傳感器與機器視覺 課件 三章 壓力檢測傳感器

傳感器與機器視覺湖南鐵道職業(yè)技術(shù)學院楊利第三章力傳感器3.1概述 3.2電阻應(yīng)變式傳感器 3.3壓電式傳感器 3.4電感式傳感器 3.5電容式傳感器 目

錄3.1概述 3.2電阻應(yīng)變式傳感器 3.3壓電式傳感器 3.4電感式傳感器 3.5電容式傳感器 目

錄壓強是垂直地作用在單位面積上的力。它的大小由兩個因素，即受力面積和垂直作用力的大小決定。其表達式為壓強的概念1.力及表示方法

壓強的單位是“帕斯卡”，簡稱“帕”，符號為“Pa”。即1N的力垂直均勻作用在1m2的面積上所形成的壓力值為1Pa。1.力及表示方法TIPS:在受力面積S不變的情況下，由于壓力F和壓強P成正比，因此在測量領(lǐng)域，壓力傳感器的量程經(jīng)常用壓強大小表示。比如某應(yīng)變式壓力傳感器的量程為100Pa。常用單位工程大氣壓標準大氣壓約定毫米水柱約定毫米汞柱1.力及表示方法工程大氣壓

1.力及表示方法標準大氣壓單位符號為atm，是指在緯度45°的海平面上，0℃時的平均大氣壓力。1.力及表示方法約定毫米汞柱

1.力及表示方法約定毫米水柱

1.力及表示方法常用壓力單位換算1.力及表示方法壓力的常用表示方式絕對壓力：以絕對真空作為基準所表示的壓力。相對壓力：以大氣壓力作為基準所表示的壓力，由于大多數(shù)測壓儀表所測得的壓力都是相對壓力，故相對壓力也稱表壓力。真空度（負壓）：當絕對壓力小于大氣壓力時，可用容器內(nèi)的絕對壓力不足一個標準大氣壓的數(shù)值。絕對壓力=大氣壓力十相對壓力相對壓力（表壓）大氣壓力線負壓絕對壓力真空度10絕對壓力絕對壓力的零線11.力及表示方法電阻應(yīng)變片式壓力傳感器電阻絲應(yīng)變片電子稱2.力傳感器類型壓電式壓力傳感器壓電晶體壓電式壓力傳感器2.力傳感器類型電感式和電容式壓力傳感器電感式壓力傳感器2.力傳感器類型電容式壓力傳感器2.力傳感器類型壓力傳感器類型原理特點典型應(yīng)用電阻應(yīng)變式應(yīng)變效應(yīng)性能穩(wěn)定重力測量壓電式壓電效應(yīng)結(jié)構(gòu)簡單，但不能測量靜態(tài)參數(shù)機床切削力測量電感式電感值變化測量精度高、穩(wěn)定氣體壓力測量電容式電容值變化結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強液體或氣體壓力測量3.1概述 3.2電阻應(yīng)變式傳感器

3.3壓電式傳感器 3.4電感式傳感器 3.5電容式傳感器 目

錄

組成：由敏感柵1、基底2、蓋片3、引線4和粘結(jié)劑等組成，敏感柵是實現(xiàn)應(yīng)變與電阻轉(zhuǎn)換的敏感元件。2341bl柵長柵寬1.應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及分類分類：金屬絲式

將金屬電阻絲粘貼在絕緣基片上，上面覆蓋一層薄膜，使它們變成一個整體。蠕變較大，金屬絲易脫膠；便宜；直徑0.015~0.05mm。

1.應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及分類分類：金屬箔式利用光刻、腐蝕等工藝制成一種很薄的金屬箔柵，粘貼在基片上，上面再覆蓋一層薄膜而制成。

散熱條件較好；蠕變較??；直徑0.001~0.01mm。

1.應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及分類分類：金屬薄膜式

采用真空蒸發(fā)或真空沉淀等方法在薄的絕緣基片上形成0.1μm以下的金屬電阻薄膜的敏感柵,最后再加上保護層。

它的優(yōu)點是應(yīng)變靈敏度系數(shù)大,允許電流密度大,工作范圍廣。

1.應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及分類分類：半導(dǎo)體應(yīng)變片

基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)而制成的一種純電阻性元件。指半導(dǎo)體材料在某一軸向受外力作用時,其電阻率ρ發(fā)生變化的現(xiàn)象。體積小、靈敏度高、機械滯后小溫度穩(wěn)定性差、非線性嚴重

1.應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及分類對比：

半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏度特別高，但是對溫度敏感.電阻應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片1.應(yīng)變片結(jié)構(gòu)及分類（1）應(yīng)變效應(yīng)我們可以做這樣一個較簡單的實驗：取一根細電阻絲，記下其初始阻值（圖中為10.01

）。當我們用力將該電阻絲拉長時，會發(fā)現(xiàn)其阻值略有增加（增加到為10.05

）。1.應(yīng)變片傳感器原理（1）應(yīng)變效應(yīng)

設(shè)有一長度為l、截面積為A、半徑為r、電阻率為

的金屬單絲，它的電阻值R可表示為

當沿金屬絲的長度方向作用均勻拉力（或壓力）時，上式中

、r、l都將發(fā)生變化，從而導(dǎo)致電阻值R發(fā)生變化。例如（1）金屬絲受拉時，l將變長、r變小，均導(dǎo)致R變大；（2）某些半導(dǎo)體受拉時,

將變大，導(dǎo)致R變大。1.應(yīng)變片傳感器原理（1）應(yīng)變效應(yīng)電阻絲及應(yīng)變片的電阻相對變化量

R

R與材料力學中的軸向應(yīng)變

x的關(guān)系在很大范圍內(nèi)是線性的，即K—電阻應(yīng)變片的靈敏度

x—稱為電阻絲的軸向應(yīng)變，也稱縱向應(yīng)變。

x通常很小，在應(yīng)變測量中，也常將之稱為微應(yīng)變。

彈性敏感元件電阻應(yīng)變片F(xiàn)

x測量電橋u或i1.應(yīng)變片傳感器原理（1）應(yīng)變效應(yīng)原理：將被測量的變化轉(zhuǎn)換為電阻值的變化，再經(jīng)過轉(zhuǎn)換電路變成電信號輸出。電阻應(yīng)變片傳感器主要由電阻應(yīng)變片和應(yīng)變電橋等組成。彈性體應(yīng)變電橋應(yīng)變電橋A/D顯示器補償電路穩(wěn)壓電路指示器+被測力電阻應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)1.應(yīng)變片傳感器原理1.應(yīng)變片傳感器原理（2）.彈性敏感元件：物體在外力作用下改變原來尺寸或形狀的現(xiàn)象稱為變形。如果變形后的物體在外力去除后又恢復(fù)原來形狀的變形稱為彈性變形，具有彈性變形特性的物體稱為彈性敏感元件。（4）應(yīng)變電橋——惠斯通電橋電橋平衡：檢測電阻的微小變化；電橋平衡條件：Uo=0；I2I11.應(yīng)變片傳感器原理（3）

應(yīng)變電橋——惠斯特電橋單臂橋：

1.應(yīng)變片傳感器原理（3）應(yīng)變電橋——惠斯特電橋雙臂橋：

1.應(yīng)變片傳感器原理(3)應(yīng)變電橋——惠斯特電橋全橋：

可見：電壓輸出是單臂電橋的4倍，比半橋也提高了一倍。環(huán)式力傳感器1.應(yīng)變片傳感器原理(1)應(yīng)用：重力測量2.應(yīng)變片傳感器應(yīng)用(2)應(yīng)用：筒式應(yīng)變片壓力傳感器2.應(yīng)變片傳感器應(yīng)用(3)應(yīng)用：應(yīng)變片測轉(zhuǎn)矩2.應(yīng)變片傳感器應(yīng)用(4)應(yīng)用：應(yīng)變片測液體重量2.應(yīng)變片傳感器應(yīng)用3.1概述 3.2電阻應(yīng)變式傳感器 3.3壓電式傳感器

3.4電感式傳感器 3.5電容式傳感器 目

錄

分正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

正壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。1.壓電效應(yīng)逆壓電效應(yīng)：當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失；電場方向不同，形變方向不同。1.壓電效應(yīng)一種自發(fā)式傳感器，以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，在外力的作用下，在電介質(zhì)的表面產(chǎn)生電荷，實現(xiàn)力與電荷的轉(zhuǎn)換；

測量力、加速度等；但不能用于靜態(tài)參數(shù)的測量；

具有結(jié)構(gòu)簡單、質(zhì)量輕、靈敏度高等特點；2.壓電傳感器壓電晶體：以石英晶體SiO2為代表。特點：天然的單晶體、壓電常數(shù)穩(wěn)定、壓電常數(shù)較?。粦?yīng)用：標準傳感器、精密測量；3.壓電材料壓電晶體：以石英晶體SiO2為代表。石英晶體振蕩器（晶振）3.壓電材料

壓電陶瓷：

人造多晶體

特點：壓電靈敏度更高，但機械強度較低；成本低；

居里點：310攝氏度

3.壓電材料

壓電陶瓷：

人造多晶體

超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片醫(yī)用B超換能器用晶片3.壓電材料高分子壓電材料:柔軟，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達80dB3.壓電材料高分子壓電薄膜制作的壓電喇叭

（逆壓電效應(yīng)）

壓電喇叭3.壓電材料壓電式壓力傳感器

引線殼體基座壓電晶片受壓膜片導(dǎo)電片p4.應(yīng)用受壓膜片會受到壓力F作用，在壓電晶片表面產(chǎn)生電荷：其中d為壓電常數(shù)，S為受力面積。壓力傳感器的輸出電壓：C為傳感器的電容量。當壓電式壓力傳感器受到壓強P時，壓電式加速度傳感器

4.應(yīng)用當緊急碰撞時，速度突變，產(chǎn)生大的加速度a由于牛頓慣性定律，質(zhì)量塊受到慣性力F的沖擊：由于壓電效應(yīng)，壓電元件產(chǎn)生電荷：壓電傳感器的輸出電壓：壓電式周界報警系統(tǒng)：埋在泥土的淺表層，可起分布式地下麥克風或聽音器的作用，可在幾十米范圍內(nèi)探測人的步行,對輪式或履帶式車輛也可以通過信號處理系統(tǒng)分辨出來。4.應(yīng)用壓電式速度傳感器

測量速度、重量和車型。4.應(yīng)用3.1概述 3.2電阻應(yīng)變式傳感器 3.3壓電式傳感器 3.4電感式傳感器 3.5電容式傳感器 目

錄1.外形非接觸式位移傳感器測厚傳感器電感粗糙度儀接近式傳感器2.概述概述：電感式傳感器是一種機電轉(zhuǎn)換裝置，特別是在自動控制設(shè)備中廣泛應(yīng)用。能測量位移、振動、壓力、應(yīng)變、流量、比重等物理量。原理：電感式傳感器利用電磁感應(yīng)定律將被測非電量轉(zhuǎn)換為電感或互感的變化。電感式傳感器自感式傳感器互感式傳感器電渦流式傳感器電磁感應(yīng)被測非電量自感系數(shù)L互感系數(shù)M測量電路

U、I、f分類原理根據(jù)結(jié)構(gòu)型式，分氣隙型和螺管型3.優(yōu)缺點優(yōu)點：結(jié)構(gòu)簡單、可靠，測量力?。恒曡F為(0.5～200)×10-4N時，磁吸力為(1~10)×10-4N；分辨力高：機械位移：0.1μm，甚至更??；角位移：0.1角秒。輸出信號強，電壓靈敏度可達數(shù)百mV/mm。重復(fù)性好，線性度優(yōu)良：在幾十μm到數(shù)百mm的位移范圍內(nèi)，輸出特性的線性度較好，且比較穩(wěn)定。不足：存在交流零位信號，不宜于高頻動態(tài)測量。4.自感式線圈鐵芯銜鐵氣隙型電感傳感器線圈電感：N-線圈匝數(shù)如果S保持不變，則L為lδ的單值函數(shù)，構(gòu)成變氣隙式自感傳感器。若保持lδ不變，使S隨被測量（如位移）變化，則構(gòu)成變截面式自感傳感器。R1R2L2L1差動氣隙型電感傳感器在實際使用中，常采用兩個相同的傳感線圈共用一個銜鐵，構(gòu)成差動式自感傳感器4.自感式4.互感式L1R22L21M1M2L22R21R1～～～差動變壓器的等效電路普通變壓器差動變壓器磁路閉合開互感常數(shù)隨銜鐵位移而變123螺管型差動變壓器41：初級線圈

——>L12，3：次級線圈

——>L21，L224：銜接

——>M1M2e1/e21=N1/N21;e1/e22=N1/N22;E2=e21-e224.互感式～220V1接頭2膜盒3底座4線路板5差動變壓器6銜鐵7罩殼V振蕩器穩(wěn)壓電源差動變壓器相敏檢波電路1234567這種變送器可分檔測量(–5×105～6×105)N/m2壓力，輸出信號電壓為(0～50)mV，精度為1.5級。5.電渦流式原理：交變磁通在包圍它的任何閉合導(dǎo)電回路中都將產(chǎn)生感應(yīng)電流。當導(dǎo)體置于交變磁場或在磁場中運動時，導(dǎo)體上引起感生電流ie，此電流在導(dǎo)體內(nèi)閉合，稱為渦流。渦流的大小影響因素：導(dǎo)體電阻率ρ；磁導(dǎo)率μ；線圈激勵電流的頻率f

；線圈與被測體之間距離x；5.電渦流式某電感式接近開關(guān)的特性參數(shù)3.1概述 3.2電阻應(yīng)變式傳感器 3.3壓電式傳感器 3.4電感式傳感器

3.5電容式傳感器 目

錄1.外形電容差壓變送器電容式液位計智能化液位限位傳感器2.優(yōu)缺點工作原理：將被測量轉(zhuǎn)化為電容量的變化實現(xiàn)測量。實質(zhì)上相當于具有可變參數(shù)的電容器。應(yīng)用范圍:

位移、壓力、加速度、液位、成份含量等測量。優(yōu)點:1.溫度穩(wěn)定性好：電容值與電極材料無關(guān)，本身發(fā)熱極小2.結(jié)構(gòu)簡單、適應(yīng)性強：能夠承受高壓力、高沖擊、過載等情況3.動態(tài)響應(yīng)好4.可以實現(xiàn)非接觸測量、具有平均效應(yīng)缺點:1.輸出阻抗高、負載能力差：必須采取屏蔽措施。2.寄生電容影響大64

S——極板相對覆蓋面積；

δ

——極板間距離；

εr——相對介電常數(shù)；

ε0——真空介電常數(shù)，；

ε

——電容極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。δSε3.工作原理4.分類c)變介電常數(shù)型a)極距變化型;+++b)面積變化型:角位移型,平面線位移型,柱面線位移型.++++++變極距(δ）型:(a)、(e)變面積型(S)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）變介電常數(shù)(ε

)型:（i）～(l)4.分類5.應(yīng)用--電容式差壓傳感器67高壓側(cè)進氣口低壓側(cè)進氣口電子線路位置內(nèi)部不銹鋼膜片的位置P2玻璃盤鍍金層金屬膜片C2電極引線p1C1結(jié)構(gòu)簡單、靈敏度高、響應(yīng)速度快(約100ms)能測微小壓差(0～0.75Pa)、真空或微小絕對壓力需把膜片的一側(cè)密封并抽成高真空(10-5Pa)即可利用電容差壓變送器測量液體的液位

差壓變送器施加在高壓側(cè)腔體內(nèi)的壓力與液位成正比：

p=

gh5.應(yīng)用--電容式差壓傳感器5.應(yīng)用--電容式加速度傳感器231B面A面546C1C21、5－固定極板2－殼體3－簧片4－質(zhì)量塊6－絕緣體硅微加工加速度傳感器微加工三軸加速度傳感器5.應(yīng)用--指紋識別

指紋識別目前最常用的是電容式傳感器，也被稱為第二代指紋識別系統(tǒng)。它的優(yōu)點是體積小、成本低，成像精度高，而且耗電量很小，因此非常適合在消費類電子產(chǎn)品中使用。5.應(yīng)用--指紋識別

指紋識別所需電容傳感器包含一個大約有數(shù)萬個金屬導(dǎo)體的陣列，其外面是一層絕緣的表面，當用戶的手指放在上面時，金屬導(dǎo)體陣列/絕緣物/皮膚就構(gòu)成了相應(yīng)的小電容器陣列。它們的電容值隨著脊（近的）和溝（遠的）與金屬導(dǎo)體之間的距離不同而變化。5.應(yīng)用--電容屏（自電容式）原理：每一個通道都是感應(yīng)通道，感應(yīng)通道跟地之間會形成寄生電容Cp，當人手觸摸時，人手和地、感應(yīng)通道也形成電容Cfinger，控制IC通過檢測電容的增加判斷是否有觸摸。5.應(yīng)用--電容屏（自電容式）原理：把感應(yīng)通道做成三角形，多個三角形