周文强--传感器及检测技术.ppt

一、传感器分类及要求,分类 1、按能量转换情况 能量控制型传感器。需外供电源，只起信号转换，不起能量转换。 能量转换型传感器。不需外加电源，本身起能量转换。 2、按物理工作原理分类（教科书） 按传感器的结构、原理、测量电路及应用讲授。条理较清晰。 同一原理的传感器可测不同的非电量。,3、根据输入物理量（用途）分类 同一被测物理量可用不同种传感器测量。这样分类目的是使读者（工程技术人员）有针对性地查阅所需的传感器。一般工程书籍及参考书、手册按此类方法分类。 4、按输出信号的性质分类 模拟式传感器和数字式传感器。,一般要求,1、稳定性、可靠性 一般用平均无故障时间来衡量稳定性、可靠性。 在计量、工业生产等领域中稳定性、可靠性至关重要。 2、静态精度 测静态量，传感器精度应满足系统的精度要求。 3、动态性能 测动态量，如响应速度、工作频率、稳定时间等。 4、量程 测量被测量的范围。一般量程越大，精度越低。,电涡流效应演示,二、电涡流传感器,由法拉第电磁感应原理可知：一个块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作用切割磁力线运动时，导体内部会产生一圈圈闭合的电流，这种电流叫电涡流，这种现象叫做电涡流效应。根据电涡流效应制作的传感器称电涡流传感器; 电涡流式传感器最大的特点是能够对位移、厚度、表面、温度、速度、应力、材料损伤等被测量进行非接触测量。 形成电涡流必须具备两个条件： 存在交变磁场 导电体处于交变磁场中,一、工作原理,把一个扁平线圈置于金属导体附近，当线圈中通以交变电流I1时，线圈周围空间产生交变磁场H1，当金属导体靠近交变磁场中时，导体内部就会产生涡流I2，这个涡流同样产生反抗H1的交变磁场H2 。 涡流线圈结构虽然简单，但要定量分析是很困难的，可根据实际情况建立一个模型，求出模型的等效电路。,二、等效电路分析,根据涡流的分布，可以把涡流所在范围近似看成一个单匝短路次级线圈。线圈远离被测体时，相当次级开路原线圈的电感L10和电阻R10阻抗为：,当线圈靠近金属导体时，次级线圈通过互感 M 对初级作用， 等效电路的两个回路方程（基尔霍夫第二定律）：,解方程得到金属靠近后传感器（初级）的等效阻抗,结论： 凡是能引起 R2 L2 M变化的物理量均可以引起传 感器线圈R1 、L1的变化。 被测体（金属）的电阻率、导磁率、厚度d，线圈与被测体间的距离X， 激励线圈的角频率等都通过涡流效应和磁效应与线圈阻抗Z发生关系 、d、X、的变化使R1、L1发生变化，若控制某些参数不变，只改变其中一个参数，可使阻抗 Z 成为这个参数的单值函数。,集肤效应,集肤效应与激励源频率f、工件的电导率、磁导率等有关。频率f越高，电涡流的渗透的深度就越浅，集肤效应越严重。,当高频（100kHz左右）信号源产生的高频电压施加到一个靠近金属导体附近的电感线圈L1时，将产生高频磁场H1。如被测导体置于该交变磁场范围之内时，被测导体就产生电涡流i2。i2在金属导体的纵深方向并不是均匀分布的，而只集中在金属导体的表面，这称为集肤效应（也称趋肤效应）。,三、光栅传感器,光栅传感器利用光栅的莫尔条纹现 象实现几何量测量的装置称为光栅 传感器。 光栅传感器的优点： 高精度、高分辨率和大动态范围，因而 广泛应用于静态测量、动态测量和自动 化等领域。,1光栅基础知识,光栅分类 按其原理和用途可分为物理光栅和计量光栅。 按其透射形式可分为透射式光栅和反射式光栅。 按光栅表面结构不同，可分为幅值光栅（又叫黑 白光栅）和相位光栅（又叫闪耀光栅）。 按光栅应用分类，可分为长光栅和圆光栅。 目前发展了激光全息光栅和偏振光栅等新型光栅,2光栅的结构,所谓光栅，简单地说，由大量等宽等间距的平行狭缝所组成的光学器件称为光栅。 圆光栅有三种形式：一种是径向光，其栅线的延长线通过圆心；第二种是切线光栅，其栅线的延长线与光栅盘中的一个小同心圆相切；第三种是环形光栅，其栅线为一簇等间距同心圆。,3莫尔条纹原理与特点,莫尔条纹具有三个特点： （1）莫尔条纹具有位移放 大作用 （2）莫尔条纹移动与光栅 移动的对应关系 （3）误差减小作用,莫尔条纹亮带与暗带相间的条纹称为莫尔条纹。 莫尔条纹是由主光栅和指示光栅的透光与遮光效应形成的。,4光栅传感器的工作原理,光电转换原理 光栅传感器的光电转换系统结构： 1、光源，2、聚光镜，3、主光栅（又称标尺光栅），4、指示光栅，5光敏元件，如图104（a）所示。,5莫尔条纹测量位移原理,当光电元件5接收到明暗相间的正弦信号时，根据光电转换原理将光信号转换为电信号。当主光栅移动一个栅距W时，电信号则变化一个周期。 当波形重复到原来的相位和幅值时，相当于光栅移动了一个栅距W，如果光栅相对位移了N个栅距，此时位移x=NW。,6辨向原理,如图105所示。当莫尔条纹移动时，两个条纹的亮度变化规律完全一样，相位相差/2。滞后还是超前完全取决于光栅的移动方向，这种区别运动方向的方法称为位置细分辨向原理。,四、霍尔传感器工作原理,在金属或半导体薄片的两端通过控制电流，并在薄片的垂直方向上施加磁场，则在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势（霍尔电势），这种现象称为霍尔效应。,上一页,下一页,返 回,1霍尔效应原理,上一页,下一页,返 回,霍尔常数,载流子受洛仑兹力,霍尔电场强度,平衡状态,电子运动平均速度,上一页,下一页,返 回,霍尔电势,霍尔常数,霍尔常数大小取决于导体的载流子密度： 金属的自由电子密度太大，因而霍尔常数小，霍尔电势也小， 所以金属材料不宜制作霍尔元件。 霍尔电势与导体厚度d成反比： 为了提高霍尔电势值， 霍尔元件制成薄片形状。,霍尔元件灵敏度（灵敏系数）,半导体中电子迁移率（电子定向运动平均速度）比空穴迁移率高， 因此N型半导体较适合于制造灵敏度高的霍尔元件，,上一页,下一页,返 回,2霍尔元件的结构和基本电路,霍尔元件,上一页,下一页,返 回,RPN 旋转位置传感器,SR16/17 霍尔效应槽式传感器,位置，速度检测,SR13/15 霍尔位置传感器,五、电容式传感器,电容式传感器是将被测非电量的变化转化为电容量的一种传感器。结构简单、高分辨力、可非接触测量，并能在高温、辐射和强烈震动等恶劣条件下工作，这是它独特优点。随着集成电路技术和计算机技术的发展，促使它扬长避短，成为一种很有发展前途的传感器。,电容传感器,1 基本原理与结构类型,一、基本原理,平行平面型电容,S两个极板相互覆盖的面积 d两个极板间的距离 e 板间介质的介电常数,2输出特性,变极距型电容传感器 空气介质变