第3章安全檢測常用傳感器

1、第3章安全檢測常用傳感器第三章安全檢測常用傳感器1.傳 感 ,器 的 分 類溫度傳感器1物理量傳感器壓力傳感器'按輸入量（被測對(duì)象）分類 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)換原理來說：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)電測非 電量的傳感器（原理基于電阻應(yīng)變效應(yīng)

2、）2.1.1 電阻應(yīng)變效應(yīng)：電阻材料的電阻值隨機(jī)械變化的物理現(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)：（=（1+2 N ）+ n E2.1.6 應(yīng)變片測量應(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（簡稱應(yīng)變片）由敏感柵、基底、

3、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)變片分為以下四 種：絲式應(yīng)變 片、箔式應(yīng)變 片、半導(dǎo)體應(yīng) 變薄 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

4、 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 差達(dá)到10%時(shí) 的真實(shí)應(yīng)變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 被測試件之間的電阻值。通常要求為50100MQ 以1.1.12 最大工作電流：不影響應(yīng)變片工作特性的最大 電流1.1.12.1 工作電流大，輸出信號(hào)就大，靈敏度也就 高1.1.13 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1.1.13.1 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1.1.14 電橋平衡條件。根據(jù)此條件可

5、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)1.1.15 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 電容式傳感器：將被測非電量轉(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

6、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 隙長度傳感器中電感L和氣隙長度§成反比2.3.2 互感傳感器：把被測的非電量轉(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

7、器主要用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等物理參數(shù)的測量，渦流探傷。 測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強(qiáng)，而且可以實(shí)現(xiàn)非接觸測量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、霍爾傳感器3.1.1 壓阻式傳感器有兩種類型，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型：壓阻式壓力傳感器、壓阻式加速度傳感器3.1.3 由

8、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“

9、橫向壓電效應(yīng)”3.1.9 常見壓電材料：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3.1.11 壓電式傳感器的測量電路電壓放大器：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.因此也把這種測量電路稱為阻抗變 換器。3.1.13 3 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

10、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 來表示）環(huán)境溫度和濕度的影響安裝差異及基座應(yīng)變?cè)肼?.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， 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)1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

11、 體 定 方 向 的 電 動(dòng) 勢 的 現(xiàn) 象1.1.1.1 把PN結(jié)的兩端通過外導(dǎo)線短接， 形 成 流 過 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I伏安特性：是指光照一定時(shí)，這些I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 溫度特性光敏元件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關(guān)式光電傳感器：利用光電元件受光照或無光照時(shí)“有 / 無” 電信號(hào)

12、輸出的特性，將被測量轉(zhuǎn)換 成斷續(xù)變化的開關(guān)信號(hào)3.2.4 其他光電檢測器：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、缺陷檢測3.3 霍爾效應(yīng)：在通有電流的金屬板上加一勻強(qiáng)磁場，當(dāng)電流方向與磁場方向垂直時(shí)，在與電流和磁場都垂直的金屬板的兩表面間出現(xiàn)電勢差的現(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， 電子在磁場中以速度v 運(yùn)動(dòng)時(shí)， 受到洛倫茲力fL； fL與電子的電 荷量e、運(yùn)動(dòng)速度v 及磁場強(qiáng)度B 成正比；f L=evB；隨著感應(yīng)電動(dòng)勢Eh的增加，fE不斷增加，最終f L與fE半達(dá)到某一平衡值，即：f L+f E =03.3.2 霍爾元件材料：鍺

13、 (Ge)， N 型及 P型均可、 硅 (Si) N型及P型均可、碎 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&額 定激勵(lì)電流I H、輸入電阻Ri 、輸出電阻RL、不等位電 勢E)、寄生直 流電勢V熱 阻 RQ3.3.5 霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類：線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、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（集電極開路輸出門） 等電路做在同一個(gè)芯片上3.5.6 霍爾傳感器優(yōu)點(diǎn)：磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡 單、體積小、頻率 響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽 命長等優(yōu)點(diǎn)3.5.7 霍爾傳感器的應(yīng)用：可測量壓力、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，在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件響應(yīng)特性：在線性范圍內(nèi)，傳感器