英才學(xué)院《機(jī)械工程測(cè)試技術(shù)》教案03常用傳感器與敏感元件

第三章傳感器及敏感元件教學(xué)目的：1.了解傳感器的分類2.掌握常用傳感器測(cè)量原理及應(yīng)用3.了解常用傳感器測(cè)量電路教學(xué)重點(diǎn)：電阻、電容、電感式、磁電、壓電、熱電式、光電、光纖與半導(dǎo)體傳感器的結(jié)構(gòu)及工作原理教學(xué)方法：講授法、實(shí)驗(yàn)法1.傳感器定義傳感器是借助檢測(cè)元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。置2.傳感器的構(gòu)成敏感器件：感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。傳感元件：感受敏感元件的輸出，然后輸出電學(xué)量輔助器件：對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。§3.1傳感器的分類1.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,熱量光：亮度，色彩2．按傳感器工作原理分類:可分為電阻式、電容式、電感式、壓電式、霍爾式、磁電式、光電式、熱電偶等傳感器。優(yōu)點(diǎn)：顯示傳感器的本質(zhì)，便于理解、了解3．按傳感器輸出信號(hào)的性質(zhì)分類：開(kāi)關(guān)型傳感器：輸出為開(kāi)關(guān)量模擬型傳感器：輸出模擬量數(shù)字型傳感器：輸出為脈沖或代碼的4．按信號(hào)變換特征:物性型和結(jié)構(gòu)型物性型: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，如：壓電式、磁電式、光電式結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)變換，如：電阻式、電容式、電感式5．按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系:能量轉(zhuǎn)換型和能量控制型能量轉(zhuǎn)換型，也稱無(wú)源傳感器，直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使傳感器工作的，如：壓電式、磁電式、光電式能量控制型，也稱有源傳感器，是從外部供給能量使傳感器工作的，并且由被測(cè)量來(lái)控制外部供給能量的變化，如：電阻式、電容式、電感式§3.2機(jī)械式傳感器及儀器1.被測(cè)量可放大而成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測(cè)量的大小。2.微型探測(cè)開(kāi)關(guān)亦被看作機(jī)械式傳感器?！?.3電阻、電容與電感式傳感器一、電阻式傳感器——把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應(yīng)變式.1.變阻器式傳感器pLR=A被測(cè)位移x與輸出電壓Uo的關(guān)系：Uo=(Ue/xp)*x2．電阻應(yīng)變式傳感器——應(yīng)變片工作原理：基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)金屬材料，忽略電阻率變化，靈敏度Sg值多在1.7~3.6之間常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式、箔式兩種。金屬材料的電阻值：金屬材料，忽略電阻率變化d對(duì)于半導(dǎo)體材料，形變引起的電阻率變化大d3.應(yīng)變片的主要參數(shù)幾何參數(shù)：敏感柵尺寸、基底尺寸電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。4.電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用案例：橋梁固有頻率測(cè)量1、變換原理:將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化兩平行極板組成的電容器其電容量為:1)極距δ變化型C==f(6)062062d6極距變化型電容傳感器輸入輸出關(guān)系為非線性，靈敏度與工作點(diǎn)60有關(guān)，在工作點(diǎn)附近，近似線性極距變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)：非接觸測(cè)量，靈敏度高適于小位移測(cè)量為提高靈敏度常采用差動(dòng)型2)面積變化型靈敏度為線性3)介質(zhì)變化型C==f()應(yīng)用：測(cè)量厚度、溫度、濕度、液位2.測(cè)量電路1)直流極化電路：輸出電壓與膜片位移速度成正比uREdCy=0dt=2)諧振電路：為獲得較好的線性，一般工作點(diǎn)應(yīng)選擇在諧振曲線一邊的線性區(qū)域內(nèi)3)調(diào)頻電路：傳感器電容是振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量使傳感器電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化，頻率的變化經(jīng)過(guò)鑒頻器變?yōu)殡妷鹤兓?，再?jīng)過(guò)放大后由記錄器或顯示儀表指示。4)運(yùn)算放大器電路uy=u0=u0輸出電壓與電容傳感器間隙δ成線性關(guān)系，用于位移測(cè)量三、電感式傳感器電感式傳感器的基本原理是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換成線圈電感量(自感或互感)的變化，再經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。根據(jù)變換方式不同可分為：自感型(包括可變磁阻式與渦流式)與互感型(差動(dòng)變壓器式)(1)可變磁阻式(2)渦流式——利用金屬導(dǎo)體在交流磁場(chǎng)中的渦流效應(yīng)2.互感型—差動(dòng)變壓器式電感傳感器——利用了電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象差動(dòng)變壓器運(yùn)行中存在的問(wèn)題：零點(diǎn)殘余電動(dòng)勢(shì)由于差動(dòng)變壓器無(wú)法做到兩個(gè)副邊的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)完全對(duì)稱，所以即使沒(méi)有位移輸入，電路也會(huì)輸出一定的電動(dòng)勢(shì)E0。§3.4磁電、壓電與熱電式傳感器一、磁電式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦袘?yīng)電動(dòng)勢(shì)，也稱為電磁感應(yīng)式傳感器，它是一種將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的能量變換型傳感器。按照結(jié)構(gòu)的不同，磁電式傳感器分為：動(dòng)圈式和磁阻式。1.動(dòng)圈式2.磁阻式磁阻式傳感器的線圈與磁鐵彼此不作相對(duì)運(yùn)動(dòng)。由運(yùn)動(dòng)著的物體改變磁路的磁阻，而引起磁力線增強(qiáng)或減弱，使線圈產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。二、壓電式傳感器1、壓電效應(yīng)：某些物質(zhì)，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部會(huì)被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電晶片：從壓電材料上，按一定方向切出的薄片2、壓電材料(1)石英石英是壓電單晶中最具代表性的，雖壓電常數(shù)不高，但機(jī)械強(qiáng)度較高，時(shí)間和溫度穩(wěn)定性較好，常用作標(biāo)準(zhǔn)、高精度傳感器。(2)壓電陶瓷原始?jí)弘娞沾?，不具有壓電性，極化處理后呈壓電特性；極化處理：在一定的溫度下，利用強(qiáng)電場(chǎng)，使壓電陶瓷的磁疇按規(guī)則排列，呈現(xiàn)壓電特性，極化電場(chǎng)消失后，電疇取向保持不變，在常溫下呈現(xiàn)壓電特性(3)高分子壓電薄膜具有面積大、柔軟不易破碎等優(yōu)點(diǎn)，且可以大量生產(chǎn)。3、壓電式傳感器：兩工作表面鍍金屬膜，構(gòu)成兩個(gè)電極(1)等效電路接入測(cè)量電路，考慮電纜分布電容和負(fù)載電阻、等效電容C＝Ca＋Cc＋Ci(2)測(cè)量電路壓電式傳感器輸出電信號(hào)很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號(hào)先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過(guò)阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。壓電式傳感器案例：飛機(jī)模態(tài)分析4、逆壓電效應(yīng)(電致伸縮)由于外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物質(zhì)的機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)，或稱電致伸縮。壓電材料屬于可逆換能型5.壓電式傳感器的應(yīng)用壓電式傳感器常用來(lái)測(cè)量應(yīng)力壓力、振動(dòng)的加速度，壓電式傳感器也用于聲、超聲和聲發(fā)射等測(cè)量。三、熱電式傳感器——基于熱電效應(yīng)原理而工作按照變換方式不同可分為：熱電偶與熱電阻傳感器。1.熱電偶傳感器熱電偶屬于有源傳感器，使用時(shí)不需要外加電源，可以方便地測(cè)量爐子、管道中的氣體或液體溫度，也可以測(cè)量固體表面溫度。結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、測(cè)量范圍廣、精度高、慣性小、便于遠(yuǎn)距離傳送。(1)熱電偶工作原理兩種不同金屬兩端相互緊密地連接在一起組成一個(gè)閉合回路流通過(guò)。(2)熱電偶基本定律均質(zhì)導(dǎo)體定律：如果構(gòu)成熱電偶的兩種材料相同，不會(huì)產(chǎn)生熱中間導(dǎo)體定律：斷開(kāi)熱電偶回路，接入第三種導(dǎo)體，只要兩個(gè)新接入點(diǎn)等溫，則回路總熱電動(dòng)勢(shì)不變。標(biāo)準(zhǔn)電極定律：如果已知兩種導(dǎo)體分別對(duì)第三種導(dǎo)體的熱電動(dòng)勢(shì)，則前兩種導(dǎo)體之間的熱電動(dòng)勢(shì)可求。2.熱電阻傳感器——利用電阻隨溫度變化的特點(diǎn)制成的傳感器(1)鉑電阻(目前最好材料)(2)銅電阻§3.5光電傳感器原理：利用光電效應(yīng)將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，測(cè)量非電量時(shí)，需要將非電量的變化轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的變化。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、非接觸、高可靠性、高精度和反應(yīng)快，故廣泛用于各種自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中。一、光電測(cè)量原理(光電效應(yīng))1、外光電效應(yīng)2、內(nèi)光電效應(yīng)在光線作用下，電子吸收光子能量從鍵合狀態(tài)過(guò)渡到自由狀態(tài)而使物體電阻率改變的現(xiàn)象稱光電導(dǎo)效應(yīng)。3.光生伏打效應(yīng)——在光線照射下，能使物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象二、光電元件1.真空光電管或光電管光電管的陰極受到從光窗透進(jìn)的光照射后，向真空發(fā)射光電子，這些光電子向陽(yáng)極作加速運(yùn)動(dòng)，形成空間電子流，光電流的數(shù)值取決于陰極的靈敏度與光強(qiáng)。停止光照，外電路將無(wú)電流輸出。2.光電倍增管光電倍增管的電流是逐級(jí)增加的，由于光電倍增管具有放大作用，因此適用做靈敏的若光探測(cè)器。3.光敏電阻光敏電阻當(dāng)光線照射時(shí)，因材料中的電子—空穴對(duì)增加，其電阻值會(huì)變小，當(dāng)光照消失時(shí)，電阻會(huì)恢復(fù)原值，這種現(xiàn)象被稱為光導(dǎo)效應(yīng)。4.光敏晶體管三、光電傳感器的應(yīng)用1.模擬量光電傳感器2.開(kāi)關(guān)量光電傳感器四、應(yīng)用實(shí)例1.冷軋鋼帶跑偏監(jiān)測(cè)2.光電轉(zhuǎn)速計(jì)§3.6光纖傳感器一、分類按光纖的作用，光纖傳感器可分為功能型和傳光型兩種二、光纖導(dǎo)光原理光波沿光纖的傳播是以全反射方式進(jìn)行的。三、光纖傳感器的應(yīng)用四、光纖傳感器的特點(diǎn)(1)不受電磁干擾，電氣絕緣性能好。(2)光波傳輸無(wú)電能和電火花。(3)工作性能優(yōu)于傳統(tǒng)傳感器。(4)重量輕，體積小。(5)具有良好的幾何形狀適應(yīng)性。(6)頻帶寬、動(dòng)態(tài)范圍大。(7)易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)控?！?.7半導(dǎo)體傳感器一、磁敏傳感器1.霍爾元件——半導(dǎo)體材料的磁電轉(zhuǎn)換元件，利用霍爾效應(yīng)進(jìn)行工作波登管在壓力作用下其末端產(chǎn)生位移，帶動(dòng)了霍爾元件在均勻梯度的磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)。當(dāng)霍爾元件通過(guò)恒定電流時(shí)，產(chǎn)生與被測(cè)壓力成正比的霍爾電動(dòng)勢(shì)，完成壓力至電量的變換。HHE=HH(KH：霍爾元件的靈敏度)2.磁阻元件——利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)來(lái)工作的二、熱敏傳感器熱敏電阻是一種半導(dǎo)體溫度傳感器：由金屬氧化物的粉末按一定比例混合燒結(jié)而成。三、氣敏傳感器工作原理：當(dāng)氣敏元件吸附了被測(cè)氣體時(shí)，其導(dǎo)電率發(fā)生了變化。當(dāng)半導(dǎo)體氣敏元件表面吸附氣體分子時(shí)，由于二者相互接收電子的能力不同，產(chǎn)生了正離子或負(fù)離子吸附，引起表面能帶彎曲，導(dǎo)致導(dǎo)電率變化。四、濕敏傳感器濕度傳感器是能夠感受外界濕度變化，并通過(guò)濕敏材料的物理或化學(xué)性質(zhì)變化將濕度大小轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的器件。許多儲(chǔ)物倉(cāng)庫(kù)濕度超過(guò)一定程度，物品易發(fā)生霉變或變質(zhì)；居室濕度希望適中；紡織廠要求車間的濕度保持在60%~70%RH；農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中的溫室育苗、食用菌培養(yǎng)、水果保鮮等都需要對(duì)濕度進(jìn)行檢測(cè)和控制。1.相對(duì)濕度和絕對(duì)濕度絕對(duì)濕度也可用水的蒸汽壓表示。通常把被測(cè)氣體中實(shí)際所含水氣壓力和該氣體在相同溫度下飽和水蒸氣壓的百分比稱為相對(duì)濕度。2.氯化鋰濕敏元件氯化鋰濕敏電阻是利用吸濕性鹽類潮解，離子導(dǎo)電率發(fā)生變化而制成的測(cè)濕元件。它的結(jié)構(gòu)是在條狀絕緣基片的兩面，用化學(xué)沉積或真空蒸渡的方法作上電極，再沉漬一定配方的氯化鋰-聚乙烯醇混合溶液，經(jīng)一定時(shí)間的老化處理，即可制成濕敏電阻傳感元件。五、固態(tài)圖像傳感器從功能上說(shuō)，固態(tài)圖像傳感器能把接收到的光像分成許多小單元，并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，它的核心部分是電荷耦合器件，簡(jiǎn)稱CCD。術(shù)相似，也可作電腦記憶體及邏輯運(yùn)作晶片。CCD是一種特殊的半導(dǎo)體材料，由大量獨(dú)立的感光二極管組成，一般這些感光二極管按照矩陣形式排列(富士公司的SuperCCD除外)。又由于CCD的體積小、造價(jià)低，所以廣泛應(yīng)用于掃描儀、數(shù)碼相機(jī)及數(shù)碼攝像機(jī)中。目前大多數(shù)數(shù)碼相機(jī)采用的視覺(jué)傳感器都是CCD。CCD傳感器又叫電荷耦合器，它是一種特殊的半導(dǎo)體材料，由大量獨(dú)立的感光二極管組成，一般按照矩陣形式排列，相當(dāng)于傳統(tǒng)相機(jī)的膠卷?！?.8紅外測(cè)試系統(tǒng)一、紅外輻射紅外輻射是指太陽(yáng)光中波長(zhǎng)比紅光長(zhǎng)的那部分可見(jiàn)光。二、紅外探測(cè)器1.熱探測(cè)器熱釋電探測(cè)器的工作原理是基于物質(zhì)的熱釋電效應(yīng)。2.光子探測(cè)器光子探測(cè)器的工作原理是：基于半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。三、紅外測(cè)試應(yīng)用1.輻射溫度計(jì)運(yùn)用斯蒂芬—玻爾茲曼定律可進(jìn)行輻射溫度測(cè)量2.紅外測(cè)溫儀3.紅外熱像儀紅外熱像儀的作用:將人的肉眼看不見(jiàn)的紅外熱圖形轉(zhuǎn)換成可見(jiàn)光進(jìn)行處理和顯示，這種技術(shù)稱為紅外熱成像技術(shù)?！?.9激光測(cè)試傳感器激光干涉式測(cè)量?jī)x器1.激光測(cè)長(zhǎng)儀2.激光測(cè)振儀隨著高速旋轉(zhuǎn)多面棱鏡2的旋轉(zhuǎn)，將激光器3發(fā)出的激光束反射到檢測(cè)對(duì)象物上的條形碼4上做一維掃描，條形碼發(fā)射的光件1接收并放大，再傳輸給信號(hào)處理裝置，從而對(duì)條形碼進(jìn)行識(shí)別。4§3.10傳感器選用原則選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)定性、精確度、測(cè)量方式等六個(gè)方面的問(wèn)題。1、靈敏度一般說(shuō)來(lái)，傳感器靈敏度越高越好，