武漢理工大學(xué)檢測技術(shù)5課件

第五章常用傳感器5.1概述5.2電阻傳感器

5.3電容傳感器5.4電感傳感器5.5磁電傳感器5.6壓電傳感器5.7磁敏傳感器5.8傳感器選用原則▼▼▼▼▼▼▼▼5.1概述1.傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。狹義上，非電信號電信號。在非電量電測系統(tǒng)中的作用敏感作用：感受并拾取被測對象的信號變換作用：被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）。獲得傳感器信號的兩種方法直接獲得電信號的變化（開關(guān)傳感器）；3.傳感器的性能要求工作范圍或量程應(yīng)足夠大，具有一定的過載能力與檢測系統(tǒng)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高精度適當(dāng)，穩(wěn)定性高反應(yīng)速度快，工作可靠性高適應(yīng)性和適用性強(qiáng)4.常見的被測物理量機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),

質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,

流量;聲:

聲壓,噪聲.磁:

磁通,磁場.溫度:

溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩▲電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。按工作的原理可分為:熱敏式電阻應(yīng)變式變阻器式光敏式濕敏式5.2電阻式傳感器2.應(yīng)變式電阻傳感器絲式應(yīng)變片

箔式應(yīng)變片

(1).應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形而引起導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。傳感元件：電阻應(yīng)變片，它是一種把被測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的傳感元件。應(yīng)變片受力

應(yīng)變

比例關(guān)系

比例關(guān)系

應(yīng)變片電阻的變化

(2).工作原理式中，ρ——導(dǎo)線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)：當(dāng)金屬絲由于受到軸向力P而伸長時，長度增長，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如細(xì)絲因受壓力而縮短，即長度變短，截面積變粗時，則電阻就減小。<1>金屬應(yīng)變片（不變）金屬應(yīng)變計<2>

半導(dǎo)體應(yīng)變片（變化）半導(dǎo)體應(yīng)變計(3).應(yīng)變片的主要參數(shù)

1)幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用b×L表示。2)電阻值：應(yīng)變計的原始電阻值。

3)靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。4)其它表示應(yīng)變計性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

(4).金屬應(yīng)變計金屬應(yīng)變計有:

1、絲式

2、箔式

3、薄膜式優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點(diǎn):靈敏度系數(shù)小.應(yīng)變計立柱應(yīng)力

橋梁應(yīng)力

(6).應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用

德國HBM電阻應(yīng)變式傳感器

質(zhì)量傳感器

位移傳感器

加速度計

壓力傳感器

壓力傳感器

轉(zhuǎn)矩傳感器

(2).熱敏電阻傳感器

圓形熱敏電阻柱形熱敏電阻珠形熱敏電阻熱敏電阻在電路中的符號非線性元件:它的溫度-電阻關(guān)系是指數(shù)關(guān)系

溫度為-50℃～＋350℃

(3).光敏電阻傳感器

(4).濕敏電阻傳感器

▲5.3電容式傳感器

1.變換原理

將被測物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++A

當(dāng)被測量δ、A或ε發(fā)生變化時，都會引起電容的變化。如果保持其中的兩個參數(shù)不變，而僅改變另一個參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。3.靈敏度

a)極距變化型傳感器的靈敏度近似為：變極距電容傳感器

平板電容器傳感器靈敏度b)面積變化型a)直線位移型

直線位移型b)角位移型

傳感器靈敏度角位移型c)介質(zhì)變化型介質(zhì)常數(shù)變化型電容式傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)根據(jù)極板介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量(圖d)等。電容式氫液高度傳感器

紗條均勻度測試儀

▲5.4電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型1.可變磁阻式(自感型)原理:電磁感應(yīng)W:線圈匝數(shù)；L1:軟鐵長度；μ1：軟鐵磁導(dǎo)率；μ0：空氣磁導(dǎo)率A1：鐵芯導(dǎo)磁截面A0：空氣導(dǎo)磁截面可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵(1).間隙變化型間隙變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)

當(dāng)μ0、A0固定不變，改變δ時，L與δ呈非線形（雙曲線）關(guān)系，L與δ的雙曲線關(guān)系

傳感器靈敏度：(2).面積變化型面積變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)當(dāng)μ0、δ

固定不變，改變A0時，L與A0呈線形關(guān)系，傳感器靈敏度L與A0的線形關(guān)系=常數(shù)(3).螺線管型當(dāng)其它參數(shù)不變，僅改變L1，使Rm變化，從而產(chǎn)生電感的變化。(4).差動型變間隙型差動變壓器輸出特性傳感器靈敏度2.渦流式電感傳感器

當(dāng)金屬板置于變化磁場中或者在磁場中運(yùn)動時，在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱為渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度t，以及金屬板與線圈距離、激勵電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。渦流式電感傳感器可分為1）高頻反射式2）低頻投射式原線圈的等效阻抗Z變化：(1).高頻反射式（集膚效應(yīng)）高頻反射式渦流傳感器δ(2).低頻透射式（互感原理）低頻透射式渦流傳感器e2隨材料厚度增加變化的規(guī)律4.渦流式傳感器的應(yīng)用案例：位移、振幅、軸心軌跡的測量徑向振動的測量構(gòu)件振幅的測量構(gòu)件振型的測量軸心軌跡的測量其中，n為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速；f為脈沖頻率；z為轉(zhuǎn)軸上的槽數(shù)或齒數(shù)。案例:轉(zhuǎn)速的測量案例：測厚案例：零件計數(shù)案例：連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測3.變壓器式--差動變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.應(yīng)用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭矩,應(yīng)力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等.案例：板的厚度測量~案例：張力測量▲5.5磁電傳感器

1.變換原理

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e為

磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動速度有關(guān)，改變其中一個因素，都會改變線圈的感應(yīng)電動勢。

2.分類

磁電式動圈式磁阻式線速度型角速度型N3.動圈式傳感器

l:每匝線圈的平均長度；B:線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；A:每匝線圈的截面積；θ:線圈運(yùn)動方向與磁場方向的夾角；k:傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)。4.磁阻式傳感器

5.磁電傳感器的應(yīng)用測速電機(jī)磁電式測速傳感器測頻數(shù)測轉(zhuǎn)速偏心測量振動測量▲5.6壓電傳感器

1.變換原理

某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)式中，q為電荷[量]；D為壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；F為作用力。q=DFea：開路電壓；q:壓電晶片表面上的電荷；Ca為壓電晶片的電容。2.測量電路

等效電荷源

Cc:分布電容；Ri:輸入電阻；Ra:漏電阻；Ci:輸入電容壓電式傳感器輸出電荷q很少，內(nèi)阻Ra很大，輸出信號很弱小，因此要進(jìn)行處理：(1)放大微弱的壓電信號(2)進(jìn)行阻抗匹配

電壓放大器電荷放大器(1).主要作用放大器的輸入電壓：系統(tǒng)的輸出電壓為：

系統(tǒng)的靈敏度為：當(dāng)電纜長度變化時，Cc變化，ei變化，系統(tǒng)的靈敏度發(fā)生變化，此時測試比較困難(2).電壓放大器q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

ei=(q+eyCf)/(C+Cf)推導(dǎo)(3).電荷放大器3.壓電傳感器的應(yīng)用壓力變送器加速度計，力傳感器

壓電式壓力傳感

壓電式壓力傳感器特性

阻抗頭的結(jié)構(gòu)原理圖

阻抗頭的安裝結(jié)構(gòu)

▲5.7磁敏傳感器1.半導(dǎo)體霍爾元件霍爾效應(yīng)

當(dāng)半導(dǎo)體中流過一個電流時，若在與該電流垂直的方向上外加一個磁場，則在與電流及磁場分別成直角的方向上會產(chǎn)生一個電壓。這種現(xiàn)象也稱為霍爾效應(yīng)

。霍爾效應(yīng)原理圖

半導(dǎo)體霍爾元件的結(jié)構(gòu)

半導(dǎo)體磁敏電阻

半導(dǎo)體磁敏電阻的結(jié)構(gòu)(蛇形元件)利用磁場造成的電流偏轉(zhuǎn)使元件阻抗增加這種特點(diǎn)制成的雙端磁敏傳感器。磁性體磁敏電阻

利用強(qiáng)磁材料的磁場異向性制成的磁敏元件。磁性體磁敏電阻的結(jié)構(gòu)電磁感應(yīng)型磁敏傳感器原理：范圍：法拉第電磁感應(yīng)定律只能檢測交流磁場，不能檢測直流磁場

電磁感應(yīng)型磁敏傳感器

2.磁敏傳感器的應(yīng)用

電流計磁感應(yīng)開關(guān)磁敏電位器霍爾電動機(jī)紙幣及預(yù)付卡識別設(shè)卡形電流計的結(jié)構(gòu)

霍爾電動機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

霍爾電動機(jī)等效電路

▲5.8傳感器選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、線性范圍、響應(yīng)特性、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個方面的問題。

1.靈敏度一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但在確定靈敏度時，要考慮以下幾個問題。a)靈敏度過高引起的干擾問題；b)量程范圍。

3響應(yīng)特性傳感器的響應(yīng)特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時間越短越好。2線性范圍任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)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。傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測量精度的基本條件。4穩(wěn)定性穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。5精確度傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。6測量方式傳感器工作方式，也是選擇傳感器時應(yīng)考慮的重要因素。例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破壞性測量、在線與非在線測量等。▲應(yīng)變片受力后，電阻的變化dR

則兩邊同除以R，同時R=ρL/A，則dL/L=ε——金屬導(dǎo)線長度的相對變化，稱縱向應(yīng)變。dρ/ρ——導(dǎo)線電阻率的相對變化。dA/A——導(dǎo)線截面積的相對變化，稱為稱橫向應(yīng)變。

(2).工作原理對于圓形截面積的導(dǎo)線，若其直徑為D，則橫向應(yīng)變dD/D和縱向應(yīng)變dL/L之比稱為泊桑比，即故E為導(dǎo)線材料的彈性模量，λ為壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)。則已知當(dāng)導(dǎo)體材料確定后，μ、λ、E均為常數(shù)，則(1+2μ+λE)為常數(shù)。靈敏度為：應(yīng)變片電阻的相對變化率dR/R與應(yīng)變ε之間是線形關(guān)系S由兩部分組成：前一部分(1+2μ)單由金屬導(dǎo)線的幾何尺寸變化引起的；后一部分λE是電阻率隨應(yīng)變而引起變化的部分，它除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。返回當(dāng)略去傳感器的漏電阻Ra時qt≈ei(Ca+Cc+Ci)當(dāng)略去電荷放大器的輸入電阻Ri的影響時qf≈(ei-ey)Cf

則整個電路中的電荷為：q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

式中，ei