第三章常用传感器与敏感元件精选文档.ppt
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1、第三章常用传感器与敏感元件本讲稿第一页,共一百零五页 将被测量转换为与之对应的,易检测、易传输或易处理信号的将被测量转换为与之对应的,易检测、易传输或易处理信号的装置,装置,称为称为传感器传感器。直接受被测量作用的元件称为传感器的直接受被测量作用的元件称为传感器的敏感元件敏感元件。传感器处于测试装置的输入端,是测试系统的第一个环节,其性能传感器处于测试装置的输入端,是测试系统的第一个环节,其性能直接影响整个测试系统,对测试精度至关重要。直接影响整个测试系统,对测试精度至关重要。第一节第一节 常用传感器分类常用传感器分类 工程中常用传感器的种类繁多,往往一种物理量可用多种类工程中常用传感器的种类
2、繁多,往往一种物理量可用多种类型的传感器来测量,而同一种传感器也可用于多种物理量的测型的传感器来测量,而同一种传感器也可用于多种物理量的测量。量。按被测物理量的不同分:按被测物理量的不同分:位移传感器、力传感器、温度传感器等。位移传感器、力传感器、温度传感器等。传感器有多种分类方法。传感器有多种分类方法。本讲稿第二页,共一百零五页按传感器工作原理的不同分:按传感器工作原理的不同分:机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器等。机械式传感器、电气式传感器、光学式传感器、流体式传感器等。按信号变换特征分:按信号变换特征分:物性型传感器与结构型传感器。物性型传感器与结构型传感器。物性型传
3、感器物性型传感器是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变是依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换的。例如,水银温度计是利用了水银的热胀冷缩性质;压力测力计利换的。例如,水银温度计是利用了水银的热胀冷缩性质;压力测力计利用的是石英晶体的压电效应等。用的是石英晶体的压电效应等。结构型传感器结构型传感器则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的。则是依靠传感器结构参数的变化而实现信号转变的。例如,电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化;电例如,电容式传感器依靠极板间距离变化引起电容量的变化;电感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感的变化。感式传感器依靠衔铁位移引起自感或互感
4、的变化。按敏感元件与被测对象之间的能量关系分:按敏感元件与被测对象之间的能量关系分:能量转换型传感器与能量控制型传感器。能量转换型传感器与能量控制型传感器。本讲稿第三页,共一百零五页按输出信号类型分:按输出信号类型分:模拟式传感器和数字式传感器等。模拟式传感器和数字式传感器等。能量转换型传感器能量转换型传感器,也称,也称无源传感器无源传感器,是直接由被测对象输入能,是直接由被测对象输入能量使其工作的,例如,热电偶温度计、弹性压力计等。在这种情况量使其工作的,例如,热电偶温度计、弹性压力计等。在这种情况下,由于被测对象与传感器之间的能量交换,必然导致被测对象状下,由于被测对象与传感器之间的能量交
5、换,必然导致被测对象状态的变化和测量误差。态的变化和测量误差。能量控制型传感器能量控制型传感器,也称,也称有源传感器有源传感器,是从外部供给能量使传感,是从外部供给能量使传感器工作的,并且由被测量来控制外部供给能量的变化。例如,器工作的,并且由被测量来控制外部供给能量的变化。例如,电阻应变计中电阻接于电桥上,电桥工作能源由外部供给,而电阻应变计中电阻接于电桥上,电桥工作能源由外部供给,而由被测量变化所引起电阻变化来控制电桥输出。电阻温度计、由被测量变化所引起电阻变化来控制电桥输出。电阻温度计、电容式测振仪等均属此种类型。电容式测振仪等均属此种类型。另一类传感器是以外信号另一类传感器是以外信号(
6、由辅助能源产生由辅助能源产生)激励被测对象,传感器获取激励被测对象,传感器获取的信号是被测对象对激励信号的响应,它反映了被测对象的性质或状态。的信号是被测对象对激励信号的响应,它反映了被测对象的性质或状态。例如,超声波探伤仪、例如,超声波探伤仪、射线测厚仪、射线测厚仪、X X射线衍射仪等。射线衍射仪等。本讲稿第四页,共一百零五页 需要指出的是,不同情况下,传感器可能只有一个,也可能有几个换需要指出的是,不同情况下,传感器可能只有一个,也可能有几个换能元件,也可能是一个小型装置。例如,电容式位移传感器是位移能元件,也可能是一个小型装置。例如,电容式位移传感器是位移-电容电容变化的能量控制型传感器
7、,可以直接测量位移。而电容式压力传感器,变化的能量控制型传感器,可以直接测量位移。而电容式压力传感器,则经过压力则经过压力-膜片弹性变形膜片弹性变形(位移位移)-)-电容变化的转换过程。此时膜片是一电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量个由机械量-机械量的换能件,由它实现第一次变换;同时它又与另一极机械量的换能件,由它实现第一次变换;同时它又与另一极板构成电容器,用来完成第二次转换。再如电容型伺服式加速度计(也板构成电容器,用来完成第二次转换。再如电容型伺服式加速度计(也称力反馈式加速度计),实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统。称力反馈式加速度计),实际上是一个具有闭环回路的小型测量系
8、统。这种传感器较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。这种传感器较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。本讲稿第五页,共一百零五页表表3-13-1汇总了机械工程中常用传感器的基本类型及其名称、被测量、性能指标等。汇总了机械工程中常用传感器的基本类型及其名称、被测量、性能指标等。本讲稿第六页,共一百零五页第二节第二节 机械式传感器及仪器机械式传感器及仪器 机械式传感器应用很广。在测试技术中,常常以弹性体作为传感器的机械式传感器应用很广。在测试技术中,常常以弹性体作为传感器的敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量,而输出则为弹性敏感元件。它的输入量可以是力、压力、温度等物理量,而
9、输出则为弹性元件本身的弹性变形元件本身的弹性变形(或应变或应变)。这种变形可转变成其他形式的变量。例如。这种变形可转变成其他形式的变量。例如被测量可放大而成为仪表指针的偏转,借助刻度指示出被测量的大小。被测量可放大而成为仪表指针的偏转,借助刻度指示出被测量的大小。优点优点:具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观:具有结构简单、可靠、使用方便、价格低廉、读数直观等。等。缺点缺点:惯性大,固有频率低,只宜用于检测缓变或静态被测量。:惯性大,固有频率低,只宜用于检测缓变或静态被测量。近年来,在自动检测、自动控制技术中广泛应用的近年来,在自动检测、自动控制技术中广泛应用的微型探微型探测开关测
10、开关亦被看做机械式传感器。这种开关能把物体的运动、位置或尺寸亦被看做机械式传感器。这种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。变化,转换为接通、断开信号。本讲稿第七页,共一百零五页a a)测力计)测力计 b b)压力计)压力计 c c)温度计)温度计 本讲稿第八页,共一百零五页11工件工件 2 2电磁铁电磁铁 3 3导槽导槽 4 4簧片开关簧片开关 5 5电极电极 6 6惰性气体惰性气体 7 7簧片簧片 本讲稿第九页,共一百零五页第三节第三节 电阻、电容与电感式传感器电阻、电容与电感式传感器 一、电阻式传感器一、电阻式传感器 电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。
11、按其电阻式传感器是一种把被测量转换为电阻变化的传感器。按其工作原理可分为工作原理可分为变阻器式变阻器式和和电阻应变式电阻应变式两类。两类。1 1变阻器式传感器变阻器式传感器 a a)直线位移型)直线位移型 b b)角位移型)角位移型 c c)非线性型)非线性型 本讲稿第十页,共一百零五页 变阻器式传感器通过改变电位器触头位置,实现将位移转换为电阻变阻器式传感器通过改变电位器触头位置,实现将位移转换为电阻的变化。其表达式为的变化。其表达式为 直线位移型直线位移型 灵敏度灵敏度 角位移型角位移型 灵敏度灵敏度本讲稿第十一页,共一百零五页非线性型非线性型为了使输出电阻值为了使输出电阻值 与与 呈呈线
12、性关系线性关系,变阻器骨架应做成直角三,变阻器骨架应做成直角三角形。角形。变阻器骨架应做成抛物线形。变阻器骨架应做成抛物线形。变阻器式传感器的后接变阻器式传感器的后接电路一般采用电阻分压电路一般采用电阻分压电路。电路。优点优点:是结构简单、性能稳定、使用方便。:是结构简单、性能稳定、使用方便。缺点缺点:是分辨力不高,因为受到电阻丝直径的限制。:是分辨力不高,因为受到电阻丝直径的限制。本讲稿第十二页,共一百零五页应用应用:用于线位移、角位移测量,在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子:用于线位移、角位移测量,在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。电位差计等。2 2电阻应变式传感器电阻应变式传
13、感器 电阻应变式传感器可分为电阻应变式传感器可分为金属电阻应变片式金属电阻应变片式与与半导体应变片式半导体应变片式两两类。类。(1 1)金属电阻应变片)金属电阻应变片 工作原理工作原理:应变片发生机械变形时,其电阻值发生变化。:应变片发生机械变形时,其电阻值发生变化。金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片 1 1一电阻丝一电阻丝 2 2基片基片 3 3一覆盖层一覆盖层 4 4引出线引出线 本讲稿第十三页,共一百零五页金属箔式应变片金属箔式应变片 a a)单轴)单轴 b b)测扭矩)测扭矩 c c)多轴)多轴 d d)平行轴多栅)平行轴多栅 e e)同轴多栅)同轴多栅 电阻丝的电阻值电阻丝的电阻值 电
14、阻丝即随同物体一起变形,其电阻值发生相应变化电阻丝即随同物体一起变形,其电阻值发生相应变化 或或本讲稿第十四页,共一百零五页 是由电阻丝几何尺寸改变所引起的,对于同一种材是由电阻丝几何尺寸改变所引起的,对于同一种材料,项是常数。料,项是常数。项则是由于电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的,对于金属丝项则是由于电阻丝的电阻率随应变的改变而引起的,对于金属丝来说,是很小的,可忽略。上式可简化为来说,是很小的,可忽略。上式可简化为 灵敏度灵敏度 本讲稿第十五页,共一百零五页一般市售电阻应变片的标准阻值有一般市售电阻应变片的标准阻值有6060、120120、350350、600600和和10001000
15、等。其中以等。其中以120120最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。来选定。优点优点:体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。:体积小、动态响应快、测量精确度高、使用简便等。应用应用:用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。:用于应变、力、位移、加速度、扭矩等参数的测量。缺点缺点:温度稳定性能差,在较大应变作用下,非线性误差大等。:温度稳定性能差,在较大应变作用下,非线性误差大等。(2 2)半导体应变片)半导体应变片 11胶膜衬底胶膜衬底 2P-Si 32P-Si 3内引线内引线 4 4焊接板焊接板 5 5外引线外引线 本讲稿第十六页,共
16、一百零五页工作原理工作原理:是基于半导体材料的是基于半导体材料的压阻效应压阻效应。压阻效应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,原子点阵是指单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时,原子点阵排列规律发生变化,导致载流子迁移率及载流子浓度的变化,从而引起排列规律发生变化,导致载流子迁移率及载流子浓度的变化,从而引起电阻率电阻率 变化的现象。变化的现象。在电阻相对变化的表达式中,在电阻相对变化的表达式中,项是由几何尺寸变化引起的,项是由几何尺寸变化引起的,是由于电阻率变化而引起的。对半导体而言,是由于电阻率变化而引起的。对半导体而言,项远远大于项远远大于 项,它是半导体应变片的主要
17、部分,故项,它是半导体应变片的主要部分,故电阻相对变化的表达式电阻相对变化的表达式可简可简化为化为 灵敏度灵敏度本讲稿第十七页,共一百零五页优点优点:灵敏度高,机械滞后小、横向效应小:灵敏度高,机械滞后小、横向效应小、体积小等特点体积小等特点。缺点缺点:温度稳定性能差、灵敏度离散度大,非线性误差大等。:温度稳定性能差、灵敏度离散度大,非线性误差大等。应用应用:用于压力、加速度等参数的测量。:用于压力、加速度等参数的测量。电阻应变式传感器有以下两种电阻应变式传感器有以下两种应用方式应用方式:1)1)直接用来测定结构的应变或应力。直接用来测定结构的应变或应力。2 2)将应变片贴于弹性元件上,作为测
18、量力、位移、压力、加速度等物理)将应变片贴于弹性元件上,作为测量力、位移、压力、加速度等物理参数的传感器。参数的传感器。3 3固态压阻式传感器固态压阻式传感器 工作原理工作原理:是基于半导体材料的是基于半导体材料的电阻效应电阻效应。本讲稿第十八页,共一百零五页 固态压阻式传感器是以单晶硅为基底材料,按一定晶向将固态压阻式传感器是以单晶硅为基底材料,按一定晶向将P P型杂质型杂质扩散到扩散到N N型硅底层上,形成一层极薄的导电型硅底层上,形成一层极薄的导电P P型层。此型层。此P P型层就相当于半型层就相当于半导体应变片中的电阻条,连接引线后就构成了扩散型半导体应变片。由导体应变片中的电阻条,连
19、接引线后就构成了扩散型半导体应变片。由于基底于基底(硅片硅片)与敏感元件与敏感元件(导电层导电层)互相渗透,结合紧密,所以基本上为互相渗透,结合紧密,所以基本上为一体。在生产时可以根据传感器结构形成制成各种形状,如圆形杯或长一体。在生产时可以根据传感器结构形成制成各种形状,如圆形杯或长方形梁等。这时基底就是方形梁等。这时基底就是弹性元件弹性元件,导电层就是,导电层就是敏感元件敏感元件。当有机。当有机械力作用时,硅片产生应变,使导电层发生电阻变化。一般这械力作用时,硅片产生应变,使导电层发生电阻变化。一般这种元件做成按一定晶向扩散、四个电阻组成的全桥形式,在外种元件做成按一定晶向扩散、四个电阻组
20、成的全桥形式,在外力作用下,电桥产生相应的不平衡输出。力作用下,电桥产生相应的不平衡输出。应用应用:固态压阻式传感器主要用于测量压力与加速度。:固态压阻式传感器主要用于测量压力与加速度。4 4典型动态电阻应变仪典型动态电阻应变仪 本讲稿第十九页,共一百零五页本讲稿第二十页,共一百零五页二、电容式传感器二、电容式传感器 1 1变换原理变换原理 电容式传感器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。质上是一个具有可变参数的电容器。平行极板电容器的电容量平行极板电容器的电容量 根据电容器变化的参数,电容器可分为根据
21、电容器变化的参数,电容器可分为极距变化型极距变化型、面积变化型面积变化型和和介介质变化型质变化型三类。三类。(1 1)极距变化型)极距变化型 本讲稿第二十一页,共一百零五页a a)极距变化)极距变化 b b)输出特性)输出特性 灵敏度灵敏度本讲稿第二十二页,共一百零五页 为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件(如电源如电源电压、环境温度等电压、环境温度等)的变化对测量精确度的影响,常常采用的变化对测量精确度的影响,常常采用差动式差动式。优点优点:可进行动态非接触式测量,灵敏度高。:可进行动态非接触式测量,灵敏度高。缺点缺点:非线性误
22、差大、杂散电容对灵敏度和测量精确度有影响,配用的电非线性误差大、杂散电容对灵敏度和测量精确度有影响,配用的电子线路较复杂。子线路较复杂。应用应用:适用于较小位移:适用于较小位移(0(001m01m数百微米数百微米)的测量。的测量。(2 2)面积变化型)面积变化型 角位移型角位移型 灵敏度灵敏度 本讲稿第二十三页,共一百零五页a a)角位移型)角位移型 b b)平面线位移型)平面线位移型 c c)柱体线位移型)柱体线位移型1 1动板动板 2 2定板定板平面线位移型平面线位移型 灵敏度灵敏度本讲稿第二十四页,共一百零五页圆柱体线位移型圆柱体线位移型 灵敏度灵敏度优点优点:输出与输入成线性关系。:输
23、出与输入成线性关系。缺点缺点:灵敏度较低:灵敏度较低 。应用应用:适用于较大直线位移及角位移测量。:适用于较大直线位移及角位移测量。(3 3)介质变化型)介质变化型 灵敏度灵敏度本讲稿第二十五页,共一百零五页a a)介质厚度、温度、湿度计)介质厚度、温度、湿度计 b b)介质液位计)介质液位计 应用应用:测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度等。:测量电介质的液位或某些材料的温度、湿度和厚度等。2 2测量电路测量电路 电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化以后,由后续电路电容传感器将被测物理量转换为电容量的变化以后,由后续电路转换为电压、电流或频率信号。转换为电压、电流或频率信号。本讲
24、稿第二十六页,共一百零五页(1 1)电桥型电路)电桥型电路 将电容传感器作为桥路的一部分,由电容变化转换为电桥将电容传感器作为桥路的一部分,由电容变化转换为电桥的电压输出,通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电的电压输出,通常采用电阻、电容或电感、电容组成的交流电桥。桥。(2 2)直流极化电路)直流极化电路 本讲稿第二十七页,共一百零五页(3 3)谐振电路)谐振电路(4 4)调频电路)调频电路 本讲稿第二十八页,共一百零五页(5 5)运算放大器电路)运算放大器电路 3 3电容集成压力传感器电容集成压力传感器 a a)压力敏感电容器)压力敏感电容器 b b)集成电路原理图)集成电路原理图 本
25、讲稿第二十九页,共一百零五页三、电感式传感器三、电感式传感器 电感式传感器电感式传感器是把被测量转换为电感量变化的一种装置,其是把被测量转换为电感量变化的一种装置,其变换是基于变换是基于电磁感应原理电磁感应原理。按照变换方式的不同,可分为自感型。按照变换方式的不同,可分为自感型(包括可变磁阻式与涡流式包括可变磁阻式与涡流式)与互感型与互感型(差动变压器式差动变压器式)。1 1自感型自感型(1 1)可变磁阻式)可变磁阻式 a a)可变磁阻结构)可变磁阻结构 b b)特性曲线)特性曲线1 1一线圈一线圈 2 2铁心铁心 3 3一衔铁一衔铁 灵敏度灵敏度本讲稿第三十页,共一百零五页a a)可变导磁面
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