傳感器技術-劉喬

1、課程概述必修課主要內(nèi)容測量概論（誤差理論與數(shù)據(jù)處理）傳感器基本特性應變式電感式電容式壓電式磁電式熱電式光電式（光電檢測技術）半導體（氣敏、濕敏）超聲波微波紅外輻射數(shù)字式智能式（智能傳感器）（過程檢測技術與儀表）基本要求了解測量的基本知識掌握各類傳感器的基本特性和工作原理、典型測量電路了解各類傳感器的典型應用第一章傳感與檢測技術理論基礎被測對象數(shù)據(jù)傳輸環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)顯示環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)處理環(huán)節(jié)傳感器被測量測量結果圖11測量系統(tǒng)組成圖被測對象顯示放大傳感、變送圖2.2開環(huán)系統(tǒng)測量框圖x1x2x2k3k1ky被測對象顯示放大傳感、變送圖2.3閉環(huán)系統(tǒng)測量框圖x1x2x2k3k1ky反饋fxxyYFSoLmaxxy

2、YFSL1LmaxL2oxyYFSLmaxxyYFSL1L2L3L3Lmaxox(a)(b)(c)(d)o直線擬合線性度yYFSx理想特性曲線實際特性曲線o靈敏度oxyyxyxyxyx(a)(b)o第第3 3章章 應變式傳感器應變式傳感器 3.1 工作原理工作原理 3.2 電阻應變片的溫度誤差及補償電阻應變片的溫度誤差及補償 3.3 電阻應變片的測量電路電阻應變片的測量電路3.4 應變式傳感器的應用應變式傳感器的應用 3.1工作原理 應變 物體在外部壓力或拉力作用下發(fā)生形變的現(xiàn)象 彈性應變 當外力去除后，物體能夠完全恢復其尺寸和形狀的應變 彈性元件 具有彈性應變特性的物體應變式傳感器概述 是利

3、用電阻應變片電阻應變片將應變轉(zhuǎn)換為電阻值變化的傳感器 工作原理： 當被測物理量作用于彈性元件上，彈性元件彈性元件在力、力矩或壓力等的作用下發(fā)生變形，產(chǎn)生相應的應變或位移，然后傳遞給與之相連的應變片應變片，引起應變片的電阻值變化，通過測量電路變成電量輸出。輸出的電量大小反映被測量的大小。 結構： 應變式傳感器由彈性元件彈性元件上粘貼電阻應變片電阻應變片構成 應用： 廣泛用于力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)的測量應變效應分析應變效應分析 電阻應變片的工作原理是基于應變效應即導體或半導體材料在外界力的作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值相應發(fā)生變化， 這種現(xiàn)象稱為“應變效應”。 靈敏系數(shù)K受兩個因素影響

4、 一是應變片受力后材料幾何尺寸的變化， 即1+2 二是應變片受力后材料的電阻率發(fā)生的變化， 即（d/）/。 對金屬材料：1+2(d/)/ 對半導體材料：(d/)/1+2 大量實驗證明，在電阻絲拉伸極限內(nèi)， 電阻的相對變化與應變成正比，即K為常數(shù)。 應變片的結構應變片的結構圖3-2 金屬電阻應變片的結構 引線覆蓋層基片電阻絲式敏感柵lb絲式絲式箔式箔式第4章 電感式傳感器 4.1 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器 4.2 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器4.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 電感式傳感器的工作基礎：電磁感應 即利用線圈電感或互感的改變來實現(xiàn)非電量測量 分為變磁阻式、變壓器式、渦流

5、式等 特點： 工作可靠、壽命長 靈敏度高，分辨力高 精度高、線性好 性能穩(wěn)定、重復性好4.1 變磁阻式傳感器變磁阻式傳感器4.1.1 工作原理工作原理 變磁阻式傳感器由線圈、鐵芯和銜鐵三部分組成。鐵芯和銜鐵由導磁材料制成。在鐵芯和銜鐵之間有氣隙，傳感器的運動部分與銜鐵相連。當銜鐵移動時，氣隙厚度發(fā)生改變，引起磁路中磁阻變化，從而導致電感線圈的電感值變化，因此只要能測出這種電感量的變化，就能確定銜鐵位移量的大小和方向。 圖4 1 變磁阻式傳感器 S1l1L1W23l21線 圈 ；2鐵 芯 (定 鐵 芯 )；3銜 鐵 (動 鐵 芯 )S24.2 差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器 把被測的非電量

6、變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器。這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的，并且次級繞組用差動形式連接， 故稱差動變壓器式傳感器。 差動變壓器結構形式：變隙式、變面積式和螺線管式等。在非電量測量中， 應用最多的是螺線管式差動變壓器， 它可以測量1100mm 機械位移，并具有測量精度高、靈敏度高、 結構簡單、性能可靠等優(yōu)點。 圖 4-11 差動變壓器式傳感器的結構示意圖 iUBbaiIA1W1aW2aCW1bW2be2ae2boU22U1U12(a)(b)4.3 電渦流式傳感器電渦流式傳感器 4.3.1 工作原理工作原理 圖4-22 電渦流式傳感器原理圖（a） 傳感器激勵線圈; （b

7、） 被測金屬導體 1I1H傳感器激勵線圈(a)(b)2H2I被測金屬導體傳感器激勵電流主要內(nèi)容 5.1 電容式傳感器的工作原理和結構電容式傳感器的工作原理和結構5.2 電容式傳感器的靈敏度及非線性電容式傳感器的靈敏度及非線性5.3 電容式傳感器的等效電路（自學）電容式傳感器的等效電路（自學）5.4 電容式傳感器的測量電路電容式傳感器的測量電路5.5 電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用 5.1 電容式傳感器的工作原理和結構電容式傳感器的工作原理和結構 由絕緣介質(zhì)分開的兩個平行金屬板組成的平板電容器，如果不考慮邊緣效應，其電容量為 dSC（5-1） 5.1.1 變極距型電容傳感器變極距型電容傳感

8、器Ard圖5-2 變極距型電容式傳感器 5.1.2 變面積型電容式傳感器變面積型電容式傳感器 被測量通過動極板移動引起兩極板有效覆蓋面積S改變，從而得到電容量的變化。當動極板相對于定極板沿長度方向平移x時，則電容變化量為 00rx bCCCd (5-6) 式中C0=0r ba/d為初始電容。電容相對變化量為 axCC0(5-7) 這種形式的傳感器其電容量C與水平位移x呈線性關系。 圖5-5 變面積型電容傳感器原理圖 bxadxS圖5-7 電容式液位變換器結構原理圖 DdHh1第6章 壓電式傳感器 第6章 壓電式傳感器 6.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料 6.2 壓電式傳感器測量電路壓

9、電式傳感器測量電路6.3 壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用 第6章 壓電式傳感器 6.1 壓電效應及壓電材料壓電效應及壓電材料 某些電介質(zhì)，當沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上便產(chǎn)生符號相反的電荷， 當外力去掉后，又重新恢復到不帶電狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱壓電效應。 當作用力方向改變時，電荷的極性也隨之改變。有時人們把這種機械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象， 稱為“正壓電效應”。相反，當在電介質(zhì)極化方向施加電場，這些電介質(zhì)也會產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應”（電致伸縮效應）。具有壓電效應的材料稱為壓電材料，壓電材料能實現(xiàn)機電能量的相互轉(zhuǎn)換，如圖6 - 1所示。

10、第6章 壓電式傳感器 圖6-1 壓電效應可逆性 壓 電 元 件機 械 量電 量第6章 壓電式傳感器 6.2 壓電式傳感器測量電路壓電式傳感器測量電路 6.2.1 壓電式傳感器的等效電路壓電式傳感器的等效電路 由壓電元件的工作原理可知，壓電式傳感器可以看作一個電荷發(fā)生器。同時，它也是一個電容器， 晶體上聚集正負電荷的兩表面相當于電容的兩個極板，極板間物質(zhì)等效于一種介質(zhì)， 則其電容量為 dACra0(6-4) 第6章 壓電式傳感器 6.3 壓電式傳感器的應用壓電式傳感器的應用 6.3.1 壓電式測力傳感器壓電式測力傳感器 圖6-11是壓電式單向測力傳感器的結構圖，主要由石英晶片、 絕緣套、電極、上

11、蓋及基座等組成。 圖6-11 壓力式單向測力傳感器結構圖 第6章 壓電式傳感器 傳感器上蓋為傳力元件，它的外緣壁厚為0.10.5mm，當外力作用時，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切型， 利用其縱向壓電效應， 通過d11實現(xiàn)力電轉(zhuǎn)換。石英晶片的尺寸為81mm。該傳感器的測力范圍為050N，最小分辨率為0.01 N，固有頻率為5060 kHz，整個傳感器重為10 g。 8.1 光電器件光電器件 1. 外光電效應外光電效應 一束光是由一束以光速運動的粒子流組成的，這些粒子稱為光子。 光子具有能量，每個光子具有的能量由下式確定： E=h （8-1） 式中： h普朗克常數(shù)=6.

12、62610-34(Js) 光的頻率（s-1）。 2. 內(nèi)光電效應內(nèi)光電效應 在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化或產(chǎn)生光生電動勢的效應稱為內(nèi)光電效應。內(nèi)光電效應又可分為以下兩類： （1） 光電導效應# 在光線作用下，對于半導體材料吸收了入射光子能量， 若光子能量大于或等于半導體材料的禁帶寬度， 就激發(fā)出電子-空穴對，使載流子濃度增加，半導體的導電性增加，阻值減低，這種現(xiàn)象稱為光電導效應。光敏電阻就是基于這種效應的光電器件。 （2） 光生伏特效應 在光線的作用下能夠使物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象稱為光生伏特效應?；谠撔墓怆娖骷泄怆姵亍?圖 8-1 光敏電阻結構 (a) 光敏電阻結構； (b) 光敏電阻電極； (c) 光敏電阻接線圖金屬電極半導體玻璃底板電源檢流計RLEI(a)(b)(c)Ra8.2 光光 纖纖 傳傳 感感 器器 光纖傳感器是20世紀70年代中期發(fā)展起來的一種新技術， 它是伴隨著光