安全检测技术-3传感器基础上.ppt
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1、安全检测技术常用传感器的原理及结构传感器的作用n传感器:将被测的物理量按一定规律变换成另一物理量的装置。n通常是非电量到电量 由力、压力、重量、力矩、应力、应变、位移、速度、加速度、流量、振动、噪声 到电流、电压、电阻、电感、电容、电荷、频率、阻抗等n也可由电量到非电量n逆压电效应n作用n检测的首要环节,计算机比作人的大脑,则传感器就是五官n传感技术是衡量国家科技现代化的重要标志n应用非常广泛传感器分类n按输入量(被测对象)分类n物理量传感器:温度、压力、位移传感器等等n化学量传感器n生物量传感器方便选择,容易根据被测对象选择所需要的传感器。n按转换原理分类:结构型、物性型n结构型传感器是利用
2、机械构件(如金属膜片等)在动力场或电磁场的作用下产生变形或位移,将外界被测参数转换成相应的电阻、电感、电容等物理量,它是利用物理学运动定律或电磁定律实现转换的。n物性型传感器是利用材料的固态物理特性及其各种物理、化学效应(即物质定律,如虎克定律、欧姆定律等)实现非电量的转换。它是以半导体、电介质、铁电体等作为敏感材料的固态器件。传感器分类n按能量转换的方式分类n有源型:也称能量转换型或发电型,它把非电量直接变成电压量、电流量、电荷量等(如磁电式、压电式、光电池、热电偶等);n无源型:也称能量控制型或参数型,它把非电量变成电阻、电容、电感等量。n输出信号的形式分类n按输出信号的形式,传感器可分为
3、开关式、模拟式和数字式n按输入和输出的特性分类n线性n非线性n输出信号的形式分类n开关式n模拟式n数字式结构性传感器-电阻式传感器n电阻式传感器原理n改变l可做成电位器式传感器;n改变l,A可做成电阻应变片;n改变可做成热敏电阻。n电位器式传感器n线绕电位器式传感器:由骨架、绕组、电刷、导电环及转轴构成。绕组用电阻丝的种类很多,电阻丝的材料是根据电位器的结构、容纳电阻丝的空间、电阻值和温度系数来选择。电阻丝越细,在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但电阻丝太细,影响传感器的寿命。n非线绕电位器式传感器n合成膜电位器n金属膜电位器n导电塑料电位器n导电玻璃釉电位器线绕电位传感器阶梯特性n电刷
4、在电位器的线圈上移动时,线圈一圈一圈的变化,电位器阻值随电刷移动不是连续地改变,导线与一匝接触过程中,虽有微小位移,但电阻值并无变化,因次输出电压也不改变,在输出特性曲线上对应地出现平直段;当电刷离开这一匝而与下一匝接触时,电阻突然增加一匝阻值,因次特性曲线相应出现阶跃段。理想阶梯特性曲线非线性电位器n变骨架式非线性电位器n变节距式非线绕电位器式传感器n为了克服线绕电位器存在的缺点,人们在电阻的材料及制造工艺上下了很多工夫,发展了各种非线绕电位器。n合成膜电位器n合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而成的,这种电位器的优点是分辨率较高、电阻范围很宽(),耐磨
5、性较好、工艺简单、成本低、输入输出信号的线性度较好等,其主要缺点是接触电阻大、功率不够大、容易吸潮、噪声较大等。非线绕电位器式传感器n金属膜电位器n金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法,沉积在瓷基体上一层薄膜制成。n金属膜电位器具有无限的分辨率,接触电阻很小,耐热性好,它的满负荷温度可达70。与线绕电位器相比,它的分布电容和分布电感很小,所以特别适合在高频条件下使用。它的噪声信号仅高于线绕电位器。金属膜电位器的缺点是耐磨性较差,阻值范围窄,一般在10100k之间。由于这些缺点限制了它的使用。非线绕电位器式传感器n 导电塑料电位器n导电塑料电位器又称为有机实心电位器,
6、这种电位器的电阻体是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成。导电塑料电位器的耐磨性好,使用寿命长,允许电刷接触压力很大,因此它在振动、冲击等恶劣的环境下仍能可靠地工作。此外,它的分辨率教高,线性度较好,阻值范围大,能承受较大的功率。导电塑料电位器的n缺点是阻值易受温度和湿度的影响,故精度不易做得很高。非线绕电位器式传感器n导电玻璃釉电位器n导电玻璃釉电位器又称为金属陶瓷电位器,它是以合金、金属化合物或难溶化合物等为导电材料,以玻璃釉为粘合剂,经混合烧结在玻璃基体上制成的。导电玻璃釉电位器的耐高温性好,耐磨性好,有较宽的阻值范围,电阻温度系数小且抗湿性强。n导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化大,噪
7、声大,不易保证测量的高精度。电阻应变片式传感器n结构 由弹性敏感元件和电阻应变片(金属或半导体材料)组成。n物理效应n金属电阻应变效应:当金属丝在外力作用下发生机械变形时,其电阻值将发生变化n半导体材料压阻效应:当半导体材料受到外力作用产生应力时,其电阻率将发生变化。n原理 弹性元件受力变形后,粘贴其上的电阻应变片因变形而电阻发生变化,通过测量电阻确定被测量n优点:n尺寸小,重量轻,对被测工件工作状态和应力影响小n测量应变的灵敏度和精度高,可测微米级应变;n测量范围宽,1%20%n适应高低温(压)、强磁场和腐蚀环境n缺点:n输出信号微弱n大应变状态下输出非线性明显位移、力、力矩、加速度、压力弹
8、性敏感元件 应变 电阻应变片式传感器工作原理F l、A、R电阻相对变形量:电阻应变片式传感器工作原理(续)对于半径为r的圆导体,A=r2,故有由材料力学可知,在弹性范围内,为导体的纵向应变,其数值一般很小,常以微应变度量;为电阻丝材料的泊松比,一般金属;k为灵敏系数经整理:应变片灵敏系数材料的几何尺寸变化引起的材料的电阻率随应变引起的金属材料:k以前者为主,则k1+2=半 导 体:k值主要是由电阻率相对变化所决定应变片的分类n按敏感材料分为:金属应变片和半导体应变片n按敏感栅结构分为,单轴应变片和多轴应变片。n按基底材料可分为;纸质应变片、胶基应变片、金属基底应变片、浸胶基应变片。n按制栅工艺
9、可分为:丝绕式应变片、短接式应变片、箔式应变片、薄膜式应变片。n按使用温度可分为:低温应变片(一30以下)、常温应变片(一30一60)、中温应变片(60350)、高温应变片(350以上)。n按安装方式可分为:粘贴式应变片、焊接式应变片、喷涂式应变片、埋人式应变片。n按用途可分为:一般用途应变片、特殊用途应变片(水、疲劳寿命、抗磁感应、裂缝扩展等)n按制造工艺分为:体型半导体应变片、扩散型半导体应变片、薄膜型半导体应变片、NP元件半导体型应变片。电阻应变片的结构电阻应变片的结构 n金属丝式 n金属箔式 n金属薄膜式 回线式短接式 电阻应变片的基本结构丝绕式电阻应变片的基本结构丝绕式 敏感栅 直径
10、为左右的合金电阻丝制成,用来感受应变,是应变片的敏感元件。基 底 绝缘 覆盖层 保护 引 线 传导信号至测量电路 金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片;2-电阻丝;3-覆盖层;4-引出线 金属箔式应变片 n在绝缘基底上,将厚度为电阻箔材,利用照相制板或光刻腐蚀的方法,制成适用于各种需要的形状 箔式应变片 箔式应变片的外形箔式应变片的外形箔式应变片优点箔式应变片优点(1)尺寸准确,线条均匀,适应不同的测量要求(2)可制成多种复杂形状尺寸准确的敏感栅 (3)与被测试件接触面积大,粘结性能好。散热条件好,允许电流大,灵敏度提高。(4)横向效应可以忽略。(5)蠕变、机械滞后小,疲劳寿命长。缺点:电阻值
11、的分散性大 阻值调整 n采用真空蒸发或真空沉积等方法在薄的绝缘基片上形成厚度在以下的金属电阻材料薄膜敏感栅,再加上保护层,易实现工业化批量生产 n优点:应变灵敏系数大,允许电流密度大,工作范围广,易实现工业化生产n问题:难控制电阻与温度和时间的变化关系 金属薄膜应变片金属薄膜应变片 半导体半导体电阻应变片电阻应变片n压阻效应:对半导体材料施加载荷产生应力时,电阻率会产生变化n半导体应变片三种形式:n体型半导体应变片:将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成片状小条,经腐蚀压焊粘贴在基片上而制成的应变片。n 薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而成。n扩散型半导
12、体应变片是将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上,形成一层极薄的P型导电层,再通过超声波和热压焊法接上引出线。n半导体应变片与金属电阻应变片相比其灵敏度高50一70倍,另外,其横向效应和机械滞后小。n温度稳定性差,在较大应变下,灵敏度非线性误差大。电阻应变式传感器的测量电路n通常可以通过电桥将电阻的变化转变成电压或电流信号。n常用的全桥电路n假设电桥的输入电源内阻为零,输出为空载。n基于上面的假设,电桥的输出电压为 U0=UAB=UAC-UCB电桥平衡指电桥的输出电压U0为零。此时若AB间装有检流计则检流计的指示为零。根据上式,平衡条件为:R1R4=R2R3电阻应变式传感器的测量电路n设单臂受载,即
13、仅R1为应变片,此时R1 R1+R1 代入得到设桥臂比为R2/R1=n,由于R1R1,则分母中R1/R1可忽略。同时考虑到初始电桥平衡,即R1R4=R2R3,则有电桥的灵敏度定义为Kv的特征:1)正比于电桥供电电压E,但以应变片允许功耗为限;2)桥比n的函数,当n=1时,Kv有最大值。电容式传感器 电容式传感器的工作原理电容式传感器的工作原理 改变改变A A、d d、三个参量中的任意一个量,均可使平板电容的三个参量中的任意一个量,均可使平板电容的电容量电容量C C 改变。改变。固定三个参量中的两个,可以做成变面积、变极距、变介电固定三个参量中的两个,可以做成变面积、变极距、变介电常数三种类型的
14、电容传感器。常数三种类型的电容传感器。电容传感器的理想公式为电容传感器的理想公式为A极板的有效面积;极板的有效面积;d极板间距离;极板间距离;0真空介电常数;真空介电常数;r r极板极板间相对介电常数间相对介电常数 变面积式电容传感器变面积式电容传感器 图图a是平板形是平板形直线位移式直线位移式结构,其中极板结构,其中极板1可以左右移动,称为动极板。极板可以左右移动,称为动极板。极板2固定不动,称为定极板。固定不动,称为定极板。图图b b是同心圆筒是同心圆筒形变面积式形变面积式传感器。外圆筒不动,内圆筒在外圆筒内作上、传感器。外圆筒不动,内圆筒在外圆筒内作上、下直线运动。下直线运动。图图c c
15、是一个是一个角位移式角位移式的结构。极板的结构。极板2 2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移的轴由被测物体带动而旋转一个角位移 度时,两极板的遮盖面积度时,两极板的遮盖面积A A就减小,因而电容量也随之减小。就减小,因而电容量也随之减小。平板式变面积电容传感器平板式变面积电容传感器当动极板相对于定极板沿着宽度方向平移时(原理重复a),其电容变化量化为C与x间呈线性关系 角位移变面积电容式传感器角位移变面积电容式传感器 当=0时 当0时传感器电容量C与角位移间呈线性关系 变面积式电容传感器的特性 变面积式电容传感器的输出特性是变面积式电容传感器的输出特性是线性线性的,灵敏度是的,灵敏度是常数。这
16、一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。等参量。变极距型电容传感器变极距型电容传感器若d/d1时,则上式可用泰勒级数展开得若极距缩小d 则电容增加初始电容等式两边同除以C得到略去高次非线性项得近似线性关系和灵敏度Kc为Kc表示单位位移引起的电容量相对变化的大小。特点:1)只有d 很小时,才有近似的线性输出;2)d 越小,灵敏度越高;3)d过小非线性误差增大,同时易于击穿;4)引入差动变极距型电容传感器差动变极距型电容传感器d1d2上下为定极板,中间位动极板,初始时d1=d2=d,C1=C2=C0,中间极板上移d后特点:灵敏度提高1倍,
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