機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)基礎(chǔ)··第三章沈陽(yáng)理工大學(xué)

1、常用傳感器及敏感元件,學(xué)習(xí)要求,傳感器是一種獲取信息的裝置，是測(cè)試系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。完成本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：了解傳感器的的作用與工業(yè)應(yīng)用情況了解傳感器的分類 了解傳感器的最新發(fā)展動(dòng)態(tài),主要內(nèi)容,概述傳感器的組成與分類 電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器壓電式傳感器磁電式傳感器其它傳感器,概述,定義：工程上通常把直接作用于被測(cè)量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量值輸出的器件，稱為傳感器。,廣州中鳴數(shù)碼的機(jī)器狗,

2、傳感器的組成與分類,傳感器的組成：,例如測(cè)量一輛直線運(yùn)動(dòng)的汽車的加速度：,,1)按被測(cè)物理量分類,常見(jiàn)的被測(cè)物理量,機(jī)械量:長(zhǎng)度,厚度,位移,速度,加速度, 旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力, 壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速, 流量;聲: 聲壓,噪聲.磁: 磁通,磁場(chǎng).溫度: 溫度,熱量,比熱.光： 亮度，色彩,傳感器的組成與分類,傳感器的分類：,機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流

3、體式等.,2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:,傳感器的組成與分類,3)按信號(hào)變換特征:能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型,能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部 供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.,傳感器的組成與分類,4)按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換.

4、 例如:水銀溫度計(jì).結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號(hào)轉(zhuǎn)變. 例如:電容式和電感式傳感器.,傳感器的組成與分類,,電阻式傳感器,完成本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：掌握電阻式傳感器的工作原理了解電阻式傳感器的結(jié)構(gòu)、分類掌握變阻器式傳感器、電阻應(yīng)變式傳感器、 固態(tài)壓阻式傳感器在結(jié)構(gòu)和工作原理的相 同點(diǎn)和不同點(diǎn)了解電阻式傳感器的應(yīng)用,電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。按工作的原

5、理可分為:變阻器式、電應(yīng)變式、壓阻式.,電阻式傳感器,1 變阻器式傳感器,變阻器式傳感器的等效電路,變阻器式傳感器的負(fù)載效應(yīng),優(yōu)點(diǎn)：穩(wěn)定、簡(jiǎn)單、適合精度不高的場(chǎng)合缺點(diǎn)：分辨力不高,變阻器式傳感器的特點(diǎn),變阻器式傳感器的應(yīng)用,例1 重量的自動(dòng)檢測(cè)--配料設(shè)備,變阻器式傳感器的應(yīng)用,例2 用變阻式傳感器制作的位移傳感器的結(jié)構(gòu)圖。被測(cè)位移使測(cè)量軸沿導(dǎo)軌軸向移動(dòng)時(shí)，帶動(dòng)電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。精密電阻與電

6、位器電阻式電橋的兩個(gè)橋臂，構(gòu)成電橋測(cè)量電路。,電阻式傳感器,2電阻應(yīng)變片式傳感器,,金屬應(yīng)變計(jì)有:絲式(wire gauge)和箔式(foil gauge)優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和 溫度特性好.缺點(diǎn):靈敏度系 數(shù)小.,應(yīng)變計(jì)是一種將壓力,荷重,位移,速度,加速度,扭矩等物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的元件.,電阻式傳感器,金屬的電阻R為：,(1) 當(dāng)?不變時(shí)--金屬應(yīng)變計(jì),(2) 當(dāng)?變化時(shí)--半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì),應(yīng)變計(jì)分

7、類,金屬絲式,金屬絲式,,,,,,,縱向應(yīng)變,引起電阻值相對(duì)變化量為,電阻相對(duì)變化率與應(yīng)變成正比,電阻應(yīng)變片的靈敏度,金屬箔式和半導(dǎo)體式,,,,,,,優(yōu)點(diǎn)：散熱好易成形，取代了絲式,②半導(dǎo)體式：結(jié)構(gòu)如圖，原理同上,工作原理：基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。優(yōu)點(diǎn):應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件.缺點(diǎn):電阻溫度系數(shù)比金屬應(yīng)變計(jì)大一個(gè)數(shù)量級(jí),,,應(yīng)變片應(yīng)用中的問(wèn)題,,,,,,,（1） 溫度效應(yīng),1) 電阻溫度系數(shù)的影響,敏感柵

8、的電阻絲阻值隨溫度變化的關(guān)系可用下式表示： Rt=R0（1+α0Δt）,Rt——溫度為 t ℃時(shí)的電阻值; R0——溫度為t0℃時(shí)的電阻值;  α0——金屬絲的電阻溫度系數(shù); Δt——溫度變化值, Δt=t -t0當(dāng)溫度變化Δt時(shí), 電阻絲電阻的變化值為： ΔRt=Rt- R0= R0α0Δt,設(shè)電阻絲和試件在溫度為 0 ℃時(shí)的長(zhǎng)度均為L(zhǎng)0，它們的線膨脹系數(shù)分別為βs和βg, 若兩者不粘貼, 則它們的

9、長(zhǎng)度分別為 Ls= L0（1+βsΔt） Lg= L0（1+βgΔt）,2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響,電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償方法通常有線路補(bǔ)償法和應(yīng)變片自補(bǔ)償兩大類。,應(yīng)變片應(yīng)用中的問(wèn)題,,,,,,⑵橫向效應(yīng),應(yīng)變片應(yīng)用中的問(wèn)題,,,,,,⑶動(dòng)態(tài)誤差,由于應(yīng)力波高頻變化時(shí)，在機(jī)械桿形成波動(dòng)，對(duì)應(yīng)變片長(zhǎng)度有限制。,,應(yīng)變片應(yīng)用,,,,,,1）將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)構(gòu)件上，直接用來(lái)測(cè)定構(gòu)件的應(yīng)變和應(yīng)力。,

10、,應(yīng)變片應(yīng)用,,,,,,2）將應(yīng)變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器。,,,,,這種傳感器常用來(lái)測(cè)量力、位移、加速度等物理參數(shù) 。,,電感式傳感器,完成本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：了解電感式傳感器的工作原理了解可變磁阻式電感傳感器、渦流式電感傳感器 和差動(dòng)變壓器式傳感器的特點(diǎn)了解可變磁阻式電感傳感器、渦流式電感傳感器 和差動(dòng)變壓器式傳感器的應(yīng)用,電感式傳感器,電感式傳感器是把被測(cè)量如力,位移等轉(zhuǎn)換

11、為電感量 變化的一種裝置.其變換的原理是電磁感應(yīng)（現(xiàn)象）。,分類:,電感式傳感器,1 自感型--可變磁阻式,原理:電磁感應(yīng),自感L與空氣隙δ成反比，而與空氣隙導(dǎo)磁截面積S0成正比。當(dāng)固定S0不變，變化δ時(shí)，L 與δ呈非線性（雙曲線）關(guān)系，此時(shí)，傳感器的靈敏度為：,由于S不是常數(shù)，因而出現(xiàn)非線性誤差，為了減小誤差，通常規(guī)定δ在較小的范圍內(nèi)工作。,電感式傳感器,實(shí)際應(yīng)用中，一般取 。這種傳感器適用

12、于較小位移的測(cè)量，一般約為0.001～1 mm。,如將δ固定，變化空氣隙導(dǎo)磁截面積S0時(shí)，自感L與S0呈線性關(guān)系如下圖所示：,差動(dòng)式可變磁阻電感傳感器,,,,,,,,線性改善,差動(dòng)方式可提高靈敏度及減少非線性誤差。,電感式傳感器,2 電渦流,如果這些參數(shù)中有某個(gè)發(fā)生變化，線圈阻抗便會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)測(cè)量線圈的阻抗，便能測(cè)定相應(yīng)的物理量。,電渦流等效電路,,——渦流電感 M——互感,,,,由于等效電感與位移有關(guān)，在一定范圍呈線

13、性，可測(cè)位移、材質(zhì)、厚度； 優(yōu)點(diǎn)：非接觸,電渦流檢測(cè)電路,,,,,,(1)諧振電路,,,,,,電渦流檢測(cè)電路,,,,,,(2)調(diào)頻電路,,,,,,,,,電渦流傳感器的應(yīng)用,,,渦流式位移、力、振動(dòng)測(cè)量，NDT，測(cè)厚,材質(zhì)判別。,,,,,,,案例： 測(cè)厚,案例： 零件計(jì)數(shù),電渦流傳感器的應(yīng)用,,,,,,,,案例：無(wú)損探傷,火車輪檢測(cè),油管檢測(cè),裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化。,電渦流傳感器的應(yīng)用,,,,,,,,,,,,,,,3 互

14、感式差動(dòng)傳感器,電感式傳感器,輸出：ey=e1-e2,活動(dòng)銜鐵能改變線圈之間的藕合程度。輸出ey的大小隨活動(dòng)銜鐵的位置而變。 當(dāng)活動(dòng)銜鐵的位置居中時(shí)，e1=e2，ey=0； 當(dāng)活動(dòng)銜鐵向上移時(shí)，e1>e2，ey>0； 當(dāng)活動(dòng)銜鐵向下移時(shí)，e1<e2，ey<0。 活動(dòng)銜鐵的位置往復(fù)變化，其輸出電壓也隨之變化,注意：差動(dòng)變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示則輸

15、出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動(dòng)的方向；其次，交流電壓輸出存在一定的零點(diǎn)殘余電壓，零點(diǎn)殘余電壓是由于兩個(gè)次級(jí)線圈的結(jié)構(gòu)不對(duì)稱，以及初級(jí)線圈銅損電阻、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所形成的。所以，即使活動(dòng)銜鐵位于中間位置時(shí)，輸出也不為零。,,,,,,,,,電感式傳感器,差動(dòng)相敏檢波電路,,,,,,,,,差動(dòng)變壓器式傳感器應(yīng)用,應(yīng)用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度; 壓力,流量,液位;張力,重力

16、,負(fù)荷量;扭矩, 應(yīng)力,動(dòng)力;氣壓,溫度;振動(dòng),速度,加速度;等.,,電容式傳感器,完成本節(jié)內(nèi)容的學(xué)習(xí)后應(yīng)能做到：掌握電容式傳感器的工作原理了解電容式傳感器的結(jié)構(gòu)、分類掌握電容式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)、轉(zhuǎn)換電路了解電容式傳感器的應(yīng)用,,,,電容傳感器,電容式傳感器：將被測(cè)量(如尺寸、壓力等)的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器。,S ——兩個(gè)極板相對(duì)有效面積 ，單位為m2； d ——兩平行極板間的距離，單位為m；ε ——

17、兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。,基本工作原理,平行極板電容器的電容量為：,,,,,,工作原理及類型,改變電容C的方法：①改變介質(zhì)的介電常數(shù)ε； ②改變形成電容的有效面積； ③改變兩個(gè)極板間的距離。,類型： 變極距（或稱變間隙）型、變面積型和變介電常數(shù)型。電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。,,,,靈敏度及非線性,變極距式,對(duì)單極式電

18、容表達(dá)式為：,其初始電容值為：,當(dāng)極板距離有增量Δd時(shí)，則傳感器電容為：,靈敏度k為：,比值?d/d0 很小時(shí)接近線性關(guān)系，因此這種形式傳感器的被測(cè)量范圍不應(yīng)太大。,,,,靈敏度及非線性,如果，變極距式電容傳感器被測(cè)范圍大，適當(dāng)增大極板間的初始距離 d0 ，保證比值d/d0↓，但C0/d0↓，故靈敏度↓；C0↓，寄生電容的干擾作用↑。常采用差動(dòng)式電容傳感器。,忽略電容器的邊緣效應(yīng)后，變面積型和變介電常數(shù)型(測(cè)厚除外)電容傳感器具有

19、很好的線性。實(shí)際由于邊緣效應(yīng)，仍存在非線性問(wèn)題，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。,,,,電容傳感器的特點(diǎn),優(yōu)點(diǎn)：①溫度穩(wěn)定性好； ②結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、適應(yīng)性強(qiáng)； ③動(dòng)態(tài)響應(yīng)好； ④可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng),缺點(diǎn)：①輸出阻抗高，負(fù)載能力差；ω↑則ZC↓,但是C很小，故ZC大 ②寄生電容影響大；引線電容、電路雜散電容、極板與周圍導(dǎo) 體之間電容

20、。 ③輸出特性非線性,,,,電容式傳感器的等效電路,,,,電容式傳感器的等效電路,,,,電容式傳感器的等效電路,,,,電容式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn),（1）保證絕緣材料的絕緣性能：從選材、結(jié)構(gòu)、加工工藝等方面來(lái)減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。（2）消除和減小邊緣效應(yīng)：邊緣效應(yīng)不僅使電容傳感器的靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因此應(yīng)盡量消除或減小它。,,,,電容式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn),（3）消除和減小寄生電容的影響

21、 ①增加原始電容值可減小寄生電容的影響。 ②注意傳感器的接地和屏蔽。 ③將傳感器與電子線路的前置級(jí)(集成化)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，去除傳感器至前置級(jí)的電纜。 ④采用“驅(qū)動(dòng)電纜"技術(shù)(也稱"雙層屏蔽等位傳輸"技術(shù))。,,,,電容式傳感器的設(shè)計(jì)要點(diǎn),（4）防止和減小外界干擾 ①屏蔽和接地。 ②增加原始電容值以降低容抗。 ③導(dǎo)線和導(dǎo)線要離得遠(yuǎn)，以減小導(dǎo)線間分布電容的靜電感應(yīng)。導(dǎo)線

22、要盡可能短，最好成直角排列，必須平行排列時(shí)可采用同軸屏蔽線。 ④盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰∷⒕€。 ⑤盡量采用差動(dòng)式電容傳感電路，可減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和干擾。,,,,電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路,將傳感器C轉(zhuǎn)換成電壓、電流、頻率等電量。一般歸結(jié)為兩類：調(diào)制型、脈沖型(或稱為電容充放電型),調(diào)制型：,,,,電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路,交流激勵(lì)法,,,,電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路,

23、電容式傳感器構(gòu)成交流電橋的一些形式 ：,,,,電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路,雙T型充放電網(wǎng)絡(luò),,,,電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路,脈沖型電路-----利用電容的充放電,,,,電容式傳感器的應(yīng)用,①電容傳感器可用于測(cè)量直線位移、角位移，振動(dòng)振幅(可測(cè)至0.05μm的微小振幅)，尤其適合測(cè)量高頻振動(dòng)振幅、精密軸系回轉(zhuǎn)精度、加速度等機(jī)械量；②可用于測(cè)量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測(cè)量電介質(zhì)的濕度、密度、厚度等

24、等。③在自動(dòng)檢測(cè)和控制系統(tǒng)中常作為位置信號(hào)發(fā)生器。,,,,電容式傳感器的應(yīng)用,,,,電容式傳感器的應(yīng)用,,,,電容式傳感器的應(yīng)用,,,,電容式傳感器的應(yīng)用,,,,電容式傳感器的應(yīng)用,,,,,壓電式傳感器,,,,,掌握壓電式傳感器的工作原理了解壓電式傳感器的等效電路了解壓電式傳感器的測(cè)量電路,學(xué)習(xí)內(nèi)容：,,,,壓電效應(yīng),,,,,壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)，是典型的有源傳感器。當(dāng)材料受力作用而變形時(shí)， 其表面

25、會(huì)有電荷產(chǎn)生，從而實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量。,某些晶體或多晶陶瓷，當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力去掉后，又恢復(fù)到不帶電狀態(tài)；當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如對(duì)晶體施加一定變電場(chǎng)，晶體本身將產(chǎn)生機(jī)械變形，外電場(chǎng)撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應(yīng)。,,,,壓電效應(yīng),,,,,,,,壓電材料,,,

26、,,壓電材料可以分為兩大類: 壓電晶體和壓電陶瓷。,壓電晶體（主要是單晶體） 石英、天然晶體，除壓電常數(shù)不大外，特性優(yōu)越,作為標(biāo)準(zhǔn)傳感器。壓電陶瓷（多晶體） 屬于人工制造的多晶體，仍以Q=dF表示，較大的壓電系數(shù)，介電常數(shù)，機(jī)械強(qiáng)度<石英。,,,,壓電效應(yīng),,,,,通常把沿電軸(X軸)方向的作用力(一般利用壓力)產(chǎn)生的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)”，把沿機(jī)械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的

27、壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”，沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。沿相對(duì)兩棱加力時(shí)，則產(chǎn)生切向效應(yīng)。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應(yīng)。,,,,壓電材料的選擇,,,,①轉(zhuǎn)換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)； ②機(jī)械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機(jī)械強(qiáng)度高、機(jī)械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動(dòng)頻率；當(dāng)壓電體的應(yīng)變較大時(shí)，壓電效應(yīng)出現(xiàn)非線性。③電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減

28、弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； ④溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點(diǎn)、以期望得到寬的工作溫度范圍；⑤時(shí)間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時(shí)間蛻變。,,,壓電式傳感器及其等效電路,,,,,,由外特性不變?cè)瓌t（輸出電壓、電容、電阻不變）,而壓電元件電極表面聚集電荷時(shí)，它又相當(dāng)于一個(gè)以壓電材料為電介質(zhì)的電容器，其電容量為：,,,,壓電式傳感器及其等效電路,,,,,,,ω= ω很小。但壓電傳感器不能測(cè)

29、直流量,,,,同時(shí)也等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容器Ca串聯(lián)的等效電路，其中Ra為壓電元件的漏電阻。,Ra為,,,,壓電式傳感器及其等效電路,,,,,,,,,,利用壓電式傳感器測(cè)量靜態(tài)或準(zhǔn)靜態(tài)量值時(shí)，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測(cè)量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動(dòng)態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補(bǔ)充，可以供給測(cè)量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動(dòng)態(tài)測(cè)量。,,,,壓電式傳感器的串、并聯(lián),,,,,,,,,,,在

30、實(shí)際應(yīng)用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器 的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結(jié)在一起。粘結(jié)的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負(fù)電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側(cè)的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時(shí)間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測(cè)量緩變信號(hào)及電荷量輸出信號(hào)。串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負(fù)電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應(yīng)快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測(cè)量以電

31、壓作輸出的信號(hào)和頻率較高的信號(hào) 。,,,壓電式傳感器測(cè)量電路,,,,,,,,測(cè)量電路的關(guān)鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路，與壓電元件配套的測(cè)量電路的前置放大器也有兩種形式： 電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。 電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,壓電傳感器有很好的高頻響應(yīng), 但

32、是, 當(dāng)作用于壓電元件力為靜態(tài)力時(shí), 則前置放大器的輸入電壓等于零, 因?yàn)殡姾蓵?huì)通過(guò)放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉, 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測(cè)量。  當(dāng)電纜長(zhǎng)度改變時(shí),連接電纜電容也將改變, 因而電壓也隨之變化。因此, 壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換, 否則將引入測(cè)量誤差。,電壓放大器：,,,壓電式傳感器測(cè)量電路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

33、,,k>>1 (1+k)Cf>>C,電荷放大器：,,,壓電式傳感器測(cè)量電路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,實(shí)際電荷放大器 反饋端并聯(lián)電阻Rf:,電荷放大器，對(duì)電纜長(zhǎng)度要求不高，可以長(zhǎng)達(dá)100米,,,壓電式傳感器的應(yīng)用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,壓電元件是一種典型的力敏感元件。可用來(lái)測(cè)量最終能轉(zhuǎn)換為力的多種物理量。在檢測(cè)技術(shù)中，

34、常用來(lái)測(cè)量力和加速度。,,,壓電式傳感器的應(yīng)用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,壓電元件是一種典型的力敏感元件?？捎脕?lái)測(cè)量最終能轉(zhuǎn)換為力的多種物理量。在檢測(cè)技術(shù)中，常用來(lái)測(cè)量力和加速度。,,,壓電式傳感器的應(yīng)用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,BS—D2壓電式傳感器是專門用于檢測(cè)玻璃破碎的一種傳感器, 它利用壓電元件對(duì)振動(dòng)敏感的特性來(lái)感知玻璃受撞擊和破碎時(shí)產(chǎn)

35、生的振動(dòng)波。傳感器把振動(dòng)波轉(zhuǎn)換成電壓輸出 輸出電壓經(jīng)放大、 濾波、 比較等處理后提供給報(bào)警系統(tǒng)。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器,學(xué)習(xí)內(nèi)容：,掌握磁電式傳感器變換原理了解動(dòng)圈式傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理了解磁阻式傳感器的基本結(jié)構(gòu)和工作原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器,磁感應(yīng)電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（如振動(dòng)、位

36、移、轉(zhuǎn)速等）的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)，是一種機(jī)-電能量變換型傳感器， 它不需要輔助電源就能把被測(cè)對(duì)象的機(jī)械量轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電信號(hào)，是有源傳感器。 由于它輸出功率大電路簡(jiǎn)單，輸出阻抗小，且性能穩(wěn)定, 不需要外部供電電源，又具有一定的頻率響應(yīng)范圍(一般為10～1000Hz)，適用于振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、扭矩等測(cè)量。所以得到普遍應(yīng)用。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

37、磁電式傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器分類,根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，N匝線圈在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)切割磁力線或線圈所在磁場(chǎng)的磁通變化時(shí)，線圈中所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e的大小決定于穿過(guò)線圈的磁通量Φ的變化率：,磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁路磁阻、線圈的運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，故若改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。,按工作原理不同，磁電感應(yīng)式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動(dòng)圈式傳感器和磁阻

38、式傳感器。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器分類,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器分類,在傳感器中當(dāng)結(jié)構(gòu)參數(shù)確定后，B、l、N、S均為定值，感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與線圈相對(duì)磁場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)速度(v或ω)成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測(cè)量線速度或角速度。如果在其測(cè)量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來(lái)測(cè)量位移或加速度。但由上述

39、工作原理可知，磁電感應(yīng)式傳感器只適用于動(dòng)態(tài)測(cè)量。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁阻式,磁阻式傳感器又稱為變磁通式傳感器或變氣隙式傳感器，常用來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。其結(jié)構(gòu)原理如下圖所示。,變磁通式傳感器對(duì)環(huán)境條件要求不高，能在-150～＋90℃的溫度下工作，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達(dá)100Hz。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

40、,,,,,,,,測(cè)量電路,磁電式傳感器可以等效為一個(gè)二階系統(tǒng)。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,測(cè)量電路,磁電感應(yīng)式傳感器直接輸出感應(yīng)電勢(shì)。所以任何具有一定工作頻帶的電壓表或示波器都可采用。并且由于該傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要增益放大。,但磁電感應(yīng)式傳感器是速度傳感器，如要獲取位移或加速度信號(hào)，就需配用積分電路或微分電路。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

41、,測(cè)量電路,積分電路：,無(wú)源積分電路,,有源積分電路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,測(cè)量電路,微分電路：,,,實(shí)用有源微分電路,,有源微分電路的幅頻特性,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,該傳感器測(cè)量的是振動(dòng)速度參數(shù), 若在測(cè)量電路中接入積分電路, 則輸出電勢(shì)與位移成正比; 若在測(cè)量電路中接入微分電路, 則其輸出與加速度成正比。,,,,,,,,,,,磁電式傳感器應(yīng)用,,CD-1型振動(dòng)速度傳感

42、器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器應(yīng)用,,,磁電感應(yīng)式轉(zhuǎn)速傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器應(yīng)用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾式傳感器,,霍爾傳感器是基于霍爾效應(yīng)的一種傳感器。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展, 開始用半導(dǎo)體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應(yīng)顯著而得到應(yīng)用和發(fā)展。 霍爾傳感器廣泛用于電磁測(cè)量、壓

43、力、加速度、振動(dòng)等方面的測(cè)量。,置于磁場(chǎng)中的靜止載流導(dǎo)體, 當(dāng)它的電流方向與磁場(chǎng)方向不一致時(shí), 載流導(dǎo)體上平行于電流和磁場(chǎng)方向上的兩個(gè)面之間產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì), 這種現(xiàn)象稱霍爾效應(yīng)。該電勢(shì)稱霍爾電勢(shì)。,霍爾式傳感器是磁電式傳感器。霍爾式傳感器為載流半導(dǎo)體在磁場(chǎng)中有電磁效應(yīng)(霍爾效應(yīng))而輸出電勢(shì)的。它們?cè)聿⒉煌耆嗤?，因此各有各的特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。,由于霍爾元件在靜止?fàn)顟B(tài)下，具有感受磁場(chǎng)的獨(dú)特能力，并且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(

44、從直流到微波)、動(dòng)態(tài)范圍大(輸出電勢(shì)變化范圍可達(dá)1000:1)、壽命長(zhǎng)等特點(diǎn)，因此獲得了廣泛應(yīng)用。例如，在測(cè)量技術(shù)中用于將位移、力、加速度等量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器；在計(jì)算技術(shù)中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運(yùn)算的運(yùn)算器等。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾效應(yīng)和霍爾元件材料,,霍爾電勢(shì)：,RH——霍爾系數(shù)，由載流材料的物理性質(zhì)決定；kH——靈敏度系數(shù)；d —薄片厚度。,如果磁場(chǎng)和薄片法線有

45、α角，那么,最常用的霍爾元件材料有1．鍺(Ge)，N型及P型均可。 2．硅(Si)．N型及P型均可。3．砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)，這兩種材料的特性很相似。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,測(cè)量電路,,激勵(lì)電流由電源E供給，可變電阻RP用來(lái)調(diào)節(jié)激勵(lì)電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢(shì)UH的負(fù)載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

46、,,,,,,,,,霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo),,1）額定激勵(lì)電流IH 使霍爾元件溫升10℃所施加的控制電流值稱為額定激勵(lì)電流。通常用IH表示。2）輸入電阻Ri 它是指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(20±5)℃的環(huán)境溫度中測(cè)取。 輸出電阻Rs 它是指霍爾電極間的電阻值。規(guī)定中要求在(20±5)℃的條件下測(cè)取。3） 不等位電勢(shì)

47、和不等位電阻 當(dāng)霍爾元件的激勵(lì)電流為I時(shí), 若元件所處位置磁感應(yīng)強(qiáng)度為零, 則它的霍爾電勢(shì)應(yīng)該為零, 但實(shí)際不為零。 這時(shí)測(cè)得的空載霍爾電勢(shì)稱不等位電勢(shì)。 4） 寄生直流電勢(shì) 在外加磁場(chǎng)為零, 霍爾元件用交流激勵(lì)時(shí), 霍爾電極輸出除了交流不等位電勢(shì)外, 還有一直流電勢(shì), 稱寄生直流電勢(shì)。5） 霍爾電勢(shì)溫度系數(shù) 在一定磁感應(yīng)強(qiáng)度和激勵(lì)電流下, 溫度每變化

48、1℃時(shí), 霍爾電勢(shì)變化的百分率稱霍爾電勢(shì)溫度系數(shù)。它同時(shí)也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾元件不等位電勢(shì)補(bǔ)償,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾式傳感器的應(yīng)用,,,霍爾式位移傳感器原理示意圖,霍爾式位移傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾式傳感器的應(yīng)用,,霍爾式壓力傳感器,,霍爾式壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖及磁鋼外形,,,,

49、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾式傳感器的應(yīng)用,,霍爾式轉(zhuǎn)速傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾式傳感器的應(yīng)用,,,,鐵磁材料裂紋檢測(cè),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光電傳感器,,,光電器件是將光能轉(zhuǎn)換為電能的一種傳感器件, 它是構(gòu)成光電式傳感器最主要的部件。光電器件工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)。 光電器件響應(yīng)快、結(jié)構(gòu)

50、簡(jiǎn)單、 使用方便, 而且有較高的可靠性, 因此在自動(dòng)檢測(cè)、計(jì)算機(jī)和控制系統(tǒng)中, 應(yīng)用非常廣泛。,受光照物體(通常為半導(dǎo)體材料)電導(dǎo)率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)按其工作原理分為兩種：光電導(dǎo)效應(yīng)和光生伏特效應(yīng)。,在光線作用下, 能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng), 如光電管、光電倍增管就屬于這類光電器件。,由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應(yīng)也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應(yīng)分為：外光電效

51、應(yīng)、內(nèi)光電效應(yīng)。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光電傳感器,,,光電導(dǎo)效應(yīng)：,光電導(dǎo)效應(yīng)是指半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會(huì)產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為光電導(dǎo)效應(yīng)?；谶@種效應(yīng)的光電器件有光敏電阻(光電導(dǎo)型)和反向工作的光敏二極管、光敏三極管(光電導(dǎo)結(jié)型)。,1 光敏電阻 材料：硅、硒、硫化鎘,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

52、,,,,,,,,其他傳感器——光電傳感器,,,光敏二極管和光敏晶體管的材料幾乎都是硅（Si）。光敏管的工作原理與光敏電阻是相似的,其差別只是光照在半導(dǎo)體結(jié)上而已。,2 光敏二極管和光敏晶體管,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光電傳感器,,,光生伏特效應(yīng) ：,光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)。因此光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的,屬有源器件。以可見(jiàn)光作光源的光電池

53、是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光電池常用的材料,也可以使用鍺。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光電傳感器,,,3 光電開關(guān),光電開關(guān)是一種利用感光元件對(duì)變化的入射光加以接收, 并進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換, 同時(shí)加以某種形式的放大和控制, 從而獲得最終的控制輸出“開”、 “關(guān)”信號(hào)的器件。,光電開關(guān)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、自動(dòng)化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測(cè)裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中用作物體檢測(cè)， 產(chǎn)品計(jì)數(shù),

54、 料位檢測(cè)，尺寸控制，安全報(bào)警及計(jì)算機(jī)輸入接口等用途。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光電傳感器,,,光電傳感器的應(yīng)用,由于光電測(cè)量方法靈活多樣，可測(cè)參數(shù)眾多，又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)，加之激光光源、光柵、光學(xué)碼盤、CCD器件、光導(dǎo)纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應(yīng)用，使得光電傳感器在檢測(cè)和控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳感器。,光電

55、傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——電荷耦合器件,,,電荷耦合器件（Charge Couple Device， 簡(jiǎn)稱CCD）是一種金屬氧化物半導(dǎo)體（MOS）集成電路器件。它以電荷作為信號(hào), 基本功能是進(jìn)行電荷的存儲(chǔ)和電荷的轉(zhuǎn)移。 廣泛應(yīng)用于自動(dòng)控制和自動(dòng)測(cè)量, 尤其適用于圖像識(shí)別技術(shù)。,線型CCD圖像傳感器,CCD固態(tài)

56、圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。根據(jù)光敏元件排列形式的不同, CCD固態(tài)圖像傳感器可分為線型和面型兩種。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——電荷耦合器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——電荷耦合器件,,,,CCD傳感器的應(yīng)用,(1)組成測(cè)試儀器可測(cè)量物位、尺寸、工件損傷、自動(dòng)焦點(diǎn)等。 (2)作光學(xué)信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如用于

57、傳真技術(shù)、光學(xué)文字識(shí)別技術(shù)(OCR)、圖像識(shí)別技術(shù)、光譜測(cè)量及空間遙感技術(shù)等方面。 (3)作自動(dòng)流水線裝置中的敏感器件，例如可用于機(jī)床、自動(dòng)售貨機(jī)、自動(dòng)搬運(yùn)車以自動(dòng)監(jiān)視裝置等方面。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——熱敏電阻傳感器,,,,熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鈷、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體。一般稱為半導(dǎo)體熱敏電阻，或簡(jiǎn)稱熱敏電阻。它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨

58、溫度上升而阻值下降。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——?dú)饷綦娮鑲鞲衅?,,,比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測(cè)與控制、煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測(cè)與報(bào)警、環(huán)境污染情況的監(jiān)測(cè)、煤氣泄漏、火災(zāi)報(bào)警、燃燒情況的檢測(cè)與控制等。,氣敏傳感器是一種將檢測(cè)到的氣體成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器。氣敏傳感器的種類較多，主要包括敏感氣體種類的氣敏傳感器、敏感氣體量的真空度氣敏傳感器，以及檢測(cè)氣體成分的氣體成分傳感器。,煙霧報(bào)警器

59、,酒精傳感器,二氧化碳傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——溫度傳感器,,,,熱電偶：,(1) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。 (2) 具有較高的準(zhǔn)確度。 (3) 測(cè)量范圍寬，常用的熱電偶，低溫可測(cè)到-50℃，高溫可以達(dá)到1600 ℃ 左右。 （4）具有良好的敏感度。 （5）使用方便等。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——溫度

60、傳感器,,,,熱輻射傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——超聲波傳感器,,,,由于聲波在介質(zhì)中施力方向與聲波在介質(zhì)中傳播方向的不同，聲波的波型也不同，通常有以下幾種： (l)縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波，縱波能在固體、液體和氣體中傳播。 (2)橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向與波的傳播方向相垂直的波稱為橫波，橫波只能在固體中傳播。 (3)表面波：質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)介于縱波和橫波之

61、間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波稱為表面波。表面波質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)的軌跡是橢圓形，其長(zhǎng)軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向。表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?聲波及其分類 聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機(jī)械波。根據(jù)振動(dòng)頻率的同，可分為次聲波、聲波、超聲波和微波等。 (1)次聲波：振動(dòng)頻率低于l6Hz的機(jī)械波。 (2)聲波：振動(dòng)頻率在16～2×104Hz之間的機(jī)械波，在這個(gè)頻率范圍內(nèi)能為人耳所聞。 (3)

62、超聲波：高于2×1O4Hz的機(jī)械波。 (4)微波：頻率在3×1O8～3×1O11Hz之間的機(jī)械波。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——超聲波傳感器,,,,超聲波傳感器及應(yīng)用,以超聲波為檢測(cè)手段，包括有發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉(zhuǎn)換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器。習(xí)慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器 (

63、或稱壓電式超聲波探頭)和磁致式超聲波傳感器。,壓電式超聲波傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光纖傳感器,,,,光纖傳感器一般由三個(gè)環(huán)節(jié)組成，即信號(hào)的轉(zhuǎn)換、信號(hào)的傳輸、信號(hào)的接收與處理。 信號(hào)的轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成為便于傳輸?shù)墓庑盘?hào)。 信號(hào)的傳輸環(huán)節(jié)，利用光導(dǎo)纖維的特性將轉(zhuǎn)換的光信號(hào)進(jìn)行傳輸。 信號(hào)的接收與處理環(huán)節(jié)，將來(lái)自光導(dǎo)纖維的信號(hào)送

64、入測(cè)量電路，由測(cè)量電路進(jìn)行處理并輸出。 光纖傳感器分為物性型(或稱功能型)與結(jié)構(gòu)型 (或稱非功能型)兩類。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光纖傳感器,,,,,物性型光纖傳感器及其應(yīng)用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光纖傳感器,,,,,結(jié)構(gòu)型光纖傳感器及其應(yīng)用,光纖傳感器應(yīng)用相當(dāng)廣泛，尤其在下列情況下特別適應(yīng): 在高壓、電磁感應(yīng)噪