傳感器原理及應(yīng)用03433ppt課件

為了配合電子工業(yè)出版社2011年1月出版的 傳感器原理及應(yīng)用 書號(hào) ISBN978 7 121 12723 6楊少春主編 教材的教學(xué) 我們制作了本教材配套的多媒體課件 由于時(shí)間緊迫 制作者水平有限 課件中難免有不足之處 懇請(qǐng)廣大讀者批評(píng)指正 說明 長(zhǎng)江工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院周海波武漢職業(yè)技術(shù)學(xué)院楊少春 2011 6 20 傳感器技術(shù)及應(yīng)用 主講周海波 模塊一傳感器的基本知識(shí) 任務(wù)目標(biāo) 了解傳感器的定義和組成方框圖 了解傳感器的特點(diǎn)及應(yīng)用 掌握傳感器的分類 掌握傳感器的主要參數(shù) 一 傳感器的作用 因?yàn)橐话愕膬x器 儀表要求輸入的信號(hào)必須為電信號(hào) 計(jì)算機(jī)及各種電子設(shè)備只能處理電信號(hào) 而表征物質(zhì)特性或其運(yùn)動(dòng)形式的參數(shù)中有很多都是非電量 如大家在自然界經(jīng)常接觸到的溫度 壓力 距離 流量 重量 速度 加速度 濃度 酸堿度 濕度 光 磁場(chǎng)等 上述的非電量需要轉(zhuǎn)換成與非電量有一定關(guān)系的電量 再運(yùn)用電子設(shè)備和儀器測(cè)量 實(shí)現(xiàn)這種轉(zhuǎn)換技術(shù)的器件就是傳感器 二 傳感技術(shù)的特點(diǎn) 1 用傳感技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)時(shí) 響應(yīng)速度快 精確度高 靈敏度高 2 能在特殊環(huán)境下連續(xù)進(jìn)行檢測(cè) 便于自動(dòng)記錄能在人類無法存在的高溫 高壓 惡劣環(huán)境中 和對(duì)人類五官不能感覺到的信息 如超聲波 紅外線等 進(jìn)行連續(xù)檢測(cè) 記錄變化的數(shù)據(jù) 3 可與計(jì)算機(jī)相連 進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)運(yùn)算 分析和處理傳感器將非電物理量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)后 通過接口電路變成計(jì)算機(jī)能夠處理的信號(hào) 進(jìn)行自動(dòng)運(yùn)算 分析和處理 4 品種繁多 應(yīng)用廣泛現(xiàn)代信息系統(tǒng)中待測(cè)的信息量很多 一種待測(cè)信息可由幾種傳感器來測(cè)量 一種傳感器也可測(cè)量多種信息 因此傳感器種類繁多 應(yīng)用廣泛 從航空 航天 兵器 交通 機(jī)械 電子 冶煉 輕工 化工 煤炭 石油 環(huán)保 醫(yī)療 生物工程等領(lǐng)域 到農(nóng) 林 牧 副 漁業(yè) 以及人們的衣 食 住 行等生活的方方面面 幾乎無處不使用傳感器 無處不需要傳感器 三 傳感器的發(fā)展趨勢(shì) 1 新材料的開發(fā) 應(yīng)用如 半導(dǎo)體材料 功能陶瓷材料 功能金屬 功能有機(jī)聚合物 非晶態(tài)材料 固體材料及薄膜材料等 都可進(jìn)一步提高傳感器的產(chǎn)品質(zhì)量 降低生產(chǎn)成本 2 新工藝 新技術(shù)的應(yīng)用將半導(dǎo)體的精密細(xì)微加工技術(shù)應(yīng)用在傳感器的制造中 可極大提高傳感器的性能指標(biāo) 并為傳感器的集成化 超小型化提供技術(shù)支撐 借助半導(dǎo)體的蒸鍍技術(shù) 擴(kuò)散技術(shù) 光刻技術(shù) 靜電封閉技術(shù) 全固態(tài)封接技術(shù) 也可取得類似的功效 3 向小型化 集成化方向發(fā)展由于航空技術(shù)的發(fā)展 以及醫(yī)療器件和一些特殊場(chǎng)合的需要 傳感器必須向小型化 微型化方向發(fā)展 以便減小體積和質(zhì)量 4 傳感器的智能化將傳統(tǒng)的傳感器和微處器及相關(guān)電路組成一體化的結(jié)構(gòu)就是智能傳感器 因?yàn)樗旧韼в形⑿陀?jì)算機(jī) 具有自動(dòng)校準(zhǔn) 自動(dòng)補(bǔ)償 自動(dòng)診斷 數(shù)據(jù)處理 遠(yuǎn)距離雙向通信 信息存儲(chǔ)記憶和數(shù)字信號(hào)輸出等功能 5 傳感器的網(wǎng)絡(luò)化將傳感器和計(jì)算機(jī)與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)有機(jī)結(jié)合 使傳感器成為網(wǎng)絡(luò)中的智能節(jié)點(diǎn) 這種努力使多個(gè)傳感器組成網(wǎng)絡(luò)直接通信 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)施發(fā)布 共享 以及網(wǎng)絡(luò)控制器對(duì)節(jié)點(diǎn)的控制操作 另外 通過Internet網(wǎng) 傳感器與用戶之間可異地交換信息 廠商能直接與異地用戶交流 能及時(shí)完成傳感器故障診斷 指導(dǎo)用戶維修或交換新儀器改進(jìn)的數(shù)據(jù) 軟件升級(jí)等工作 另外 在微機(jī)電技術(shù) 自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 低功耗射頻通信技術(shù)及低功耗微型計(jì)算機(jī)技術(shù)的共同促進(jìn)下 傳感器朝微型化和網(wǎng)絡(luò)化的方向迅速發(fā)展 產(chǎn)生了無線傳感器網(wǎng)絡(luò) 四 傳感器需求與開發(fā)的重點(diǎn)方向 1 工業(yè)過程控制與汽車傳感器2 環(huán)保傳感器3 醫(yī)療衛(wèi)生與食品監(jiān)測(cè)傳感器4 微小型傳感器及MEMS 微電子機(jī)械系統(tǒng) 5 生物 醫(yī)學(xué)研究急需要的新型傳感器6 生態(tài)農(nóng)業(yè)傳感器 五 傳感器的定義與組成 傳感器的定義是 能感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置 通常由對(duì)被測(cè)量敏感的元件和轉(zhuǎn)換元件組成 其中敏感元件是指?jìng)鞲衅髦心苤苯痈惺芑蝽憫?yīng)被測(cè)量的部分 如應(yīng)變式壓力傳感器中的彈性膜片 就是敏感元件 轉(zhuǎn)換元件是指?jìng)鞲衅髦心軐⒚舾性惺芑蝽憫?yīng)到的被測(cè)量轉(zhuǎn)換成適于傳輸或測(cè)量的電信號(hào) 電壓 電流 部分 如電阻應(yīng)變片就是轉(zhuǎn)換元件 根據(jù)以上定義可畫出傳感器的組成框圖 如圖1 1所示 圖1 1傳感器組成框圖 六 傳感器的分類與特點(diǎn) 傳感器常用的分類方法有兩種 一種是按被測(cè)輸入量劃分 另一種是按傳感器的工作原理劃分 1 按被測(cè)物理量劃分這一種方法是根據(jù)被測(cè)量的性質(zhì)進(jìn)行分類 如被測(cè)量分別為溫度 濕度 壓力 位移 流量 加速度 光 則對(duì)應(yīng)的傳感器分別為溫度傳感器 濕度傳感器 壓力傳感器 位移傳感器 流量傳感器 加速度傳感器 光電傳感器 2 按傳感器工作原理劃分這一種分類方法是以工作原理來劃分 將物理 化學(xué) 生物等學(xué)科的原理 規(guī)律和效應(yīng)作為分類的依據(jù) 據(jù)此可將傳感器分為電阻式 電感式 電容式 阻抗式 磁電式 熱電式 壓電式 光電式 超聲式 微波式等類別 這種分類方法有利于傳感器的專業(yè)工作者從原理與設(shè)計(jì)上作歸納性的分析研究 七 傳感器的基本特性 傳感器的基本特性一般是指?jìng)鞲衅鞯妮敵雠c輸入之間的關(guān)系 有靜態(tài)和動(dòng)態(tài)之分 通常是以建立數(shù)學(xué)模型來體現(xiàn)的 為了簡(jiǎn)化傳感器的靜 動(dòng)態(tài)特性 可以分開來研究 1 傳感器的靜態(tài)特性靜態(tài)特性是指在靜態(tài)信號(hào)作用下 傳感器輸出與輸入量間的一種函數(shù)關(guān)系 其靜態(tài)特性可表示為 y a0 a1x a2x2 anxn 1 1 常用的靜態(tài)性能指標(biāo)包括靈敏度 精確度 測(cè)量范圍 量程 線性度及誤差等 1 靈敏度傳感器的靈敏度K是指達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí) 輸出增量與輸入增量的比值 1 3 線性傳感器的靈敏度就是其靜態(tài)特性的斜率 而非線性傳感器的靈敏度則是其靜態(tài)特性曲線某點(diǎn)處切線的斜率 2 線性度線性度是傳感器輸出量與輸入量之間的實(shí)際關(guān)系曲線偏離直線的程度 又稱非線性誤差 如圖1 2所示 即為在垂直方向上最大偏差 ymax 與最大輸出ymax的百分比 圖中a0稱為零位輸出 即被測(cè)量為零時(shí)傳感器的指示值 1 4 圖1 2傳感器的線性度誤差 圖1 3傳感器的重復(fù)性 3 重復(fù)性重復(fù)性表示傳感器在輸入量按同一方向作全量程連續(xù)多次變動(dòng)時(shí)所得到的特性曲線的不一致程度 如圖1 3所示 用公式表示為 1 5 式中 mmax取 m1 m2中最大的計(jì)算 ymax為滿量程輸出值 傳感器輸出特性的不重復(fù)性主要是由傳感器的機(jī)械部分的磨損 間隙 松動(dòng) 部件內(nèi)摩擦 積塵 電路元件老化 工作點(diǎn)漂移等原因產(chǎn)生的 4 遲滯現(xiàn)象 遲滯現(xiàn)象是傳感器在正向行程 輸入量增大 和反向行程 輸入量減小 期間輸出 輸入曲線不重合的程度 如圖1 4所示 1 6 1 7 遲滯現(xiàn)象反映了傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)和制造工藝上的缺陷 如軸承摩擦 間隙 螺釘松動(dòng) 元件腐蝕等 5 精確度傳感器的精確度是指?jìng)鞲衅鞯妮敵鲋甘局蹬c被測(cè)量約定真值的一致程度 反映了傳感器測(cè)量結(jié)果的可靠程度 在工程應(yīng)用中 為了簡(jiǎn)單表示測(cè)量結(jié)果的可靠性程度 引入精確度這個(gè)等級(jí)概念 用A表示 它表示允許的最大絕對(duì)誤差與滿度量程的比值的百分?jǐn)?shù) 即 1 8 式中A 傳感器精確度 A 測(cè)量范圍內(nèi)允許的最大絕對(duì)誤差 ymax 滿度量程輸出值 常用的檔次為0 1 0 2 0 5 1 0 1 5 2 5 4 0 5 0 例如 0 5級(jí)的儀表表示其允許的最大使用誤差為0 5 6 分辨力傳感器的分辨力是在規(guī)定測(cè)量范圍內(nèi)所能檢測(cè)的輸入量的最小變化量的能力 通常是以最小量程單位值表示 當(dāng)被測(cè)量的變化值小于分辨力時(shí) 傳感器對(duì)輸入量的變化無任何反應(yīng) 7 穩(wěn)定性傳感器的穩(wěn)定性是指在室溫條件下經(jīng)過一定的時(shí)間間隔 傳感器的輸出與起始標(biāo)定時(shí)的輸出之間的差異 通常有長(zhǎng)期穩(wěn)定性 如年 月 日 和短期穩(wěn)定性 如時(shí) 分 秒 之分 傳感器的穩(wěn)定性常用長(zhǎng)期穩(wěn)定性表示 8 漂移傳感器的漂移是指在外界的干擾下 輸出量發(fā)生與輸入量無關(guān)的不需要的變化 漂移包括零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移等 零點(diǎn)漂移和靈敏度漂移又可分為時(shí)間漂移和溫度漂移 時(shí)間漂移是指在規(guī)定的條件下 零點(diǎn)或靈敏度隨時(shí)間的緩慢變化 溫度漂移為環(huán)境溫度變化而引起的零點(diǎn)或靈敏度的變化 2 傳感器的動(dòng)態(tài)特性 傳感器的動(dòng)態(tài)特性是指?jìng)鞲衅髟跍y(cè)量快速變化的輸入信號(hào)情況下 輸出對(duì)輸入的響應(yīng)特性 傳感器測(cè)量靜態(tài)信號(hào)時(shí) 由于被測(cè)量不隨時(shí)間變化 測(cè)量和記錄的過程不受時(shí)間限制 但是在工程實(shí)踐中 檢測(cè)的是大量隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)信號(hào) 這就要求傳感器不僅能精確地測(cè)量信號(hào)的幅值大小 而且還能顯示被測(cè)量隨時(shí)間變化的規(guī)律 即正確的再現(xiàn)被測(cè)量波形 傳感器測(cè)量動(dòng)態(tài)信號(hào)的能力用動(dòng)態(tài)特性來表示 在動(dòng)態(tài)測(cè)量中 當(dāng)被測(cè)量作周期性變化時(shí) 傳感器的輸出值隨著周期性變化 其頻率與前者相同 但輸出幅值和相位隨頻率的變化而變化 這種關(guān)系稱為頻率特性 輸出信號(hào)的幅值隨頻率變化而改變的特性稱為幅頻特性 輸出信號(hào)的相位隨頻率的變化而改變的特性稱為相頻特性 幅值下降到穩(wěn)定幅值的0 707倍時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率稱為截止頻率 習(xí)題 1 2 模塊二力敏傳感器及其應(yīng)用 課題一力敏傳感器的工作原理與分類 任務(wù)目標(biāo) 掌握電阻應(yīng)變式力敏傳感器的工作原理 掌握電感應(yīng)變式力敏傳感器的工作原理 了解電阻應(yīng)變式和電感應(yīng)變式力敏傳感器之間的區(qū)別 一 力敏傳感器概述 力敏傳感器 顧名思義就是能對(duì)各種力或能轉(zhuǎn)化為力的物理量產(chǎn)生反應(yīng) 并能將其轉(zhuǎn)變?yōu)殡妳?shù)的裝置或元件 很顯然 要成為真正實(shí)用意義上的力敏傳感器 這個(gè)由力轉(zhuǎn)化為電參數(shù)的過程最好能成線性關(guān)系 根據(jù)由力至電參數(shù)轉(zhuǎn)變的方式不同 力敏傳感器一般有電阻應(yīng)變式傳感器 電位計(jì)式傳感器 電感式傳感器 壓電式傳感器 電容式傳感器等 它們也可用來測(cè)量力值 二 電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器是目前工程測(cè)力傳感器中應(yīng)用最普遍的一種傳感器 它測(cè)量精度高 范圍廣 頻率響應(yīng)特性較好 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 尺寸小 易實(shí)現(xiàn)小型化 并能在高溫 強(qiáng)磁場(chǎng)等惡劣環(huán)境下使用 并且工藝性好 價(jià)格低廉 它主要應(yīng)用在力作用下 將材料應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮柚档淖兓?從而實(shí)現(xiàn)力值的測(cè)量 組成電阻應(yīng)變片的材料一般為金屬或半導(dǎo)體材料 1 電阻應(yīng)變式傳感器工作原理 1 應(yīng)變效應(yīng)由物理學(xué)可知 電阻絲的電阻R與電阻絲的電阻率 導(dǎo)體長(zhǎng)度及截面積存在如下關(guān)系 2 1 圖2 1電阻絲應(yīng)變效應(yīng) 2 電阻應(yīng)變式傳感器的結(jié)構(gòu)及特性 金屬電阻應(yīng)變片分為金屬絲式和金屬箔式兩種 金屬絲式電阻應(yīng)變片 金屬絲式電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)圖如圖2 2所示 由敏感柵1 基底2和蓋層3 引線4和黏結(jié)劑幾個(gè)基本部分組成 圖2 2金屬絲式電阻應(yīng)變片的基本結(jié)構(gòu)圖 金屬箔式應(yīng)變片 如圖2 3所示 它與金屬絲式電阻應(yīng)變片相比 有如下優(yōu)點(diǎn) 用光刻技術(shù)能制成各種復(fù)雜形狀的敏感柵 橫向效應(yīng)小 散熱性好 允許通過較大電流 可提高相匹配的電橋電壓 從而提高輸出靈敏度 疲勞壽命長(zhǎng) 蠕變小 生產(chǎn)效率高 但是 制造箔式應(yīng)變片的電阻值的分散性要比絲式應(yīng)變片的大 有的能相差幾十歐姆 需要調(diào)整阻值 金屬箔式應(yīng)變片因其一系列優(yōu)點(diǎn)而將逐漸取代絲式應(yīng)變片 并占主要地位 a 箔式單向應(yīng)變片 b 箔式轉(zhuǎn)矩應(yīng)變片 c 箔式壓力應(yīng)變片 d 箔式花狀應(yīng)變片 圖2 3各種箔式應(yīng)變片 2 電阻應(yīng)變片傳感器基本應(yīng)用電路 將電阻應(yīng)變片粘貼于待測(cè)構(gòu)件上 應(yīng)變片電阻將隨構(gòu)件應(yīng)變而改變 將應(yīng)變片電阻接入相應(yīng)的電路中 使其轉(zhuǎn)化為電流或電壓輸出 即可測(cè)出力值 通常將應(yīng)變片接入電橋來實(shí)現(xiàn)電阻至電壓或電流的轉(zhuǎn)換 根據(jù)電橋電源不同 又分直流電橋和交流電橋 這里主要介紹直流電橋 圖2 4所示為一直流電橋 計(jì)算可知 2 2 若使此電橋平衡 即 只要 一般我們?nèi)〖纯蓪?shí)現(xiàn) 現(xiàn)將換成電阻應(yīng)變片 即組成半橋單臂電橋 隨構(gòu)件產(chǎn)生應(yīng)變?cè)斐蓚鞲衅麟娮枳兓瘯r(shí) 式 2 2 變成 2 3 一般 可忽略 由此可得 可見 輸出電壓與電阻變化率成線性關(guān)系 也即和應(yīng)變成線性關(guān)系 由此即可測(cè)出力值 由式 2 3 可得半橋單臂工作輸出的電壓靈敏度 2 4 為了提高輸出電壓靈敏度 可以采用半橋雙臂或全橋電路 如圖2 5所示 圖2 5 a 為半橋雙臂 圖2 5 b 為全橋電路 a 半橋雙臂 b 全橋電路 圖2 5直流電橋的連接方式 對(duì)于半橋雙臂 2 5 全橋 2 6 即半橋雙臂可使電壓靈敏度比半橋單臂提高一倍 而全橋電路電壓靈敏度又比半橋雙臂電壓靈敏度提高一倍 可見 利用全橋 并提高供電電壓E 可提高靈敏度系數(shù) 3 溫度誤差及其補(bǔ)償 用作測(cè)量應(yīng)變的金屬應(yīng)變片 希望其阻值僅隨應(yīng)變變化 而不受其它因素的影響 實(shí)際上應(yīng)變片的阻值受環(huán)境溫度 包括被測(cè)試件的溫度 影響很大 由于環(huán)境溫度變化引起的電阻變化與試件應(yīng)變所造成的電阻變化幾乎有相同的數(shù)量級(jí) 從而產(chǎn)生很大的測(cè)量誤差 稱為應(yīng)變片的溫度誤差 又稱熱輸出 因環(huán)境溫度改變而引起電阻變化的兩個(gè)主要因素 應(yīng)變片的電阻絲 敏感柵 具有一定溫度系數(shù) 電阻絲材料與測(cè)試材料的線膨脹系數(shù)不同 1 溫度誤差 2 溫度補(bǔ)償 一般采用橋路補(bǔ)償法 應(yīng)變片補(bǔ)償法或熱敏電阻補(bǔ)償法 所謂橋路補(bǔ)償法 如圖2 4所示 當(dāng)ab間接入應(yīng)變片傳感器 bc間也接入同樣的應(yīng)變片 但bc間接入的應(yīng)變片不受構(gòu)件應(yīng)變力的作用 將它用同樣的方法粘貼在與ab間應(yīng)變片所貼構(gòu)件材料相同的材料上 并與ab間應(yīng)變片處于同一溫度場(chǎng)中 這樣ab bc間應(yīng)變片的阻溫效應(yīng)相同 電阻的變化量也相同 由電橋理論可知 它們起了互相抵消作用 對(duì)輸出電壓沒有影響 應(yīng)變片補(bǔ)償法分自補(bǔ)償和互補(bǔ)償兩種 自補(bǔ)償法的原理是合理選擇應(yīng)變片阻溫系數(shù)及線膨脹系數(shù) 使之與被測(cè)構(gòu)件線膨脹系數(shù)匹配 使應(yīng)變片溫度變化時(shí) 由熱造成的輸出值為0 應(yīng)變片互補(bǔ)償法的原理是檢測(cè)用的應(yīng)變片敏感柵由兩種材料組成 在溫度變化時(shí) 它們的阻值變化量相同 但符號(hào)相反 這樣就可抵消由于溫度變化而造成傳感器誤輸出 使用中要注意選配敏感柵電阻絲材料 熱敏電阻補(bǔ)償法如圖2 6所示 圖中R5為分流電阻 Rt為NTC熱敏電阻 使Rt與應(yīng)變式傳感器處在同一溫度場(chǎng)中 適當(dāng)調(diào)整R5值 可使與Uab的乘積不變 熱輸出為零 圖2 6熱敏電阻補(bǔ)償法 電阻應(yīng)變式傳感器廣泛應(yīng)用在測(cè)力及可以轉(zhuǎn)化為力值的量 如加速度等 圖2 8應(yīng)變式加速度傳感器原理圖 加速度傳感器就是將被測(cè)加速度通過一個(gè)懸臂梁將力轉(zhuǎn)化成應(yīng)變片的應(yīng)力 從而達(dá)到測(cè)量加速度的目的 三 電感式傳感器 1 工作原理電感式傳感器是利用線圈自感或互感的變化來實(shí)現(xiàn)測(cè)量的一種裝置 可以用來測(cè)量位移 振動(dòng) 壓力 流量 重量 力矩和應(yīng)變等多種物理量 電感式傳感器的核心部分是可變自感或可變互感 在被測(cè)量轉(zhuǎn)換成線圈自感或互感的變化時(shí) 一般要利用磁場(chǎng)作為媒介或利用鐵磁體的某些現(xiàn)象 這類傳感器的主要特征是具有繞組 2 優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn) 1 優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠 輸出功率大 抗干擾能力強(qiáng) 對(duì)工作環(huán)境要求不高 分辨力較高 如在測(cè)量長(zhǎng)度時(shí)一般可達(dá)0 1mm 示值誤差一般為示值范圍的0 1 0 5 穩(wěn)定性好 2 缺點(diǎn)頻率響應(yīng)低 不宜用于快速動(dòng)態(tài)測(cè)量 一般來說 電感式傳感器的分辨力和示值誤差與示值范圍有關(guān) 示值范圍大時(shí) 分辨力和示值精度將相應(yīng)降低 3 種類電感式傳感器種類很多 有利用自感原理的自感式傳感器 通常稱電感式傳感器 有利用互感原理的差動(dòng)變壓器式傳感器 此外 還有利用渦流原理的渦流式傳感器 利用壓磁原理的壓磁式傳感器和利用互感原理的感應(yīng)同步器等 下面簡(jiǎn)單介紹其中一種較為常見的傳感器 變壓器式傳感器 變壓器式傳感器工作原理 變壓器式傳感器是將非電量轉(zhuǎn)換為線圈間互感的一種磁電動(dòng)機(jī)構(gòu) 很像變壓器的工作原理 因此常稱其為變壓器式傳感器 這種傳感器多采用差動(dòng)形式 圖2 9氣隙型差動(dòng)變壓器式傳感器 當(dāng)沒有非電量輸入時(shí) 銜鐵C與鐵心A B的間隔相同 則繞組W1a和W2a間的互感ma與繞組W1b和W2b間的互感mb相等 當(dāng)銜鐵的位置改變時(shí) 則ma不等于mb ma和mb的差值即可反映被測(cè)量值的大小 為反映差值互感 將兩個(gè)一次繞組的同名端順向串聯(lián) 并施加交流電壓u 二次繞組的同名端反向串聯(lián) 同時(shí)測(cè)量串聯(lián)后的合成電動(dòng)勢(shì)e2為 e2 e2a e2b e2值的大小取決于被測(cè)位移的大小 e2的方向取決于位移的方向 圖2 10截面積型差動(dòng)變壓器式傳感器 圖2 10所示為改變氣隙有效截面積型差動(dòng)變壓器式傳感器 輸入非電量為角位移 它是一個(gè)山字形鐵芯A上繞有三個(gè)繞組 銜鐵B以O(shè)點(diǎn)為軸轉(zhuǎn)動(dòng) 銜鐵B轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)由于改變了鐵芯與銜鐵間磁路上的垂直有效截面積s 也就改變了繞組間的互感 使其中一個(gè)互感增大 另一個(gè)互感減小 因此兩個(gè)二次繞組中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)也隨之改變 將繞組w2a和w2b反相串聯(lián)并測(cè)量合成電動(dòng)勢(shì)e2 就可以判斷出非電量的大小及方向 一般來說 較小位移量的測(cè)量采用差動(dòng)變壓器 圖2 11列出其應(yīng)用實(shí)例 圖2 11 a 為測(cè)物體重量的電子秤 用差動(dòng)變壓器把彈簧的位移變?yōu)殡娦盘?hào) 換算為重量即可 圖2 11 b 為偏心測(cè)量?jī)x 以起始點(diǎn)作為基準(zhǔn) 用正負(fù)量來顯示轉(zhuǎn)體的偏心程度 a 電子秤 b 偏心測(cè)量?jī)x 圖2 11差動(dòng)變壓器應(yīng)用實(shí)例 為了測(cè)量列車運(yùn)行的速度和加速度的大小 可采用如圖所示的裝置 它是由一塊安裝在列車頭底部的強(qiáng)磁體和埋設(shè)在軌道地面的一組線圈及電流測(cè)量?jī)x組成的 測(cè)量?jī)x未畫出 當(dāng)列車經(jīng)過線圈上方時(shí) 線圈中產(chǎn)生的電流被記錄下來 就能求出列車在各位置的速度和加速度 階段小結(jié)力敏傳感器是將動(dòng)態(tài)或靜態(tài)力的大小轉(zhuǎn)換成便于測(cè)量的電量的裝置 本模塊介紹了電阻應(yīng)變式傳感器 其將外力轉(zhuǎn)化成電阻值的變化 再利用電橋電路檢測(cè)出電阻值的變化值 從而得出對(duì)應(yīng)的力變化量 還講述了電感式傳感器 其將外力引起的微小位移量轉(zhuǎn)化成電感參數(shù)的變化 從而得出相應(yīng)力的變化量 如位移量很小 可采用差動(dòng)變壓器來放大信號(hào)的方式 以提高傳感器的靈敏度 課題二壓電傳感器的轉(zhuǎn)換原理 任務(wù)目標(biāo) 掌握壓電式力敏傳感器的工作原理 掌握電容應(yīng)變式力敏傳感器的工作原理 了解壓電應(yīng)變式和電感應(yīng)變式力敏傳感器之間的區(qū)別 壓電傳感器是利用某些半導(dǎo)體材料的壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)由力至電量的轉(zhuǎn)化 屬于有源傳感器類 由于其靈敏系數(shù)高 信噪比高 使用頻帶寬 體積小 方便耐用等優(yōu)點(diǎn)已廣泛應(yīng)用在工業(yè) 軍事及民用等方面 壓電傳感器材料一般有三類 壓電單晶 壓電陶瓷和有機(jī)壓電薄膜 一 壓電傳感器 1 壓電轉(zhuǎn)換元件的工作原理 1 壓電效應(yīng)某些晶體或有機(jī)薄膜 當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí) 內(nèi)部極化 某兩個(gè)面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷 當(dāng)外力去掉后 又恢復(fù)到不帶電狀態(tài) 當(dāng)作用力方向改變時(shí) 電荷的極性也改變 晶體受力所產(chǎn)生的電量與外力的大小成正比 即式中 是壓電常數(shù) 它反映了壓電效應(yīng)的強(qiáng)弱 上述現(xiàn)象稱正壓電效應(yīng) 反之 如對(duì)晶體施加一交變電場(chǎng) 晶體本身將產(chǎn)生變形 此稱電致伸縮現(xiàn)象 也稱逆壓電效應(yīng) 如圖2 14所示 2 9 a 材料受壓 b 材料受拉 c 材料受壓 d 材料受拉 圖2 14壓電效應(yīng) 2 壓電傳感器材料及特性常用壓電傳感器的材料一般有壓電單晶 壓電陶瓷和有機(jī)壓電薄膜 石英單晶分人工石英和天然石英 它們是單晶中使用頻率最高的一種傳感器 其特點(diǎn)是介電和壓電常數(shù)的溫度穩(wěn)定性好 如圖2 15所示 適用的工作溫度范圍寬 動(dòng)態(tài)響應(yīng)快 機(jī)械強(qiáng)度大 彈性系數(shù)高 穩(wěn)定性好 a 壓電常數(shù)與溫度的關(guān)系 b 介電常數(shù)與溫度的關(guān)系 石英晶體的外形是規(guī)則的六角棱柱體 它有三個(gè)晶軸 如下圖所示 石英晶體的坐標(biāo)軸和切片 縱向壓電效應(yīng) 沿著X軸對(duì)晶片施加力時(shí) 在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷 橫向壓電效應(yīng) 沿著Y軸對(duì)晶片施加力時(shí) 在垂直于X軸的表面上產(chǎn)生電荷 壓電陶瓷是多晶體 最常見的有鈦酸鋇 鋯鈦鉛系列等 壓電陶瓷屬于鐵電體一類的物質(zhì) 是人工制造的多晶壓電材料 它具有類似鐵磁材料磁疇結(jié)構(gòu)的電疇結(jié)構(gòu) 電疇是分子自發(fā)形成的區(qū)域 它有一定的極化方向 從而存在一定的電場(chǎng) 在無外電場(chǎng)作用時(shí) 各個(gè)電疇在晶體上雜亂分布 它們的極化效應(yīng)被相互抵消 因此原始的壓電陶瓷內(nèi)極化強(qiáng)度為零 經(jīng)過人工極化后 保留很強(qiáng)的剩余極化的情況下才能作為壓電材料使用 有機(jī)壓電薄膜隨著科技的進(jìn)步發(fā)展也較快 它既具有高分子材料的柔軟性又具有壓電陶瓷的特性 可以做成較大面積 主要用于微壓測(cè)量和機(jī)器人的觸覺 天然石英晶體 b 石英晶體薄片 c 壓電陶瓷 d 高分子壓電薄膜 各種壓電材料的外形圖 3 壓電傳感器的結(jié)構(gòu)壓電傳感器是一種有源傳感器 同時(shí)又是一個(gè)電容器 其結(jié)構(gòu)如圖2 17 a 所示 它是在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍 形成金屬膜 引出兩個(gè)電極 實(shí)際應(yīng)用中常將兩個(gè)以上晶片進(jìn)行串聯(lián)或并聯(lián) 如圖2 17 b c 所示 就如同將兩個(gè)電容器串聯(lián)和并聯(lián)一樣 串聯(lián)輸出的電壓高 自身電容小 并聯(lián)輸出電荷量大 電容量大 串聯(lián)主要用在以電壓為輸出量及測(cè)量電路輸入阻抗很高的場(chǎng)合 而并聯(lián)由于時(shí)間常數(shù)大 主要用于以電荷為輸出量的場(chǎng)合 適于測(cè)量緩變信號(hào) a 壓電晶片 b 串聯(lián) c 并聯(lián) 圖2 17壓電晶片及壓電傳感器結(jié)構(gòu) 4 壓電傳感器基本應(yīng)用電路根據(jù)后續(xù)放大電路是電壓放大還是電荷放大 可將壓電傳感器等效為電壓源電路和電荷源電路 如圖2 18所示 Ca為等效電容 a 電荷源等效電路 b 電壓源等效電路 圖2 18壓電傳感器等效電路 由于壓電傳感器產(chǎn)生的電量非常小 且內(nèi)阻極高 就要求測(cè)量電路的輸入電阻盡量大 這樣才能減小測(cè)量誤差 因此在壓電式傳感器的輸出端總是接入高輸入阻抗的前置放大器 然后再接入一般的放大電路 前置放大器有兩個(gè)作用 第一是將壓電傳感器的輸出信號(hào)放大 第二是將高阻抗輸出變換為低阻抗輸出 壓電式傳感器的測(cè)量電路有電荷型與電壓型兩種 相應(yīng)的前置放大器也有電荷型與電壓型兩種型式 下面簡(jiǎn)單介紹電荷型放大電路 如圖2 19所示 a 等效電路 b 簡(jiǎn)化電路 圖2 19壓電式傳感器電荷放大的電路 圖2 19 a 中Ra為壓電傳感器的絕緣電阻 Cc為連接電纜的傳輸電容 Ri為前置放大器的輸入電阻 Ci為前置放大器輸入電容 圖 b 中為等效綜合電容 Ci Ca Cc 即為等效綜合電阻 兩圖中Rf Cf為反饋電阻和電容 分析計(jì)算可得輸出電壓 2 10 可見輸出電壓值主要決定于和Cf 因此要得到必要的測(cè)量精度 反饋電容Cf的溫度和時(shí)間穩(wěn)定性要好 在實(shí)際應(yīng)用中 考慮到不同的量程 Cf的容量一般做成可調(diào)式 范圍在100 10000pF之間 2 幾種常見的壓電傳感器 1 壓電式單向測(cè)力傳感器壓電式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)如圖2 20所示 主要由石英晶片 絕緣套 電極 上蓋及基座等組成 傳感器上蓋為傳力元件 其外緣壁厚為0 1 0 5mm 當(dāng)受外力F作用時(shí) 它將產(chǎn)生彈性變形 將力傳遞到石英晶片上 石英晶片采用xy型 利用其縱向壓電效應(yīng) 圖2 20壓力式單向測(cè)力傳感器結(jié)構(gòu)圖 2 壓電式加速度傳感器壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)如圖2 21所示 主要由壓電元件 質(zhì)量塊 預(yù)壓彈簧 基座及外殼等組成 整個(gè)部件裝在外殼內(nèi) 并用螺栓加以固定 當(dāng)壓電式加速度傳感器和被測(cè)物體一起受到?jīng)_擊振動(dòng)時(shí) 壓電元件受質(zhì)量塊慣性力的作用 根據(jù)牛頓第二定律 此慣性力F是加速度a的函數(shù) 即F ma 2 11 式中F 質(zhì)量塊產(chǎn)生的慣性力 m 質(zhì)量塊的質(zhì)量 a 加速度 圖2 21壓電式加速度傳感器結(jié)構(gòu)圖 慣性力F作用于壓電元件上而產(chǎn)生電荷q 當(dāng)傳感器選定后 質(zhì)量塊的質(zhì)量m為常數(shù) 則傳感器輸出電荷q為q d11F d11ma 2 12 式中d11 壓電系數(shù) 由式 2 12 可見 壓電式測(cè)力傳感器輸出電荷q與加速度成正比 因此 測(cè)得加速度傳感器輸出的電荷便可知加速度的大小 3 壓電式傳感器在測(cè)漏中的應(yīng)用如果地面下一均勻的自來水直管道某點(diǎn)O漏水 水漏引起的振動(dòng)從O點(diǎn)向管道兩端傳播 在管道A B兩點(diǎn)放兩只壓電傳感器 由從兩個(gè)傳感器接收到的由O點(diǎn)傳來的t0時(shí)刻發(fā)出的振動(dòng)信號(hào)所用的時(shí)間差可計(jì)算出LA或LB 兩者時(shí)間差為 又L LA LB 所以 二 電容式傳感器 電容式傳感器是一種能將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鞯碾娙萘孔兓?然后再通過一定的電路將此電容的變化轉(zhuǎn)換為電壓 電流或頻率等信號(hào)的輸出 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)物理量的測(cè)量 電容式傳感器具有如下優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 輕巧 易于制造 功率小 阻抗高 靈敏度高 動(dòng)態(tài)特性好 能在高低溫及強(qiáng)輻射的惡劣環(huán)境中工作 能進(jìn)行非接觸測(cè)量等 當(dāng)然 電容式傳感器也有其不足之處 如負(fù)載能力差 寄生電容影響較大 輸出為非線性等 隨著電子技術(shù)的發(fā)展 電容式傳感器的性能已得到了很大的改善 在位移 壓力 液位等物理量測(cè)量中得到廣泛應(yīng)用 1 電容式傳感器工作原理電容傳感器的工作原理可從平板電容器加以說明 如圖2 23所示 由物理學(xué)可知 兩平板組成的電容器 如不考慮邊緣效應(yīng) 其電容量可用下式表示 2 13 式中S 兩極板相互遮蓋的面積 兩極板間的距離 兩極板間介質(zhì)的介電常數(shù) 2 變介電常數(shù)型電容傳感器 通過改變板間介質(zhì) 即介電常數(shù) 可改變電容量 下面用一實(shí)例加以說明 圖2 24所示是一密封鉛罐中測(cè)量液態(tài)氮液位高度的原理圖 在被測(cè)介質(zhì)中放入兩個(gè)同心圓柱狀極板1和2 若容器內(nèi)液體介質(zhì)的介電常數(shù)為 液體介質(zhì)上面氣體介質(zhì)的介電常數(shù)為 當(dāng)容器內(nèi)液面高度變化時(shí) 則電容量將變化 假設(shè)液體介質(zhì)為不導(dǎo)電液體 若導(dǎo)電 則電極板必須絕緣 電極板間電容C等于氣體介質(zhì)間電容C2與液體介質(zhì)間電容C1之和 相當(dāng)于兩個(gè)電容器并聯(lián) 即 2 14 2 15 2 16 2 17 式 2 17 表明傳感器電容量C與高度呈線性關(guān)系 3 變面積型電容傳感器變面積型電容傳感器結(jié)構(gòu)原理如圖2 25所示 利用圖2 25 a 分析 當(dāng)上部平板向左位移x后 電容量由變?yōu)?用電容變化的增量與移動(dòng)距離x的比值定義為靈敏度KX 則 平板形差動(dòng)電容 階段小結(jié)壓電傳感器是利用壓電材料本身固有的壓電效應(yīng) 將外加的壓力轉(zhuǎn)換成電荷變化量 再通過電荷 或電壓 放大后 檢測(cè)其對(duì)應(yīng)的壓力 電容式傳感器是將外加力轉(zhuǎn)變成傳感器電容量的變化 然后再通過一定的電路將此電容的變化轉(zhuǎn)化為電壓 電流或頻率等信號(hào)的輸出 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)力的測(cè)量 模塊三濕度傳感器及其應(yīng)用 課題一濕度傳感器的分類及特性 任務(wù)目標(biāo) 熟悉濕度的表示方法和濕度傳感器的主要特性 熟悉半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器 有機(jī)高分子濕度傳感器的基本結(jié)構(gòu) 掌握其感濕特性 一 濕度傳感器概述 濕度是指物質(zhì)中所含水分的量 可通過濕度傳感器進(jìn)行測(cè)量 濕度傳感器是將環(huán)境濕度轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的裝置 現(xiàn)代化的工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及科學(xué)實(shí)驗(yàn)對(duì)空氣濕度的重視程度日益提高 要求也越來越高 如果濕度不能滿足要求 將會(huì)造成不同程度的不良后果 1 濕度的表示方法 狹義的濕度是指空氣中水汽的含量 常用絕對(duì)濕度 相對(duì)濕度和露點(diǎn) 或露點(diǎn)溫度 等來表示 1 絕對(duì)濕度絕對(duì)濕度是指在一定溫度及壓力條件下 單位體積待測(cè)氣體中含水蒸氣的質(zhì)量 即水蒸氣的密度 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 3 1 式中Mv 待測(cè)氣體中水蒸氣的質(zhì)量 V 待測(cè)氣體的總體積 Ha 待測(cè)氣體的絕對(duì)濕度 單位為g m3 2 相對(duì)濕度相對(duì)濕度為待測(cè)氣體中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓的比值的百分?jǐn)?shù) 其數(shù)學(xué)表達(dá)式為 3 2 式中PV 某溫度下待測(cè)氣體的水蒸氣壓 PW 與待測(cè)氣體溫度相同時(shí)水的飽和蒸氣壓 RH 相對(duì)濕度 單位為 RH 飽和水蒸氣壓與氣體的溫度和氣體的壓力有關(guān) 當(dāng)溫度和壓力變化時(shí) 因飽和水蒸氣壓變化 所以氣體中的水蒸氣壓即使相同 其相對(duì)濕度也會(huì)發(fā)生變化 溫度越高 飽和水蒸氣壓越大 日常生活中所說的空氣濕度 實(shí)際上就是指相對(duì)濕度而言 凡談到相對(duì)濕度 必須同時(shí)說明環(huán)境溫度 否則 所說的相對(duì)濕度就失去確定的意義 3 露點(diǎn)水的飽和蒸氣壓隨溫度的降低而逐漸下降 在同樣的空氣水蒸氣壓下 溫度越低 則空氣的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和蒸氣壓差值越小 當(dāng)空氣溫度下降到某一溫度時(shí) 空氣中的水蒸氣壓與同溫度下水的飽和水蒸氣壓相等 此時(shí) 空氣中的水蒸氣將向液相轉(zhuǎn)化而凝結(jié)成露珠 相對(duì)濕度為100 RH 該溫度稱為空氣的露點(diǎn)溫度 簡(jiǎn)稱露點(diǎn) 如果這一溫度低于0 時(shí) 水蒸氣將結(jié)霜 又稱為霜點(diǎn)溫度 兩者統(tǒng)稱為露點(diǎn) 空氣中水蒸氣壓越小 露點(diǎn)越低 因而可用露點(diǎn)表示空氣中的濕度 2 濕度傳感器的主要特性 1 感濕特性感濕特性為濕度傳感器的感濕特征量 如電阻 電容 頻率等 隨環(huán)境濕度變化的規(guī)律 常用感濕特征量和相對(duì)濕度的關(guān)系曲線來表示 如圖3 1所示 圖3 1濕敏元件的感濕特性曲線 按曲線的變化規(guī)律 感濕特性曲線可分為正特性曲線和負(fù)特性曲線 性能良好的濕度傳感器 要求在所測(cè)相對(duì)濕度范圍內(nèi) 感濕特征量的變化為線性變化 其斜率大小要適中 2 濕度量程濕度傳感器能夠比較精確測(cè)量相對(duì)濕度的最大范圍稱為濕度量程 一般來說 使用時(shí)不得超過濕度量程規(guī)定值 所以在應(yīng)用中 希望濕度傳感器的濕度量程越大越好 以0 100 RH為最佳 濕度傳感器按其濕度量程可分為高濕型 低濕型及全濕型三大類 高濕型適用于相對(duì)濕度大于70 RH的場(chǎng)合 低濕型適用于相對(duì)濕度小于40 RH場(chǎng)合 而全濕型則適用于0 100 RH的場(chǎng)合 3 靈敏度靈敏度為濕度傳感器的感濕特征量隨相對(duì)濕度變化的程度 即在某一相對(duì)濕度范圍內(nèi) 相對(duì)濕度改變1 RH時(shí) 濕度傳感器的感濕特征量的變化值 也就是該濕度傳感器感濕特性曲線的斜率 由于大多數(shù)濕度傳感器的感濕特性曲線是非線性的 在不同的濕度范圍內(nèi)具有不同的斜率 因此常用濕度傳感器在不同環(huán)境濕度下的感濕特征量之比來表示其靈敏度 如R1 R10 表示器件在1 RH下的電阻值與在10 RH下的電阻值之比 4 響應(yīng)時(shí)間當(dāng)環(huán)境濕度增大時(shí) 濕敏器件有一吸濕過程 并產(chǎn)生感濕特征量的變化 而當(dāng)環(huán)境濕度減小時(shí) 為檢測(cè)當(dāng)前濕度 濕敏器件原先所吸的濕度要消除 這一過程稱為脫濕 所以用濕敏器件檢測(cè)濕度時(shí) 濕敏器件將隨之發(fā)生吸濕和脫濕過程 在一定環(huán)境溫度下 當(dāng)環(huán)境濕度改變時(shí) 濕敏傳感器完成吸濕過程或脫濕過程 感濕特征量達(dá)到穩(wěn)定值的規(guī)定比例 過程所需要的時(shí)間 稱為響應(yīng)時(shí)間 感濕特征量的變化滯后于環(huán)境濕度的變化 所以實(shí)際多采用感濕特征量的改變量達(dá)到總改變量的90 所需要的時(shí)間 即以相應(yīng)的起始濕度和終止?jié)穸冗@一變化區(qū)間90 的相對(duì)濕度變化所需的時(shí)間來計(jì)算 5 感濕溫度系數(shù)濕度傳感器除對(duì)環(huán)境濕度敏感外 對(duì)溫度也十分敏感 濕度傳感器的溫度系數(shù)是表示濕度傳感器的感濕特性曲線隨環(huán)境溫度而變化的特性參數(shù) 在不同環(huán)境溫度下 濕度傳感器的感濕特性曲線是不同的 如圖3 2所示 圖3 2濕敏元件的溫度特性 濕度傳感器的感濕溫度系數(shù)定義為 濕度傳感器在感濕特征量恒定的條件下 當(dāng)溫度變化時(shí) 其對(duì)應(yīng)相對(duì)濕度將發(fā)生變化 這兩個(gè)變化量之比 參見式 3 3 稱為感濕溫度系數(shù) 3 3 顯然 濕度傳感器感濕特性曲線隨溫度的變化越大 由感濕特征量所表示的環(huán)境濕度與實(shí)際的環(huán)境濕度之間的誤差就越大 即感濕溫度系數(shù)越大 因此 環(huán)境溫度的不同將直接影響濕度傳感器的測(cè)量誤差 故在環(huán)境溫度變化比較大的地方測(cè)量濕度時(shí) 必須進(jìn)行修正或外接補(bǔ)償 濕度傳感器的感濕溫度系數(shù)越小越好 傳感器的感濕溫度系數(shù)越小 在使用中受環(huán)境溫度的影響也就越小 傳感器就越實(shí)用 一般濕度傳感器的感濕溫度系數(shù)在0 2 0 8 RH 圖3 3濕度傳感器的濕滯特性 6 濕滯特性一般情況下 濕度傳感器不僅在吸濕和脫濕兩種情況下的響應(yīng)時(shí)間有所不同 大多數(shù)濕敏器件的脫濕響應(yīng)時(shí)間大于吸濕響應(yīng)時(shí)間 而且其感濕特性曲線也不重合 在吸濕和脫濕時(shí) 兩種感濕特性曲線形成一個(gè)環(huán)形線 稱為濕滯回線 濕度傳感器這一特性稱為濕滯特性 如圖3 3所示 濕滯回差表示在濕滯回線上 同一感濕特征量值下 吸濕和脫濕兩種感濕特性曲線所對(duì)應(yīng)的兩濕度的最大差值 在電阻為X值時(shí) RH RHH RHL 顯然濕度傳感器的濕滯回差越小越好 7 老化特性老化特性為濕度傳感器在一定溫度 濕度環(huán)境下 存放一定時(shí)間后 由于塵土 油污 有害氣體等的影響 其感濕特性將發(fā)生變化的特性 8 互換性濕度傳感器的一致性和互換性差 當(dāng)使用中濕度傳感器被損壞 那么有時(shí)即使換上同一型號(hào)的傳感器也需要再次進(jìn)行調(diào)試 綜上所述 一個(gè)理想的濕度傳感器應(yīng)具備以下性能和參數(shù) 使用壽命長(zhǎng) 長(zhǎng)期穩(wěn)定性好 靈敏度高 感濕特性曲線的線性度好 使用范圍寬 感濕溫度系數(shù)小 響應(yīng)時(shí)間短 濕滯回差小 測(cè)量精度高 能在有害氣氛的惡劣環(huán)境下使用 器件的一致性 互換性好 易于批量生產(chǎn) 成本低 器件的感濕特征量應(yīng)在易測(cè)范圍以內(nèi) 二 濕度傳感器的分類及工作原理 濕度傳感器種類很多 沒有統(tǒng)一分類標(biāo)準(zhǔn) 按探測(cè)功能來分 可分為絕對(duì)濕度型 相對(duì)濕度型和結(jié)露型 按傳感器的輸出信號(hào)來分 可分為電阻型 電容型和電抗型 電阻型最多 電抗型最少 按濕敏元件工作機(jī)理來分 又分為水分子親和力型和非水分子親和力型兩大類 其中水分子親和力型應(yīng)用更廣泛 按材料來分 可分為陶瓷型 有機(jī)高分子型 半導(dǎo)體型和電解質(zhì)型等 下面按材料分類分別加以介紹 1 半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器 陶瓷濕度傳感器具有很多優(yōu)點(diǎn) 主要如下 測(cè)濕范圍寬 基本上可實(shí)現(xiàn)全濕范圍內(nèi)的濕度測(cè)量 工作溫度高 常溫濕度傳感器的工作溫度在150 以下 而高溫濕度傳感器的工作溫度可達(dá)800 響應(yīng)時(shí)間短 多孔陶瓷的表面積大 易于吸濕和脫濕 濕滯小 抗沾污 可高溫清洗和靈敏度高 穩(wěn)定性好等 半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器按其制作工藝不同可分為 燒結(jié)型 涂覆膜型 厚膜型 薄膜型和MOS型 陶瓷濕度傳感器較成熟的產(chǎn)品有MgCr2O4 TiO2 鉻酸鎂 二氧化鈦 系 ZnO Cr2O3 氧化鋅 三氧化二鉻 系 ZrO2 二氧化鋯 系 Al2O3 三氧化鋁 系 TiO2 V2O5 二氧化鈦 五氧化二釩 系和Fe3O4 四氧化三鐵 系等 它們的感濕特征量大多數(shù)為電阻 除Fe3O4系外 都為負(fù)特性濕敏傳感器 即隨著環(huán)境濕度的增加電阻值降低 下面介紹其典型品種 半導(dǎo)體陶瓷濕度傳感器 1 MgCr2O4 TiO2系濕度傳感器MgCr2O4 TiO2系濕度傳感器為燒結(jié)型 其結(jié)構(gòu)如圖3 4所示 圖3 4MgCr2O4 TiO2系濕度傳感器結(jié)構(gòu) 制作方法 以MgCr2O4為基礎(chǔ)材料 加入適量的TiO2 在1300 左右燒結(jié)而成 然后切割成所需薄片 在MgCr2O4 TiO2陶瓷薄片兩面涂覆氧化釕 RuO2 多孔電極 并于800 下燒結(jié) 制成感濕體 電極與引出線燒結(jié)在一起 引線為Pt Ir 鉑 銥 絲 在感濕體外設(shè)置由鎳鉻絲燒制而成的加熱清洗線圈 此線圈的作用主要是通過加熱排除附著在感濕片上的有害物質(zhì) 如水分 油污 有機(jī)物和灰塵等 以恢復(fù)對(duì)水汽的吸附能力 常用450 每分鐘的條件對(duì)陶瓷表面進(jìn)行熱清洗 MgCr2O4 TiO2濕度傳感器的感濕特性曲線如圖3 5所示 該濕度傳感器的特點(diǎn)是體積小 感濕靈敏度適中 電阻率低 阻值隨相對(duì)濕度的變化特性好 測(cè)量范圍寬 可測(cè)量0 100 RH 響應(yīng)速度快 響應(yīng)時(shí)間可小至幾秒 圖3 5MgCr2O4 TiO2濕度傳感器的感濕特性曲線 2 硅MOS型Al2O3濕度傳感器 Al2O3濕度傳感器根據(jù)濕敏元件制作方法不同 可分為多孔Al2O3濕度傳感器 涂覆膜狀A(yù)l2O3濕度傳感器和MOS型濕度傳感器 下面介紹硅MOS型濕度傳感器 圖3 6硅MOS型Al2O3濕度傳感器的結(jié)構(gòu) MOS型濕度傳感器具有響應(yīng)速度快 化學(xué)穩(wěn)定性好及耐高低溫沖擊的性能 2 高分子濕度傳感器 高分子濕度傳感器包括高分子電解質(zhì)薄膜濕度傳感器 高分子電阻式濕度傳感器 高分子電容式濕度傳感器 結(jié)露傳感器和石英振動(dòng)式傳感器等 下面分別加以介紹 1 高分子電阻式濕度傳感器這種傳感器的濕敏層為可導(dǎo)電的高分子 強(qiáng)電解質(zhì) 具有極強(qiáng)的吸水性 水吸附在有極性基的高分子膜上 在低濕下 因吸附量少 不能產(chǎn)生電離子 所以電阻值較高 當(dāng)相對(duì)濕度增加時(shí) 吸附量也增大 高分子電解質(zhì)吸水后電離 正負(fù)離子對(duì)主要起到載流子作用 使高分子濕度傳感器的電阻下降 吸濕量不同 高分子介質(zhì)的阻值也不同 根據(jù)阻值變化可測(cè)量相對(duì)濕度 高分子濕度傳感器外形圖 2 高分子電容式濕度傳感器圖3 7為高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu) 它是在潔凈的玻璃基片上 蒸鍍一層極薄 50nm 的梳狀金質(zhì) 作為下部電極 然后在其上薄薄地涂上一層高分子聚合物 1nm 干燥后 再在其上蒸鍍一層多孔透水的金質(zhì)作為上部電極 兩極間形成電容 最后上下電極焊接引線 就制成了電容式高分子薄膜濕度傳感器 圖3 7高分子薄膜電介質(zhì)電容式濕度傳感器的結(jié)構(gòu) 當(dāng)高分子聚合物介質(zhì)吸濕后 元件的介電常數(shù)隨環(huán)境相對(duì)濕度的變化而變化 從而引起電容量的變化 由于高分子膜可以做得很薄 所以元件能迅速吸濕和脫濕 故該類傳感器有滯后小和響應(yīng)速度快等特點(diǎn) 3 結(jié)露傳感器結(jié)露傳感器是一種特殊的濕度傳感器 它與一般的濕度傳感器不同之處在于它對(duì)低濕不敏感 僅對(duì)高濕敏感 感濕特征量具有開關(guān)式變化特性 結(jié)露傳感器分為電阻型和電容型 目前廣泛應(yīng)用的是電阻型 結(jié)露傳感器外形圖 電阻型結(jié)露傳感器是在陶瓷基片上制成梳狀電極 在其上涂一層電阻式感濕膜 感濕膜采用摻入碳粉的有機(jī)高分子材料 在高濕下 電阻膜吸濕后膨脹 體積增加 碳粉間距變大 引起電阻突變 而低濕時(shí) 電阻因電阻膜收縮而變小 其特性曲線如圖3 8所示 在75 80 RH以下時(shí) 很平坦 而超過75 80 RH陡升 圖3 8結(jié)露傳感器的感濕特性 結(jié)露傳感器的特點(diǎn) 響應(yīng)時(shí)間短 體積較小 對(duì)高濕快速敏感 它的吸濕作用不在濕敏膜的表面 而在其內(nèi)部 這就使它的特性不受灰塵和其他氣體對(duì)其表面污染的影響 因而長(zhǎng)期穩(wěn)定性好 可靠性高 且不需加熱解毒 能在直流電壓下工作 結(jié)露傳感器一般不用于測(cè)濕 而作為提供開關(guān)信號(hào)的結(jié)露信號(hào)器 用于自動(dòng)控制或報(bào)警 主要用于磁帶錄像機(jī) 照相機(jī)和高級(jí)轎車玻璃的結(jié)露檢測(cè)及除露控制 4 石英振動(dòng)式濕敏傳感器該類傳感器是在石英振子的電極表面涂覆高分子材料感濕膜 當(dāng)膜吸濕時(shí) 由于膜的重量變化而使石英振子共振頻率變化 從而檢測(cè)出環(huán)境濕度 傳感器在0 50 時(shí) 濕度檢測(cè)范圍為0 100 RH 誤差 5 RH 石英振動(dòng)式濕敏傳感器還能檢測(cè)露點(diǎn) 當(dāng)石英振子表面結(jié)露時(shí) 振子的共振頻率會(huì)發(fā)生變化 同時(shí)共振阻抗增加 3 含水量檢測(cè) 通常將空氣或其他氣體中的水分含量稱為 濕度 將固體物質(zhì)中的水分含量稱為 含水量 即固體物質(zhì)中所含水分的質(zhì)量與總質(zhì)量之比的百分?jǐn)?shù) 1 稱重法測(cè)出被測(cè)物質(zhì)烘干前后的重量GH和GD 含水量的百分?jǐn)?shù)為 3 4 這種方法很簡(jiǎn)單 但烘干需要時(shí)間 檢測(cè)的實(shí)時(shí)性差 而且有些產(chǎn)品不能采用烘干法 2 電導(dǎo)法固體物質(zhì)吸收水分后電阻變小 用測(cè)定電阻率或電導(dǎo)率的方法便可判斷含水量 3 電容法水的介電常數(shù)遠(yuǎn)大于一般干燥固體物質(zhì) 因此用電容法測(cè)物質(zhì)的介電常數(shù)從而測(cè)出含水量是相當(dāng)靈敏的 造紙廠的紙張含水量可用電容法測(cè)量 4 紅外吸收法水分對(duì)波長(zhǎng)為1 94um的紅外線吸收較強(qiáng) 而對(duì)波長(zhǎng)為1 81um紅外線幾乎不吸收 由上述兩種波長(zhǎng)的濾光片對(duì)紅外光進(jìn)行輪流切換 根據(jù)被測(cè)物對(duì)這兩種波長(zhǎng)的能量吸收的比值便可判斷含水量 5 微波吸收法水分對(duì)波長(zhǎng)為1 36cm附近的微波有顯著吸收現(xiàn)象 而植物纖維對(duì)此波段的吸收僅為水的幾十分之一 利用這一原理可制成測(cè)木材 煙草 糧食和紙張等物質(zhì)中含水量的儀表 微波法要注意被測(cè)物料的密度和溫度對(duì)檢測(cè)結(jié)果的影響 這種方法的設(shè)備稍為復(fù)雜一些 階段小結(jié)濕度信息由濕度傳感器轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào) 通過濕敏元件的電量信號(hào) 電阻 電容等 隨環(huán)境濕度變化而變化的特性來檢測(cè) 濕度傳感器的分類方法繁多 種類各不相同 感濕機(jī)理千差萬別 濕度較難檢測(cè) 原因在于濕度信息的傳遞較復(fù)雜 濕度信息必須靠其信息物質(zhì) 水對(duì)濕敏元件直接接觸來完成 因此 濕敏元件不能密封 隔離 必須直接暴露于待測(cè)的環(huán)境中 而水在自然環(huán)境中容易發(fā)生三態(tài)變化 當(dāng)其液化或結(jié)冰時(shí) 往往使?jié)衩羝骷母叻肿硬牧匣螂娊赓|(zhì)材料溶解 腐蝕或老化 給測(cè)量帶來不利 濕度傳感器目前最主要的技術(shù)性難點(diǎn)就是長(zhǎng)期穩(wěn)定性差及互換性差 課題二環(huán)境濕度控制 任務(wù)目標(biāo) 熟悉環(huán)境濕度控制的常用方法 一 環(huán)境濕度控制的方法 空氣相對(duì)濕度為45 60 時(shí)人體感覺最為舒適 也不容易引起疾病 當(dāng)空氣濕度高于65 或低于38 時(shí) 微生物繁殖滋生最快 當(dāng)相對(duì)濕度在45 55 時(shí) 病菌的死亡率較高 為了使環(huán)境濕度滿足要求 就要采用一定的控制方法來改變濕度 如果濕度過高 則要進(jìn)行除濕 反之 如果濕度過低 則要進(jìn)行加濕 1 除濕技術(shù)空氣除濕是一門涉及多個(gè)學(xué)科的綜合性技術(shù) 目前已被廣泛應(yīng)用于儀器儀表 生物 環(huán)保 紡織 冶金 化工 石化 原子能 航空 航天等領(lǐng)域 常用的空氣除濕技術(shù)主要有冷卻除濕 吸附除濕和吸收除濕等 1 冷卻除濕冷卻除濕的原理是濕空氣溫度降低到露點(diǎn)溫度以下時(shí)會(huì)析出水汽 在實(shí)現(xiàn)時(shí) 冷卻除濕要使用制冷式冷源 先通過降低蒸發(fā)器表面溫度使空氣溫度降到露點(diǎn)溫度以下 從而析出水汽 降低空氣的含濕量 再利用部分或全部冷凝熱加熱冷卻后的空氣 從而降低空氣的相對(duì)濕度 達(dá)到除濕目的 凡通過這種方式將密封空間內(nèi)空氣中的水分排出以降低濕度的除濕方式均屬冷卻除濕 制冷除濕機(jī)典型結(jié)構(gòu) 圖3 13一般制冷除濕機(jī)結(jié)構(gòu) 蒸發(fā)器 制冷劑在其中沸騰 吸收被冷卻介質(zhì)的熱量后 由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)闅鈶B(tài) 壓縮機(jī) 消耗一定的外界功后 把蒸發(fā)器中的氣態(tài)制冷劑吸入 并壓縮到冷凝壓力后排入冷凝器中 冷凝器 再熱器 氣態(tài)制冷劑在冷凝器中將熱量傳遞給冷卻介質(zhì) 空氣或常溫水 后 冷凝成液體 膨脹閥 節(jié)流閥 將冷凝后的高壓液態(tài)制冷劑通過其節(jié)流作用 降低到蒸發(fā)壓力后 送入蒸發(fā)器中 制冷系統(tǒng)工作流程為 壓縮機(jī)將蒸發(fā)器所產(chǎn)生的低壓 低溫制冷劑蒸氣吸入汽缸內(nèi) 經(jīng)壓縮壓力升高 溫度也升高 到稍大于冷凝器內(nèi)的壓力時(shí) 將氣缸內(nèi)的高壓制冷劑蒸氣排到冷凝器中 所以壓縮機(jī)起著壓縮和輸送制冷劑蒸氣的作用 在冷凝器內(nèi)高壓高溫的制冷劑蒸氣與溫度較低的空氣 或常溫水 進(jìn)行熱交換而冷凝為液態(tài)制冷劑 液態(tài)制冷劑再經(jīng)過膨脹閥降壓 降溫 后進(jìn)入蒸發(fā)器 在蒸發(fā)器內(nèi)吸收被冷卻物體的熱量后而再次汽化 這樣 被冷卻物體便得到冷卻 而制冷劑蒸氣被壓縮機(jī)吸走 因此 制冷劑在系統(tǒng)中經(jīng)過壓縮 冷凝 膨脹 蒸發(fā)這樣四個(gè)過程 完成一個(gè)循環(huán) 送風(fēng)系統(tǒng)工作流程為 濕空氣被吸入后 在蒸發(fā)器被冷卻到露點(diǎn)溫度以下 水汽凝結(jié)成水被析出 含濕量下降 然后進(jìn)入冷凝器 吸收制冷劑的熱量而升溫 相對(duì)濕度降低 由送風(fēng)機(jī)送入房間 2 吸附除濕吸附除濕的原理是某些固體 除濕劑 或稱干燥劑 對(duì)水蒸汽分子具有強(qiáng)烈的吸附作用 當(dāng)空氣與除濕劑接觸時(shí) 空氣中的水蒸汽被吸附而解脫 從而達(dá)到除濕目的 常用的固體除濕劑有硅膠 氧化鋁 分子篩 氯化鈣等 使用后脫出吸附的水分可再次使用 吸附式除濕裝置主要有兩類 一類是固定床式除濕器 另一類是旋轉(zhuǎn)式除濕器 最原始的固定床除濕是在密封的容器內(nèi)放置除濕劑進(jìn)行除濕 后來將固體吸附劑作為固定層填充于塔 筒 內(nèi)進(jìn)行空氣除濕 該除濕方式為間歇方式 需要定期進(jìn)行脫附處理 操作與控制都不方便 旋轉(zhuǎn)式除濕器是指轉(zhuǎn)輪除濕機(jī) 它是利用一種特制的吸濕紙來吸收空氣中的水分 吸濕紙以玻璃纖維濾紙為載體將除濕劑和保護(hù)加強(qiáng)劑等液體均勻吸附在濾紙上烘干而成 它固定在蜂窩狀轉(zhuǎn)輪上 轉(zhuǎn)輪兩側(cè)由特制的密封裝置分成兩個(gè)區(qū)域 處理區(qū)域及再生區(qū)域 當(dāng)需要除濕的潮濕空氣通過轉(zhuǎn)輪的處理區(qū)域時(shí) 濕空氣的水蒸汽被轉(zhuǎn)輪的吸濕紙所吸附 干燥空氣被處理風(fēng)機(jī)送至需要處理的空間 而不斷緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)輪載著趨于飽和的水蒸汽進(jìn)入再生區(qū)域 再生區(qū)內(nèi)反向吹入的高溫空氣使得轉(zhuǎn)輪中吸附的水分被脫附 被再生風(fēng)機(jī)排出室外 從而使轉(zhuǎn)輪恢復(fù)了吸濕的能力而完成再生過程 轉(zhuǎn)輪不斷地轉(zhuǎn)動(dòng) 上述的除濕及再生周而復(fù)始地進(jìn)行 從而保證除濕機(jī)持續(xù)穩(wěn)定的除濕狀態(tài) 3 吸收除濕吸收除濕的依據(jù)是某些溶液 液體干燥劑 能夠吸收空氣中的水分 液體干燥劑具有很強(qiáng)的吸濕能力和容濕能力 當(dāng)其表面蒸汽壓比周圍環(huán)境濕空氣蒸汽壓低時(shí) 具有吸濕能力 吸收空氣中的水分變成稀溶液 同時(shí)濕空氣的含濕量下降 液體干燥劑在吸濕的過程中會(huì)放出熱量 此熱量是水分由氣態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)釋放出來的熱量 當(dāng)空氣在除濕器內(nèi)與噴灑的吸收液接觸時(shí) 空氣中的水分被溶液吸收而除濕 吸收水分后的溶液由溶液循環(huán)泵送到再生器 和由加熱盤管加熱的再生空氣接觸 溶液中的水分蒸發(fā)并伴隨再生空氣排出室外 再生器內(nèi)濃度提高的溶液再由循環(huán)泵送入除濕器 2 加濕技術(shù) 以