最新安全检测技术-3传感器基础上PPT课件.ppt

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1、安全检测技术安全检测技术-3-3传感器基传感器基础上础上传感器的作用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

2、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（1004.7M），耐磨性较好、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1

3、0100k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，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

4、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%2

5、0%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=0.30.5；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=1.73.6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

6、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

7、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 直径为0.025mm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0.0030.01mm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

8、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0.1m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

9、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

10、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

11、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。

12、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

13、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

14、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，非线性误差降低。静电引力影响降低。变介电常数变介电常数型电容传感器型电容传感器 因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同。表表5-1 5-1 几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数变介电常数型电容传感器变介电常数型电容传感器初始电容 电容式液位传感器 电容与液位

15、的关系为：可见，传感器的电容量正比于液位的高度h当L=0时，若 传感器的初始电容 b0为极板的宽度当被测电介质进入极板间L深度后，引起电容相对变化量为电容变化量与电介质移动量L呈线性关系 变极距变极距(）型型:(a)、(e)变面积型变面积型(S)(S)型型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数变介电常数()型型:（i）(l)电容式传感器测量电路n被测位移量转化为电容量的变化，C较小n需要测量电路检测，并转换成电压、电流或频率n常用的有电桥式、运算放大器式、调频式、差动脉冲宽度调制式。n桥式原理：电容传感器作为桥路的一部分，差动电容C1、C2作为相邻两臂接人电桥，另一相邻两臂为

16、电感，构成电容传感器变压器电桥。电桥的输出是调幅波，经交流放大后，需经过相敏解调和滤波便可得到与电容量变化相应的直流电压输出。电容式传感器测量电路n运算放大器式原理：将变极距型电容传感器作为运算放大器的反馈环节。根据运算器的运算关系：若激励电压Ui与输入电容C0不变，则输出电压U0与极距成线性关系。常用于位移测量电容式传感器测量电路n调频电路原理：电容式传感器作为调频振荡器中谐振回路的一部分。当物体的振动位移作为输入量时便引起电容传感器的电容量发生相应的变化，导致振荡器的振动频率的变化并输出相应的调频波，再由鉴频器转换为相应的电压变化，最后放大输出。特点：抗干扰性强、灵敏度高等优点，可测0.0

17、1微米的位移变化量。缺点是电缆的分布电容影响大。电感式传感器依据的物理效应依据的物理效应利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测，利用线圈电感或互感的改变来实现非电量电测，它可以把输入的各种的机械物理量如位移、振它可以把输入的各种的机械物理量如位移、振动、压力、应变、流量、比重等参数转换成电动、压力、应变、流量、比重等参数转换成电量输出。量输出。特点特点1）结构简单，无活动电触点，可靠寿命长；）结构简单，无活动电触点，可靠寿命长；2）灵敏度和分辨率高，电压每毫米位移可达）灵敏度和分辨率高，电压每毫米位移可达数百毫伏输出；数百毫伏输出；3）线性度、重复性和稳定性较好。）线性度、重复性和稳定性较好

18、。电感传感器工作原理电感传感器工作原理 线圈电感 线圈总磁链,单位：韦伯；I通过线圈的电流，单位：安培；N线圈的匝数；磁通；=NIS/l,为磁导率，S为磁路的截面积，l 磁路总长度，Rm磁路总磁阻，Rm=l/S：1/亨。忽略铁芯衔铁的磁阻有S0-气隙截面积；0空气磁导率原理：只要被测非电量能够引起空气间隙长度l0或截 面积S0发生变化，L就会变化。类型：气隙型、截面型、螺管型变气隙式电感传感器特性 L与之间是非线性关系 变面积式（截面）电感传感器变面积式（截面）电感传感器n气隙长度不变，令磁通截面积随被测非电量而变，设铁芯材料和衔铁材料的磁导率相同，则自感L=f（S）,且成线性关系。由于漏感，

19、S0时，L并不绝对为零。灵敏度灵敏度灵敏度灵敏度特点：1)线性度较好，量程较大；2)与变气隙式传感器相比，灵敏度降低。SLO变面积式电感传感器输出特性螺线管式电感传感器螺线管式电感传感器由于线圈内磁场强度沿轴线分布不均匀。所以实际上它的输出仍有非线性。由一柱型衔铁插入螺管圈内构成。其衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。L：线圈长度，R：线圈平均半径，n：线圈匝数，la：衔铁进入线圈长度，ra：衔铁半径，m：铁芯有效磁导率特点：1)灵敏度较低；2)量程大；3)结构简单，使用最广泛。电感传感器的比较n n变气隙长度式变气隙长度式变气隙长度式变气隙长度式 灵敏

20、度高，但非线性严重，为了限制线形误差，示值范围不能太宽，衔铁自由行程小；n n变气隙截面式变气隙截面式变气隙截面式变气隙截面式 有较好的线性，示值范围和自由行程都较宽n n螺管式结构简单螺管式结构简单螺管式结构简单螺管式结构简单 容易制造和装配，示值范围和自由行程均较大，但灵敏度低。差动电感传感器三种类型传感器的缺点：n线圈中流过负载的电流不等于零，存在起始电流，非线性较大；n电磁吸力一直作用于活动衔铁；n易受外界干扰的影响，如电源电压和频率的波动、温度变化等都将使输出产生误差。不适用于精密测量，只用在一些继电信号装置。在实际应用中，广泛采用的是将两个电感式传感器组合在一起，形成差动式传感器。

21、当铁芯移动（如右移）后，使右边电感值增加，左边电感值减小 根据以上两式，可以求得每只线圈的灵敏度为两只线圈的灵敏度大小相等，符号相反，具有差动特征。差动螺管式电感传感器变气隙式差动电感传感器n两只完全对称的单个自感传感器合用一个活动衔铁，传感器的两只电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另外两只桥臂由电阻组成，构成交流电桥的四个臂，供桥电源为UAC。(交流)，桥路输出为交流电压U0.n初始状态时，衔铁位于中间位置，两边气隙宽度相等，两只线圈电感量相等，接在电桥相邻臂上，电桥输出U00，即电桥处于平衡状态。当衔铁移动时，造成两边气隙宽度不一样，使两只线圈的电感量一增一减，电桥不平衡，电桥输出电压的大小

22、与衔铁移动的大小成比例，其相位则与衔铁移动量的方向有关。因此，只要能测量出输出电压的大小和相位，就可决定衔铁位移的大小和方向，衔铁带动连动机构就可以测量多种非电量，如位移、液面高度等。差动自感传感器不仅可使灵敏度提高一倍，而且使非线性误差大为减小，当单边式非线性误差为10时，差动式非线性误差可小于1。互感式电感传感器（差动变压器）n结构和原理：由可动铁芯和原、次级线圈构成。初级线圈接入交流电时，次级线圈因互感作用产生感应电动势，当互感变化时，输出电势亦发生变化。n由于两个次级线圈常接成差动的形式，故又称为差动变压器式电感传感器，简称差动变压嚣当原线圈加上交流电压后，次级线圈产生感应电动势e1、

23、e2,其大小和铁芯位置有关，并有按如图反极性串联两次极线圈，则输出电势 e0=e1-e2M初级线圈与次极线圈之间互感当铁芯移动时，M1M2,e1 e2,随移动距离加大，e0逐渐增大，见上图。互感式电感传感器测量电路 差动变压器的输出是一个调幅波，且存在一定的零点残余电压，因此为了判别铁芯移动的大小和方向，必须进行解调和滤波另外，为消除零点残余电压的影响，差动变压器的后接电路常采用差动整流电路和相敏检波电路差动整流电路就是把差动变压器的两个次级线圈的感应电动势分别整流，然后将整流后的两个电压或电流的差值作为输出。U0=uab+ucd =uab-udc铁芯零位时U0=0上下移动时，零点残余电压抵消

24、。故精度、灵敏度高、线性度大。磁电式传感器n原理：通过电磁感应原理作用将被测量（如振动、转速、扭矩）转换成电势信号。利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势，又称有源型传感器n特点：不需要供电电源，电路简单，性能稳定，输出阻抗小n 类型：磁电感应式；变磁阻式法拉第电磁感应定律：k为比例系数，为比例系数，E为感应电势，为感应电势，为磁通。当为磁通。当E的单的单位为伏特（位为伏特（V），），的单位为韦伯（的单位为韦伯（Wb），），t的单的单位为秒（位为秒（s）时，）时，k1，这时感应电势为：，这时感应电势为：磁电感应式传感器的工作原理如果在线圈运动部分的磁场强度如果在线圈运动部分的磁场强

25、度B是均匀的，是均匀的，则当线圈与磁场的相对速度为则当线圈与磁场的相对速度为时，线圈的感应电动势：时，线圈的感应电动势：lla线圈长度，线圈长度，为运动方向与磁场方向间夹角，当为运动方向与磁场方向间夹角，当90，线，线圈的感应电动势为：圈的感应电动势为：当当N、B和和la恒定不变时，恒定不变时，E与与=dx/dt成正比，成正比，根据感应电动势根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。的大小就可以知道被测速度的大小。磁电感应式传感器的工作原理如果线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，则感应电动势如果线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线，则感应电动势S每匝线圈的截面积，每匝线圈的截面积，=d/dt,

26、=d/dt,旋转运动的相对角速度。旋转运动的相对角速度。当当90，线圈的感应电动势为：，线圈的感应电动势为：当当N、B和和S恒定不变时，恒定不变时，E与转动速度与转动速度 成正比，成正比，根据感应电动势根据感应电动势E的大小就可以知道被测转速度的大小。的大小就可以知道被测转速度的大小。不同类型的磁电式传感器磁通量的变化实现办法:磁铁与线圈之间做相对运动；磁路中磁阻的变化；恒定磁场中线圈面积的变化.可做成恒磁通的动圈式和动铁式传感器 或变磁通（磁阻）的传感器，又分开磁路式和闭磁路式应用n测定速度n 在信号调节电路中接积分电路，可测量位移n在信号调节电路中接微分电路，可测加速度 动圈式磁电传感器原

27、理动圈式磁电传感器原理图5.1.1 动圈式磁电传感器原理图 动圈式磁电传感器结构动圈式磁电传感器结构磁电式传感器构成：1、磁路系统 由它产生恒定直流磁场。为了减小传感器的体积，一般都采用永久磁铁；2、线圈 由它运动切割磁力线产生感应电动势。作为一个完整的磁电式传感器，除了磁路系统和线圈外，还有一些其它元件，如壳体、支承、阻尼器、接线装置等。磁电式振动传感器的结构原理 n该传感器在使用时，把它与被测物体紧固在一起，当物体振动时，传感器外壳随之振动，此时线圈、阻尼环和芯杆的整体由于惯性而不随之振动，因此它们与壳体产生相对运动，位于磁路气隙间的线圈就切割磁力线，于是线圈就产生正比于振动速度的感应电动

28、势。该电动势与速度成一一对应关系，可直接测量速度，经过积分或微分电路便可测量位移或加速度。磁电式振动传感器变磁阻（通）式磁电传感器n特点：线圈和磁铁部分都是静止的，与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的，在运动中，它们改变磁路的磁阻，因而改变贯穿线圈的磁通量，在线圈中产生感应电动势。n目的：用来测量转速，线圈中产生感应电动势的频率作为输出，而感应电动势的频率取决于磁通变化的频率。n结构：开磁路、闭磁路 开磁路磁阻式转速传感器 1永久磁铁永久磁铁3感应线圈感应线圈2软铁软铁4齿轮齿轮 结构比较简单，但输出信号较小，结构比较简单，但输出信号较小，当被测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。当被

29、测轴振动较大时，传感器输出波形失真较大。闭磁路磁阻式转速传感器 闭闭磁磁路路磁磁组组式式转转速速传传感感器器 内、外齿轮的齿数相同，当转轴联结到被测轴上与被测轴一起转动时，内外齿轮的相对运动使磁路气隙发生变化，因而磁阻发生变化并使贯穿于线圈的磁通量变化，在线圈中感应出电势。与开磁路情况相同，也可通过感应电动势频率测量转速。1、转轴；2、内齿轮；3、外齿轮；4、线圈；5、永久磁铁磁阻式转速传感器特点：传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，因而它传感器的输出电势取决于线圈中磁场变化速度，因而它是与被测速度成一定比例关系的。当转速太低时，输出是与被测速度成一定比例关系的。当转速太低时，输出电势很小，以致无法测量。所以这种传感器有一个下限电势很小，以致无法测量。所以这种传感器有一个下限工作频率，一般为工作频率，一般为50Hz左右，闭磁路转速传感器的下限左右，闭磁路转速传感器的下限频率可降低到频率可降低到30Hz左右。其上限工作频率可达左右。其上限工作频率可达100Hz。The End！结束语结束语谢谢大家聆听！谢谢大家聆听！68