傳感器技術(shù)-劉喬

1、課程概述必修課主要內(nèi)容測(cè)量概論（誤差理論與數(shù)據(jù)處理）傳感器基本特性應(yīng)變式電感式電容式壓電式磁電式熱電式光電式（光電檢測(cè)技術(shù)）半導(dǎo)體（氣敏、濕敏）超聲波微波紅外輻射數(shù)字式智能式（智能傳感器）（過(guò)程檢測(cè)技術(shù)與儀表）基本要求了解測(cè)量的基本知識(shí)掌握各類傳感器的基本特性和工作原理、典型測(cè)量電路了解各類傳感器的典型應(yīng)用第一章傳感與檢測(cè)技術(shù)理論基礎(chǔ)被測(cè)對(duì)象數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)傳感器被測(cè)量測(cè)量結(jié)果圖11測(cè)量系統(tǒng)組成圖被測(cè)對(duì)象顯示放大傳感、變送圖2.2開(kāi)環(huán)系統(tǒng)測(cè)量框圖x1x2x2k3k1ky被測(cè)對(duì)象顯示放大傳感、變送圖2.3閉環(huán)系統(tǒng)測(cè)量框圖x1x2x2k3k1ky反饋fxxyYFSoLmaxxy

2、YFSL1LmaxL2oxyYFSLmaxxyYFSL1L2L3L3Lmaxox(a)(b)(c)(d)o直線擬合線性度yYFSx理想特性曲線實(shí)際特性曲線o靈敏度oxyyxyxyxyx(a)(b)o第第3 3章章 應(yīng)變式傳感器應(yīng)變式傳感器 3.1 工作原理工作原理 3.2 電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償電阻應(yīng)變片的溫度誤差及補(bǔ)償 3.3 電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路電阻應(yīng)變片的測(cè)量電路3.4 應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用 3.1工作原理 應(yīng)變 物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象 彈性應(yīng)變 當(dāng)外力去除后，物體能夠完全恢復(fù)其尺寸和形狀的應(yīng)變 彈性元件 具有彈性應(yīng)變特性的物體應(yīng)變式傳感器概述 是利

3、用電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器 工作原理： 當(dāng)被測(cè)物理量作用于彈性元件上，彈性元件彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應(yīng)的應(yīng)變或位移，然后傳遞給與之相連的應(yīng)變片應(yīng)變片，引起應(yīng)變片的電阻值變化，通過(guò)測(cè)量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測(cè)量的大小。 結(jié)構(gòu)： 應(yīng)變式傳感器由彈性元件彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變片電阻應(yīng)變片構(gòu)成 應(yīng)用： 廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測(cè)量應(yīng)變效應(yīng)分析應(yīng)變效應(yīng)分析 電阻應(yīng)變片的工作原理是基于應(yīng)變效應(yīng)即導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值相應(yīng)發(fā)生變化， 這種現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。 靈敏系數(shù)K受兩個(gè)因素影響

4、 一是應(yīng)變片受力后材料幾何尺寸的變化， 即1+2 二是應(yīng)變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化， 即（d/）/。 對(duì)金屬材料：1+2(d/)/ 對(duì)半導(dǎo)體材料：(d/)/1+2 大量實(shí)驗(yàn)證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)， 電阻的相對(duì)變化與應(yīng)變成正比，即K為常數(shù)。 應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)圖3-2 金屬電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 引線覆蓋層基片電阻絲式敏感柵lb絲式絲式箔式箔式第4章 電感式傳感器 4.1 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 4.2 差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器4.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 電感式傳感器的工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng) 即利用線圈電感或互感的改變來(lái)實(shí)現(xiàn)非電量測(cè)量 分為變磁阻式、變壓器式、渦流

5、式等 特點(diǎn)： 工作可靠、壽命長(zhǎng) 靈敏度高，分辨力高 精度高、線性好 性能穩(wěn)定、重復(fù)性好4.1 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器4.1.1 工作原理工作原理 變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導(dǎo)磁材料制成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運(yùn)動(dòng)部分與銜鐵相連。當(dāng)銜鐵移動(dòng)時(shí)，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導(dǎo)致電感線圈的電感值變化，因此只要能測(cè)出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。 圖4 1 變磁阻式傳感器 S1l1L1W23l21線 圈 ；2鐵 芯 (定 鐵 芯 )；3銜 鐵 (動(dòng) 鐵 芯 )S24.2 差動(dòng)變壓器式傳感器差動(dòng)變壓器式傳感器 把被測(cè)的非電量

6、變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接， 故稱差動(dòng)變壓器式傳感器。 差動(dòng)變壓器結(jié)構(gòu)形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測(cè)量中， 應(yīng)用最多的是螺線管式差動(dòng)變壓器， 它可以測(cè)量1100mm 機(jī)械位移，并具有測(cè)量精度高、靈敏度高、 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)。 圖 4-11 差動(dòng)變壓器式傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖 iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)4.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 4.3.1 工作原理工作原理 圖4-22 電渦流式傳感器原理圖（a） 傳感器激勵(lì)線圈; （b

7、） 被測(cè)金屬導(dǎo)體 1I1H傳感器激勵(lì)線圈(a)(b)2H2I被測(cè)金屬導(dǎo)體傳感器激勵(lì)電流主要內(nèi)容 5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性5.3 電容式傳感器的等效電路（自學(xué)）電容式傳感器的等效電路（自學(xué)）5.4 電容式傳感器的測(cè)量電路電容式傳感器的測(cè)量電路5.5 電容式傳感器的應(yīng)用電容式傳感器的應(yīng)用 5.1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu) 由絕緣介質(zhì)分開(kāi)的兩個(gè)平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應(yīng)，其電容量為 dSC（5-1） 5.1.1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感

8、器Ard圖5-2 變極距型電容式傳感器 5.1.2 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器 被測(cè)量通過(guò)動(dòng)極板移動(dòng)引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化。當(dāng)動(dòng)極板相對(duì)于定極板沿長(zhǎng)度方向平移x時(shí)，則電容變化量為 00rx bCCCd (5-6) 式中C0=0r ba/d為初始電容。電容相對(duì)變化量為 axCC0(5-7) 這種形式的傳感器其電容量C與水平位移x呈線性關(guān)系。 圖5-5 變面積型電容傳感器原理圖 bxadxS圖5-7 電容式液位變換器結(jié)構(gòu)原理圖 DdHh1第6章 壓電式傳感器 第6章 壓電式傳感器 6.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 6.2 壓電式傳感器測(cè)量電路壓

9、電式傳感器測(cè)量電路6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 第6章 壓電式傳感器 6.1 壓電效應(yīng)及壓電材料壓電效應(yīng)及壓電材料 某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上便產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷， 當(dāng)外力去掉后，又重新恢復(fù)到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應(yīng)。 當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷的極性也隨之改變。有時(shí)人們把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象， 稱為“正壓電效應(yīng)”。相反，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”（電致伸縮效應(yīng)）。具有壓電效應(yīng)的材料稱為壓電材料，壓電材料能實(shí)現(xiàn)機(jī)電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖6 - 1所示。

10、第6章 壓電式傳感器 圖6-1 壓電效應(yīng)可逆性 壓 電 元 件機(jī) 械 量電 量第6章 壓電式傳感器 6.2 壓電式傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器測(cè)量電路 6.2.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個(gè)電荷發(fā)生器。同時(shí)，它也是一個(gè)電容器， 晶體上聚集正負(fù)電荷的兩表面相當(dāng)于電容的兩個(gè)極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)， 則其電容量為 dACra0(6-4) 第6章 壓電式傳感器 6.3 壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器的應(yīng)用 6.3.1 壓電式測(cè)力傳感器壓電式測(cè)力傳感器 圖6-11是壓電式單向測(cè)力傳感器的結(jié)構(gòu)圖，主要由石英晶片、 絕緣套、電極、上

11、蓋及基座等組成。 圖6-11 壓力式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)圖 第6章 壓電式傳感器 傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.10.5mm，當(dāng)外力作用時(shí)，它將產(chǎn)生彈性變形，將力傳遞到石英晶片上。石英晶片采用xy切型， 利用其縱向壓電效應(yīng)， 通過(guò)d11實(shí)現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為81mm。該傳感器的測(cè)力范圍為050N，最小分辨率為0.01 N，固有頻率為5060 kHz，整個(gè)傳感器重為10 g。 8.1 光電器件光電器件 1. 外光電效應(yīng)外光電效應(yīng) 一束光是由一束以光速運(yùn)動(dòng)的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。 光子具有能量，每個(gè)光子具有的能量由下式確定： E=h （8-1） 式中： h普朗克常數(shù)=6.

12、62610-34(Js) 光的頻率（s-1）。 2. 內(nèi)光電效應(yīng)內(nèi)光電效應(yīng) 在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動(dòng)勢(shì)的效應(yīng)稱為內(nèi)光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)又可分為以下兩類： （1） 光電導(dǎo)效應(yīng)# 在光線作用下，對(duì)于半導(dǎo)體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半導(dǎo)體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對(duì)，使載流子濃度增加，半導(dǎo)體的導(dǎo)電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導(dǎo)效應(yīng)。光敏電阻就是基于這種效應(yīng)的光電器件。 （2） 光生伏特效應(yīng) 在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象稱為光生伏特效應(yīng)?；谠撔?yīng)的光電器件有光電池。 圖 8-1 光敏電阻結(jié)構(gòu) (a) 光敏電阻結(jié)構(gòu)； (b) 光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖金屬電極半導(dǎo)體玻璃底板電源檢流計(jì)RLEI(a)(b)(c)Ra8.2 光光 纖纖 傳傳 感感 器器 光纖傳感器是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來(lái)的一種新技術(shù)， 它是伴隨著光