第3章 安全檢測(cè)常用傳感器-課件

1、 第三章 安全檢測(cè)常用傳感器1. 傳感器的分類(lèi) 溫度傳感器 物理量傳感器 壓力傳感器按輸入量（被測(cè)對(duì)象）分類(lèi) 化學(xué)量傳感器 位移傳感器生物量傳感器從傳感器的轉(zhuǎn)換原理來(lái)說(shuō)：結(jié)構(gòu)型、 物性型按轉(zhuǎn)換元件的能量轉(zhuǎn)換方式：有源型（能量轉(zhuǎn)換型）和無(wú)源型（能量控制型或參數(shù)型） 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)字式按輸入、 輸出特性傳感器可分為：線性和非線性2. 結(jié)構(gòu)型傳感器：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器 2.1電阻應(yīng)變式傳感器：利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，從而實(shí)現(xiàn)電測(cè)非電量的傳感器（原理基于電阻應(yīng)變效應(yīng)） 2.1.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)：電阻材料的電阻值隨機(jī)械變

2、化的物理現(xiàn)象 2.1.2 壓阻效應(yīng)：電阻材料受到載荷作用產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)、其電阻率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象 2.1.3 金屬材料的電阻率相對(duì)變化正比于體積的相對(duì)變化 2.1.4 金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)：金屬材料的電阻相對(duì)變化與其線應(yīng)變成正比 2.1.5 應(yīng)變靈敏度系數(shù)：Ks=(1+2)+pE 2.1.6 應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理：外力作用而引起的軸向應(yīng)變，將導(dǎo)致電阻絲的電阻成比例地變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路可將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出 2.1.7 電阻應(yīng)變計(jì)：把應(yīng)變絲制成柵狀的應(yīng)變敏感元件 2.1.8 電阻應(yīng)變片(簡(jiǎn)稱應(yīng)變片）由敏感柵、基底、覆蓋層、引線和粘合劑構(gòu)成 2.1.9按加工方法,可以將應(yīng)變片分為以下

3、四種：絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變片、薄膜應(yīng)變片 按敏感柵的材料,可將應(yīng)變計(jì)分為金屬應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)兩大類(lèi) 2.1.10電阻應(yīng)變片靜態(tài)特性：靈敏度系數(shù)、機(jī)械滯后、蠕變、應(yīng)變極限 2.1.10.1橫向效應(yīng)：將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，其靈敏系數(shù)降低了的現(xiàn)象 2.1.10.2應(yīng)變計(jì)的零漂：粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性 2.1.10.3應(yīng)變計(jì)的蠕變：如果在一定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)電阻值隨時(shí)間而變化的特性 2.1.10.4應(yīng)變極限：在恒溫條件下，使非線性誤

4、差達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值 2.1.11應(yīng)變片絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測(cè)試件之間的電阻值。通常要求為50100M以上 2.1.12最大工作電流：不影響應(yīng)變片工作特性的最大電流 2.1.12.1工作電流大，輸出信號(hào)就大，靈敏度也就高 2.1.13應(yīng)變片的溫度效應(yīng)（也稱溫度誤差）：由溫度變化引起應(yīng)變計(jì)輸出變化的現(xiàn)象 2.1.13.1電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償：應(yīng)變片自補(bǔ)償、法橋路補(bǔ)償法、熱敏電阻補(bǔ)償法 2.1.14電橋平衡條件。根據(jù)此條件可分為以下三種情況：（1）對(duì)輸出端對(duì)稱 （2）對(duì)電源端對(duì)稱（3）全等臂電橋結(jié)構(gòu) 2.1.15差動(dòng)全橋的靈敏度是單臂電橋的4倍，是雙臂差動(dòng)電橋的2倍2.2 電

5、容式傳感器：將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電容變化的裝置2.2.1電容式傳感器可以有三種基本類(lèi)型，即變極距(或稱變間隙）型、變面積型和變介電常數(shù)型。它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。 2.2.1.1為了提高靈敏度，減小非線性誤差，往往采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。 2.2.2溫度影響：溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響、溫度對(duì)介質(zhì)的影響 2.2.3調(diào)頻測(cè)量電路：是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化2.3 電感式傳感器：自感式傳感器、互感傳感器、電渦流式傳感器 2.3.1 自感式傳感器 工作原理與輸出特性：線圈電感L與氣隙面積S是成正比的，而變氣隙長(zhǎng)度傳感器中

6、電感L和氣隙長(zhǎng)度d成反比 2.3.2互感傳感器：把被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈間互感系數(shù)變化的傳感器（根據(jù)變壓器的基本原理制成） 2.3.2.1 差動(dòng)變壓器 為了既能辨別銜鐵移動(dòng)方向和大小，又能消除零點(diǎn)殘余電壓，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)相敏檢波電路和差動(dòng)整流電路。 2.3.3電渦流式傳感器：金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流（電渦流密度主要分布在表面附近） 2.3.3.1渦流傳感器主要用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等物理參數(shù)的測(cè)量，渦流探傷。測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，而且可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量3. 物性型傳感器 ： 壓阻式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、霍爾傳感

7、器3.1.1壓阻式傳感器有兩種類(lèi)型，一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼式的應(yīng)變片（結(jié)構(gòu)型），這另一種是在半導(dǎo)體的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散型壓敏電阻，用它作為傳感元件制成的傳感器，稱固態(tài)壓阻式傳感器，也叫擴(kuò)散型壓阻式傳感器（物性型） 3.1.1.1晶向的表示方法有兩種，一種是截距法，另一種是法線法 3.1.2壓阻式傳感器的基本類(lèi)型：壓阻式壓力傳感器、壓阻式加速度傳感器 3.1.3由于半導(dǎo)體材料對(duì)溫度比較敏感，壓阻式傳感器的電阻值及靈敏度系數(shù)隨溫度變化而改變，將引起零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度漂移， 3.1.4 溫度補(bǔ)償方法：零點(diǎn)溫度補(bǔ)償、靈敏度溫度補(bǔ)償 3.1.5 （正）壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿

8、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)的現(xiàn)象 3.1.6 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，又稱電致伸縮效應(yīng) 3.1.7沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng) 3.1.8把沿機(jī)械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)” 3.1.9 常見(jiàn)壓電材料：壓電晶體、多晶壓電陶瓷、新型壓電材料3.1.10作為壓電材料的條件：轉(zhuǎn)換性能（高）、機(jī)械性能（高）、電性能（具有高的電阻率和大的）、溫度和濕度穩(wěn)定性要好、時(shí)間穩(wěn)定性3.

9、1.11壓電式傳感器的測(cè)量電路電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。3.1.12 電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出，并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大因此也把這種測(cè)量電路稱為阻抗變換器。3.1.13 影響壓電式傳感器性能的主要因素：橫向靈敏度（壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當(dāng)加速度傳感器感受到與其主軸向(軸向靈敏度方向)垂直的單位加速度振動(dòng)時(shí)的靈敏度，一般用它與主軸向靈敏度的百分比來(lái)表示）環(huán)境溫度和濕度的影響 安裝差異及基座應(yīng)變 噪聲 3.2 光電式傳感器：將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器件

10、，其工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng) 3.2.1 光電效應(yīng)：因?yàn)槲樟斯饽芎筠D(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng) 外光電效應(yīng)：在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象 內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）：在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化，引起電阻率或電導(dǎo)改變的現(xiàn)象 光生伏特效應(yīng)（阻擋層光電效應(yīng)）：在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象 3.2.1.1 把PN結(jié)的兩端通過(guò)外導(dǎo)線短接，形成流過(guò)外電路的電流，也稱為光電池的短路輸出電流 3.2.2 光電器件的特性： 光照特性 伏安特性：是指光照一定時(shí)，這些光電元件的 端電壓U與電流I之間的關(guān)系 光譜特性 頻率特性 溫度特性光電流：光敏元件

11、兩端加上一定偏置電壓，在某種光源的特定照度下產(chǎn)生或增加的電流暗電流：光敏元件在無(wú)光照射下，兩端加電壓后產(chǎn)生的電流 3.2.3 光電傳感器按其接收狀態(tài)可分為模擬光電傳感器 開(kāi)關(guān)式光電傳感器：利用光電元件受光照或無(wú)光照時(shí)“有/無(wú)”電信號(hào)輸出的特性，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的開(kāi)關(guān)信號(hào) 3.2.4 其他光電檢測(cè)器：電荷耦合器件(CCD)是典型的固體圖象傳感器應(yīng)用：圖像傳輸、 尺寸自動(dòng)檢測(cè)、 缺陷檢測(cè) 3.3 霍爾效應(yīng)：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)差的現(xiàn)象 3.3.1 產(chǎn)生霍爾效應(yīng)原因是根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電子在磁場(chǎng)中以速度v運(yùn)

12、動(dòng)時(shí)，受到洛倫茲力fL； fL與電子的電菏量e、運(yùn)動(dòng)速度v及磁場(chǎng)強(qiáng)度B成正比； fL=evB；隨著感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)EH的增加， fE不斷增加，最終fL與fE半達(dá)到某一平衡值，即： fL +fE =03.3.2 霍爾元件材料 ：鍺(Ge)，N型及P型均可、硅(Si)N型及P型均可、砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)3.3.3 霍爾元件材料為什么必須用薄片？因?yàn)镋H=IB/end3.3.4 霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)：最大磁感應(yīng)強(qiáng)度BM、額定激勵(lì)電流IH、輸入電阻Ri、輸出電阻RL、不等位電勢(shì)E0、寄生直流電勢(shì)V0、熱阻RQ3.3.5 霍爾集成電路可分為線性型和開(kāi)關(guān)型兩大類(lèi)：線性型集成電路是將霍爾元件和

13、恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾元件方便得多；開(kāi)關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、施密特觸發(fā)器、OC門(mén)（集電極開(kāi)路輸出門(mén)）等電路做在同一個(gè)芯片上3.5.6 霍爾傳感器優(yōu)點(diǎn)：磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、 輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)3.5.7 霍爾傳感器的應(yīng)用：可測(cè)量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量 3.6 傳感器的選用原則：靈敏度：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 響應(yīng)特性：在線性范圍內(nèi)，傳感器的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。為了保證測(cè)量的精確度，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 ；機(jī)械式傳感器中的測(cè)力彈性元件，其材料的彈性極限是決定測(cè)力量程的基本因素，當(dāng)超出測(cè)力元件允許的彈性范圍時(shí)，將產(chǎn)生非線性誤差線性范圍 穩(wěn)定性 精確度：傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度測(cè)量方式：例如，接觸與非接觸測(cè)量、破壞與非破