工学]测试技术课件河南科技大学第2章常用传感器.ppt

第2章 常用传感器,测试技术,第2章 常用传感器,2.1 概述,1. 传感器的定义,传感器(Transducer/Sensor)是能感受规定的被测量，并按照一定规律转换成可用信号(便于传输和处理)的器件或装置。,现代信息技术的基础有三个主要方面： 信息采集 传感器技术 信息传输 通信技术 信息处理 计算机技术(包括软件和硬件),2. 传感器的组成,传感器由敏感元件、转换元件和基本转换电路组成。敏感元件直接感受被测物理量(力)，并对被测量进行转换输出(应变)；转换元件将敏感元件的输出转换成便于传输和测量的电参量(电阻)或电信号；转换电路则对转换元件输出的信号进行放大、阻抗匹配、运算调制等，以便于接入后续仪表。,2.1 概述,3. 传感器的分类,（1）按被测物理量分类,请大声点,2.1 概述,位移传感器 力传感器 滑觉传感器 压力传感器 流量传感器 温度传感器等,（2）按被测量的性质分类,2.1 概述,能量转换型和能量控制型两大类。,（3）按被测量与输出电信号的转换关系分类,能量转换型：直接将被测量转换为电信号(电压等)。 （有源） 例如：热电偶传感器，压电式传感器。,2.1 概述,（4）按工作原理分类,电阻应变式传感器 电容传感器 磁电式传感器 光电式传感器 压电式传感器等,2.1 概述,2.2 能量控制型传感器,第2章 常用传感器,1. 电阻应变式传感器(金属电阻应变片),2.2.1 电阻式传感器,对上式求偏导数,代入,金属电阻丝的电阻为：,2.2.1 电阻式传感器,有：,2.2.1 电阻式传感器,电阻率相对变化。,故：,电阻丝灵敏系数：,2.2.1 电阻式传感器,应变计,（2）应变片的结构及类型,金属应变片按敏感栅的结构可分为：丝绕式、短接丝式、箔式、应变花。,2.2.1 电阻式传感器,（3）应变片的主要参数,5）其它参数：如环境温度、滞后、蠕变、零漂 以及疲劳寿命、横向效应等。,1）几何尺寸：基长基宽=lb30 10(mm2),2）电阻值：应变片原始电阻值(120、350),4）允许电流：流过敏感栅的电流，使应变片产 生温升，影响测量精度。一般规定25mA。,2.2.1 电阻式传感器,（4）应变片的温度误差,2.2.1 电阻式传感器,由温度变化引起的总的相对电阻增量为 温度补偿：桥路补偿法、应变片的自补偿、热敏电阻。,1）敏感栅材料电阻温度系数的影响,2）试件材料和敏感栅材料线膨胀系数的影响,（5）应变片的测量电桥,2.2.1 电阻式传感器,令：,2.2.1 电阻式传感器,（6）应变片的选择与粘贴技术,1）目测应变片有无折痕、断丝等缺 陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2）用惠斯顿电桥测量应变片电阻值 大小。同一电桥中各应变片之间 的电阻值相差不得大于0.5欧姆。,3）试件表面处理：贴片处用细纱纸交叉45打 磨，用酒精棉球反复擦洗贴片处，直到棉球 无黑迹为止。,2.2.1 电阻式传感器,5）焊线：用电烙铁将应变片的引线焊接到导线上。,6）用万用表检查应变片与试件之间的绝缘电阻， 应大于500兆欧。,7）应变片保护：用防潮剂覆盖于应变片上，防止 应变片受潮脱落。,4）应变片粘贴：在应变片基底上挤一小滴502胶 水，轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,2.2.1 电阻式传感器,（7）电阻应变式传感器的应用：测力,2.2.1 电阻式传感器,标准产品:,2.2.1 电阻式传感器,河南省科委科研项目：“带传感装置骨外固定器”,案例：骨应力测量,2.2.1 电阻式传感器,案例：桥梁固有频率测量,2.2.1 电阻式传感器,案例： 电子秤,测量原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形，再通过电阻应变片和测量电桥转化为电信号输出。,2.2.1 电阻式传感器,案例：冲床生产记数 和生产过程监测,2.2.1 电阻式传感器,案例：机器人握力测量,2.2.1 电阻式传感器,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,2.2.1 电阻式传感器,2.2.1 电阻式传感器,（1）工作原理：压阻效应,2压阻式传感器(半导体应变片),半导体材料受到外力作用时，其电阻率发生变化引起电阻变化，这种现象称为压阻效应。,电阻变化主要由电阻率变化引起，上式可简化为,2.2.1 电阻式传感器,半导体应变片的灵敏系数：,2.2.1 电阻式传感器,3变阻器式传感器(电位器式传感器),2.2.1 电阻式传感器,（1）电阻分压电路,L 变阻器总长； x 电刷移动量； R 总电阻； Rx 电刷电阻。,x = Rx /k1,2.2.1 电阻式传感器,2.2.1 电阻式传感器,空载时：,（2）测量时的负载效应,2.2.1 电阻式传感器,2.2.1 电阻式传感器,（3）变阻器式传感器的性能参数 1）线性(或曲线的一致性)；2）分辨率； 3）整个电阻值的偏差；4）移动或旋转角度范围； 5）电阻温度系数；6）寿命。,2.2.1 电阻式传感器,2）按制作方式,2.2.1 电阻式传感器,变阻器式传感器产品,2.2.1 电阻式传感器,案例：重量的自动检测-配料设备,2.2.1 电阻式传感器,案例：煤气包储量检测,2.2.1 电阻式传感器,案例：玩具机器人(广州中鸣数码),2.2.1 电阻式传感器,第2章 常用传感器,2.2.2 电容式传感器,1. 工作原理：将被测量变化转换为电容量变化。,2.2.2 电容式传感器,（1）变极距式,当两极板相对运动时：,由于,初始电容量：,2.2.2 电容式传感器,非线性误差：,灵敏度：,差动结构：,灵敏度：,非线性误差：,2.2.2 电容式传感器,产品:,原理： 液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,陶瓷电容压力传感器,2.2.2 电容式传感器,2.2.2 电容式传感器,（2）变面积式,当动极板有角位移时， 电容变化量：,2.2.2 电容式传感器,电容变化量：,平面线位移型：,2.2.2 电容式传感器,柱面线位移型：,电容的变化量：,2.2.2 电容式传感器,（3）变介电常数式,2.2.2 电容式传感器,2.2.2 电容式传感器,产品:,电容式液位传感器（液位计/料位计）,原理： 液面位置发生变化，两电极侵入液体中的高度发生变化,2.2.2 电容式传感器,电容式接近开关：,测量头是电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的间距发生变化，从而使得与测头相连的电路状态也发生变化。,2.2.2 电容式传感器,2测量电路,（1）电桥电路,2.2.2 电容式传感器,（2）谐振电路,2.2.2 电容式传感器,（3）运算放大器电路,2.2.2 电容式传感器,第2章 常用传感器,2.2.3 电感式传感器,工作原理：基于电磁感应原理，将被测量变化转换为电感量(自感和互感)变化。,2.2.3 电感式传感器,1变磁阻式(自感型),（1）变气隙式,初始自感量：,自感系数：,灵敏度：,非线性误差：,（2）螺管式,变气隙式的差动结构：,灵敏度：,非线性误差：,长径比越大，线性范围 越大，故做成细长型。,2.2.3 电感式传感器,2.2.3 电感式传感器,2差动变压器式(互感型),（1）工作原理：互感现象,当 x=0 时，e1= e2 ，ey=0； 当 x0 时， e1e2 ，ey0； 当 x0 时， e1 e2 ，ey0。,2.2.3 电感式传感器,（2）差动变压器测量电路,2.2.3 电感式传感器,（3）差动变压器位移传感器,2.2.3 电感式传感器,案例：板材的厚度测量,2.2.3 电感式传感器,案例：张力测量,2.2.3 电感式传感器,电感式接近传感器（金属）,2.2.3 电感式传感器,3. 电涡流式(自感型),原理：涡流效应,2.2.3 电感式传感器,线圈的等效阻抗：,2.2.3 电感式传感器,2.2.3 电感式传感器,产品,2.2.3 电感式传感器,案例：连续油管的椭圆度测量,2.2.3 电感式传感器,案例：无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,2.2.3 电感式传感器,4感应同步器(互感型),（1）结构：由定尺(定子)和滑尺(转子)组成。,2.2.3 电感式传感器,（2）信号处理,1）鉴幅型电路,感应电势的幅值随 的规律变化，当 变化一个节距 ，感应电势的幅值变化一个周期。,2.2.3 电感式传感器,2）鉴相型电路,感应电势的相位随 的规律变化，当 变化一个节距 ，感应电势的相位变化一个周期。,2.2.3 电感式传感器,5压磁式(自感型),原理：压磁效应。外力作用时，沿受力方向磁导率 下降，磁阻增大，部分磁场通过了测量线圈,2.2.3 电感式传感器,第2章 常用传感器,2.3 能量转换型传感器,2.3.1 压电式传感器,2.3.1 压电式传感器,2.3.1 压电式传感器,等效电路,2测量电路前置放大器,作用：(1) 放大微弱信号；(2) 阻抗变换。,(与电缆无关),2.3.1 压电式传感器,压电引信(军用弹丸启爆装置)：,压电元件安装在弹丸的头部，启爆装置装在弹丸的尾 部。平时开关K置a位，电雷管处于短路保险安全状态；弹 丸发射后，开关从a处断开与b接通，电雷管处于工作状态。 当弹丸与装甲目标接触时，碰撞压力使压电元件产生电荷， 电雷管启爆，使破甲弹上的炸药爆炸，摧毁装甲目标。,2.3.1 压电式传感器,产品,压力变送器,加速度计,力 传 感 器,2.3.1 压电式传感器,第2章 常用传感器,2.3.2 磁电式传感器,线圈在磁场中运动切割磁力线，产生感应电动势。,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,1工作原理：电磁感应（速度、转速感应电势）,感应电动势大小：,（1）变磁通(磁阻)式,2.3.2 磁电式传感器,原理：线圈与磁铁不作相对运动，由运动物体(导磁 材料)改变磁路的磁阻，使线圈产生感应电势,(r/min),（2）恒磁通(动圈)式,线速度型：,2.3.2 磁电式传感器,测速电机,角速度型：,测量电路：微分、积分电路，实现加速度和位移测量,2.3.2 磁电式传感器,2.3.2 磁电式传感器,2.3.3 热电偶传感器,1工作原理：热电效应（温度热电势）,两种不同导体A和B，串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，回路中就会产生热电势，这 一现象称为热电效应。,第2章 常用传感器,k 玻耳兹曼常数(1.3810-23J/K)； e 电子电荷量(1.610-19C)； NA，NB 导体A和B的自由电子密度。,2.3.3 热电偶传感器,（1）接触电势：,导体材料不同，电子扩散(NANB)。,A,（2）温差电势：,接点温度不同，温度扩散(T T0)。,第三节 能量转换型传感器,当热电偶材料一定，冷端温度 时，总热电势为热端温度 的单值函数(分度表)。,2热电偶的基本定律,（1）均质导体定律 若组成热电偶回路的两种导体相同，则无论两 接点温度如何，热电偶回路中的总热电势为零； 若两接点温度相同，则尽管导体材料不同，热电 偶回路中的总热电势也为零。,2.3.3 热电偶传感器,3冷端温度处理,（2）热电势修正法,（3）电桥补偿法,（1） 恒温法,2.3.3 热电偶传感器,2.3.3 热电偶传感器,2.3.3 热电偶传感器,第2章 常用传感器,工作原理：热阻效应(能量控制型) 利用电阻值随温度变化的特点制成的。,（1）铂电阻：,（2）铜电阻： ：,2.3.4 热电阻传感器：温度电阻,1金属热电阻：正电阻温度系数,：,：,2.3.4 热电阻传感器,（4）金属热电阻的测量电路电桥,三线接法,四线接法,2半导体热敏电阻,热敏电阻不宜用于较宽的温度范围，但对于特定温度点的检测却十分灵敏。因此可用做检测元件、电路保护元件、温度补偿元件、温度报警元件等。,2.3.4 热电阻传感器,2.3.4 热电阻传感器,产品,2.3.4 热电阻传感器,温控器,应用,水温感应塞,还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,2.3.4 热电阻传感器,第2章 常用传感器,2.4 磁敏传感器：磁信息电信息,半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在 垂直于电流和磁场的方向上会产生电势(霍尔电势)，这种现象称为霍尔效应。,2.4.1 霍尔式传感器：霍尔效应,霍尔式传感器由霍尔片、四根引线和壳体组成。,2.4.1 霍尔式传感器,2.4.1 霍尔式传感器,霍尔转角传感器,2.4.1 霍尔式传感器,霍尔电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流成正比，磁场通过钳形软磁铁心来聚集，然后用霍尔元件进行检测。,2.4.1 霍尔式传感器,当金属表面有裂纹时，在裂纹处出现漏磁场，霍尔元件通过漏磁场将获得一个脉动电压信号。,案例：金属表面裂纹和钢丝绳断丝检测,2.4.1 霍尔式传感器,案例：汽车速度测量,(r/min),2.4.1 霍尔式传感器,2.4.2 磁敏电阻传感器：磁阻效应,当霍尔元件的长宽比小于1时，在外磁场作用下霍尔电势难以建立，输入端电流方向会发生倾斜而导致电阻值增大，这种现象称为磁阻效应。,时，,当,当,时，,；,2.4 磁敏传感器,磁阻电阻可用于位移测量、票证检伪、无触点开关。,当磁铁远离InSb电阻，处于无磁场状态，电阻R0较小，晶体管截止，继电器K断电，处于开状态； 当磁铁接近InSb电阻时，电阻变大，晶体管导通，继电器K通电，处于关状态。,2.4 磁敏传感器,第2章 常用传感器,2.5 光敏传感器：光信息电信息,1. 工作原理：光电效应,2.5.1 光电式传感器,2.5.1 光电传感器,（3）光生伏特效应,在光照作用下，能使物体产生一定方向电动势的现象。光电器件有光敏晶体管和光电池。,光电池：,半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势，用可见光作光源。,2.5.1 光电传感器,照相机自动测光； 光控灯； 工业控制。,产品：,2.5.1 光电传感器,3. 工程应用,光电元件在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式。,2.5.1 光电传感器,测量半透明体的透明度,2.5.1 光电传感器,测量非透明体的位置和尺寸,2.5.1 光电传感器,测量表面粗糙度,2.5.1 光电传感器,(r/min),2.5.1 光电传感器,光电池自动干手器：,220V交流电经变压器、整流桥和滤波电容后，变为12V 直流电源供给检测电路。当手放入干手器时，手遮住灯泡发 出的光，光电池不感受光照，晶体管V导通，继电器K通电，常开触点K1吸合。风机和电热丝通电，吹出热风烘手。,2.5.1 光电传感器,案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来 测量位移。,2.5.1 光电传感器,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。,2.5.1 光电传感器,照相机测距反射式 光电传感器,2.5.1 光电传感器,2.5.1 光电传感器,机械手抓取鸡蛋实验照片,案例：利用光电式滑觉传感器实现机械手软抓取,2.5.1 光电传感器,(b)触头,滑觉传感器结构图,(a)基座,光电元件,A,B,弹性体,2.5.1 光电传感器,2.5.2 光纤传感器,1. 工作原理：全反射现象,2.5 光敏传感器,根据光电器件所接收的光强来测量被测反射表面的距离。,2. 光纤位移传感器,2.5.2 光纤传感器,光纤检测型传感器,工件检测,颜色检测,应用:,2.5.2 光纤传感器,2.5.3 CCD固态图像传感器,MOS光敏元的结构是在P型半导体硅片上形成一层氧化物(SiO2)，在氧化物上再沉积一层金属电极，由此形成一个金属-氧化物-半导体结构元。,2.5 光敏传感器,在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS单元，如果照射在这些光敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感应出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,2.5.3 CCD固态图像传感器,2.5.3 CCD固态图像传感器,特点： (1) 非接触检测； (2) 响应快； (3) 可靠性高，维修简便； (4) 测量精度高； (5) 体积小，重量轻，容易与计算机连接； (6) 对被测物体需要强光照射； (7) 受被测物体以外的光影响。,2.5.3 CCD固态图像传感器,数码相机：,2.5.3 CCD固态图像传感器,2.5.4 光栅传感器,2.5 光敏传感器,光栅传感器的应用：,将光源、透镜、指示光栅和光电器件固定在机床床身上，主光栅固定在机床运动部件上。主光栅的长度由量程确定。,当两光栅相对移动时便产生莫尔条纹，该条纹随光栅以一定的速度移动，用光电器件检测条纹亮度的变化，即可得到周期变化的电信号，电信号通过前置放大器送入数字显示器，直接显示被测位移的大小。,(光栅位移传感器),2.5 光敏传感器,光栅传感器的细分结构：,2.5.4 光栅传感器,在一个莫尔条纹间距内并列放置四个光电器件，当光栅相对移动一个栅距时，可得到相位差 的四个脉冲信号，从而实现了四细分。,第2章 常用传感器,2.6 气敏传感器,气体检测是保护和改善生态居住环境不可缺少手段。如生活环境中一氧化碳浓度达0.81.15 ml/L时，就会出现呼吸急促，脉搏加快，甚至晕厥。另外，易燃、易爆气体、酒精等的探测，气敏传感器发挥着极其重要的作用。,烟雾报警器,酒精传感器,二氧化碳传感器,2.6 气敏传感器,利用半导体气敏材料(如氧化锡、氧化锰等)，吸附被测气体(氢气、一氧化碳、甲烷、乙醇等)时，电阻率发生变化，从而使电阻值随被测气体浓度 的改变而变化。,1. 工作原理：气敏效应,气敏器件电阻值与气体浓度关系曲线：,2.6 气敏传感器,2. 气敏器件,2.6 气敏传感器,应用：,2.6 气敏传感器,酒精传感器,应用：,2.6 气敏传感器,2.7 其它传感器,超声波发射原理：把铁磁材料置于交变磁场中，产生机械振动，发射出超声波。,接收原理：当超声波作用在磁滞材料上时，使磁滞材料磁场变化，线圈产生感应电势。,第2章 常用传感器,2.7.1 超声波传感器,t,e,案例：超声波探伤/测距/测物,2.7.1 超声波传感器,案例：倒车雷达,2.7.1 超声波传感器,案例：鱼群探测器,2.7.1 超声波传感器,2.7.2 声发射传感器,材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式快速释放出应变能的现象称声发射。各种材料声发射