常用传感器与敏感元件.pptx

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1、会计学1常用传感器与敏感元件常用传感器与敏感元件 能量转换型：直接由被测对象输入能量，如：热电偶温度计能量控制型：从外部供给辅助能量，如：电阻应变计中电阻接于电桥上 按敏感组件与 被测对象之间 的能量关系 按输出信号 模拟式 数字式 第1页/共63页第二节 机械式传感器 敏感组件：弹性体 输入：力，压力，温度等 输出：弹性组件本身的变形 特点：简单、可靠、使用方便，价低，读 数直观；但固有频率低 弹性原件具有蠕变、弹性后效等现象 适宜：检测缓变或静态被测量 敏感元件：直接感受被测物理量弹性后效是指载荷在停止变化之后，弹性元件在一段时间之内还会继续产生类似蠕动的位移蠕变：固体材料在保持应力不变的

2、情况下，应变随时间缓慢增长的现象第2页/共63页第3页/共63页微型探测开关可探测物体有无、位置、尺寸、运动状态等第4页/共63页第三节 电阻式传感器一、变阻器式传感器位移电阻变化 被测量 -电阻变化转化为电阻传感器 变阻器式 电阻应变式 直线位移型传感器 角位移型传感器 非线性型 金属电阻应变片 半导体应变片 丝式 箔式 第5页/共63页直线位移型 灵敏度：输入：x(位移)输出：R(电阻)测：直线位移 角位移型 输入：角位移 输出：阻值R 测：角位移 非线性型 骨架按要求定 第6页/共63页若被测量：要求：为使输出的阻值：骨架当触点在x处时：任一位置微小区间内的电阻 所以:骨架形状应为三角形

3、 第7页/共63页后接电路：电阻分压电路时 变阻器式传感器的优点：简单、性能稳定、使用方便缺点：分辨力低，20微米，噪音较大应用：测线位移，角位移 第8页/共63页 应用案例1：重量的自动检测-配料设备设定值原材料 比较电阻式传感器原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化第9页/共63页二电阻应变式传感器 应用：测应变、力、位移、加速度、扭矩等 特点：体积小、动态响应快、精度高、使用方便（一）金属电阻应变片传感器 工作原理：应变片发生机械变形时引起电阻值变化应变片工作时：粘固在被测物表面上或弹性体上丝式 箔式 丝式：康铜或镍铬合金直径0.025mm第10页/共63页几何参数：

4、栅长L和栅宽b，制造厂常用bL表示。第11页/共63页第12页/共63页箔式：线条均匀，尺寸准确，粘结情况好，传递试件应变性能好 工作原理：弹性模量纵向应变 电阻丝泊松比压阻系数与材质有关第13页/共63页灵敏度：Sg=1.73.6 ：是由电阻丝几何尺寸变化所引起的：是由电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的 对于电阻丝：金属应变片有：丝式、箔式 优点：稳定性和温度特性好 缺点：灵敏度系数小第14页/共63页（二）半导体应变片工作原理：半导体材料的压阻效应压阻效应：单晶半导体材料在 沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率 发生较大变化 对半导体：很小，可略去 灵敏度：较金属丝电阻应变片大5070倍 第

5、15页/共63页金属丝电阻应变片与半导体应变片的主要区别：前者利用导体形变引起阻值的变化，后者利用半导体电阻率变化引起阻值的变化。半导体应变片优点：灵敏度高，机械滞后小，横向效应小，体积小 缺点：温度稳定性差，灵敏度分散度大（晶向、杂质 等因素影响），非线性误差大（三）电阻应变式传感器的应用 1.直接测结构的应变或应力2.将应变片贴于弹性组件上，测力、位移、压力、加速度等弹性组件得到与被测量成正比的应变，再由 转变为的变化，再由后续电路转变为电压的变化第16页/共63页第17页/共63页第18页/共63页注意：1）应变片的粘接 2）温度的影响，温度补偿 3）用于动态测量时，要注意应变 片的上限

6、测量频率 第19页/共63页应用应用应用应用案例1：桥梁固有频率测量原理：在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。第20页/共63页案例案例案例案例2 2 2 2：电子称电子称电子称电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。第21页/共63页n n应变片有如下的优点：应变片有如下的优点：n n.测量应变的灵敏度和精度高，测量应变的灵敏度和精度高，性能稳定、可靠，可测性能稳定、可靠，可测1 122，误差小于，误差小于1 1。.应变应变片尺寸小、重量轻、结构简单、片尺寸小、重量轻、结构简单、使用方便、测

7、量速度快。测量使用方便、测量速度快。测量时对被测件的工作状态和应力时对被测件的工作状态和应力分布基本上无影响。既可用于分布基本上无影响。既可用于静态测量，又可用于动态测量静态测量，又可用于动态测量.测量范围大。既可测量弹性测量范围大。既可测量弹性变形，也可测量塑性变形。变变形，也可测量塑性变形。变形范围可从形范围可从1 12 2。.适应适应性强。可在高温、超低温、高性强。可在高温、超低温、高压、水下、强磁场以及核辐射压、水下、强磁场以及核辐射等恶劣环境下使用。等恶劣环境下使用。.便于多便于多点测量、远距离测量和遥测。点测量、远距离测量和遥测。.价格便宜，品种多，工艺较价格便宜，品种多，工艺较成

8、熟，便于选择和使用，可以成熟，便于选择和使用，可以测量各种物理量。测量各种物理量。第22页/共63页第四节 电感式传感器1、自感型(一)可变磁阻式原理：线圈自感量：电感式传感器 自感型(L):可变磁阻式 涡电流式 互感型(M):第23页/共63页当 较小，且不考虑磁路的铁损，因：铁心磁阻 空气隙的磁阻灵敏度 所以存在线性误差 时：故：当固定 ，改变 变 L 变 位移传感器 变化过程：机械量 变 L 变 第24页/共63页此传感器适：测较小位移，约为 0.0011 mm其它几种常用的可变磁阻式传感器：1.面积变化型机械量 S:较低 第25页/共63页2.差动型：初始状态：x=0 当 将两线圈接于

9、电桥的相邻桥臂，输出灵敏度 提高一倍，并改善了线性特征 差动连接：第26页/共63页3.单螺管型：灵敏度低 适：较大位移（数毫米）测量4双螺管线圈差动型：较单螺管型灵敏度 提高一倍，较好的线性,测量范围:0300 ,分辨力:0.5 第27页/共63页(一)涡电流式传感器涡电流效应：变换原理：金属导体在交变磁场中的涡电流效应影响高频线圈阻抗 Z、自感L的因素1.线圈与金属 2.金属板的 3.金属板的 4.线圈激磁板间距离 电阻率 磁导率 圆频率 测：位移 振动 厚度测：材质 探伤 第28页/共63页测量电路：阻抗分压式调幅电路：变电感 L 变电压u变 第29页/共63页调频电路：变电感 L 变

10、转化为电压 u的变化 振荡器 f 变 涡电流传感器的特点：动态非接触测量范围:1mm 10 mm 分辨力：1 简单，使用方便，不受油液等介质的影响；应用：位移，振动，测厚，探伤，材质鉴别，径向摆动，回转轴误差，转速，零件计数，表面裂纹，缺陷等；第30页/共63页二、互感型差动变压器式电感传感器工作原理：电磁感应中的互感现象 感应电动势：M：互感系数（H ）M:大小与相对位置，介质的导磁能力，线圈形状、大小、匝数有关 表明：两线圈之间的耦合程度；螺管型差动变压器传感器第31页/共63页1.工作原理：2.测量电路：注意：零点残余电压的补偿；位移正负的判断：相敏检波 3.特点：精度高，可达0.1 线

11、性范围大:达 100 稳定性好，使用方便 4.适于：测直线位移，压力，重量等 螺管型差动变压器传感器第32页/共63页一、变换原理:被测量电容量的变化（一）极距变化型 1.工作原理：灵敏度：存在线性误差，故一般：(3).实际应用时：差动式第五节 电容式传感器固定，变 极距变化型 固定，变 A 面积 固定，变 介质 第33页/共63页2.特点：非接触动态测量,灵敏度高,测较小位移（达0.01 )线性误差，杂散电容对灵敏度及测量精度的影响，电子线路复杂；(二)面积变化型 角位移型 平面线位移型 圆柱体线位移型第34页/共63页面积变化型传感器的特点：灵敏度较低 适：较大直线位移及角位移的测量(三)

12、介质变化型 变 C 变 可测：材料的厚度，温度，湿度,液位高度的测量第35页/共63页二、测量电路1.电桥型电路2.直流极化电路第36页/共63页3.谐振电路：4.调频电路第37页/共63页5.运算放大器：第38页/共63页 应用电容式传感器 案例1：电容传声器 案例2:转速测量第39页/共63页第六节 压电式传感器 可逆型换能器:机械能 电能 应用：力，压力，加速度的测量 工作原理：某些物质的压电效应 一.压电效应压电效应 逆压电效应压电材料：石英，钛酸钡等第40页/共63页zz:光轴xx:电轴 yy:机械轴电荷量：压电系数，与材质与切片方向有关：作用力 第41页/共63页二、压电式传感器极

13、其等效电路压电传感器：电荷发生器，又是一个电容器压电传感器宜：动态测量实际使用时芯片的连接：并联：电容大，电荷量 大，时间常数大；适：缓变信号 串联：电容小，输出 电压大；适：以电压输出 第42页/共63页压电芯片及等效电路：电缆寄生电容：后续电路的输入 阻抗和传感器中的漏 电阻所形成的泄漏电阻；三、测量电路前置放大器 的作用 1.将传感器的高阻抗输出变为低阻抗输出 2.放大传感器输出的电信号 第43页/共63页不同前置放大器的特点：电压放大器：受电缆电容影响较大，影响灵敏度；电荷放大器：受电缆电容影响较小，灵敏度无明显变 化，但电路复杂，价高；压电式传感器的应用:测力、压力、振动的加速度第4

14、4页/共63页产品压力变送器加速度计力传感器 压电式传感器 第45页/共63页第七节 磁电式传感器 被测物理量 感应电动势 原理：感应电动势：线圈匝数：磁通量 影响磁通量 的因素 1.磁场强度 2.磁路磁阻 3.线圈的运动速度磁阻式 动圈式 磁电式传感器 动圈式 磁阻式 角速度型 线速度型 第46页/共63页1.动圈式1.线速度型感应电动势：惯性式速度计 2.角速度型感应电动势：转速测量 当结构一定，W,B,A 为常数时第47页/共63页动圈式磁电传感器测量电路：当，且不使用特别加长电缆时：:负载电阻:线圈阻抗 第48页/共63页二.磁阻式传感器工作原理：线圈与磁铁无相对运动，由运动着的物体

15、（导磁材料）来改变磁路的磁阻，引起磁力 线的增强与减弱，线圈中产生感生电动势。应用：测频数，转速，偏心测量，振动测量特点：简单，方便第49页/共63页应用b)测速电机a)磁电式车速传感器磁电式传感器 变磁通式传感器对环境条件要求不高，能在-15090的温度下工作，也能在油、水雾、灰尘等条件下工作。但它的工作频率下限较高，约为50Hz，上限可达100Hz。第50页/共63页第八节 半导体传感器利用：半导体对光、热、力、磁、气体、温度等的敏感一.磁敏传感器 霍尔组件，磁阻组件，瓷敏管等(一)霍尔组件霍尔效应：第51页/共63页运动电荷受磁场中洛兰兹力的作用：霍尔电场：霍尔系数，决定于材质，温度，尺

16、寸；霍尔组件的应用：测位移，微压，压差，加速度，振动等第52页/共63页霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图:3.7 半导体敏感元件传感器 霍尔片是一块半导体单晶薄片(一般为4mm2mm0.1mm)，在它的长度方向两端面上焊有a、b两根引线，称为控制电流端引线，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在它的另两侧端面的中间以点的形式对称地焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件的壳体是用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。第53页/共63页第54页/共63页3

17、.7 半导体敏感元件传感器 应用 从 a端通人电流I，根据霍尔效应，左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生露尔电势VH2，其方向相反。因此，c、d两端电势为VH1 VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；1、位移传感器第55页/共63页半导体敏感元件传感器 2、测速传感器第56页/共63页3、管道裂纹检测半导体敏感元件传感器 原理磁场强度变化检测第57页/共63页4、汽车速度测量半导体敏感元件传感器 第58页/共63页半导体敏感元件传感器 案例：亮度传感器：通过检测周围环境的亮度，再与内部设定值相比较，调整光源的亮度和分布，有效利用自然光线，达到节约电能的目的。第59页/共6

18、3页第三章、传感器测量原理传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。1、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。c)交叉灵敏度问题。第60页/共63页传感器选用原则 2 响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。3 线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。第61页/共63页传感器选用原则 4 稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5 精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。6 测量方式 传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。第62页/共63页感谢您的观看。第63页/共63页