傳感器實用教案

1、2.2.傳感器的組成(z (z chn)chn)以測量(cling)汽車油箱中汽油液位的裝置為例 第1頁/共34頁第一頁，共35頁。組成(z chn)(z chn)第2頁/共34頁第二頁，共35頁。例：應(yīng)變(yngbi(yngbi n)n)式力傳感器彈性(tnxng)膜片敏感元件，將力轉(zhuǎn)換為彈性(tnxng)膜片的變形應(yīng)變片傳感元件，將彈性(tnxng)膜片的變形轉(zhuǎn)換成電阻值的變化 第3頁/共34頁第三頁，共35頁。3.3.傳感器的分類(fn (fn li)li)r 傳感器的分類方法有許多種，從傳感器的工作機理來說，可分為物理型、化學(xué)型、生物型等。r 本課程(kchng)主要講的是物理型傳感器

2、。 第4頁/共34頁第四頁，共35頁。按被測量(cling)分類位移(wiy)傳感器力傳感器溫度傳感器按工作原理(yunl)分類機械式電氣式光學(xué)式流體式按信號變換特征分類物性型結(jié)構(gòu)型第5頁/共34頁第五頁，共35頁。物性(w xn)(w xn)型傳感器: : 物性型傳感器是依靠敏感元件材料本身物理化學(xué)性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號的變換的。例如用水銀(shuyn)溫度計測量, 是利用水銀(shuyn)的熱脹冷縮現(xiàn)象； 壓電測力計是利用石英晶體的壓電效應(yīng)等。結(jié)構(gòu)型傳感器: 結(jié)構(gòu)型傳感器則是依靠傳感器結(jié)構(gòu)參量的變化(binhu)而實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)換的。例如, 電容式傳感器依靠極板間距離變化(binhu)引起電容量

3、的變化(binhu)，電感式傳感器依靠銜鐵位移引起自感或互感的變化(binhu)等。第6頁/共34頁第六頁，共35頁。輸入(shr)輸出(shch)傳感器輔助(fzh)能源測量對象返回第7頁/共34頁第七頁，共35頁。按能量(nngling)關(guān)系能量轉(zhuǎn)換(zhunhun)型能量控制型按輸出信號(xnho)分類模擬式數(shù)字式第8頁/共34頁第八頁，共35頁。能量(nngli(nngli ng)ng)控制型傳感器: : 能量控制型傳感器,也稱有源傳感器,是從外部供給(gngj)輔助能量使傳感器工作的,并且由被測量來控制外部供給(gngj)能量的變化。例如, 電阻應(yīng)變計中電阻接于電橋上, 電橋工作能源

4、由外部供給(gngj), 而由被測量變化所引起的電阻變化去控制電橋輸出。能量(nngling)轉(zhuǎn)換型傳感器: 能量轉(zhuǎn)換型傳感器, 也稱無源傳感器, 是直接由被測對象輸入能量使其工作的, 例如, 熱電偶溫度計、彈性壓力計等。在這種情況下, 傳感器由被測對象吸取能量, 產(chǎn)生負(fù)載效應(yīng), 導(dǎo)致被測對象狀態(tài)的變化和測量誤差。第9頁/共34頁第九頁，共35頁。機械式傳感器是以彈性體作為傳感器的敏感元件。它的輸入量可以是力， 壓力或溫度等物理量，輸出(shch)則是彈性元件本身的彈性變形。機械式傳感器做成的機械式指示儀表具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價格低廉、讀數(shù)直觀等優(yōu)點。但彈性變形不宜大 , 以減小線性

5、誤差。此外 , 由于放大和指示環(huán)節(jié)多為機械傳動，不僅受間隙影響 , 而且慣性(gunxng)大 , 固有頻率低 , 只宜用于檢測緩變或靜態(tài)被測量。機械式傳感器第10頁/共34頁第十頁，共35頁。典型(dinxng)機械式傳感器第11頁/共34頁第十一頁，共35頁。電阻(dinz)式傳感器 變阻器式傳感器也稱為電位差計式傳感器,它通過(tnggu)改變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。第12頁/共34頁第十二頁，共35頁。變阻器式傳感器直線(zhxin)位移型角位移型第13頁/共34頁第十三頁，共35頁。 非線性型：是一種非線性變阻器式傳感器, 其骨架形狀需根據(jù)(gnj)所要求的輸出f(x

6、)來確定。 例如, 輸出f(x)=kx2, 其中x為輸入位移,為要得到輸出電阻值R(x)與f(x)成線性關(guān)系 , 變阻器骨架應(yīng)做成直角三角形。如果輸出要求為f(x)=kx3, 則應(yīng)采用拋物線形骨架。第14頁/共34頁第十四頁，共35頁。 變阻器式傳感器的后接電路, 一般采用(ciyng)電阻分壓電路。在直流激勵電壓u0作用下 , 這種傳感器將位移變成輸出電壓的變化。第15頁/共34頁第十五頁，共35頁。電阻(di(di nz)nz)應(yīng)變式傳感器第16頁/共34頁第十六頁，共35頁。電感式傳感器可變磁阻式渦流(wli)式差動變壓器式自感(z n)型互感型分類第17頁/共34頁第十七頁，共35頁。

7、可變磁阻式自感(z n)型傳感器第18頁/共34頁第十八頁，共35頁?；ジ?hgn)型傳感器第19頁/共34頁第十九頁，共35頁。渦電流式傳感器: : 渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。常用于位移、厚度(hud)(hud)、轉(zhuǎn)速、溫度等的測量。電渦流是金屬導(dǎo)體的電阻率、相對磁導(dǎo)率、金屬導(dǎo)體厚度(hud)(hud)、線圈激勵信號頻率、線圈與金屬之間的距離的函數(shù)。高頻反射式渦流(wli)傳感器原理變化 , 可作為(zuwi)位移、振動測量 ; 變化(金屬導(dǎo)體的電阻率） 或值（相對磁導(dǎo)率） , 可作為(zuwi)材質(zhì)鑒別或探傷。第20頁/共34頁第二十頁，共35頁。 電容

8、式傳感器是將被測物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置。它實質(zhì)上是一個(y )具有可變參數(shù)的電容器。兩個平行極板組成的電容器其電容量式中極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù), 在空氣中=1; 。真空中介電常數(shù) , o=8.8510-12F/m; 極板間距離 ; A極板面積。AC0第21頁/共34頁第二十一頁，共35頁。角位移型第22頁/共34頁第二十二頁，共35頁。平面(pngmin)線位移型電容傳感器第23頁/共34頁第二十三頁，共35頁。 壓電式傳感器是一種可逆型換能器 , 既可以將機械能轉(zhuǎn)換(zhunhun)為電能 , 又可以將電能轉(zhuǎn)換(zhunhun)為機械能。被廣泛用于力、壓力、加速度測量 , 也被用于超

9、聲波發(fā)射與接收裝置。這種傳感器具有體積小、重量輕 , 精確度及靈敏度高等優(yōu)點。壓電式傳感器的工作原理是利用某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。 壓電效應(yīng)：某些物質(zhì) , 如石英、鈦酸鋇, 鋯鈦酸鉛等 , 當(dāng)受到外力作用時 , 不僅幾何(j h)尺寸發(fā)生變化 , 而且內(nèi)部極化 , 表面上有電荷出現(xiàn) , 形成電場，當(dāng)外力消失時 , 材料重新回復(fù)到原來狀態(tài) , 這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。 逆壓電效應(yīng)：如果將這些物質(zhì)置于電場(din chng)中 , 其幾何尺寸也發(fā)生變化 , 這種由于外電場(din chng)作用導(dǎo)致物質(zhì)的機械變形的現(xiàn)象 , 稱為逆壓電效應(yīng) , 或稱為電致伸縮效應(yīng)。 常用的壓電材料大致可分為三類：壓電單晶

10、、壓電陶瓷、有機壓電薄膜。其中石英是最常用的一種壓電材料。第24頁/共34頁第二十四頁，共35頁。 光敏傳感器是將光量轉(zhuǎn)換為電量的器件 , 其工作原理(yunl)是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。光敏傳感器主要有光敏電阻、光敏管和光電池等。 r光敏電阻(un mn din z)：光敏電阻(un mn din z)是一種光電導(dǎo)元件 , 其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng) , 即當(dāng)半導(dǎo)體受到光照射時 , 其電阻值減小的現(xiàn)象。 r光電池：半導(dǎo)體光電池直接將光能轉(zhuǎn)換成電能 ; 受光照射時 , 可直接輸出電勢 , 實質(zhì)上是一個(y )電源。 r光敏二極管：光敏二極管在電路中通常處于反向偏置狀態(tài)。在沒有光照

11、射時 , 處于截止?fàn)顟B(tài) , 反向電阻很大 , 反向電流 ( 也稱暗電流 ) 很小。當(dāng)受到光照射時 ,PN 結(jié)附近受光子轟擊 , 產(chǎn)生電子與空穴 , 使少數(shù)載流子的濃度大大增加 , 致使通過剛結(jié)的反向電流大大增加 , 形成光電流。 第25頁/共34頁第二十五頁，共35頁。 光電池第26頁/共34頁第二十六頁，共35頁。光敏二極管 第27頁/共34頁第二十七頁，共35頁。光電轉(zhuǎn)速計工作(gngzu)原理第28頁/共34頁第二十八頁，共35頁。分類方法 說 明 舉 例 按輸入量分類傳感器以被測物理量分類，也即按用途分類，便于用戶選擇。 位移傳感器、速度傳感器、溫度傳感器、壓力傳感器等 按工作原理分類

12、（變換原理）傳感器以工作原理命名，便于生產(chǎn)廠家專業(yè)生產(chǎn)。 應(yīng)變式、電容式、電感式、壓電式、熱電式等 按物理現(xiàn)象分類(信號變換特征)結(jié)構(gòu)型 傳感器依賴其結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換 電容式傳感器：利用電容極板間隙或面積的變化 C 物性型 傳感器依賴其敏感元件物理特性的變化實現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換 壓電式傳感器：壓電效應(yīng)，力電荷熱電偶：熱電效應(yīng) 按能量關(guān)系分類 能量控制型由外部供給傳感器能量，而由被測量來控制輸出的能量電容傳感器：需外部供電，使x(t) C電流或電壓 能量轉(zhuǎn)換型傳感器直接將被測量的能量轉(zhuǎn)換為輸出量的能量溫度計：吸收被測物的能量磁電式：線圈切割磁力線感應(yīng)電勢 按輸出信號分類 模擬式 輸出量為模擬量

13、數(shù)字式 輸出量為數(shù)字量 第29頁/共34頁第二十九頁，共35頁。4.4.傳感器的命名(mng mng)(mng mng) 式 傳感器 如：電阻(dinz)式液位傳感器電容式聲傳感器應(yīng)變式力傳感器壓電式加速度傳感器第30頁/共34頁第三十頁，共35頁。5.5.傳感器的發(fā)展趨勢高精度小型化集成化數(shù)字化智能化新型(xnxng)化第31頁/共34頁第三十一頁，共35頁。（1）靈敏度 靈敏度應(yīng)適中，傳感器靈敏度應(yīng)盡量提高，但是靈敏度越高時，外界干擾也越容易混入。當(dāng)被測量是向量時，要求傳感器在該方向靈敏度越高越好，橫向靈敏度越小越好。選擇適當(dāng)?shù)臏y量范圍，即輸入量（包括干擾量），兩者之和不能進入非線性區(qū)，更

14、不能進入飽和區(qū)。（2）響應(yīng)特性在動態(tài)測量中，傳感器的頻率響應(yīng)對測試結(jié)果(ji gu)有直接影響，傳感器的響應(yīng)特性應(yīng)滿足不失真條件。一般光電效應(yīng)、壓電效應(yīng)等物性型傳感器，響應(yīng)較快。而電感、電容、磁電式等結(jié)構(gòu)型傳感器，由于機械系統(tǒng)慣性的限制，其固有頻率低，可工作的頻率較低。（3）線性范圍傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件。在線性范圍內(nèi)輸入輸出成比例關(guān)系。線性范圍越寬，則表明傳感器工作量程越大。但是任何傳感器都不容易保證其絕對線性，在許可范圍內(nèi)，可以在其近似線性區(qū)域內(nèi)應(yīng)用。第32頁/共34頁第三十二頁，共35頁。（3）可靠性可靠性是指儀器(yq)、裝置等產(chǎn)品在規(guī)定的條件下、規(guī)定時間內(nèi)完

15、成規(guī)定功能的能力?？煽啃允莻鞲衅骱鸵磺袦y量裝置的生命。為保證傳感器具有較高的可靠性，事前須選用設(shè)計、制造良好，使用條件適宜的傳感器，使用過程中，應(yīng)嚴(yán)格保持規(guī)定的使用條件。（4）精確度 傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測量真值一致的程度。傳感器處于測試系統(tǒng)的輸入端，因此，傳感器的精度對測試系統(tǒng)有直接影響。 然而，傳感器精度越高，價格越昂貴。因此應(yīng)從實際出發(fā)選擇傳感器。如：定性分析時對精確度要求可放寬。定量分析時應(yīng)要求高精確度。（5）測量方式傳感器在實際條件下的工作方式，例如：接觸與非接觸測量、在線與非在線測量等。第33頁/共34頁第三十三頁，共35頁。謝謝大家(dji)觀賞！第34頁/共34頁第三十四頁，