第三章 傳感器課件.ppt

第3章安全檢測(cè)常用傳感器 3 1傳感器的作用及分類(lèi)3 2結(jié)構(gòu)型傳感器3 3物性傳感器3 4其他類(lèi)型傳感器3 5傳感器的選用原則 3 1傳感器的作用及分類(lèi) 3 1 1傳感器的作用傳感器是實(shí)現(xiàn)檢測(cè)與自動(dòng)控制的首要環(huán)節(jié) 而傳感技術(shù)是衡量科學(xué)技術(shù)現(xiàn)代化程度的重要標(biāo)志 如果沒(méi)有傳感器對(duì)原始信息進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的捕獲與轉(zhuǎn)換 一切準(zhǔn)確的檢測(cè)與控制將無(wú)法實(shí)現(xiàn) 信息的采集 捕獲 與轉(zhuǎn)換主要依賴(lài)于各種類(lèi)型的傳感器 信息的處理主要依靠電子技術(shù)和各種計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)與各種智能儀器將很快地在各個(gè)科學(xué)技術(shù)部門(mén)發(fā)揮巨大作用 然而 如果沒(méi)有各種類(lèi)型的傳感器去準(zhǔn)確地捕獲并轉(zhuǎn)換信息 即使最現(xiàn)代化的計(jì)算機(jī)也無(wú)法充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用 目前 傳感器的應(yīng)用已經(jīng)滲透到各個(gè)學(xué)科領(lǐng)域 空間技術(shù) 海洋開(kāi)發(fā) 資源探測(cè) 生物工程 人體科學(xué)等高技術(shù)領(lǐng)域 以實(shí)驗(yàn)檢測(cè)為基礎(chǔ)并與傳感器技術(shù)的發(fā)展密切相關(guān)的 工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程的現(xiàn)代化 主要依靠各種傳感器來(lái)監(jiān)測(cè)與控制生產(chǎn)過(guò)程的各種參數(shù) 在生活領(lǐng)域中已進(jìn)人每一個(gè)家庭 傳感器技術(shù)已形成一個(gè)完整獨(dú)立的科學(xué)體系 相信在不久的將來(lái) 對(duì)傳感器的研究將進(jìn)人一個(gè)嶄新的階段 3 1 2傳感器的分類(lèi)1 按輸入量 被測(cè)對(duì)象 分類(lèi)輸入量即被測(cè)對(duì)象 按此方法分類(lèi) 傳感器可分為物理量傳感器 化學(xué)量傳感器和生物量傳感器三大類(lèi) 其中 物理量傳感器又可分為溫度傳感器 壓力傳感器 位移傳感器等等 2 按轉(zhuǎn)換原理分類(lèi)從傳感器的轉(zhuǎn)換原理來(lái)說(shuō) 通常分為結(jié)構(gòu)型 物性型兩大類(lèi) 結(jié)構(gòu)型傳感器是利用機(jī)械構(gòu)件 如金屬膜片等 在動(dòng)力場(chǎng)或電磁場(chǎng)的作用下產(chǎn)生變形或位移 將外界被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電阻 電感 電容等物理量 它是利用物理學(xué)運(yùn)動(dòng)定律或電磁定律實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的 物性型傳感器是利用材料的固態(tài)物理特性及其各種物理 化學(xué)效應(yīng) 即物質(zhì)定律 如虎克定律 歐姆定律等 實(shí)現(xiàn)非電量的轉(zhuǎn)換 它是以半導(dǎo)體 電介質(zhì) 鐵電體等作為敏感材料的固態(tài)器件 3 按能量轉(zhuǎn)換的方式分類(lèi) 按轉(zhuǎn)換元件的能量轉(zhuǎn)換方式 傳感器可分為有源型和無(wú)源型兩類(lèi) 有源型也稱(chēng)能量轉(zhuǎn)換型或發(fā)電型 它把非電量直接變成電壓量 電流量 電荷量等 如磁電式 壓電式 光電池 熱電偶等 無(wú)源型也稱(chēng)能量控制型或參數(shù)型 它把非電量變成電阻 電容 電感等量 4 按輸出信號(hào)的形式分類(lèi)按輸出信號(hào)的形式 傳感器可分為開(kāi)關(guān)式 模擬式和數(shù)字式 5 按輸入和輸出的特性分類(lèi)按輸入 輸出特性 傳感器可分為線性和非線性兩類(lèi) 3 2結(jié)構(gòu)型傳感器 3 2 1電阻式傳感器 1 電阻式傳感器1 原理金屬體都有一定的電阻 電阻值因金屬的種類(lèi)而異 同樣的材料 越細(xì)或越薄 則電阻值越大 當(dāng)加有外力時(shí) 金屬若變細(xì)變長(zhǎng) 則阻值增加 若變粗變短 則阻值減小 如果發(fā)生應(yīng)變的物體上安裝有金屬電阻 當(dāng)物體伸縮時(shí) 金屬體也按某一比例發(fā)生伸縮 因而電阻值產(chǎn)生相應(yīng)的變化 設(shè)有一根長(zhǎng)度為l 截面積為A 電阻率為 的金屬絲 則它的電阻值R可用下式表示 3 1 從上式可見(jiàn) 若導(dǎo)體的三個(gè)參數(shù) 電阻率 長(zhǎng)度和截面積 中的一個(gè)或數(shù)個(gè)發(fā)生變化 則電阻值隨著變化 因此可利用此原理來(lái)構(gòu)成傳感器 例如 若改變長(zhǎng)度l 則可形成電位器式傳感器 改變l A和 則可做成電阻應(yīng)變片 改變 則可形成熱敏電阻 光導(dǎo)性光檢測(cè)器等 2 電阻式傳感器結(jié)構(gòu) 由電阻元件及電刷 活動(dòng)觸點(diǎn) 兩個(gè)基本部分組成 電刷相對(duì)于電阻元件的運(yùn)動(dòng)可以是直線運(yùn)動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)和螺旋運(yùn)動(dòng) 因而可以將直線位移或角位移轉(zhuǎn)換為與其成一定函數(shù)關(guān)系的電阻或電壓輸出 3 電阻式傳感器應(yīng)用 電阻式傳感器與相應(yīng)的測(cè)量電路組成的測(cè)力 測(cè)壓 稱(chēng)重 測(cè)位移 加速度 扭矩等測(cè)量?jī)x表是冶金 電力 交通 石化 商業(yè) 生物醫(yī)學(xué)和國(guó)防等部門(mén)進(jìn)行自動(dòng)稱(chēng)重 過(guò)程檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程自動(dòng)化不可缺少的工具之一 4 電阻式傳感器的優(yōu)缺點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 輸出精度較高 線性和穩(wěn)定性好等特點(diǎn) 但是它受環(huán)境條件如溫度等影響較大 有分辨率不高等不足之處 2 電位器式傳感器電位器式傳感器通過(guò)滑動(dòng)觸點(diǎn)把位移轉(zhuǎn)換為電阻絲的長(zhǎng)度變化 從而改變電阻值大小 進(jìn)而再將這種變化值轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化值 2 電位器式傳感器 電位器式傳感器分為線繞式和非線繞式兩大類(lèi) 線繞電位器是最基本的電位器式傳感器 非線繞式電阻傳感器則是在線繞電位器的基礎(chǔ)上 在電阻元件的形式和工作方式上有所發(fā)展 包括薄膜電位器 導(dǎo)電塑料電位器和光電電位器等 線繞電位器式傳感器的核心 即轉(zhuǎn)換元件是精密電位器 它可實(shí)現(xiàn)機(jī)械位移信號(hào)與電信號(hào)的模擬轉(zhuǎn)換 是一種重要的機(jī)電轉(zhuǎn)換元件 圖3 1線繞電位器式傳感器原理圖 工作時(shí) 在電阻元件的兩端 即Ui端加上固定的直流工作電壓 從Uo端就有電壓輸出 并且 這個(gè)輸出電壓的大小與電刷所處的位置相關(guān) 當(dāng)電刷臂隨著被測(cè)量產(chǎn)生位移x時(shí) 輸出電壓也發(fā)生相應(yīng)的變化 這是精密電位器的基本工作原理 易見(jiàn) 3 2 線繞電位器式傳感器又分為直線位移型 角位移型和非線性型等 下圖 不管是哪種類(lèi)型的傳感器 都由線圈 骨架和滑動(dòng)觸頭等組成 線圈繞于骨架上 觸頭可在繞線上滑動(dòng) 當(dāng)滑動(dòng)觸頭在繞線上的位置改變時(shí) 即實(shí)現(xiàn)了將位移變化轉(zhuǎn)換為電阻變化 圖3 2線繞電位器式傳感器的組成 a 直線位移型 b 角位移型 c 非線性型 3 電阻應(yīng)變式傳感器電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件和電阻應(yīng)變片組成 當(dāng)彈性敏感元件受到被測(cè)量作用時(shí) 將產(chǎn)生位移 應(yīng)力和應(yīng)變 則粘貼在彈性敏感元件上的電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換成電阻的變化 這樣 通過(guò)測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值變化 從而確定被測(cè)量的大小 3 電阻應(yīng)變式傳感器 主要優(yōu)點(diǎn)是 1 由于電阻應(yīng)變片尺寸小 重量輕 因而具有良好的動(dòng)態(tài)特性 適用于靜態(tài)和動(dòng)態(tài)測(cè)量 2 測(cè)量應(yīng)變的靈敏度和精度高 可測(cè)量1 2 m應(yīng)變 誤差小于1 2 3 測(cè)量范圍上 既可測(cè)量彈性變形 也可測(cè)量塑性變形 變形范圍從1 20 4 能適應(yīng)各種環(huán)境 可在高 低 溫 超低壓 高壓 水下 強(qiáng)磁場(chǎng)以及輻射和化學(xué)腐蝕等惡劣環(huán)境下使用 電阻應(yīng)變式傳感器缺點(diǎn)是輸出信號(hào)微弱 在大應(yīng)變狀態(tài)下具有較明顯的非線性等 1 電阻應(yīng)變片的分類(lèi)和結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變片的分類(lèi) 電阻應(yīng)變片的種類(lèi)繁多 分類(lèi)方法也各異 按所選用的敏感材料可分為 金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片 按敏感柵結(jié)構(gòu)可分為 單軸應(yīng)變片和多軸應(yīng)變片 按基底材料可分為 紙質(zhì)應(yīng)變片 膠基應(yīng)變片 金屬基底應(yīng)變片 浸膠基應(yīng)變片 按制柵工藝可分為 絲繞式應(yīng)變片 短接式應(yīng)變片 箔式應(yīng)變片 薄膜式應(yīng)變片 按使用溫度可分為 低溫應(yīng)變片 30 以下 常溫應(yīng)變片 30 60 中溫應(yīng)變片 60 350 高溫應(yīng)變片 350 以上 按安裝方式可分為 粘貼式應(yīng)變片 焊接式應(yīng)變片 噴涂式應(yīng)變片 埋入式應(yīng)變片 按用途可分為 一般用途應(yīng)變片 特殊用途應(yīng)變片 水 疲勞壽命 抗磁感應(yīng) 裂縫擴(kuò)展等 按制造工藝可分為 體型半導(dǎo)體應(yīng)變片 擴(kuò)散 含外延 型半導(dǎo)體應(yīng)變片 薄膜型半導(dǎo)體應(yīng)變片 N P元件半導(dǎo)體型應(yīng)變片 電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu) 電阻應(yīng)變片 簡(jiǎn)稱(chēng)應(yīng)變片 的種類(lèi)繁多 但基本構(gòu)造大體相同 都是由敏感柵 基底 覆蓋層 引線和粘合劑構(gòu)成 如圖3 4所示 圖3 4電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu) 3 2 2電容式傳感器1 電容式傳感器的工作原理和結(jié)構(gòu)電容式傳感器常用的是平板電容器 平板電容器由兩個(gè)金屬平行板組成 通常以空氣為介質(zhì) 如圖所示 在忽略邊緣效應(yīng)時(shí) 平行板電容器的電容為 3 18 3 19 式中 C 電容量 F 0 真空介電常數(shù) r 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) A 極板的有效面積 m2 d 兩平行極板間的距離 m 2 電容式傳感器測(cè)量電路 電容式傳感器將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電容量的變化 但由于電容及其變化量均很小 pF級(jí) 因此必須借助測(cè)量電路檢測(cè)出這一微小電容及增量 并將其轉(zhuǎn)換成電壓 電流或頻率 以便于顯示 記錄或傳輸 電容式傳感器的測(cè)量電路種類(lèi)很多 除前面介紹的電橋電路外 還可采用運(yùn)算放大器電路 運(yùn)算放大器電路 為克服電容式傳感器極距的變化呈非線性關(guān)系缺點(diǎn) 最方便 簡(jiǎn)單的辦法就是把變極距型電容傳感器作為比例運(yùn)算放大器的反饋環(huán)節(jié) 如圖3 12所示 圖中 運(yùn)算放大器的輸入端為電容C0 其反饋環(huán)節(jié)為變極距式電容傳感器Cx 亦為電容 根據(jù)比例放大的運(yùn)算關(guān)系 3 35 故可得 3 36 上式表明 若激勵(lì)電壓Ui與輸入電容C0保持不變 則輸出電壓Uo與極距 成線性關(guān)系 此電路常用于位移測(cè)量傳感器 圖3 12運(yùn)算放大器電路 3 優(yōu)缺點(diǎn) 1 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 適應(yīng)性強(qiáng) 2 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好 3 分辨率高 4 溫度穩(wěn)定性好 5 可實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量 具有平均效應(yīng)不足之處是輸出阻抗高 負(fù)載能力差 4 應(yīng)用 1 ZCS1100型精密電容位移傳感器 本傳感器可以在線檢測(cè)壓電微位移 振動(dòng)臺(tái) 電子顯微鏡微調(diào) 天文望遠(yuǎn)鏡鏡片微調(diào) 精密微位移測(cè)量等 4 應(yīng)用 2 FWS C 型在線電容式水分檢測(cè)傳感器 在線檢測(cè)各種工作機(jī)械的液壓 潤(rùn)滑系統(tǒng)介質(zhì)的含水率 特別是外部水容易滲入機(jī)械內(nèi)部的軋鋼機(jī) 造紙機(jī) 汽輪機(jī) 船舶機(jī)械 4 應(yīng)用 3 FW C1型電容式潤(rùn)滑油實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)傳感器 本傳感器可以在線準(zhǔn)確測(cè)定潤(rùn)滑油的污染程度 包括氧化程度 含水量和其它機(jī)械化學(xué)雜質(zhì)污染度 從而精確測(cè)定潤(rùn)滑油質(zhì)量 判定是否需要更換潤(rùn)滑油 即可節(jié)約油料 又能預(yù)測(cè)設(shè)備故障 是設(shè)備潤(rùn)滑油管理中改變傳統(tǒng)的按期換油 實(shí)現(xiàn)按質(zhì)換油的關(guān)鍵部件 3 2 3電感式傳感器電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移 壓力 流量 振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)和互感系數(shù)的變化 再由電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出 實(shí)現(xiàn)非電量到電量的轉(zhuǎn)換 常見(jiàn)電感式傳感器有自感式 互感式 磁電式傳感器 1 自感式電感傳感器 自感式電感傳感器主要用來(lái)測(cè)量位移或者是可以轉(zhuǎn)換成位移的被測(cè)量 如振動(dòng) 厚度 壓力 流量等 工作時(shí) 它是利用線圈自感量的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量的 它由線圈 鐵芯和銜鐵三部分組成 2 互感式電感傳感器 互感式電感傳感器是利用線圈的互感作用將位移轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電勢(shì)的變化 互感式電感傳感器實(shí)際上是一個(gè)具有可動(dòng)鐵芯和兩個(gè)次級(jí)線圈的變壓器 變壓器初級(jí)線圈接入交流電源時(shí) 次級(jí)線圈因互感作用產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 當(dāng)互感變化時(shí) 輸出電勢(shì)亦發(fā)生變化 又稱(chēng)為差動(dòng)變壓器式電感傳感器 簡(jiǎn)稱(chēng)差動(dòng)變壓器 下面介紹目前廣泛采用的螺管式差動(dòng)變壓器 工作原理螺管式差動(dòng)變壓器主要由線圈框架A 繞在框架上的一組初級(jí)線圈W和兩個(gè)完全相同的次級(jí)線圈W1 2及插入線圈中心的圓柱形鐵芯B組成 如圖3 20 a 所示 圖3 20差動(dòng)變壓器 a 結(jié)構(gòu)原理 b 等效電路 c 輸出特性 當(dāng)初級(jí)線圈W加上一定的交流電壓時(shí) 次級(jí)線圈W1和W2 由于電磁感應(yīng)分別產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)e1和e2 其大小與鐵芯在線圈中的位置有關(guān) 把感應(yīng)電勢(shì)e1和e2反極性串聯(lián) 則輸出電勢(shì)為 次級(jí)線圈產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)為 3 44 式中 M 初級(jí)線圈與次級(jí)線圈之間的互感 i 流過(guò)初級(jí)線圈的激磁電流 以上分析表明 差動(dòng)變壓器輸出電壓的大小反映了鐵芯位移的大小 輸出電壓的極性反映了鐵芯運(yùn)動(dòng)的方向 3 電感式傳感器有如下幾個(gè)特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn) 工作可靠 壽命較長(zhǎng) 靈敏度和分辨率高 電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出 線性度和重復(fù)性比較好 在一定位移 如幾十微米至幾毫米 內(nèi) 傳感器非線性誤差可做到0 05 0 1 并且穩(wěn)定性好 4 應(yīng)用 電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等突出的優(yōu)點(diǎn) 特別適合用于酸類(lèi) 堿類(lèi) 氯化物 有機(jī)溶劑 液態(tài)CO2 氨水 PVC粉料 灰料 油水界面等液位測(cè)量 目前在冶金 石油 化工 煤炭 水泥 糧食等行業(yè)中應(yīng)用廣泛 3 2 4磁電式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器磁電感應(yīng)式傳感器是利用導(dǎo)體和磁場(chǎng)發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)而在導(dǎo)體兩端輸出感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 是一種機(jī) 電能量轉(zhuǎn)換型傳感器 不需要供電電源 電路簡(jiǎn)單 性能穩(wěn)定 輸出阻抗小 又具有一定的頻率范圍 一般為10 1000Hz 適應(yīng)于振動(dòng) 轉(zhuǎn)速 扭矩等測(cè)量 根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律 N匝線圈在磁場(chǎng)中作切割磁力線運(yùn)動(dòng)或穿過(guò)線圈的磁通量變化時(shí) 線圈中產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e與磁通的變化率有如下關(guān)系 3 46 進(jìn)入線圈的磁通量越大 d 也越大 如果相對(duì)運(yùn)動(dòng)速度越快 即v或 越大 相當(dāng)于dt越小 就越大 感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e還與線圈匝數(shù)N成正比 不同類(lèi)型的磁電感應(yīng)式傳感器 實(shí)現(xiàn)磁通量 變化的方法不同 有恒磁通的動(dòng)圈式與動(dòng)鐵式磁電感應(yīng)式傳感器 有變磁通的 變磁阻 的開(kāi)磁路式或閉磁路式磁電感應(yīng)式傳感器 磁電感應(yīng)式傳感器的直接應(yīng)用是測(cè)量線速度v和角速度 如圖3 22所示 其中圖 a 為測(cè)線速度v 圖 b 為測(cè)角速度 當(dāng)線圈垂直于磁場(chǎng)方向運(yùn)動(dòng)時(shí) 磁電式傳感器是利用電磁感應(yīng)原理 將輸入量轉(zhuǎn)換成線圈中的感應(yīng)電勢(shì)輸出的一種傳感器 由于不需要輔助電源 所以是一種有源傳感器 也被稱(chēng)為感應(yīng)式傳感器或電動(dòng)式傳感器 圖3 22磁電感應(yīng)式傳感器 應(yīng)用 磁電式傳感器主要用于振動(dòng)測(cè)量 其中慣性式傳感器不需要靜止的基座作為參考基準(zhǔn) 它直接安裝在振動(dòng)體上進(jìn)行測(cè)量 因而在地面振動(dòng)測(cè)量及機(jī)載振動(dòng)監(jiān)視系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用 3 3物性傳感器 3 3 1壓電式傳感器 全節(jié)重點(diǎn) 基于壓電效應(yīng)的傳感器 是一種自發(fā)電式和機(jī)電轉(zhuǎn)換式傳感器 壓電效應(yīng) 壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng) 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)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷 當(dāng)外力去掉后 又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài) 這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng) 當(dāng)作用力方向改變時(shí) 電荷極性也隨著改變 逆向壓電效應(yīng)是指當(dāng)某晶體沿一定方向受到電場(chǎng)作用時(shí) 相應(yīng)地在一定的晶軸方向?qū)a(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力 又稱(chēng)電致伸縮效應(yīng) 當(dāng)外加電場(chǎng)撤去后 晶體內(nèi)部的應(yīng)力或變形也隨之消失 2 壓電材料1 壓電晶體石英是典型的壓電晶體 其化學(xué)成分是二氧化硅 SiO2 壓電系數(shù)較低 d11 2 3 10 12C N 它在幾百度的溫度范圍內(nèi)不隨溫度而變 但到573 時(shí) 完全喪失壓電性質(zhì) 這是它的居里點(diǎn) 石英具有很大的機(jī)械強(qiáng)度 在研磨質(zhì)量好時(shí) 可以承受700 1000kg mm2的壓力 并且機(jī)械性質(zhì)也較穩(wěn)定 除天然石英和人造石英晶體外 近年來(lái)鈮酸鋰LiNbO3 鉭酸鋰LiTaO3 鍺酸鋰LiGeO3等許多壓電單晶在傳感技術(shù)中也獲得廣泛應(yīng)用 2 多晶壓電陶瓷 多晶壓電陶瓷是一種經(jīng)極化處理后的人工多晶體 主要有極化的鐵電陶瓷 鈦酸鋇 鋯鈦酸鉛等 鈦酸鋇是使用最早的壓電陶瓷 它具有較高的壓電常數(shù) 約為石英晶體的50倍 但它的居里點(diǎn)低 約為120 機(jī)械強(qiáng)度和溫度穩(wěn)定性都不如石英晶體 鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷 PZT 隨配方和摻雜的變化可獲得不同的性能 它的壓電常數(shù)很高 約為 200 500 10 12 居里點(diǎn)約為310 溫度穩(wěn)定性比較好 是目前使用最多的壓電陶瓷 由于壓電陶瓷的壓電常數(shù)大 靈敏度高 價(jià)格低廉 在一般情況下 都采用它作為壓電式傳感器的壓電元件 3 新型壓電材料 新型壓電材料主要有有機(jī)壓電薄膜和壓電半導(dǎo)體等 有機(jī)壓電薄膜是由某些高分子聚合物 經(jīng)延展拉伸和電場(chǎng)極化后形成的具有壓電特性的薄膜 如聚仿氟乙烯 聚氟乙烯等 有機(jī)壓電薄膜具有柔軟 不易破碎 面積大等優(yōu)點(diǎn) 可制成大面積陣列傳感器和機(jī)器人觸覺(jué)傳感器 壓電半導(dǎo)體是指既具有半導(dǎo)體特性又具有壓電特性的材料 如硫化鋅 氧化鋅 硫化鈣等 由于同一材料上兼有壓電和半導(dǎo)體兩種物理性能 故可以利用壓電性能制作敏感元件 又可以利用半導(dǎo)體特性制成電路器件 研制成新型集成壓電傳感器 圖3 27壓電傳感器 a 壓電元件 b 電壓等效電路 c 電荷等效電路 3 壓電傳感器結(jié)構(gòu) 等效電路 當(dāng)壓電晶片受力時(shí) 在它的兩個(gè)電極上會(huì)產(chǎn)生極性相反 電量相等的電荷 這樣可以把壓電傳感器看成一個(gè)靜電發(fā)生器 兩個(gè)極板上聚集電荷 中間為絕緣體 它又可以看成一個(gè)電容器 如圖3 27 a 所示 其電容量為 3 54 式中 S 極板面積 d 壓電晶片厚度 介質(zhì)介電常數(shù) 0 真空介電常數(shù) 0 8 85 10 12F m r 壓電材料的相對(duì)介電常數(shù) 石英晶體為4 85 由于電容器上的開(kāi)路電壓Ua電荷量Q與電容Ca三者之間存在以下關(guān)系 可見(jiàn)壓電式傳感器可以等效為一個(gè)電壓源Ua和一個(gè)電容Ca的串聯(lián)電路 如圖3 27 b 所示 也可以等效為一個(gè)電流源I和一個(gè)電容Ca的并聯(lián)電路 如圖3 27 c 所示 4 特點(diǎn) 它的優(yōu)點(diǎn)是頻帶寬 靈敏度高 信噪比高 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 工作可靠和重量輕等 缺點(diǎn)是某些壓電材料需要防潮措施 而且輸出的直流響應(yīng)差 需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來(lái)克服這一缺陷 3 3 2半導(dǎo)體敏感元件 全節(jié)重點(diǎn) 1 電阻敏感元件1 熱敏電阻2 氣敏電阻3 光敏電阻2 磁電轉(zhuǎn)換元件 1 熱敏電阻熱敏電阻器是敏感元件的一類(lèi) 熱敏電阻由半導(dǎo)體陶瓷材料組成 大多為負(fù)溫度系數(shù) 即阻值隨溫度增加而降低 典型特點(diǎn)是對(duì)溫度敏感 不同的溫度下表現(xiàn)出不同的電阻值 它是最靈敏的溫度傳感器 如圖 熱敏電阻按半導(dǎo)體電阻隨溫度變化的典型特性分為三種類(lèi)型 即負(fù)電阻溫度系數(shù)熱敏電阻 NTC 正電阻溫度系數(shù)熱敏電阻 PTC 和在某一特性溫度下電阻值會(huì)發(fā)生突變的臨界溫度電阻 CTR 如圖 熱敏電阻 溫度特性 熱敏電阻的主要特點(diǎn) 靈敏度較高 工作溫度范圍寬 體積小 能夠測(cè)量其他溫度計(jì)無(wú)法測(cè)量的空隙 腔體及生物體內(nèi)血管的溫度 使用方便 電阻值可在0 1 100k 間任意選擇 易加工成復(fù)雜的形狀 可大批量生產(chǎn) 穩(wěn)定性好 過(guò)載能力強(qiáng) 應(yīng)用 在流速計(jì) 流量計(jì) 氣體分析儀 熱導(dǎo)分析中常利用熱敏電阻特性 制成專(zhuān)用的檢測(cè)元件 熱敏電阻主要用于電器設(shè)備的過(guò)熱保護(hù) 無(wú)觸點(diǎn)繼電器 恒溫 自動(dòng)增益控制 電機(jī)啟動(dòng) 時(shí)間延遲 彩色電視自動(dòng)消磁 火災(zāi)報(bào)警和溫度補(bǔ)償?shù)确矫?熱敏電阻的電路符號(hào) 2 氣敏電阻氣敏電阻傳感器就是一種將檢測(cè)到的氣體的成分和濃度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的傳感器 工作原理 氣敏電阻是由金屬氧化物燒結(jié)而成的半導(dǎo)體電阻元件 當(dāng)環(huán)境中氣體的成分或濃度發(fā)生變化時(shí) 導(dǎo)致氣敏電阻的阻值發(fā)生變化 其變化范圍在103 105 數(shù)量級(jí)之間 氣敏電阻半導(dǎo)體材料亦分為N型半導(dǎo)體與P型半導(dǎo)體兩種 N型材料如SnO2 ZnO CdO W2O3 Mn02 ThO2 TiO2等 P型材料如MoO2 NiO CoO Cu2O Cr2O3等 均為金屬氧化物 氣敏電阻的結(jié)構(gòu)如圖3 35所示 圖3 35氣敏電阻 圖中1為氣敏半導(dǎo)體材料 體積很小 直徑在1mm以內(nèi) 2為加熱電極 3為引出端電極 均為 0 05mm鉑電阻絲 在四個(gè)電極的支撐下封裝在不銹鋼防爆網(wǎng)內(nèi) 構(gòu)成氣敏電阻 圖3 36氣敏傳感器在各種氣體濃度q下電路輸出電壓U的曲線 應(yīng)用 許多工業(yè)部門(mén) 如石油 化工 采礦以及生活環(huán)境中 對(duì)危險(xiǎn) 有害氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)與報(bào)警 氣敏電阻的電路符號(hào) 3 光敏電阻1 結(jié)構(gòu)和原理 光敏電阻又稱(chēng)為光導(dǎo)管 是利用半導(dǎo)體的光電導(dǎo)效應(yīng)制成的一種電阻值隨入射光的強(qiáng)弱而改變的電阻器 光敏電阻幾乎都是用半導(dǎo)體材料制成 光敏電阻的結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單 如下圖3 44所示 圖3 44光敏電阻結(jié)構(gòu) 圖3 45光敏電阻接線電路 如果把光敏電阻連接到外電路中 在外加電壓的作用下 用光照射就能改變電路中電流的大小 如圖3 45所示為接線電路 光敏電阻的外形及電路符號(hào) 應(yīng)用 可廣泛應(yīng)用于照相機(jī) 太陽(yáng)能庭院燈 草坪燈 驗(yàn)鈔機(jī) 石英鐘 音樂(lè)杯 禮品盒 迷你小夜燈 光聲控開(kāi)關(guān) 路燈自動(dòng)開(kāi)關(guān)以及各種光控玩具 光控?zé)麸?燈具等光自動(dòng)開(kāi)關(guān)控制領(lǐng)域 2 磁電轉(zhuǎn)換元件霍爾元件霍爾元件是一種基于霍爾效應(yīng)的磁傳感器 霍爾元件具有許多優(yōu)點(diǎn) 它們的結(jié)構(gòu)牢固 體積小 重量輕 壽命長(zhǎng) 安裝方便 功耗小 頻率高 可達(dá)1MHZ 耐震動(dòng) 不怕灰塵 油污 水汽及鹽霧等的污染或腐蝕 2 磁電轉(zhuǎn)換元件 霍爾效應(yīng)1879年 美國(guó)物理學(xué)家霍爾發(fā)現(xiàn)在通有電流的金屬板上加一勻強(qiáng)磁場(chǎng) 當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí) 在與電流和磁場(chǎng)都垂直的金屬板的兩表面間出現(xiàn)電勢(shì)差 這個(gè)現(xiàn)象稱(chēng)為霍爾效應(yīng) 這個(gè)電勢(shì)差稱(chēng)為霍爾電動(dòng)勢(shì) 如圖3 57 a 所示 圖3 57霍爾效應(yīng)原理圖及符號(hào) a 霍爾效應(yīng)原理圖 b 圖形符號(hào) 霍爾元件應(yīng)用由于導(dǎo)體的霍爾效應(yīng)很弱 霍爾元件都用半導(dǎo)體材料制作 目前常用的霍爾元件材料是N型硅 它的霍爾靈敏度系數(shù) 溫度特性 線性度均較好 銻化銦 InSb 砷化銦 InAs N型鍺 Ge 等也是常用的霍爾元件材料 銻化銦元件的輸出較大 受溫度影響也較大 砷化銦和鍺輸出不及銻化銦大 但溫度系數(shù)小 線性度好 砷化鎵 GaAs 是新型的霍爾元件材料 溫度特性和輸出線性都好 但價(jià)格貴 今后將逐漸得到應(yīng)用 3 4其他類(lèi)型傳感器 1 超聲波傳感器 為了以超聲波作為檢測(cè)手段 必須產(chǎn)生超聲波和接收超聲波 完成這種功能的裝置就是超聲波傳感器 習(xí)慣上稱(chēng)為超聲波換能器 或超聲波探頭 超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波脈沖在介質(zhì)中傳到相介面經(jīng)過(guò)反射后 再返回到接收探頭 這就是超聲波測(cè)距原理 超聲波探頭的具體結(jié)構(gòu)如圖3 63所示 圖3 63超聲波探頭結(jié)構(gòu) a 發(fā)射探頭 b 接收探頭 應(yīng)用 醫(yī)學(xué)應(yīng)用是其最主要的應(yīng)用之一 主要是診斷疾病 它已經(jīng)成為了臨床醫(yī)學(xué)中不可缺少的診斷方法 超聲波檢測(cè)廣泛應(yīng)用在工業(yè) 國(guó)防 生物醫(yī)學(xué)等方面 超聲波距離傳感器可以廣泛應(yīng)用在物位 液位 監(jiān)測(cè) 機(jī)器人防撞 各種超聲波接近開(kāi)關(guān) 以及防盜報(bào)警等相關(guān)領(lǐng)域 工作可靠 安裝方便 防水型 發(fā)射夾角較小 靈敏度高 方便與工業(yè)顯示儀表連接 也提供發(fā)射夾角較大的探頭 2 微波傳感器由發(fā)射天線發(fā)出的微波 遇到被測(cè)物體時(shí)將被吸收或反射 使功率發(fā)生變化 若利用接收天線接收通過(guò)被測(cè)物或由被測(cè)物反射回來(lái)的微波 并將它轉(zhuǎn)換成電信號(hào) 再由測(cè)量電路處理 就實(shí)現(xiàn)了微波檢測(cè) 應(yīng)用 雷達(dá)傳感器是也是微波傳感器的一種 常被運(yùn)用于交通測(cè)速雷達(dá) 汽車(chē)變道輔助系統(tǒng) 水位計(jì) 汽車(chē)ACC雷達(dá)巡航系統(tǒng) 天車(chē)防撞 機(jī)場(chǎng)防入侵 自動(dòng)門(mén)感應(yīng)和水龍頭感應(yīng)等等 相對(duì)于傳統(tǒng)的喇叭天線型微波傳感器 此類(lèi)傳感器采用平面微帶技術(shù) 具有穩(wěn)定性高 體積小 感應(yīng)靈敏等特點(diǎn) 3 紅外探測(cè)器反射式紅外探測(cè)器 反射式光學(xué)系統(tǒng)的紅外探測(cè)器的結(jié)構(gòu)如圖3 64所示 它由凹面玻璃反射鏡組成 其表面鍍金 鋁和鎳鉻等紅外波段反射率很高的材料構(gòu)成反射式光學(xué)系統(tǒng) 為了減小像差或使用上的方便 常另加一片次鏡 使目標(biāo)輻射經(jīng)兩次反射聚集到敏感元件上 敏感元件與透鏡組合一體 前置放大器接收熱電轉(zhuǎn)換后的電信號(hào) 并對(duì)其進(jìn)行放大 圖3 64反射式紅外探測(cè)器示意圖 紅外探測(cè)器 4 射線式傳感器射線式傳感器主要由放射源和探測(cè)器組成 利用射線式傳感器進(jìn)行測(cè)量時(shí) 都要有可發(fā)射出粒子 或 射線的輻射源 選擇射線源應(yīng)盡量提高檢測(cè)靈敏度和減小統(tǒng)計(jì)誤差 為避免經(jīng)常更換放射源 要求采用的同位素有較長(zhǎng)的半衰期及合適的放射強(qiáng)度 因此 盡管放射性同位素種類(lèi)很多 但能用于測(cè)量的有二十種左右 3 5傳感器的選用原則 3 5 1傳感器的選用指標(biāo)1 靈敏度一般來(lái)講 檢測(cè)精度越高 就要求傳感器具有較高的靈敏度 當(dāng)靈敏度高時(shí) 與測(cè)量信號(hào)無(wú)關(guān)的外界噪聲也容易混入 并且噪聲也會(huì)被放大系統(tǒng)放大 因此 必須考慮既要求檢測(cè)微小量值 又要噪聲小 為保證此點(diǎn) 往往要求信噪比越大越好 即要求傳感器本身噪聲小 且不易從外界引入干擾噪聲 有些檢測(cè)工作在較強(qiáng)的噪聲干擾下進(jìn)行 這時(shí)對(duì)傳感器來(lái)講 其輸入量不僅包括被測(cè)量 也包括干擾量 兩者的疊加不能進(jìn)入非線性區(qū) 顯然 過(guò)高的靈敏度將會(huì)影響其適用測(cè)量范圍 2 響應(yīng)特性 傳感器的響應(yīng)特性是指在所測(cè)頻率范圍內(nèi)保持不失真的測(cè)量條件 一般來(lái)講 利用光電效應(yīng) 壓電效應(yīng)等制作的物性型傳感器 其響應(yīng)時(shí)間短 可工作頻率范圍寬 而結(jié)構(gòu)型 如電感 電容 磁電式 傳感器等 由于受結(jié)構(gòu)特性的影響 以及機(jī)械系統(tǒng)慣性質(zhì)量的限制 其固有頻率較低 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中 傳感器的響應(yīng)特性對(duì)測(cè)試結(jié)果有直接影響 在選用時(shí) 應(yīng)充分考慮到被測(cè)物理量的變化特點(diǎn) 如穩(wěn)態(tài) 瞬變 隨機(jī)等 3 線性范圍任何傳感器都有一定的線性范圍 在線性范圍內(nèi)輸出與輸入成比例關(guān)系 傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi) 是保證測(cè)量精度的基本條件 線性范圍越寬 表明傳感器的工作量程越大 然而 任何傳感器都不容易保證其絕對(duì)線性 某些情況下 在保證檢測(cè)精度的前提下 可利用其近似線性區(qū) 4 穩(wěn)定性影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境 為了保證穩(wěn)定性 在選定傳感器之前 應(yīng)對(duì)使用環(huán)境進(jìn)行調(diào)查 以選擇較合適的傳感器類(lèi)型 5 精確度傳感器的精確度表示傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度 傳感器處于檢測(cè)系統(tǒng)的輸入端 因此 傳感器能否真實(shí)地反映被測(cè)量值 對(duì)整個(gè)系統(tǒng)具有直接影響 在實(shí)際工作中 并非要求傳感器的精確度越高越好 傳感器的精確度越高價(jià)格也越昂貴 在確定傳感器的精確度時(shí) 首先應(yīng)了解檢測(cè)的目的和要求 判定是定性分析還是定量分析 如果是屬于相對(duì)比較性的試驗(yàn)研究 只需獲得相對(duì)比較值即可 那么要求傳感器的精密度高 而無(wú)需要求絕對(duì)量值 如果是進(jìn)行定量分析 那就必須獲得精確量值 因而要求傳感器要有足夠高的精確度 6 測(cè)量方式 傳感器的工作方式也是選用傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素 條件的不同 對(duì)傳感器的要求也不同 在某些情況下 盡可能地選用非破壞性檢測(cè)方在線實(shí)時(shí)檢測(cè)是與實(shí)際情況更接近一致的檢測(cè)方法 特別是實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化過(guò)程的控制與檢測(cè)系統(tǒng) 往往對(duì)真實(shí)性與可靠性要求很高 因此必須進(jìn)行在線實(shí)時(shí)檢測(cè)才能達(dá)到檢測(cè)的要求 3 5 2傳感器的選擇與應(yīng)用1 傳感器的選擇與方法如何根據(jù)具體的測(cè)量目的 測(cè)量對(duì)象以及測(cè)量環(huán)境合理地選用傳感器 是在進(jìn)行某個(gè)量測(cè)量時(shí)首先要解決的問(wèn)題 要從系統(tǒng)總體考慮 明確使用的目的以及采用傳感器的必要性 絕對(duì)不要采用不適宜的傳感器與不必要的傳感器 因此 有必要根據(jù)不同的測(cè)試目的 規(guī)定選擇傳感器的某些標(biāo)準(zhǔn) 選擇的標(biāo)準(zhǔn)主要考慮以下因素 傳感器的性能 傳感器