第2章傳感器1課件

第二章

傳感技術(shù)與傳感器

2.1概述2.2參數(shù)型傳感器2.2.1電阻式傳感器2.2.2電容式傳感器2.2.3電感式傳感器2.3發(fā)電型傳感器2.3.1磁電式傳感器2.3.2壓電式傳感器2.4光導(dǎo)纖維傳感元件2.5智能傳感器什么是傳感器？2.1概述速度、位移、溫度等物理量是如何顯示出來的？傳感器（英文名稱：transducer/sensor）：一種檢測裝置（器），能感受到被測量的信息（感），并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息傳輸出去（傳），以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。2.1概述傳感技術(shù)：將觀測信息轉(zhuǎn)換為電、光等信號的技術(shù)。傳感元件：實(shí)現(xiàn)機(jī)—電、熱—電、聲—電、機(jī)—光、熱—光、光—電等信號轉(zhuǎn)換的元件。振動速度傳感器速度傳感器2.1概述線性度好，便于信號處理；靈敏度高、靈敏度誤差??；有較好的重復(fù)性和穩(wěn)定性；滯后誤差小、漂移??；具有較高的分辨力；動態(tài)性能好；被測對象的影響小，即“負(fù)載效應(yīng)”較低；其它技術(shù)要求：抗腐蝕、抗震、抗干擾、耐高溫、可實(shí)現(xiàn)非接觸或遠(yuǎn)距離測量。

傳感器是測量系統(tǒng)獲取信息的最前沿環(huán)節(jié)，它造成的測量誤差是不可彌補(bǔ)的，其技術(shù)性能影響整體的測試精度，因此，它必須具有以下技術(shù)性能：2.1概述傳感器的類型按輸入量分類：（被測物理量）測力傳感器——輸入信號為力信號；位移傳感器——輸入信號為位移信號；溫度傳感器——被測量為溫度。按輸出量分類：（輸出參量）發(fā)電型傳感器（主動型或能量轉(zhuǎn)換型）：輸出電源性參量，如電勢、電荷；電路參量型傳感器（被動型或能量控制型）：輸出電路參數(shù)，如電阻、電容、電感。便于選擇使用便于學(xué)習(xí)研究按工作機(jī)理分類結(jié)構(gòu)型：靠結(jié)構(gòu)參數(shù)變化實(shí)現(xiàn)信號變換，如變極距式電容傳感器物性型：靠傳感器內(nèi)部的物理、化學(xué)性質(zhì)變化實(shí)現(xiàn)傳感功能，如壓電、熱電傳感器傳感器的類型2.2.1

電阻式傳感器2.2

參數(shù)型傳感器工作原理：將被測物理量轉(zhuǎn)化為電路參數(shù)，主要包含電阻、電容、電感三種形式。直線位移電位計(jì)應(yīng)變電阻應(yīng)變片溫度熱敏電阻熱線風(fēng)速計(jì)流體壓力金屬絲壓敏傳感器(1)大電阻變化式△R（阻值變化范圍）較大：0~R代表型式：滑線式變阻器或稱電位器（測量線位移或角位移）結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：電阻材料導(dǎo)線覆以絕緣涂層后排繞而成，在工作表面上磨去絕緣層。彈性導(dǎo)體制成的電刷在工作表面上滑動，隨著電刷位移的變化而引起電阻值的變化。導(dǎo)線電刷2.2.1

電阻式傳感器電刷每通過一根導(dǎo)線，電阻就突變一次，電阻變化是梯形的。分辨率↓，兩導(dǎo)線之間容易形成短路。不宜實(shí)現(xiàn)動態(tài)測試。容易產(chǎn)生電刷的較大震動，影響測量精確度。阻值范圍大，精度低。2.2.1

電阻式傳感器位移電阻式傳感器線繞電位器實(shí)物圖2.2.1

電阻式傳感器電阻應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)：電阻絲基片覆蓋層引線覆蓋層基片電阻絲2.2.1

電阻式傳感器(2)微電阻變化式△R很小：0~N%R代表型式：電阻應(yīng)變片，體積小、動態(tài)響應(yīng)快、測量精度高、使用簡便應(yīng)變電阻絲（敏感元件）膠接在絕緣薄膜材料基片上。使用時，將此帶有應(yīng)變電阻絲的基片再膠接在被測應(yīng)變構(gòu)件上，使被測應(yīng)變通過基片帶動應(yīng)變電阻絲變形，使電阻發(fā)生相應(yīng)的變化，電阻的變化值與被測構(gòu)件的應(yīng)變值存在一定的函數(shù)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)應(yīng)變到電阻的轉(zhuǎn)換。2.2.1

電阻式傳感器當(dāng)電阻絲在長度方向變形時，其長度l，截面積S和電阻率ρ均會變化，引起電阻R的變化。若電阻絲的截面是半徑為r的圓形，則工作原理：導(dǎo)體的電阻值2.2.1

電阻式傳感器電阻絲長度電阻率電阻絲橫截面積∴上述各式代入總式，2.2.1電阻式傳感器縱向應(yīng)變又泊松比壓阻系數(shù)正應(yīng)力彈性模量對于金屬材料故電阻絲阻值的變化與其縱向應(yīng)變成線性關(guān)系，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變到電阻的轉(zhuǎn)換。2.2.1

電阻式傳感器

被測構(gòu)件表面的打磨、清洗、膠層涂布、粘貼以及膠層固化等各工序均非常重要!工作原理：被測物理量

電容量變化2.2.2

電容式傳感器類型：變極距型，變面積型、變介電常數(shù)型

兩平行平面間的電容極板間介質(zhì)的相對介電常數(shù)真空介電常數(shù)兩極板間相互覆蓋面積極板間距離定極板固定，動極板隨被測位移而移動

上、下極板固定，中間極板活動。（差動型）（1）變極距（δ）型電容～極距→非線性關(guān)系減小非線性誤差，在極小測量范圍內(nèi)工作，獲得近似線性的特性。為提高靈敏度和線性度、克服某些外界條件(電源電壓、環(huán)境溫度)變化的影響，采用差動型式電容傳感器。未開始測量時將活動極板調(diào)整在中間位置，二邊電容相等。測量時，中間極板向左或右平移，就會引起電容量的左增右減或反之。兩邊電容的差值C1-C2為二者之和優(yōu)點(diǎn)：靈敏度增大零點(diǎn)附近的線性度增強(qiáng)上、下兩極板固定，中間極板活動。（2）變面積（S）型（3）變介電常數(shù)（）型（4）應(yīng)用實(shí)例電容式鍵盤工作原理：被測物理量（位移、力等）自感L或互感M的變化工作基礎(chǔ)：電磁感應(yīng)原理。電磁感應(yīng)定律(1831年)：當(dāng)一個線圈中電流I變化時，該電流產(chǎn)生的磁通

也隨之變化，因而在線圈本身產(chǎn)生感應(yīng)電勢——自感。形式：自感式、互感式、渦流式、壓磁式等優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大、靈敏度高、穩(wěn)定性好、使用調(diào)整方便等。2.2.3

電感式傳感器（1）自感式傳感器纏繞在鐵芯上的線圈中通以交變電流I，產(chǎn)生磁通m，形成磁通回路。磁通與電流的關(guān)系：導(dǎo)磁長度氣隙寬度SS0l導(dǎo)磁面積代入上式，得：磁路歐姆定律：線圈匝數(shù)自感系數(shù)磁電動勢磁阻若僅使其中一個參量變化，即得L與該參量的單值函數(shù)關(guān)系，因而可做成各種電感式傳感器。磁阻的公式：l

——各段導(dǎo)磁體的長度——各段導(dǎo)磁體的磁導(dǎo)率S——各段導(dǎo)磁體的截面積δ——空氣隙的厚度0

——真空磁導(dǎo)率S0

——空氣隙截面積通常氣隙磁阻遠(yuǎn)大于鐵芯和銜鐵的磁阻，即變氣隙型傳感器a)變氣隙型

b)變面積型

c)螺線管型

（改變有效線圈匝數(shù)）變面積型傳感器螺線管型傳感器電感～氣隙→非線性關(guān)系提高精度和靈敏度，增大線性段差動式結(jié)構(gòu)要求：兩導(dǎo)磁體尺寸性能完全相同

兩個線圈的電氣參數(shù)、幾何尺寸也完全相同1-鐵芯2-線圈3-銜鐵變隙式自感壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖壓力進(jìn)入膜盒，膜盒的頂端產(chǎn)生與壓力P大小成正比的位移銜鐵發(fā)生移動，氣隙發(fā)生變化，流過線圈的電流發(fā)生相應(yīng)的變化電流表A的指示值就反映了被測壓力的大小。

應(yīng)用實(shí)例變隙差動式電感壓力傳感器被測壓力進(jìn)入C形彈簧管，彈簧管產(chǎn)生變形自由端發(fā)生位移，帶動銜鐵運(yùn)動線圈1和線圈2中的電感發(fā)生大小相等、符號相反的變化，即一個電感量增大，另一個電感量減小。電感的變化通過電橋電路轉(zhuǎn)換成電壓輸出。應(yīng)用實(shí)例輸出電壓與被測壓力之間成比例關(guān)系，只要用檢測儀表測量出輸出電壓，即可得知被測壓力的大小。（2）互感式傳感器被測物理量互感系數(shù)原理類似于變壓器，又稱為變壓器式傳感器，一般采用差動形式，簡稱為差動變壓器。與自感式的不同：把被測量的變化轉(zhuǎn)換成線圈互感的變化，再經(jīng)變換成為電壓信號輸出。原線圈副線圈當(dāng)E1、R1、L1、確定時，副線圈感應(yīng)電勢E21是互感系數(shù)M的單值函數(shù)?；ジ邢禂?shù)M是原、副線圈的匝數(shù)、長度、相互位置，以及整個磁路磁阻等因素的函數(shù)。變化其中一個參數(shù)都會改變互感大小，進(jìn)而改變感應(yīng)電勢。直接輸出電壓。交變電流角頻率原線圈交變電勢互感系數(shù)原線圈電阻副線圈感應(yīng)電勢原線圈自感1－測端2－防塵罩3－軸套4－圓片簧5－測桿6－磁筒7－磁芯8－線圈9－彈簧10－導(dǎo)線微小位移的測量應(yīng)用實(shí)例1-接頭；2-膜盒；3-底座；4-線路板；5-差動變壓器線圈；6-銜鐵；7-罩殼；8-插頭；9-通孔傳感器與彈性敏感元件（膜片、膜盒和彈簧管等）相結(jié)合，可以組成開環(huán)壓力傳感器和閉環(huán)力平衡式壓力計(jì)壓力測量應(yīng)用實(shí)例張力測量應(yīng)用實(shí)例2.3

發(fā)電型傳感器2.3.1磁電式傳感器工作原理：被測物理量

電源性參數(shù)，包括磁電型、壓電型、熱電型和光電型等。Φ為磁通量B為磁感應(yīng)強(qiáng)度l為導(dǎo)體長度v相對運(yùn)動速度磁鐵與線圈之間作相對運(yùn)動磁路中的磁阻變化變化關(guān)鍵（1）法拉第電磁感應(yīng)定律磁電式動圈式動磁鐵式變磁阻式線速度型角速度型動圈式：測量直線速度動圈式：測量角速度動磁鐵式

：測量直線速度變磁阻式感應(yīng)電動勢與線圈相對磁鐵運(yùn)動線速度或角速度正比B——?dú)庀洞鸥袘?yīng)強(qiáng)度(Wb/m2)l——線圈導(dǎo)線總長度(m)S——線圈所包圍的面積(m2)v——線圈和磁鐵間相對運(yùn)動的速度(m/s)ω——線圈和磁鐵間相對旋轉(zhuǎn)運(yùn)動的角速(rad/s)α——運(yùn)動方向與磁感應(yīng)強(qiáng)度方向的夾角式中：磁鐵和線圈的相對運(yùn)動產(chǎn)生切割磁力線從而產(chǎn)生感應(yīng)電勢圖為測量直線運(yùn)動速度的傳感器。由兩層線圈，線圈1繞在薄層絕緣材料圓筒2上，與外殼4固結(jié)在一起；線圈3繞在由鐵磁材料制成的內(nèi)軸上，分兩段繞制；外殼4由鐵磁材料制成。1-線圈；2-圓筒；3-線圈；4-外殼；工作原理：對線圈1通以直流電流，所產(chǎn)生的磁通量沿內(nèi)軸—?dú)庀丁鈿ば纬煞忾]回路。內(nèi)軸與外殼相對運(yùn)動時，兩邊氣隙中的線圈切割磁力線而使線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電勢，因兩邊氣隙中磁通量方向相反，故左右兩邊線圈所產(chǎn)生的感應(yīng)電勢方向相反。如作反向串接，則兩邊的感應(yīng)電勢相互相加而提高其靈敏度。輸出感應(yīng)電勢與內(nèi)軸和外殼相對運(yùn)動速度成正比。因此，可用輸出電勢來測量相對運(yùn)動速度。圖為相對振動式速度傳感器。中心細(xì)軸l由片狀彈簧2支承在外殼6上，可以作左右直線移動，軸上安裝有感應(yīng)線圈4。永久磁鐵3固定在外殼6上，與外殼形成封閉回路，留有一工作氣隙。線圈4處于此工作氣隙中。1-頂桿2-彈簧片3-磁鐵4-線圈5-引出線6-外殼256使用時，將殼體固定在一個構(gòu)件上，同時將小軸1伸出的頂桿頂在另一需測的相對運(yùn)動的構(gòu)件上，并作預(yù)緊，當(dāng)兩構(gòu)件發(fā)生相對振動時，小軸相對于殼體，即線圈相對于磁通作直線振動，線圈中產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，這一電勢反應(yīng)構(gòu)件間的相對運(yùn)動速度。1-頂桿2-彈簧片3-磁鐵4-線圈5-引出線6-外殼2561.工作原理正壓電效應(yīng)：沿一定方向?qū)δ承┚w電介質(zhì)材料施加外力使之變形時，其表面將產(chǎn)生電荷，外力去除后，介質(zhì)表面又回到不帶電的狀態(tài)。逆壓電效應(yīng)：對電介質(zhì)表面施以電場，則介質(zhì)將產(chǎn)生機(jī)械變形。壓電效應(yīng)具有極性!

若外加作用力由壓力變?yōu)槔?，則介質(zhì)表面上所產(chǎn)生的電荷的符號相應(yīng)改變。2.3.2壓電式傳感器壓電材料：具有壓電效應(yīng)的材料：壓電晶體―天然的單晶體，如天然石英晶體等；壓電陶瓷―人工制造的多晶體，如鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛(簡稱PZT)等；壓電薄膜:用有機(jī)聚合物的鐵電體加工出―具有柔性的薄膜壓電材料，常用的有聚偏氟乙烯(PVF2)等，它適用于特殊表面形狀上的測力處，是一種很有前途的壓電材料。性能穩(wěn)定，機(jī)械性能好（一）石英晶體天然形成的石英晶體外形天然形成的石英晶體外形石英晶體切片及封裝雙面鍍銀并封裝2023/1/1463石英晶體振蕩器（晶振）

石英晶體在振蕩電路中工作時，壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)交替作用，從而產(chǎn)生穩(wěn)定的振蕩輸出頻率。晶振（二）壓電陶瓷

壓電陶瓷是人工制造的多晶壓電材料，它比石英晶體的壓電靈敏度高得多，而制造成本卻較低，因此目前國內(nèi)外生產(chǎn)的壓電元件絕大多數(shù)都采用壓電陶瓷。常用的壓電陶瓷材料有鋯鈦酸鉛系列壓電陶瓷（PZT）及非鉛系壓電陶瓷（如BaTiO3等）。壓電陶瓷外形

（三）高分子壓電材料

典型的高分子壓電材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或PVDF）、聚氟乙烯（PVF）、改性聚氯乙烯（PVC）等。它是一種柔軟的壓電材料，可根據(jù)需要制成薄膜或電纜套管等形狀。它不易破碎，具有防水性，可以大量連續(xù)拉制，制成較大面積或較長的尺度，價格便宜，頻率響應(yīng)范圍較寬，測量動態(tài)范圍可達(dá)80dB。高分子壓電薄膜及拉制2023/1/1468高分子壓電材料制作的壓電薄膜和電纜

可用于波形分析及報(bào)警的高分子壓電踏腳板

下圖給出的是壓電式力傳感器示意圖。兩片壓電晶體片對放(以提高傳感器靈敏度)。被測力作用在彈性頂蓋上，直接傳遞到壓電片上，壓電片受力變形產(chǎn)生電荷，由引線輸出。所輸出的電荷大小反映作用力的數(shù)值。2.壓電傳感器自發(fā)電型傳感器，以電介質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，外力作用下在電介質(zhì)表面產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)非電量測量?？梢詫Ω鞣N動態(tài)力、機(jī)械沖擊和振動進(jìn)行測量，在聲學(xué)、醫(yī)學(xué)、力學(xué)、導(dǎo)航方面都得到廣泛的應(yīng)用。具有體積小、質(zhì)量輕、頻響高、信噪比大等特點(diǎn)。由于它沒有運(yùn)動部件，因此結(jié)構(gòu)堅(jiān)固、可靠性、穩(wěn)定性高。2.3.2壓電式傳感器光纖傳感器(FOS:FiberOpticalSensor)是20世紀(jì)70年代中期發(fā)展起來的一種基于光導(dǎo)纖維的新型傳感器。光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。因此，它同時具有光纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)。特點(diǎn)：

電絕緣性能好抗電磁干擾能力強(qiáng)非侵入性高靈敏度容易實(shí)現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控2.4

光導(dǎo)纖維傳感元件2.4.1概述各種裝飾性光導(dǎo)纖維

光纜光纖傳感器2.4.2

光纖及其結(jié)構(gòu)光纖是用玻璃、石英、塑料等光透射率高的電介質(zhì)制作的極細(xì)纖維，在近紅外線至可見光范圍內(nèi)傳輸損耗非常小，是極為理想的傳輸線路。結(jié)構(gòu)：中心部分(纖芯)之外覆蓋一層折射率比它稍低的介質(zhì)(包層)，當(dāng)滿足一定條件時，光就被“束縛”在光纖里面?zhèn)鞑?。?dāng)光線以較小的入射角由光密媒質(zhì)n1射入光疏媒質(zhì)n2時若繼續(xù)加大入射角,使得折射角為90度，此時入射角為？

φ2折射光反射光φ1入射光折射率n2折射率n1界面法線折射光若繼續(xù)加大入射角,光不再產(chǎn)生折射，而只有在光密媒質(zhì)中的反射，即形成了光的全反射現(xiàn)象2.4.3

光纖的傳光原理2.4.3

光纖的傳光原理特點(diǎn)：低衰減、柔性好信息量大、頻帶寬以及不受外界干擾防水性、絕緣性尺寸小、質(zhì)量輕節(jié)省貴重金屬、成本低。按光纖材料分類高純度石英(SiO2)玻璃纖維這種材料的光損耗比較小，在波長時，最低損耗約為0.47

dB/km。鍺硅光纖，包層用硼硅材料，其損耗約為0.5

dB/km。多組分玻璃光纖用常規(guī)玻璃制成，損耗也很低。如硼硅酸鈉玻璃光纖，在波長時，最低損耗為3.4

dB/km。塑料光纖用人工合成導(dǎo)光塑料制成，損耗較大，達(dá)到100～200

dB/km。但重量輕，成本低，柔軟性好，適用于短距離導(dǎo)光。2.4.4光纖傳感器類型傳輸型光纖傳感元件：利用光纖的低損耗傳輸功能；傳感型光纖元件：利用光纖本身特性受被測參數(shù)影響發(fā)生變化，如其中光波的強(qiáng)度、相位、偏振面或頻率，通過測量光纖中光波的這些特性參數(shù)，來感知被測量大小。以此原理制成的傳感元件為傳感性光纖元件。2.4.4光纖傳感器類型光源發(fā)出的光沿光纖傳輸，在傳感元件上有一反射面將此光束反射至接收光纖，再將之傳輸至接收器后加以處理，由顯示器讀出讀數(shù)。工作時，傳感元件的反射表面角度隨被測參數(shù)變化，使接收光纖所接受的光通量改變，顯示器顯示光通量變化，即反映出被測參數(shù)的變化。據(jù)此原理可做成反映位移變化或可轉(zhuǎn)化成位移變化參數(shù)的傳感器。2.4.5反射式光纖傳感器由光源發(fā)射的光經(jīng)敏感元件二次反射后由接收光纖送到接收器處理后作顯示。工作時，敏感元件材料對光的吸收率隨被測參數(shù)變化，而使顯示值發(fā)生變化。用此原理制成的光纖溫度傳感器：用半導(dǎo)體砷化鉀作敏感元件，其光吸收率隨溫度而變化。2.4.6吸收式光纖傳感器光源發(fā)出的光經(jīng)半透明反分光鏡分光后，一束由參考光纖傳輸，另一束由敏感光纖傳輸，兩束光均送入接收器，經(jīng)比較后，顯示器顯示出其差異值。參考光纖不發(fā)生變化，敏感光纖受被測參數(shù)作用而產(chǎn)生傳輸特性變化，使通過光波的有關(guān)參數(shù)(光強(qiáng)、相位、偏振面、頻率)發(fā)生變化，將此變化的光波與末變化的參考光波相比較后作出顯示，反映被測參量的數(shù)值。用此原理可做成測量壓力、水聲、振動、溫度以及大電流測量的傳感器。2.4.7調(diào)制式光纖傳感器2.4.8應(yīng)用實(shí)例激光報(bào)警器光纖式光電開關(guān)標(biāo)志孔電路板標(biāo)志檢測當(dāng)光纖發(fā)出的光穿過標(biāo)志孔時，若無反射，說明電路板方向放置正確。光纖耦合器傳輸光纖出射光纖圖1采用遮斷型光纖光電開關(guān)對IC芯片引腳進(jìn)行檢測發(fā)光二極管產(chǎn)生多種顏色的光線，通過光導(dǎo)纖維傳導(dǎo)到東方明珠球體的表面。在計(jì)算機(jī)控制下，可產(chǎn)生動態(tài)圖案。上海東方明珠光纖液位傳感器

保護(hù)管內(nèi)為高溫光纖低溫光纖光纖溫度傳感器傳感器(通過信號調(diào)理電路)與微處理器賦予足夠的智能結(jié)合，并兼有信息檢測與信息處理功能的傳感器。說明：不是簡單的將傳感器和微處理機(jī)集成在一塊芯片上。2.5智能傳感器自校零、自標(biāo)定、自校正功能；自動補(bǔ)償功能；自動采集數(shù)據(jù)，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；自動進(jìn)行檢驗(yàn)、自選量程、自尋故障；數(shù)據(jù)存儲、記憶