)与 f(x)成线性关系,变阻器骨架应做成直角三角形。如果输出要求为 f(x)=kx3,则应采用抛物线形骨架。输入与变阻器位移成某种函数关系，但输出与输入仍成线性。因为且输出要求与f(x)成线性关系则设点变阻器高度为r(x)，则有：结果表明，传感器形状为三角形，显然三角形的厚度会引起误差，因此x和高度要远大于厚度。当接一负载，传感器的输出电压为电位计式传感器通常用电阻丝绕在框架上，改变电阻丝的接入长度，引起输出电阻的改变。特点：结构简单、性能稳定、可靠，使用方便；但受电阻丝直径的限制，分辨力不高，精度低，动态响应差。且由于磨损与尘埃等，引起接触电阻变化，从而引入噪声。应用：可用来测位移及可变成位移的物理量。、电阻应变式传感器电阻应变式传感器用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数测量。具有体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等优点。在航空、船舶、机械、建筑等行业里获得广泛应用。将应变片贴在被测定物上，使其随着被测定物的应变一起伸缩，这样里面的金属箔材就随着应变伸长或缩短。很多金属在机械性地伸长或缩短时其电阻会随之变化。应变片就是应用这个原理，通过测量电阻的变化而对应变进行测定。一般应变片的敏感栅使用的是铜铬合金，其电阻变化率为常数，与应变成正比例关系。电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式与半导体应变片式两类。1)、金属电阻应变片，常用的金属电阻应变片有丝式和箔式两种。其工作原理都是基于应变片发生机械变形时,其电阻值发生变化。金属丝电阻应变片(又称电阻丝应变片)出现得较早,现仍在广泛采用。其典型结构是把一根具有高电阻率的金属丝(康铜或镍铬合金等,直径 0.025mm 左右)绕成栅形,粘贴在绝缘的基片和覆盖层之间,由引出导线接于电路上。箔式应变片是利用光刻、腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属薄栅，厚度在0.003-0.010mm。其优点是表面积与截面积之比大，散热条件好，允许通过电流较大，可制成各种需要的形状，便于大批量生产。工作原理上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数金属应变片的电阻R为代入有：金属丝：金属丝体积不变：（泊松定律）有：对金属材料，导电率变化很小：表明了电阻相对变化率与应变成正比，一般用Sg表征电阻应变片的应变或灵敏度。)、半导体应变片工作原理基于半导体材料的压阻效应。所谓压阻效应是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。由半导体物理可知，半导体在压力、温度及光辐射作用下，其电阻率发生很大变化。根据式简化为：灵敏度这一数值比金属丝电阻应变片大50-70 倍。区别：金属丝电阻应变片是利用导体的形变引起电阻的变化，半导体应变片是利用半导体电阻率引起电阻的变化优点：灵敏度大;体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。二、电容传感器电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置。它实质上是一个具有可变参数的电容器。化的装置。它实质上是一个具有可变参数的电容器。两个平行极板组成的电容器其电容量两个平行极板组成的电容器其电容量式中 极板间介质的相对介电常数,在空气中=1;。真空中介电常数,o=8.85 10-12F/m;极板间距离;A 极板面积。+A、A A或或发发生生变变化化时时，都都会会引引起起电容的变化。电容的变化。a)极距变化型+驻极体电容传声器 它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。如果两极板互相覆盖面积及极间介质不变如果两极板互相覆盖面积及极间介质不变 ,则电容量则电容量 C C 与极距与极距 呈非线性关系呈非线性关系 。当极。当极距有一微小变化量距有一微小变化量 d d 时时 ,引起电容的变引起电容的变化量化量 dC dC 为为 得到传感器灵敏度得到传感器灵敏度 灵敏度灵敏度 S S 与极距平方成反比与极距平方成反比 ,极距越小灵敏极距越小灵敏度越高。度越高。为减小非线性误差，该类传感器通常为减小非线性误差，该类传感器通常用于测量微小位移。用于测量微小位移。优点是可进行动态非接触式测量，灵敏度较高，优点是可进行动态非接触式测量，灵敏度较高，可适用于较小位移的测量，缺点是具有非线性可适用于较小位移的测量，缺点是具有非线性特性。特性。b)面积变化型角位移型+面积变化型面积变化型角位移型线位移型角位移型。当动板有一转角时角位移型。当动板有一转角时 ,与定板之间相与定板之间相互覆盖面积就改变互覆盖面积就改变 ,因而导致电容量改变。因而导致电容量改变。由于覆盖面积由于覆盖面积覆盖面积对应的中心角覆盖面积对应的中心角 ;r r 极板半径。极板半径。所以电容量所以电容量灵敏度灵敏度输出与输入成线性关系。输出与输入成线性关系。平面线位移型电容传感器平面线位移型电容传感器式中式中 b 极板宽度。极板宽度。面积型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系，与极距变化型相比，灵敏度较低，适用于较大直线位移及角位移测量。c)介质变化型利用介质介电常数的变化将被测量转换为电量的传感器。用来测量电介质的液位或某些材料的厚度、温度和湿度等,也可用来测量空气的湿度。3 测量电路a)电桥电路 b)谐振电路 d)运算放大器电路 三 电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型、自感型、自感型()可变磁阻式可变磁阻式线圈自感量线圈自感量 L L 为为 W W 线圈匝数。线圈匝数。Rm Rm 磁路总磁阻。磁路总磁阻。如果空气隙如果空气隙较小较小 ,而且不考虑磁路的铁而且不考虑磁路的铁损时损时 ,则总磁阻则总磁阻因铁心磁阻远小于空气隙因铁心磁阻远小于空气隙磁阻磁阻则则
