1、第五章、传感器测量原理,本章学习要求：,1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路,工程测试技术基础,第五章、传感器测量原理,5.1 概述,1. 传感器定义,传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,物理量,电量,2. 传感器的构成,传感器一般由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表
2、接入。,5.1 概述,3. 传感器的分类,5.1 概述,(1)按被测物理量分类:(2)按工作的物理基础分类:(3)按信号变换特征:(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系:,位移,力,温度等.,机械式,电气式,光学式,流体式等.,物性型,结构型.,能量转换型和能量控制型.,5.1 概述,A 物性型与结构型传感器物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换. 例如:水银温度计,压电测力计.结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,B 能量转换型和能量控制型传感器能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计.能量控
3、制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化. 例如:电阻应变片.,5.1 概述,4. 常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数, 质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量;声: 声压,噪声.磁: 磁通,磁场.温度: 温度,热量,比热.光： 亮度，色彩,5.2 电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器,按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,第五章、传感器测量原理,等效电路分析: Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量.,5.2 电阻式传感器,(2) 变阻器式传感器的性能参
4、数: 1) 线性(或曲线的一致性); 4) 移动或旋转角度范围; 2) 分辨率; 5) 电阻温度系数; 3) 整个电阻值的偏差; 6) 寿命;,5.2 电阻式传感器,(4)变阻器式传感器的特点,5.2 电阻式传感器,(5) 应用,案例： 重量的自动检测-配料设备,比较,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,5.2 电阻式传感器,案例：煤气包储量检测,原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化,特点：（1）测量量程大；（2）防爆；（3）可靠；（4）成本低。,5.2 电阻式传感器,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器
5、阻值变化,5.2 电阻式传感器,2 电阻应变式传感器-应变片,金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,5.2 电阻式传感器,1) 工作原理,金属应变片的电阻R为,(1) 当不变时,5.2 电阻式传感器,2) 金属应变计,金属应变计有:丝式和箔式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.,应变计,5.2 电阻式传感器,3) 半导体应变计,优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,应变计,5.2 电阻式传感器,3) 应变片
6、的主要参数,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用bL 表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,5.2 电阻式传感器,案例：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。,5.2 电阻式传感器,4) 应用,案例：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。,5.2 电阻式传感器,第五章、传感器测量原理,5.3 电感式传感器,电感式传感器是基于
7、电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,5.3 电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,a)可变导磁面积型,b）差动型,c）单螺管线圈型,d）双螺管线圈差动,原理:电磁感应,5.3 电感式传感器,双螺管线圈差动型传感器及测量电路,交流电桥,5.3 电感式传感器,2 涡流式,原理:涡流效应,原线圈的等效阻抗Z变化：,5.3 电感式传感器,优点：接构简单，使用方便，不受油污、介质影响。应用：位移、力、振动测量，测厚,材质判别,案例： 连续油管的椭圆度测量,原理：,5.3 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,5.3 电感式传感器,案例：
8、测厚,案例： 零件计数,5.3 电感式传感器,2 互感型-差动变压器,工作原理:互感现象.,5.3 电感式传感器,测量电路,5.3 电感式传感器,应用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度; 压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩, 应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.,第五章、传感器测量原理,5.4 电容式传感器,1.变换原理:,将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,当被测量、S或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。,2 分类,5.4 电容式传感器,
9、a) 极距变化型;,3 测量电路,5.4 电容式传感器,a) 电桥电路,b) 谐振电路,c) 调频电路,d) 运算放大器电路,4 应用,5.4 电容式传感器,案例：电容传声器,案例:液面高度测量,5.4 电容式传感器,第五章、传感器测量原理,5.5压电式传感器,1.变换原理:,压电效应,串联,并联,某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部也会被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,q=DF,5.5压电式传感器,2、测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方
10、可输入到后续显示仪表中。,3 应用,b) 压力变送器,5.5压电式传感器,a) 加速度计，力传感器,5.5压电式传感器,案例：飞机模态分析,第五章、传感器测量原理,5.6 磁电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势U为,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，都会改变线圈的感应电动势。,2 分类,5.6 磁电式传感器,3 动圈式传感器,5.6 磁电式传感器,4 磁阻式传感器,5.6 磁电式传感器,5 应用,b) 测速电机,a)磁电式车速传感器,5.6 磁电式传感器,第五章、传感器测量原理,5.7 半导
11、体敏感元件传感器,1 磁电转换元件传感器,金属或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将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,1)霍尔元件,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图所示。,5.7 半导体敏感元件传感器,应用,案例：电流传感器,案例：管道裂纹检测,5.7 半导体敏感元件传感器,原理磁场强度变化检测,2) 磁电阻元件,5.7 半导体敏感元件传感器,磁阻效应,特点 电阻的增量与磁 场的平方成正比； 与磁场的正负无关； 温度系数影响大； 磁感应的范围比霍尔元件大。,-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5,应用 磁头；接近开关和无触点开关。,3
12、) 磁感应半导体元件分类,5.7 半导体敏感元件传感器,磁感应半导体元件,体元件,霍尔IC,结型元件,霍尔元件,磁电阻元件,磁敏二极管,磁晶体管,磁半导体开关,其它,开关,线性,5.7 半导体敏感元件传感器,2 光电转换元件,光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。,5.7 半导体敏感元件传感器,2 )光电池,光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。,5.7 半导体敏感元件传感器,3 ) 应用,光电传感器在工业上的应用可归纳为吸收式、遮光式
13、、反射式、辐射式四种基本形式。,5.7 半导体敏感元件传感器,案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来测量位移。,5.7 半导体敏感元件传感器,5.7 半导体敏感元件传感器,3 热敏电阻传感器,半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。,典型的热敏电阻元件有圆形、杆形和珠形等，其结构及温度特性如图所示。,5.7 半导体敏感元件传感器,应用,温控器,热敏电阻,5.7 半导体敏感元件传感器,4 气敏电阻传感器,气敏传感器是利用气敏半导体材料，如氧化锡、氧化锰等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了气体
14、烟雾，如一氧化碳、醇等时，会发生还原反应，放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。,气敏传感器应用较广泛的是用于防灾报警，如煤气、或有毒气体报警，也可用于对大气污染监测、CO气体测量、酒精浓度探测等方面。,烟雾报警器,酒精传感器,二氧化碳传感器,5.7 半导体敏感元件传感器,5 CCD固态图象传感器,MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元 (MOS)。,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
15、图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,5.7 半导体敏感元件传感器,CCD,5.7 半导体敏感元件传感器,特点:(1) 非接触检测;(2) 响应快;(3) 可靠性高,为修简便;(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的影响.应用:(1) 宽度测量; (2) 外径测量; (3) 主轴径向跳动测量.,第五章、传感器测量原理,5.8 其它类型的传感器,1、热辐射检测传感器,绝对零度以上的物体都有辐射，其强度依赖于物体的温度(K)，在此仅考虑黑体也称全辐射体的辐射能和波长的关系。根据普朗克辐射
16、定律有以下表达式：,应用： 冶金、轧制、磨削加工以及各种热加工过程中都涉及到动态温度场的检测问题。,5.8 其它类型的传感器,2、超声波检测传感器,5.8 其它类型的传感器,1)声波及其分类,(1)次声波，振动频率低于l6Hz的机械波。,(2)声波:振动频率在16Hz20KHz之间的机械波。,(3)超声波:高于20KHz的机械波。,3) 超声波传感器及应用,5.8 其它类型的传感器,(1)超声波传感器对,(2)超声波探伤,t,A,5.8 其它类型的传感器,案例：输油管检测检测机器人,3、声发射检测传感器,5.8 其它类型的传感器,材料或结构受外力或内力作用产生变形或断裂，以弹性波形式释放出应变
17、能的现象称无声发射。各种材料声发射的频率范围很宽，从次声频、声频到超声频，但多数金属(如钢、铁等)的声发射频带，均在超声范围内。,声发射分:1）连续发射;2）突发发射。由于结构和传感器的谐振，检测到的发射信号像衰减的正弦波，检测到的两类信号如图所示。,案例： 材料断裂等结构监测。,5.8 其它类型的传感器,4、光纤传感器简介,5.8 其它类型的传感器,物性型光纤传感器是利用光纤对环境变化的敏感性，将输入物理量变换为调制的光信号。,1）物性型光纤传感器,5.8 其它类型的传感器,光纤流速传感器,5.8 其它类型的传感器,结构型光纤传感器是由光检测元件与光纤传输回路及测量电路所组成的测量系统。其中光纤仅作为光的传播媒质，所以又称为传光型或非功能型光纤传感器。,2）结构型光纤传感器,第五章、传感器测量原理,5.8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。,5.8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。,5.8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。,
