pw4第三章傳感器222課件

傳感器是將被測物理量（機械量）轉(zhuǎn)化成與之相對應(yīng)的，容易檢測、傳輸、或處理的信號的裝置。國家標準GB7665-87對傳感器下的定義是：“能感受規(guī)定的被測量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用信號的器件或裝置，通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成”。第三章傳感器第一節(jié)概述一、組成ERe聲波例：電容傳聲器振膜平板電容直流極化電路e聲波輸入P大氣壓殼體膜盒電感線圈磁芯基本轉(zhuǎn)換電路例：壓力傳感器：二、分類1、按被測物理量分類壓力傳感器溫度傳感器位移傳感器以測量目標為對象便于管理注意：同一類型的傳感器，內(nèi)部轉(zhuǎn)換原理可能不同：如壓電式加速度傳感器、應(yīng)變式加速度傳感器按工作原理分類2、按敏感元件類型：3、按轉(zhuǎn)換特性:4、按是否需要能源：電阻式、壓電式、電感式、電容式等物性型：結(jié)構(gòu)型：能量控制型：能量轉(zhuǎn)換型：利用敏感材料性質(zhì)的變化，如：壓電式、光電式、磁阻式利用結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化，如：電感式、電容式、電阻式能量由測量電路提供不需輔助能源2響應(yīng)特性

傳感器的響應(yīng)特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。

3線性范圍

任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系，線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。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。傳感器選用原則4穩(wěn)定性穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。5精確度

傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。6測量方式

傳感器工作方式，也是選擇傳感器時應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞性測量、在線與非在線測量等。傳感器選用原則第三節(jié)、電阻式傳感器將被測機械量轉(zhuǎn)化成電阻的變化一、變阻式：位移（輸入）電阻（輸出）敏感元件環(huán)節(jié)角位移型：輸出輸入非線性型：用于滿足輸入、輸出之間的某種函數(shù)關(guān)系特點：

結(jié)構(gòu)簡單，性能穩(wěn)定，使用方便。

電阻不隨x連續(xù)變化。

分辨力低，噪聲大。場合：

用于大位移測量測量電路：變阻器式傳感器的性能參數(shù)

線性(或曲線的一致性);分辨率;整個電阻值的偏差;移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍;電阻溫度系數(shù);壽命;應(yīng)用案例案例1：重量的自動檢測--配料設(shè)備重量設(shè)定原材料

比較原理用彈簧將力轉(zhuǎn)換為位移;再用變阻器將位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化案例2：煤氣包儲量檢測原理直接將代表煤氣包儲量的高度變化轉(zhuǎn)換為鋼絲的電阻變化煤氣包鋼絲特點：（1）測量量程大；（2）防爆；（3）可靠；（4）成本低。應(yīng)用案例4.3.1電阻應(yīng)變式傳感器敏感元件：應(yīng)變片輸入輸出兩種形式金屬應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片絲式箔式1、電阻應(yīng)變效應(yīng)：把應(yīng)變片用特制膠水（502）粘固在彈性元件或需要測量變形的物體表面上，在外力的作用下，電阻絲隨同該物體一起發(fā)生變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。設(shè)一根電阻絲，未受力時的原始電阻值：當受到外力F作用，其電阻R的變化：a．絲式：四個基本部分組成：敏感柵（電阻絲）基片覆蓋層引出線絲式b．箔式：特點：①光刻技術(shù)，應(yīng)變花；②橫向效應(yīng)??；③散熱條件好；④疲勞壽命長；⑤生產(chǎn)率高。箔式優(yōu)點:穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點:靈敏度系數(shù)小.③材料：見表4--2。材料名稱成

分靈敏度電阻率溫度系數(shù)線脹系數(shù)元素含量

sg·mm2/m×10-6/°C×10-6/°C康

銅CuNi57%43%1.7~2.10.49-20~2014.9鎳鉻合金NiCr80%20%2.1~2.50.9~1.1110~15014.0鎳鉻鋁合金(卡瑪合金)NiCrAlFe73%20%3~4%余量2.4~2.61.33-10~1013.33、半導(dǎo)體應(yīng)變片：①工作原理：“壓阻效應(yīng)”

單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。壓阻效應(yīng)為主，應(yīng)變效應(yīng)很?、谔攸c：（1）靈敏度高；機械滯后小，橫向效應(yīng)?。唬?）溫度穩(wěn)定性差；靈敏度離散度大；在較大應(yīng)力作用下，非線性誤差大等。③結(jié)構(gòu)：材料：見表4--3P型硅單晶半導(dǎo)體敏感柵內(nèi)引線焊接端外引線膠膜襯底應(yīng)變片的主要參數(shù)1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用b×L表示。2）電阻值：應(yīng)變計的原始電阻值。3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。4）其它表示應(yīng)變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。應(yīng)變片應(yīng)用橋梁固有頻率測量原理在橋中設(shè)置一三角形障礙物，利用汽車礙時的沖擊對橋梁進行激勵，再通過應(yīng)變片測量橋梁動態(tài)變形，得到橋梁固有頻率。電阻式傳感器小結(jié)變阻式應(yīng)變式金屬半導(dǎo)體線圈自感或互感的變化位移、振動、壓力被測量的變化主要特征：具有線圈繞組。第四節(jié)電感式傳感器分類自感式互感式------差動變壓器式可變磁阻式渦電流式電感式極距型截面型螺管型將被測機械量轉(zhuǎn)換成電感變化，其工作原理基于電磁感應(yīng)這一物理現(xiàn)象（一）可變磁阻式：1、基本組成：線圈鐵心銜鐵一．自感型：位移磁阻自感2、工作原理：極距型面積型被測位移被測位移3、極距變化型3、極距變化型δLδ0L00特點：①由于非線性關(guān)系，取較小的初始間隙δ0可獲得高的靈敏度；②

由于非線性，工作范圍受限。只能對微小的位移進行測量。（△δ/δ0＜＜0.1,△δ:0.001-1mm)③使用時先定δ0，限制測量范圍4、面積變化型a)可變導(dǎo)磁面積型（同上）b)差動式：5、可變磁組式傳感器的典型結(jié)構(gòu)兩個完全相同的單線圈電感傳感器共用一個活動銜鐵。（電氣參數(shù)，幾何尺寸均相同）靈敏度提高一倍非線性誤差減小穩(wěn)定性好有補償作用差動連接的優(yōu)點0c）單螺管型：d）雙螺管差動型：（二）、渦電流型渦流式傳感器的變換原理，是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的渦電流效應(yīng)。如圖所示，金屬板置于一只線圈的附近，它們之間相互的間距為為δ，當線圈輸入一交變電流i時，便產(chǎn)生交變磁通量Φ，金屬板在此交變磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電流i1，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為“渦電流”或“渦流”。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度h，金屬板與線圈的距離δ，激勵電流角頻率ω等參數(shù)有關(guān)。若改變其中某一參數(shù)，而固定其他參數(shù)不變，就可根據(jù)渦流的變化測量該參數(shù)。

１、渦流傳感器原理

如上圖所示，高頻(>lMHz)激勵電流，產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化，其變化與距離δ、金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、激勵電流i，及角頻率ω等有關(guān)，若只改變距離δ而保持其他系數(shù)不變，則可將位移的變化轉(zhuǎn)換為線圈自感的變化，通過測量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測量。

渦流式傳感器可分為高頻反射式和低頻透射式兩種2、高頻反射式渦流傳感器線圈自感系數(shù)L變化，與以下因素有關(guān)：距離δ板厚h電阻率ρ導(dǎo)磁率μ激勵電流頻率ω輸出電壓被測物體渦流變換器初始安裝間隙鑄鐵、鋼、鋁、銅輸出電壓渦流變換器初始安裝間隙軸鑄鐵、鋼、鋁、銅

低頻透射式渦流傳感器的工作原理如圖所示，發(fā)射線圈ω1和接收線圈ω2分別置于被測金屬板材料G的上、下方。由于低頻磁場集膚效應(yīng)小，滲透深，當?shù)皖l(音頻范圍)電壓e1加到線圈ω1的兩端后，所產(chǎn)生磁力線的一部分透過金屬板材料G,使線圈ω2產(chǎn)生感應(yīng)電動勢e2。但由于渦流消耗部分磁場能量，使感應(yīng)電動勢e2減少，當金屬板材料G越厚時，損耗的能量越大，輸出電動勢e2越小。因此，e2的大小與G的厚度及材料的性質(zhì)有關(guān)，試驗表明，e2隨材料厚度h的增加按負指數(shù)規(guī)律減少,如圖所示，因此，若金屬板材料的性質(zhì)一定，則利用e2的變化即可測量其厚度。3、低頻透射式渦流傳感器4、渦流傳感器的應(yīng)用

渦流式電感傳感器主要用于位移、振動、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等參數(shù)測量，它可實現(xiàn)非線性測量，下圖是渦流式傳感器測厚和渦流式傳感器用于零件計數(shù)的例子。5、渦流傳感器測量電路⑴、阻抗分壓式調(diào)幅電路：振蕩器放大檢波濾波δCReef振蕩器頻率ef振蕩器頻率eδe1e3e2δ3δ1δ2fee1e2f1f2f3δ1δ2δ3圖3-17高頻振蕩器鑒頻器⑵、調(diào)頻電路：分類自感式互感式------差動變壓器式可變磁阻式渦電流式電感式極距型截面型螺管型將被測機械量轉(zhuǎn)換成電感變化，其工作原理基于電磁感應(yīng)這一物理現(xiàn)象二、互感型--差動變壓器式電感傳感器

互感型電感傳感器是利用互感M的變化來反映被測量的變化。這種傳感器實質(zhì)上是一個輸出電壓可變的變壓器。當變壓器初級線圈輸入穩(wěn)定交流電壓后，次級線圈便產(chǎn)生感應(yīng)電壓輸出，該電壓隨被測量的變化而變化。1、工作原理：M-----互感系數(shù)（H）表示兩線圈之間的耦合程度。其大小與兩線圈相對位置及周圍介質(zhì)的導(dǎo)磁能力等因素有關(guān)。2互感型--差動變壓器2、基本結(jié)構(gòu)WW1W2Esx-xEwEoute0te2te1te1te0tte2XX振蕩器放大器Re1e2|e0|xe0X3、測量電路1、極性的確定問題差動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，則輸出值只能反應(yīng)鐵芯位移的大小，而不能反應(yīng)移動的極性；振蕩器放大器Re1e2|e0|xe0X3、測量電路2、殘余電壓地消除問題（調(diào)零）交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓，是由于兩個次級線圈的結(jié)構(gòu)不對稱、鐵磁材質(zhì)不均勻、線圈間分布電容等原因所形成。所以，即使活動銜鐵位于中間位置時，輸出也不為零

圖示為用于小位移的差動相敏檢波電路的工作原理，當沒有信號輸入時，鐵芯處于中間位置，調(diào)節(jié)電阻R，使零點殘余電壓減小；當有信號輸入時，鐵芯移上或移下，其輸出電壓經(jīng)交流放大、相敏檢波(+-)、濾波后得到直流輸出。由表頭指示輸入位移量的大小和方向。振蕩器放大器相敏檢波器R濾波器e1e2e0xe0振蕩器放大器相敏檢波器R濾波器4、差動變壓器式傳感器的特點優(yōu)點：測量精度高（0.1微米），線性范圍大（+-100毫米），穩(wěn)定性好，使用方便。缺點：功耗相對較大，動態(tài)響應(yīng)性能一般，通常只能用于接觸測量。5、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,負荷量;扭矩,應(yīng)力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等.案例：板的厚度測量~案例：張力測量第五節(jié)電容式傳感器一、工作原理：將被測量的變化轉(zhuǎn)換成電容的變化。平行平板電容器：上式表明，當被測量δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化，再通過配套的測量電路，將電容的變化轉(zhuǎn)換為電信號輸出。根據(jù)電容器參數(shù)變化的特性，電容式傳感器可分為極距變化型、面積變化型和介質(zhì)變化型三種，其中極距變化型和面積變化型應(yīng)用較廣。二、分類（一）、極距變化型電容式傳感器

機械量δC

一般在小范圍內(nèi)測量

用于非接觸式測量

差動連接

運放電路運算放大器電路輸出輸入總的靈敏度？（二）、面積變化型電容式傳感器角位移型線位移型圓柱體線位移型圖3-23位移電容的變化面積角位移型角位移型線位移型線位移型圓柱體線位移型圓柱體線位移型

輸入輸出呈線性。但與極距變化型相比，靈敏度較低，適于較大直線位移或角位移的測量。面積變化型電容傳感器的特點：②、液位測量。①、介質(zhì)溫度，濕度或厚度測量；（三）、介質(zhì)變化型氣體介質(zhì)間的電容量液體介質(zhì)間的電容量液位測量(四)電容式傳感器的測量電路

將電容量轉(zhuǎn)換成電量(電壓或電流)的電路稱作電容式傳感器的轉(zhuǎn)換電路，它們的種類很多，目前較常采用的有電橋電路、諧振電路、調(diào)頻電路及運算放大電路等電橋電路圖3-25圖所示為電容式傳感器的電橋測量電路。電容傳感器為電橋的一部分。通常采用電阻、電容或電感、電容組成交流電橋，該圖所示為一種電感、電容組成的電橋。由電容變化轉(zhuǎn)換為電橋的電壓輸出，經(jīng)放大、相敏檢波、濾波后，再推動顯示、記錄儀器諧振式電路

圖所示為諧振式電路的原理框圖，電容傳感器的電容C3作為諧振回路(L2、C2、C3)調(diào)諧電容的一部分。諧振回路通過電感藕合，從穩(wěn)定的高頻振蕩器取得振蕩電壓。當傳感器電容發(fā)生變化時，使得諧振回路的阻抗發(fā)生相應(yīng)的變化，而這個變化被轉(zhuǎn)換為電壓或電流，再經(jīng)過放大、檢波即可得到相應(yīng)的輸出。為了獲得較好的線性關(guān)系，一般諧振電路的工作點選在諧振曲線的線性區(qū)域內(nèi)，最大振幅70%附近的地方，且工作范圍選在BC段內(nèi)。

電容式傳感器的應(yīng)用案例：電容傳聲器

案例:液面高度測量第六節(jié)壓電式傳感器

壓電式傳感器是一種可逆型換能器，它既可以將機械能轉(zhuǎn)換為電能，又可以將電能轉(zhuǎn)化為機械能。它的工作原理是基于某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)。

一．壓電效應(yīng)：a.概念

某些晶體元件，在外力作用下不僅幾何尺寸發(fā)生變化，而且內(nèi)部極化，表面出現(xiàn)電荷，形成電場。外力消去，電荷也隨之消失，尺寸恢復(fù)，這種現(xiàn)象叫做壓電效應(yīng)。相反，如果將這些物質(zhì)(物體)置于電場中，其幾何尺寸也會發(fā)生變化，這種由外電場作用導(dǎo)致物質(zhì)(物體）產(chǎn)生機械變形的現(xiàn)象，稱之為逆壓電效應(yīng)，或稱之為電致伸縮效應(yīng)。b.晶體的各向異性與壓電效應(yīng)模型：電荷發(fā)生器:Q=DF(D壓電常數(shù)；F外力）從理論上講，如果外力保持不變，無電荷泄漏，可以測靜力。但是，由于測量對信號源吸取能量，且不可避免的存在泄漏，因此適合動態(tài)測量。二．壓電材料：單晶石英晶體鈮酸鋰，鉭酸鋰多晶---壓電陶瓷（鈦酸鋇，鋯鈦酸鉛PZT）新型材料三．壓電式傳感器及其等效電路在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，構(gòu)成兩個電極。當壓電晶片受到壓力F的作用時，分別在兩個極板上積聚數(shù)量相等而極性相反的電荷，形成電場。因此，壓電傳感器可以看作是一個電荷發(fā)生器，也可以看成是一個電容器。等效電路：等效電荷源等效電壓源Ra泄漏電阻e0CaRaqCaRa泄漏電阻qCR0u一階高通環(huán)節(jié)不失真的條件？當時能實現(xiàn)不失真?zhèn)鬏斂梢妷弘娫哂袃?yōu)良的高頻特性，低頻特性不好。為了改善其低頻特性（降低下限截止頻率），需有較大的R0或C，而R0≈Ri，即壓電元件需后接高輸入阻抗的運算放大器。即壓電元件需后接高輸入阻抗的運算放大器。并聯(lián)電容量大，電荷量大，時間常數(shù)大，動態(tài)響應(yīng)差，適合于慢變信號的測量。以電荷量輸出的場合。四、壓電晶體片的連接方式串聯(lián)電容量小，電壓大，時間常數(shù)小，動態(tài)響應(yīng)好，適合于快變信號的測