【5A版】传感器原理及应用全套教学课件PPT.ppt 205页

'传感器原理及应用 教材及参考书教材:《传感器》（第3版）哈尔滨工业大学强锡富主编机械工业出版社参考书：《机械工程测试技术》(第二版)黄长艺、严普强主编机械工业出版社参考书：《当代测试技术》钱难能主编华东化工学院出版社 绪论 一、测试技术简介测试技术的发展与生产的发展、科技的发展有着密切的联系。在工业发达的国家里，测试技术的水平及其装置必定是相当先进的，测试技术的应用领域也十分广泛。 机械系统中常见的物理量几何量—长度、角度、表面几何形状机械量—振动（速度、加速度、位移）、力、压力、力矩、扭矩、功率、质量、硬度热工量—温度、温度场、湿度、流量光学量—照度、光学参数（焦距、透光率）电磁量—电压、电流、电势、磁场强度 测试技术的方法（以测力为例） 各种测试法的优缺点：机械测试法：惯性大，摩擦大，不便记录，不能测过程，只能测静态光学测试法：精度最高，但对环境要求苛刻，需在实验室中作标准或高精度测量气液测试法：要求有合适的动力源，气体的压缩性、液体的阻尼跟不上快速的变化，一般只能用于准静态测量 电测法的优点：电测法:（1）精度高；（2）灵敏度高，在很大范围内可进行方便调整，测试范围很广；（3）电惯性小，反映快，能够进行快速变化的量的测量，频域范围很广；（4）便于远距离传输和控制，可遥测、遥控；（5）便于仪器的通用化和专业化生产；（6）动力源普遍，有一定抗干扰能力适合现场使用。 非电量被测量的二次转换一次变换二次变换被测量光测、气液测电测量 一般非电量电测法测试系统的组成 非电量电测法测试系统的各部分的作用：传感器感受被测物理量并把它变换为便于传输处理的电信号。它是整个测试系统实现测试和自动控制的首要的、关键的环节。中间电路将传感器输出的微弱电信号进行再次变换、放大、衰减、滤波、调制和解调等，使它们成为便于显示、记录或进行数据处理的信号。显示与记录器将中间变换与测量电路送来的电压或电流信号不失真地显示和记录出来。 作用二驱动装置产生人为驱动信号，是被测对象处于人为的工作状态下，把内部特性表现得更明显。标定装置产生标准输入以便用实验的方法来得到被测量与显示记录之间准确地量的关系。 二、传感器在科技发展中的作用 三、传感器的定义国家标准(GB7665-87)对传感器(Transducer/Sensor)的定义：能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。教科书对其定义：传感器是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。 定义包含以下几方面意思：传感器是测量装置，能完成检测任务；它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等；它的输出量是某一物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等等，这种量可以是气、光、电物理量，但主要是电物理量；输出输入有对应关系，且应有一定的精确程度。 四、传感器的组成以测量汽车油箱中汽油液位的装置为例 组成 例：应变式力传感器弹性膜片—敏感元件，将力转换为弹性膜片的变形应变片—传感元件，将弹性膜片的变形转换成电阻值的变化 五、传感器的分类传感器的分类方法有许多种，从传感器的工作机理来说，可分为物理型、化学型、生物型等。本课程主要讲的是物理型传感器，因此下面我们列表将物理型传感器的各种分类情况进行介绍。 分类方法说明举例按输入量分类传感器以被测物理量分类，也即按用途分类，便于用户选择。位移传感器、速度传感器、温度传感器、压力传感器等按工作原理分类（变换原理）传感器以工作原理命名，便于生产厂家专业生产。应变式、电容式、电感式、压电式、热电式等按物理现象分类（信号变换特征）结构型传感器依赖其结构参数变化实现信息转换电容式传感器：利用电容极板间隙或面积的变化C物性型传感器依赖其敏感元件物理特性的变化实现信息转换压电式传感器：压电效应，力电荷热电偶：热电效应按能量关系分类能量控制型由外部供给传感器能量，而由被测量来控制输出的能量电容传感器：需外部供电，使x(t)C电流或电压能量转换型传感器直接将被测量的能量转换为输出量的能量温度计：吸收被测物的能量磁电式：线圈切割磁力线感应电势按输出信号分类模拟式输出量为模拟量数字式输出量为数字量 六、传感器的命名式传感器如：电阻式液位传感器电容式声传感器应变式力传感器压电式加速度传感器表示变换元件、变换原理的种类表示用途，指出被测量的种类 七、传感器的发展趋势高精度小型化集成化数字化智能化新型化大量物性型传感器的涌现化学传感器的开发采用新工艺的传感器开发 第二章电阻式传感器 电阻式传感器的分类电位计式：应变式：物理量变化电阻变化传感元件属于大电阻变化型，R：0—R传物理量变化变形（应力、应变）敏感元件属于微电阻变化型，R：0—20%R传传感元件电阻变化 §2-1电位计式传感器 电位计式传感器分类将机械的线位移或角位移的变化电阻或电压的变化一定函数关系变阻器式变压器式 电位计式传感器的优、缺点：优点：结构简单、尺寸小、重量轻、精度高(0.1%0.05%)、性能稳定、受环境因素影响小，可实现输出-输入任意函数关系，输出信号较大，一般不用放大。缺点：存在滑动触头与线圈等之间的摩擦，输入能量要求较大，且磨损降低寿命和可靠性，也会降低测量精度。 电位计分类电位计分类按输出-输入特性线性电位计非线性电位计按结构形式线绕式—在传感器中应用较多薄膜式—具有较高的精度和线性特性光电式—无摩擦和磨损，分辨率高 一、线绕电位计的结构 二、线绕电位计的工作原理根据欧姆定律：以线位移型为例：若变阻器式：SR电阻灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电阻的变化量若分压器式：SV电压灵敏度：表示电刷单位位移能引起的输出电压的变化量SR、SV均是常数 三、线绕电位计的输出特性阶梯特性和阶梯误差阶梯特性电位计输出电压随x的变化是不连续的，而是一条阶梯形的折线。阶梯误差理论特性曲线通过每个阶梯中点的曲线。阶梯误差阶特梯形曲线围绕理论特性曲线上下波动产生的偏差。 输出特性二负载特性和负载误差负载特性电位计有负载的情况下得到的特性。一般表达式： 对负载特性的讨论：当时，特性曲线变成直线，它实为空载特性当带有负载时，曲线下垂，负载越小，下垂越多，产生的负载误差越大。 输出特性三负载误差由于负载电阻不是无限大，而是可与电位计电阻值相比的有限值，造成负载特性为一下垂曲线，产生误差，也称非线性误差。电刷在起始和最终位置时，负载误差eL=0电刷在相对行程X=1/2时，负载误差eLmax，且m，eL 四、电位计式传感器的应用电位计式压力传感器 电位计式加速度计 总结原始输入量变换原理物理现象能量关系输出量位移欧姆定律结构型控制型电阻或电压 §2-2电阻应变式传感器 优点：结构简单，使用方便，性能稳定、可靠；易于实现测试过程自动化和多点同步测量，以及远距测量和遥测；灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量；可测多种物理量，如：位移、加速度、力、力矩、压力等。 工作原理及分类电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应变片粘贴到各种弹性敏感元件上，使物理量的变化变成应变片的应力、应变变化，从而变成电阻值变化。根据应变片的材料不同，可分为两种金属电阻应变片半导体应变片 §2-2-1电阻应变片 一、金属电阻应变片金属的应变效应根据欧姆定律： 金属的应变效应金属丝的电阻应变效应金属丝的电阻值随着金属丝的几何尺寸变化（伸长或缩短）而发生相应的变化的现象。称为泊松比 结构和形式 种类 电阻-应变特性令Ks越大，越灵敏Ks金属丝的灵敏系数：表示金属丝产生单位变形时，电阻相对变化的大小。Ks只能靠实验求得，而一般K>1+2半导体应变片的灵敏系数 §2-2-2测量电路 测量过程力、压力应变变化电阻变化电压或电流的变化并显示和记录敏感元件应变片电阻应变仪按激励电压性质直流电桥交流电桥 一、直流电桥1、不平衡桥式直流不平衡式电桥形式电桥平衡条件为：R1R4=R2R3一般取R1=R2=R3=R4=R当RRR时，U0相应变化 半桥和全桥假设R1=R2=R3=R4根据参与工作的桥臂数半桥半桥单臂半桥双臂全桥 讨论电桥接法与电桥灵敏度的关系：S半桥单臂：S半桥双臂：S全桥=1：2：4电桥联接的规律电阻变化符号相反的联入相邻臂中电阻变化符号相同的联入相对臂中桥臂电阻数与输出之关系单纯的增加桥臂电阻数不会增加输出，但可以起平均作用及消除干扰的作用。 2、平衡桥路原理H的读数桥臂电阻变化R特点：电表G始终指零，与输入电压U无关，故测量误差仅取决于可变电位器的精度及刻线精度，而与电源无关，这种方法称为“零位法”。 二、交流电桥输出电压平衡条件设各臂阻抗为Z—复阻抗的模则根据复数相等条件可得交流电桥平衡条件为在测量前对电桥应分别进行电阻、电容平衡，即R1R4=R2R3R1C1=R2C2 §2-2-3温度误差及其补偿 一、温度误差敏感栅电阻随温度的变化引起的误差试件材料的线膨胀引起的误差 二、温度补偿自补偿法1）单丝自补偿法2）组合式自补偿法a.选用两者具有不同符号的电阻温度系数b.两种串接的电阻丝具有相同符号的温度系数 2.线路补偿法1）电桥补偿法2）采用差动电桥补偿法3）热敏电阻补偿法 §2-2-4应变式传感器的应用 一、测结构的应变或应力 二、与弹性元件结合构成各种应变式传感器 应变式加速度传感器 应变式传感器实例应变式压力传感器 应变式力传感器 三、压阻式压力传感器 四、压阻式加速度传感器 总结传感元件原始输入量变换原理物理现象能量关系输出量金属电阻应变片应变应变效应物性型控制型电阻半导体应变片应力压阻效应物性型控制型电阻率 第三章电感式传感器 原理电感式传感器最基本原理是电磁感应原理。被测物理量位移振动压力流量比重的变化传感器自感系数L互感系数M的变化电路电压电流 电感传感器优点：灵敏度高，分辨力高，位移：0.1m；精度高，线性特性好，非线性误差：0.05%0.1%；性能稳定，重复性好；结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗小、抗干扰能力强、对工作环境要求不高、寿命长能实现信息的远距离传输、记录、显示和控制等。 电感式传感器分类变磁阻式传感器—自感型差动变压器式传感器—互感型涡流式传感器—自感型和互感型都有高频反射式—自感型低频透射式—互感型 §3-1变磁阻式传感器 一、工作原理及分类将被测对象的微小变化(x)电感的变化(L)传感器运动部分与衔铁相连，测物理量时，运动部分位移衔铁位移气隙厚度变化线圈自感系数L变化 若很小，且不考虑磁路铁损，则根据电工学：线圈中的电感量li各导磁体长度空气隙间隙i各导磁体相对导磁率0空气隙导磁系数Si各导磁体截面积S空气隙截面积因为铁芯、衔铁>>气隙，所以，R铁芯+R衔铁<>(Ca+Cc+Ci)约10倍以上时，可认为灵敏度与电缆电容无关。优点：与电缆电容无关缺点：电路复杂，价格昂贵 四、应用1、压电式加速度传感器 应用二2、压电式单向测力传感器3、压电式压力传感器 总结原始输入量变换原理物理现象能量关系输出量力压电效应物性型转换型电荷 第六章磁电式传感器 一、概述磁电式传感器是基于电磁感应原理的传感器。根据电磁感应定律可得：即回路中产生的感应电势与磁通量对时间的变化律成正比。 型式线圈-磁铁活动型衔铁活动型动圈式—线圈移动动磁式—磁铁移动磁阻式衔铁移动，磁阻变化 二、动圈式磁电传感器导线在磁场中作切割磁力线运动，导线产生的电场值为对于线速度型N线圈匝数B磁场强度l单匝线圈有效长度dx/dt线圈与磁场的相对运动速度运动方向与磁场方向夹角一般=900，则 角速度型角速度k依赖与结构的系数（k<1）A单匝线圈的截面积 三、磁阻式磁电传感器线圈和磁铁不动，由运动着的导磁材料的物体改变磁路的磁阻，引起磁力线增加或减弱，使线圈产生感应电势。 磁阻式传感器工作原理及应用例 测线速度的磁阻式磁电传感器磁阻式磁电传感器也可做成测线速度的，其原理图为：其变换链：命名：磁电式速度传感器分类：结构型、能量转换型命名：电感（变磁阻）式位移传感器分类：结构型、能量控制型 四、磁电式传感器的应用振动测量CD-1型是绝对式传感器： 应用二CD-2型相对式测振传感器： 应用三扭矩测量 测量原理：扭矩传感器组成：磁电式传感器+传感器轴+磁电式传感器定子的齿顶与转子的齿顶相对定子的齿根与转子的齿顶相对磁阻最小磁阻最大输出感应电势相差1800无外加扭矩时，=0，两个幅值、频率均相等，相位差0=1800的感应电势轴上感受扭矩时，产生扭转角，设传感器内外齿数均为n，则扭转角与感应电势相位差0的关系为:0=n 应用四磁电式数字转速表对于低速测量，应增加槽子数目以增加精度。特点：精度：0.05%转速范围：30r/min480kr/min。测量时，转子每转一周产生脉冲数为P，则在测量时间t内计数共产生的脉冲数为Pt，则转速为： 总结原始输入量变换原理物理现象能量关系输出量磁通量电磁感应结构型转换型感应电势 第七章　霍尔式传感器 原理霍尔式传感器是利用霍尔效应使位移带动霍尔元件在磁场中运动产生霍尔电势，即把位移信号转换成电势变化信号的传感器。 优缺点：优点：结构简单，体积小，坚固频率响应宽，动态范围大无触点，使用寿命长，可靠性高易于微型化和集成电路化缺点：转换率较低，温度影响大，要求转换精度较高时，必须进行温度补偿。 一、霍尔元件霍尔元件：直角平行六面体的单晶半导体薄片材料：锗(Ge)、硅(Si)、砷化铟(InSb)等半导体材料。霍尔元件组成：半导体薄片和两对电极组成输入引线a、b：激励电极输出引线c、d：霍尔电极 霍尔元件的符号和基本电路 二、霍尔效应当输入端加电流I，并在元件平面法线方向加磁感强度为B的磁场，那么在垂直于电流和磁场方向上将产生一电势UH，这个电势就是霍尔电势，这种现象就是霍尔效应。 霍尔效应的原因:任何带电质点在磁场中沿着和磁力线垂直方向运动时，会受到磁场力如果v和B之间有夹角，那么要乘上sin，用向量表示即为Fl的方向用右螺旋决定，指向由v经小于1800的角转向B，这个Fl就是洛仑兹力，对于正电荷Fl在vB的方向上，至于负电荷，则所受的力的方向正好相反。 霍尔电势方向判别：P型材料：N型材料：左手定则：四指——指向电流B——穿过手心大拇指——指向的是力的方向 霍尔电势： 三、霍尔系数及灵敏度霍尔系数：霍尔系数取决于载流子材料的物理性质，反映了材料的霍尔效应的强弱。n、RH，故金属导体不适于制作霍尔元件，而半导体材料迁移率（尤其是N型半导体）大，故RH。n——自由电子密度q——带电粒子的电量 灵敏度和霍尔电势灵敏度：kH表示单位电流、单位磁场作用下，开路的霍尔电势输出值。kH与元件的厚度成反比，d、KH，但考虑提高灵敏度的同时，必须兼顾元件的强度和内阻。dr内阻霍尔电势： 四、霍尔元件的误差及其补偿由于制造工艺问题以及实际使用时所存在的各种影响霍尔元件性能的因素，如元件安装不合理、环境温度变化等，都会影响霍尔元件的转换精度，带来误差。 （一）、霍尔元件的零位误差及其补偿霍尔元件的零位误差包括不等位电动势、寄生直流电动势等。 1.不等位电动势U0及其补偿当霍尔元件在额定控制电流作用下，不加外磁场时，霍尔输出端之间的空载电动势，称为不等位电动势U0。 U0产生的原因：(1)制造工艺不可能保证将两个霍尔电极对称地焊在霍尔片的两侧，致使两电极点不能完全位于同一等位面上，如图5-8a所示。(2)霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜(见图5-8b)，致使两霍尔电极不在同一等位面上而产生不等位电动势。 采用补偿电路加以补偿 2.寄生直流电动势当霍尔元件通以交流控制电流而不加外磁场时，霍尔输出除了交流不等位电动势外，还有直流电动势分量，称为寄生直流电动势。产生原因：由于元件的两对电极不是完全欧姆接触而形成整流效应，以及两个霍尔电极的焊点大小不等、热容量不同引起温差所产生的。 （二）、霍尔元件的温度误差及其补偿一般半导体材料的电阻率、迁移率和载流于浓度等都随温度而变化。霍尔元件由半导体材料制成，因此它的性能参数如输入和输出电阻、霍尔常数等也随温度而变化，致使霍尔电动势变化，产生温度误差。选用温度系数小的霍尔元件采用适当的补偿电路采用恒流源供电和输入回路并联电阻合理选取负载电阻RL的阻值采用恒流源和输入回路串联电阻采用温度补偿元件 采用恒流源供电和输入回路并联电阻根据式(5-5)选择输入回路并联电阻RP，可使温度误差减到极小而不影响霍尔元件的其他性能。(5-5)(5-4) 合理选取负载电阻RL的阻值当霍尔元件接有负载RL（如放大器的输入电阻）时，在RL上的电压为式中Ro——霍尔元件的输出电阻Ro0——温度为t0时的输出电阻为使负载上的电压不随温度而变化，应使即得可采用串、并联电阻的方法使上式成立来补偿温度误差。但霍尔元件的灵敏度将会降低。 采用恒压源和输入回路串联电阻 采用温度补偿元件 霍尔元件不等位电势U0的温度补偿 五、霍尔式传感器的应用根据霍尔电势的表达式，其应用可用于下述三个方面：控制电流I不变，传感器处于非均匀磁场中，UHB。可进行磁场、位移、角度、转速、加速度等测量。磁场不变，即B不变，UHI。故凡能转换成电流变化的各量均能测量。I、B均变化，UHI·B。可用于乘法、功率等方面的计算与测量。 （一）、微位移测量(a)曲线对应(a)图的磁路结构，其线性范围窄，而且在位移z=0时，UH0。(b)曲线对应(b)图，当z=0时，B=0，故UH=0。当z0时，UH0，其值决定于B的大小。这种结构UH与B具有良好线性，且分辨力较高，可达10-6m；另外两块磁钢越短，磁场梯度越大，灵敏度越高。(c)曲线对应(c)图，磁场梯度很大，所以它的灵敏度很高，但它的测量位移量很小，一般z0.5mm，所以它特别适合于测量微位移以及机械振动的振幅等。产生梯度磁场的磁系统及它们各自的静态特性： 霍尔式微压、压力传感器 差动式霍尔传感器原理UH=UH1-UH2讨论：(1)当霍尔元件在平衡位置时，UH1=UH2，则UH=0；(2)当霍尔元件向右位移x，UH1,UH2，UH=UH1-UH2=-UH(3)当霍尔元件向左位移x，UH1,UH2，UH=UH1-UH2=UH 霍尔式加速度传感器 霍尔式机械振动传感器 （二）、霍尔式转速传感器 总结原始输入量变换原理物理现象能量关系输出量I和B霍尔效应物性型控制型霍尔电势 第八章光电式传感器 光电传感器的原理与组成被测量光信号的变化电信号光电器件或光电元件—能够将光量转换为电量的一种器件。光电传感器一般由辐射源、光学通路和光电器件三部分组成。光电元件 光电器件按探测原理分类热探测型首先将光信号的能量变为自身的温度变化，然后再依赖于器件某种温度敏感特性将温度变化转变为相应的电信号。探测器对波长没有选择性，只与接收到的总能量有关。光子探测型基于光电效应原理，即利用光子本身能量激发载流子。这类探测器有一定的截止波长，只能探测短于这一波长的光线，但它们响应速度快，灵敏度高，使用最为广泛。 光电效应分类外光电效应在光线作用下能使物体的电子逸出表面的现象，如：光电管、光电倍增管内光电效应在光线作用下能使物体电阻率改变的现象，如：光敏电阻、光敏二极管阻挡层光电效应在光线作用下能使物体产生一定方向的也称光生伏特效应电动势的现象，如：光电池 一、光电元件（光敏元件）光电管和光电倍增管具有外光电效应光电阴极--环状阳极单根金属丝组成 光电倍增管光电倍增管特点：灵敏度高，稳定性好，频响很快，且线性好，频率特性好，但体积大，需要高压供电。光电阴极半导体光电材料锑-铯制造若干倍增极414个不等，并加上一定的电压阳极收集电子，外电路形成电流输出组成 光敏电阻具有内光电效应光敏电阻是利用半导体材料的光导效应即由于光照强弱而导致半导体阻值变化的现象而工作的，这种具有光导效应的半导体材料就称为光敏电阻。光敏电阻就像一个电阻元件，只是阻值随光照变化。无光照时，暗电阻很大，电流很小。受一定范围的光照时，亮电阻急剧减小，电流迅速增加。优点：具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应从紫外区到红外区，体积小，重量轻，性能稳定，价格便宜。 光敏二极管和光敏三极管具有内光电效应 光敏二极管和光敏三极管的特点：光敏二极管特点：灵敏度一般，稳定性好，频响快（=10-7s），体积小，频率特性快。光敏三极管特点：灵敏度比二极管高，但稳定性差，其它与二极管相同。 光电池具有阻挡层光电效应特点：灵敏度低，稳定性好，频响较慢，受光面积大，不需外加电源，频率特性差。 具有特殊外在形式的探测器电荷耦合器件(CCD)将MOS光敏单元阵列和读出移位寄存器集成位一体，构成具有自扫描功能的图像传感器。位置敏感器件(PSD)一种对其感光面上入射点位置敏感的器件，也称为坐标光电池。 二、光电式传感器的应用类型模拟式传感器—其测量系统是光电流为被测光通量的函数。脉冲式传感器—其测量系统是使其输出端工作在“通”与“断”的开关状态。 （一）、模拟式传感器辐射能源本身就是被测对象。 模拟式传感器二光源光通量通过被测对象部分吸收后到达光电元件。 模拟式传感器三光源光通量先到被测物，然后再反射到光电元件。 模拟式传感器四从光源发射到光电元件的光通量途中被被测物体遮蔽了部分光通量，从而改变了到达光电元件的光通量。 （二）、脉冲式传感器这类传感器其测量系统是使其输出端工作在“通”和“断”的开关状态，大多用于光电继电器式的仪表装置中，如电子计算机的光电输入器，扩散炉的炉温控制，光电转速表以及自动生产流水线中工件到位检测等。 （三）、应用光电式转速传感器光电计数 自动生产流水线中各类检测 其它应用 '