第四章 常用傳感器技術

第4章常用傳感器技術

本章學習要求，了解電阻應變式傳感器、電感式、電容式、壓電式、磁電式、熱電式和超聲波傳感器的基本原理和主要技術特性。4.1電阻應變式傳感器4.1.1電阻應變式傳感器概述一、電阻應變式傳感器可用來測量哪些參數(shù)？力、力矩、位移、加速度等4.1.1

電阻應變式傳感器概述二、電阻應變測試技術有何獨特的優(yōu)點？1.結構簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；2.易于實現(xiàn)測試過程自動化，多點同步測量及遠距離測量；3.靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)、動態(tài)測量；三、電阻應變式傳感器的構成彈性敏感元件+電阻應變片四、基本原理被測量的變化→電阻應變片阻值變化→電信號輸出4.1.2

電阻應變片一、材料的應變效應含義：導體材料在外力的作用下發(fā)生機械變形，其電阻值也相應地發(fā)生變化原阻值一、材料的應變效應金屬材料的應變電阻效應半導體材料的應變電阻效應兩種材料應變效應的異同：相同點：其l、A和ρ在外力作用下均發(fā)生變化不同點：金屬材料的應變效應主要體現(xiàn)在幾何尺寸變化所致；而半導體材料則體現(xiàn)在電阻率變化帶來的應變效應4.1.2

電阻應變片4.1.2電阻應變片二、電阻應變片的結構4.1.2電阻應變片三、應變片的種類、材料及參數(shù)4.1.2電阻應變片三、應變片的種類、材料及參數(shù)4.1.2電阻應變片三、應變片的種類、材料及參數(shù)金屬薄膜應變片半導體應變片基于壓阻效應即半導體材料的電阻率隨作用力變化而變化的效應。4.1.2電阻應變片四、電阻應變片的主要特性靜態(tài)特性（1）靈敏系數(shù)（K）由得靈敏系數(shù)其中，為應變片軸向應變4.1.2電阻應變片四、電阻應變片的主要特性靜態(tài)特性（2）機械滯后（Zj)4.1.2電阻應變片四、電阻應變片的主要特性靜態(tài)特性（3）蠕變和零漂（4）應變極限4.1.2電阻應變片四、電阻應變片的主要特性動態(tài)特性（1）對正弦應變波的響應4.1.2電阻應變片四、電阻應變片的主要特性動態(tài)特性（2）對階躍應變波的響應（3）疲勞壽命4.2電感式傳感器4.2.1電感式傳感器概述一、電感式傳感器是怎樣的一種傳感器？如何分類？利用電磁感應原理將被測非電量如位移、壓力、流量、振動等轉換成線圈自感量L或互感量M的變化，再由測量電路轉換為電量輸出的傳感器。分類：按工作原理分，可分為變磁阻式、變壓器式和電渦流式傳感器4.2.1電感式傳感器概述二、電感式傳感器有何優(yōu)缺點？優(yōu)點:工作可靠，壽命長；靈敏度高，分辨率高；測量精度高，線性好；性能穩(wěn)定，重復性好。缺點：靈敏度、線性度和測量范圍相互制約，存在交流零位信號，傳感器自身頻率響應低，不適用于高頻動態(tài)測量。三、主要應用位移測量及可轉換為位移變化的機械量測量4.2.2變磁阻式傳感器一、工作原理（4-2）（4-1）4.2.2變磁阻式傳感器一、工作原理（4-3）4.2.2變磁阻式傳感器一、工作原理（4-3）（4-4）（4-5）4.2.2變磁阻式傳感器二、輸出特性4.2.2變磁阻式傳感器二、輸出特性4.2.2變磁阻式傳感器三、應用4.2.2變磁阻式傳感器三、應用4.2.3差動變壓器式傳感器一、工作原理螺線管式差動變壓器結構線圈排列方式4.2.3差動變壓器式傳感器一、工作原理4.2.3差動變壓器式傳感器二、基本特性次級開路時：4.2.3差動變壓器式傳感器二、基本特性輸出電壓有效值：分析：3.活動銜鐵處于向下移動時，4.3電容式傳感器4.3.1概述一、電容式傳感器是怎樣的一種傳感器？如何分類？將被測量如尺寸、位移、壓力等非電量的變化轉換成電容量的變化，再由測量電路轉換為電量輸出的傳感器。分類：按工作原理分，可分為變極距式（變間隙型）、變面積式和變介質式傳感器4.3.1概述二、電容式傳感器有何優(yōu)點？優(yōu)點:

結構簡單，體積小，分辨率高；可實現(xiàn)非接觸測量；動態(tài)響應好；溫度穩(wěn)定性好；能在高溫輻射和強振動等惡劣環(huán)境下工作。缺點：電容量小；功率小，輸出阻抗高，負載能力差。三、主要應用位移、振動、角度、加速度以及壓力、液面、成分含量等4.3.1概述四、基本原理4.3.2電容式傳感器工作原理和結構一、變極距型電容傳感器1.基本原理2.

測量范圍

25～200μm，廣泛應用于微位移測量中4.3.2電容式傳感器工作原理和結構二、變面積型電容傳感器1.直線位移電容式傳感器基本原理4.3.2電容式傳感器工作原理和結構二、變面積型電容傳感器2.角位移電容式傳感器基本原理4.3.2電容式傳感器工作原理和結構三、變介質型電容傳感器1.無介質插入時初始電容2.有介質插入時4.3.2電容式傳感器工作原理和結構三、變介質型電容傳感器3.電容式液位檢測器原理

電容量大小計算：4.3.3電容式傳感器的靈敏度及非線性靈敏度及非線性度表達式（變極距型電容傳感器）靈敏度：非線性度：4.3.3電容式傳感器的靈敏度及非線性靈敏度及非線性度表達式（變極距型電容傳感器）存在的問題：

靈敏度的提高與非線性度的減小不可兼得

解決問題：采用差動平板電容傳感器差動平板電容傳感器的優(yōu)勢：

1.提高靈敏度兩倍

2.大大降低了非線性度4.4壓電式傳感器4.4.1壓電式傳感器工作原理一、壓電式傳感器是怎樣的一種傳感器？利用某些電介質（如石英晶體、壓電陶瓷、高分子材料）的壓電效應工作。4.4.1壓電式傳感器工作原理二、何為壓電效應4.4.1壓電式傳感器工作原理三、壓電材料分類：壓電晶體（單晶）壓電陶瓷（多晶半導瓷）新型壓電材料（包括壓電半導體及有機高分子壓電材料）主要特性參數(shù)壓電常數(shù)、彈性常數(shù)、介電常數(shù)、機械耦合系數(shù)、電阻、居里點4.4.1壓電式傳感器工作原理三、壓電材料1.壓電晶體4.4.1壓電式傳感器工作原理三、壓電材料1.壓電晶體4.4.1壓電式傳感器工作原理三、壓電材料1.壓電晶體壓電效應機理4.4.1壓電式傳感器工作原理三、壓電材料2.壓電陶瓷壓電陶瓷的極化4.4.2壓電式傳感器結構及特點一、基本結構超聲波美容儀器用壓電陶瓷晶片4.4.2壓電式傳感器結構及特點二、應用特點1.靈敏度及分辨率高；2.線性范圍大；3.結構簡單、牢固，可靠性好，壽命長；4.體積小，重量輕，剛度、強度承載能力大；5.動態(tài)響應頻帶寬，動態(tài)響應好；6.易于量產化，使用方便；7.適用于近測、遙測。4.5磁電式傳感器4.5.1概述一、磁電式傳感器是怎樣的一種傳感器？通過磁電作用將被測量轉換成感應電動勢的傳感器。4.5.1概述二、特點及用途優(yōu)點：不需要外部電源電路簡單，性能穩(wěn)定，輸出阻抗小具有較寬的頻率范圍:10~1000Hz缺點：體積與重量較大用途：用于測量振動、轉速、扭矩等4.5.1概述三、分類磁電感應式傳感器恒定磁通式，又稱動圈式傳感器變磁通式，又稱磁阻式傳感器霍爾式傳感器4.5.2磁電感應式傳感器一、工作原理1.電勢的表達式4.5.2磁電感應式傳感器一、工作原理2.變磁通式磁電傳感器結構4.5.2磁電感應式傳感器一、工作原理3.恒磁通式磁電傳感器結構4.5.2磁電感應式傳感器二、基本特性1.測量電路與參數(shù)4.5.2磁電感應式傳感器二、基本特性2.測量誤差（1）非線性誤差傳感器線圈運動速度增大時，產生較大的感應電動勢和感應電流，由此產生的附加磁場方向與工作磁場方向相反，減弱了工作磁場的作用，使傳感器的靈敏度隨著被測速度的增大而降低。（2）溫度誤差4.5.3霍爾式傳感器一、霍爾效應4.5.3霍爾式傳感器二、霍爾元件基本結構4.5.3霍爾式傳感器三、霍爾元件基本特性1.激勵電流2.輸入電阻及輸出電阻3.不等位電勢和不等位電阻4.寄生直流電勢5.霍爾電勢溫度系數(shù)不等位電阻：4.6熱電式傳感器4.6.1課題導入一、熱電式傳感器概述二、熱電偶的特點及應用4.6.2熱電偶一、基本原理二、類型及結構4.6.3熱電阻一、金屬熱電阻二、半導體熱敏電阻4.6.1課題導入一、熱電式傳感器概述概念利用敏感元件的電磁參數(shù)隨溫度變化而變化的特性來測量溫度的裝置。分類熱電偶溫度傳感器電阻式溫度傳感器：金屬熱電式傳感器（熱電阻）、半導體式傳感器（熱敏電阻）4.6.1課題導入二、熱電偶的特點及應用特點性能穩(wěn)定、結構簡單、制造方便測溫范圍寬熱慣性小、準確度高輸出信號便于遠距離傳輸應用工業(yè)、科研領域4.6.2熱電偶一、基本原理熱電效應發(fā)現(xiàn)者：德國物理學家（T.J.Seebeck）內容：將兩種不同性質的導體組成閉合回路，若兩個連接處的溫度不同，兩導體之間將產生一個電勢，回路中將形成一定大小的電流。4.6.2熱電偶一、基本原理熱電效應接觸電勢溫差電勢4.6.2熱電偶一、基本原理熱電效應接觸電勢溫差電勢4.6.2熱電偶一、基本原理熱電偶基本定律中間導體定律當三個結點溫度均為T0時：當A、B結點溫度為T，其余結點溫度為T0時：4.6.2熱電偶一、基本原理熱電偶基本定律連接導體定律與中間溫度定律4.6.2熱電偶一、基本原理熱電偶基本定律標準電極定律EAB（T,T0）＝EAC（T,T0）－EBC（T,T0）4.6.2熱電偶二、類型與結構類型標準熱電偶非標準熱電偶結構普通熱電偶鎧裝熱電偶4.6.3熱電阻一、金屬熱電阻熱電阻測溫原理熱電阻材料的特點利用導體的阻值隨溫度的變化而變化進行測溫。熱電阻公式：4.6.3熱電阻二、半導體熱敏電阻PTC熱敏電阻NTC熱敏電阻CTR熱敏電阻有機高分子PTC熱敏電阻71熱敏電阻外形

MF12型NTC熱敏電阻聚脂塑料封裝熱敏電阻玻璃封裝NTC熱敏電阻MF58型熱敏電阻4.7超聲波傳感器1.超聲波及其物理性質2.超聲波換能器及耦合技術3.超聲波檢測技術的應用

4.7.1超聲波及其物理性質一、聲波、超聲波及應用聲波頻率可聞聲波：20~20kHz次聲波：低于20Hz超聲波：高于20kHz超聲波的物理特性穿透能力強反射、折射、波形變換超聲波的應用測距、測厚、測流量、無損探傷、超聲成像等4.7.1超聲波及其物理性質二、超聲波的波型、聲速、波長、指向性1.波型由于聲源在介質中施力方向與波在介質中傳播方向的不同，超聲波的波型也不同，通常有三種形式：

①縱波。質點振動方向與傳播方向一致的波為縱波。它能在固體、液體或氣體中傳播。②橫波。質點振動方向垂直于傳播方向的波稱為橫波，它只能在固體中傳播。4.7.1超聲波及其物理性質

③表面波。質點振動介于縱波和橫波之間，如圖所示。沿著固體表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減，實際上在距表面一個波長以上的地方，振動己近消失。工業(yè)應用中主要采用縱波。4.7.1超聲波及其物理性質二、超聲波的波型、聲速、波長、指向性2.聲速

超聲波的傳播速度與介質的密度和彈性特性有關。介質的彈性性能越好，密度越小，則介質的聲速越大。由于液體和氣體的剪切彈性模量幾乎為零，所以超聲波在液體和氣體中沒有橫波。氣體中的聲速為344m/s、液體中聲速在900~1900m/s；在固體中縱波、橫波、表面波三者的聲速有一定的關系，通常可認為橫波聲速為縱波的一半，表面波約為橫波聲速的90%。在鋼材中（縱波）聲速約5000m/s。4.7.1超聲波及其物理性質

對于液體介質，只能傳播縱波，以vL表示縱波聲速,E表示介質的體積彈性模量，表示介質的密度，則對于無限固態(tài)介質，可以傳播縱波和橫波4.7.1超聲波及其物理性質對于表面波，聲速uＲ近似為

4.7.1超聲波及其物理性質4.7.1超聲波及其物理性質二、超聲波的波型、聲速、波長、指向性