機械工程測試技術基礎··第三章沈陽理工大學

1、常用傳感器及敏感元件,學習要求,傳感器是一種獲取信息的裝置，是測試系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)。完成本章內(nèi)容的學習后應能做到：了解傳感器的的作用與工業(yè)應用情況了解傳感器的分類 了解傳感器的最新發(fā)展動態(tài),主要內(nèi)容,概述傳感器的組成與分類 電阻式傳感器電感式傳感器電容式傳感器壓電式傳感器磁電式傳感器其它傳感器,概述,定義：工程上通常把直接作用于被測量，能按一定規(guī)律將其轉換成同種或別種量值輸出的器件，稱為傳感器。,廣州中鳴數(shù)碼的機器狗,

2、傳感器的組成與分類,傳感器的組成：,例如測量一輛直線運動的汽車的加速度：,,1)按被測物理量分類,常見的被測物理量,機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度, 旋轉角,轉數(shù),質量,重量,力, 壓力,真空度,力矩,風速,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,傳感器的組成與分類,傳感器的分類：,機械式,電氣式,光學式,流

3、體式等.,2)按工作的物理基礎分類:,傳感器的組成與分類,3)按信號變換特征:能量轉換型和能量控制型,能量轉換型:直接由被測對象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計.能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部 供給能量的變化.例如:電阻應變片.,傳感器的組成與分類,4)按敏感元件與被測對象之間的能量關系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質的變化來實現(xiàn)信號變換.

4、 例如:水銀溫度計.結構型:依靠傳感器結構參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉變. 例如:電容式和電感式傳感器.,傳感器的組成與分類,,電阻式傳感器,完成本節(jié)內(nèi)容的學習后應能做到：掌握電阻式傳感器的工作原理了解電阻式傳感器的結構、分類掌握變阻器式傳感器、電阻應變式傳感器、 固態(tài)壓阻式傳感器在結構和工作原理的相 同點和不同點了解電阻式傳感器的應用,電阻式傳感器是把被測量轉換為電阻變化的一種傳感器。按工作的原

5、理可分為:變阻器式、電應變式、壓阻式.,電阻式傳感器,1 變阻器式傳感器,變阻器式傳感器的等效電路,變阻器式傳感器的負載效應,優(yōu)點：穩(wěn)定、簡單、適合精度不高的場合缺點：分辨力不高,變阻器式傳感器的特點,變阻器式傳感器的應用,例1 重量的自動檢測--配料設備,變阻器式傳感器的應用,例2 用變阻式傳感器制作的位移傳感器的結構圖。被測位移使測量軸沿導軌軸向移動時，帶動電刷在滑線電阻上產(chǎn)生相同的位移，從而改變電位器的輸出電阻。精密電阻與電

6、位器電阻式電橋的兩個橋臂，構成電橋測量電路。,電阻式傳感器,2電阻應變片式傳感器,,金屬應變計有:絲式(wire gauge)和箔式(foil gauge)優(yōu)點:穩(wěn)定性和 溫度特性好.缺點:靈敏度系 數(shù)小.,應變計是一種將壓力,荷重,位移,速度,加速度,扭矩等物理量轉換成電信號的元件.,電阻式傳感器,金屬的電阻R為：,(1) 當?不變時--金屬應變計,(2) 當?變化時--半導體應變計,應變計分

7、類,金屬絲式,金屬絲式,,,,,,,縱向應變,引起電阻值相對變化量為,電阻相對變化率與應變成正比,電阻應變片的靈敏度,金屬箔式和半導體式,,,,,,,優(yōu)點：散熱好易成形，取代了絲式,②半導體式：結構如圖，原理同上,工作原理：基于半導體材料的壓阻效應。優(yōu)點:應變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應變電阻的元件.缺點:電阻溫度系數(shù)比金屬應變計大一個數(shù)量級,,,應變片應用中的問題,,,,,,,（1） 溫度效應,1) 電阻溫度系數(shù)的影響,敏感柵

8、的電阻絲阻值隨溫度變化的關系可用下式表示： Rt=R0（1+α0Δt）,Rt——溫度為 t ℃時的電阻值; R0——溫度為t0℃時的電阻值;  α0——金屬絲的電阻溫度系數(shù); Δt——溫度變化值, Δt=t -t0當溫度變化Δt時, 電阻絲電阻的變化值為： ΔRt=Rt- R0= R0α0Δt,設電阻絲和試件在溫度為 0 ℃時的長度均為L0，它們的線膨脹系數(shù)分別為βs和βg, 若兩者不粘貼, 則它們的

9、長度分別為 Ls= L0（1+βsΔt） Lg= L0（1+βgΔt）,2)試件材料和電阻絲材料的線膨脹系數(shù)的影響,電阻應變片的溫度補償方法通常有線路補償法和應變片自補償兩大類。,應變片應用中的問題,,,,,,⑵橫向效應,應變片應用中的問題,,,,,,⑶動態(tài)誤差,由于應力波高頻變化時，在機械桿形成波動，對應變片長度有限制。,,應變片應用,,,,,,1）將應變片粘貼于被測構件上，直接用來測定構件的應變和應力。,

10、,應變片應用,,,,,,2）將應變片貼于彈性元件上，與彈性元件一起構成應變式傳感器。,,,,,這種傳感器常用來測量力、位移、加速度等物理參數(shù) 。,,電感式傳感器,完成本節(jié)內(nèi)容的學習后應能做到：了解電感式傳感器的工作原理了解可變磁阻式電感傳感器、渦流式電感傳感器 和差動變壓器式傳感器的特點了解可變磁阻式電感傳感器、渦流式電感傳感器 和差動變壓器式傳感器的應用,電感式傳感器,電感式傳感器是把被測量如力,位移等轉換

11、為電感量 變化的一種裝置.其變換的原理是電磁感應（現(xiàn)象）。,分類:,電感式傳感器,1 自感型--可變磁阻式,原理:電磁感應,自感L與空氣隙δ成反比，而與空氣隙導磁截面積S0成正比。當固定S0不變，變化δ時，L 與δ呈非線性（雙曲線）關系，此時，傳感器的靈敏度為：,由于S不是常數(shù)，因而出現(xiàn)非線性誤差，為了減小誤差，通常規(guī)定δ在較小的范圍內(nèi)工作。,電感式傳感器,實際應用中，一般取 。這種傳感器適用

12、于較小位移的測量，一般約為0.001～1 mm。,如將δ固定，變化空氣隙導磁截面積S0時，自感L與S0呈線性關系如下圖所示：,差動式可變磁阻電感傳感器,,,,,,,,線性改善,差動方式可提高靈敏度及減少非線性誤差。,電感式傳感器,2 電渦流,如果這些參數(shù)中有某個發(fā)生變化，線圈阻抗便會發(fā)生變化，通過測量線圈的阻抗，便能測定相應的物理量。,電渦流等效電路,,——渦流電感 M——互感,,,,由于等效電感與位移有關，在一定范圍呈線

13、性，可測位移、材質、厚度； 優(yōu)點：非接觸,電渦流檢測電路,,,,,,(1)諧振電路,,,,,,電渦流檢測電路,,,,,,(2)調(diào)頻電路,,,,,,,,,電渦流傳感器的應用,,,渦流式位移、力、振動測量，NDT，測厚,材質判別。,,,,,,,案例： 測厚,案例： 零件計數(shù),電渦流傳感器的應用,,,,,,,,案例：無損探傷,火車輪檢測,油管檢測,裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。,電渦流傳感器的應用,,,,,,,,,,,,,,,3 互

14、感式差動傳感器,電感式傳感器,輸出：ey=e1-e2,活動銜鐵能改變線圈之間的藕合程度。輸出ey的大小隨活動銜鐵的位置而變。 當活動銜鐵的位置居中時，e1=e2，ey=0； 當活動銜鐵向上移時，e1>e2，ey>0； 當活動銜鐵向下移時，e1<e2，ey<0。 活動銜鐵的位置往復變化，其輸出電壓也隨之變化,注意：差動變壓器式傳感器輸出的電壓是交流量，如用交流電壓表指示則輸

15、出值只能反應鐵芯位移的大小，而不能反應移動的方向；其次，交流電壓輸出存在一定的零點殘余電壓，零點殘余電壓是由于兩個次級線圈的結構不對稱，以及初級線圈銅損電阻、鐵磁材質不均勻、線圈間分布電容等原因所形成的。所以，即使活動銜鐵位于中間位置時，輸出也不為零。,,,,,,,,,電感式傳感器,差動相敏檢波電路,,,,,,,,,差動變壓器式傳感器應用,應用: 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

16、,負荷量;扭矩, 應力,動力;氣壓,溫度;振動,速度,加速度;等.,,電容式傳感器,完成本節(jié)內(nèi)容的學習后應能做到：掌握電容式傳感器的工作原理了解電容式傳感器的結構、分類掌握電容式傳感器的設計要點、轉換電路了解電容式傳感器的應用,,,,電容傳感器,電容式傳感器：將被測量(如尺寸、壓力等)的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。,S ——兩個極板相對有效面積 ，單位為m2； d ——兩平行極板間的距離，單位為m；ε ——

17、兩極板間介質的介電常數(shù)。,基本工作原理,平行極板電容器的電容量為：,,,,,,工作原理及類型,改變電容C的方法：①改變介質的介電常數(shù)ε； ②改變形成電容的有效面積； ③改變兩個極板間的距離。,類型： 變極距（或稱變間隙）型、變面積型和變介電常數(shù)型。電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。,,,,靈敏度及非線性,變極距式,對單極式電

18、容表達式為：,其初始電容值為：,當極板距離有增量Δd時，則傳感器電容為：,靈敏度k為：,比值?d/d0 很小時接近線性關系，因此這種形式傳感器的被測量范圍不應太大。,,,,靈敏度及非線性,如果，變極距式電容傳感器被測范圍大，適當增大極板間的初始距離 d0 ，保證比值d/d0↓，但C0/d0↓，故靈敏度↓；C0↓，寄生電容的干擾作用↑。常采用差動式電容傳感器。,忽略電容器的邊緣效應后，變面積型和變介電常數(shù)型(測厚除外)電容傳感器具有

19、很好的線性。實際由于邊緣效應，仍存在非線性問題，且靈敏度下降，但比變極距型好得多。,,,,電容傳感器的特點,優(yōu)點：①溫度穩(wěn)定性好； ②結構簡單、適應性強； ③動態(tài)響應好； ④可以實現(xiàn)非接觸測量，具有平均效應,缺點：①輸出阻抗高，負載能力差；ω↑則ZC↓,但是C很小，故ZC大 ②寄生電容影響大；引線電容、電路雜散電容、極板與周圍導 體之間電容

20、。 ③輸出特性非線性,,,,電容式傳感器的等效電路,,,,電容式傳感器的等效電路,,,,電容式傳感器的等效電路,,,,電容式傳感器的設計要點,（1）保證絕緣材料的絕緣性能：從選材、結構、加工工藝等方面來減小溫度等誤差和保證絕緣材料具有高的絕緣性能。（2）消除和減小邊緣效應：邊緣效應不僅使電容傳感器的靈敏度降低而且產(chǎn)生非線性，因此應盡量消除或減小它。,,,,電容式傳感器的設計要點,（3）消除和減小寄生電容的影響

21、 ①增加原始電容值可減小寄生電容的影響。 ②注意傳感器的接地和屏蔽。 ③將傳感器與電子線路的前置級(集成化)裝在一個殼體內(nèi)，去除傳感器至前置級的電纜。 ④采用“驅動電纜"技術(也稱"雙層屏蔽等位傳輸"技術)。,,,,電容式傳感器的設計要點,（4）防止和減小外界干擾 ①屏蔽和接地。 ②增加原始電容值以降低容抗。 ③導線和導線要離得遠，以減小導線間分布電容的靜電感應。導線

22、要盡可能短，最好成直角排列，必須平行排列時可采用同軸屏蔽線。 ④盡可能一點接地，避免多點接地。地線要用粗的良導體或寬印刷線。 ⑤盡量采用差動式電容傳感電路，可減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和干擾。,,,,電容式傳感器的轉換電路,將傳感器C轉換成電壓、電流、頻率等電量。一般歸結為兩類：調(diào)制型、脈沖型(或稱為電容充放電型),調(diào)制型：,,,,電容式傳感器的轉換電路,交流激勵法,,,,電容式傳感器的轉換電路,

23、電容式傳感器構成交流電橋的一些形式 ：,,,,電容式傳感器的轉換電路,雙T型充放電網(wǎng)絡,,,,電容式傳感器的轉換電路,脈沖型電路-----利用電容的充放電,,,,電容式傳感器的應用,①電容傳感器可用于測量直線位移、角位移，振動振幅(可測至0.05μm的微小振幅)，尤其適合測量高頻振動振幅、精密軸系回轉精度、加速度等機械量；②可用于測量壓力、差壓力、液位、料面、糧食中的水分含量、非金屬材料的涂層、油膜厚度、測量電介質的濕度、密度、厚度等

24、等。③在自動檢測和控制系統(tǒng)中常作為位置信號發(fā)生器。,,,,電容式傳感器的應用,,,,電容式傳感器的應用,,,,電容式傳感器的應用,,,,電容式傳感器的應用,,,,電容式傳感器的應用,,,,,壓電式傳感器,,,,,掌握壓電式傳感器的工作原理了解壓電式傳感器的等效電路了解壓電式傳感器的測量電路,學習內(nèi)容：,,,,壓電效應,,,,,壓電式傳感器的工作原理是基于某些介質材料的壓電效應，是典型的有源傳感器。當材料受力作用而變形時， 其表面

25、會有電荷產(chǎn)生，從而實現(xiàn)非電量測量。,某些晶體或多晶陶瓷，當沿著一定方向受到外力作用時，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力去掉后，又恢復到不帶電狀態(tài)；當作用力方向改變時，電荷的極性也隨著改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。上述現(xiàn)象稱為正壓電效應。反之，如對晶體施加一定變電場，晶體本身將產(chǎn)生機械變形，外電場撤離，變形也隨著消失，稱為逆壓電效應。,,,,壓電效應,,,,,,,,壓電材料,,,

26、,,壓電材料可以分為兩大類: 壓電晶體和壓電陶瓷。,壓電晶體（主要是單晶體） 石英、天然晶體，除壓電常數(shù)不大外，特性優(yōu)越,作為標準傳感器。壓電陶瓷（多晶體） 屬于人工制造的多晶體，仍以Q=dF表示，較大的壓電系數(shù)，介電常數(shù)，機械強度<石英。,,,,壓電效應,,,,,通常把沿電軸(X軸)方向的作用力(一般利用壓力)產(chǎn)生的壓電效應稱為“縱向壓電效應”，把沿機械軸(Y軸)方向的作用力產(chǎn)生的

27、壓電效應稱為“橫向壓電效應”，沿光軸(Z軸)方向的作用力不產(chǎn)生壓電效應。沿相對兩棱加力時，則產(chǎn)生切向效應。壓電式傳感器主要是利用縱向壓電效應。,,,,壓電材料的選擇,,,,①轉換性能：具有較高的耦合系數(shù)或具有較大的壓電常數(shù)； ②機械性能：壓電元件作為受力元件，希望它的機械強度高、機械剛度大。以期獲得寬的線性范圍和高的固有振動頻率；當壓電體的應變較大時，壓電效應出現(xiàn)非線性。③電性能：希望具有高的電阻率和大的介電常數(shù)，以期望減

28、弱外部分布電容的影響并獲得良好的低頻特性； ④溫度和濕度穩(wěn)定性要好：具有較高的居里點、以期望得到寬的工作溫度范圍；⑤時間穩(wěn)定性：壓電特性不隨時間蛻變。,,,壓電式傳感器及其等效電路,,,,,,由外特性不變原則（輸出電壓、電容、電阻不變）,而壓電元件電極表面聚集電荷時，它又相當于一個以壓電材料為電介質的電容器，其電容量為：,,,,壓電式傳感器及其等效電路,,,,,,,ω= ω很小。但壓電傳感器不能測

29、直流量,,,,同時也等效為一個電壓源U和一個電容器Ca串聯(lián)的等效電路，其中Ra為壓電元件的漏電阻。,Ra為,,,,壓電式傳感器及其等效電路,,,,,,,,,,利用壓電式傳感器測量靜態(tài)或準靜態(tài)量值時，必須采取一定的措施，使電荷從壓電晶片上經(jīng)測量電路的漏失減小到足夠小程度。而在動態(tài)力作用下，電荷可以得到不斷補充，可以供給測量電路一定的電流，故壓電傳感器適宜作動態(tài)測量。,,,,壓電式傳感器的串、并聯(lián),,,,,,,,,,,在

30、實際應用中，由于單片的輸出電荷很小，因此，組成壓電式傳感器 的晶片不止一片，常常將兩片或兩片以上的晶片粘結在一起。粘結的方法有兩種，即并聯(lián)和串聯(lián)。并聯(lián)方法兩片壓電晶片的負電荷集中在中間電極上，正電荷集中在兩側的電極上，傳感器的電容量大、輸出電荷量大、時間常數(shù)也大，故這種傳感器適用于測量緩變信號及電荷量輸出信號。串聯(lián)方法正電荷集中于上極板，負電荷集中于下極板，傳感器本身的電容量小、響應快、輸出電壓大，故這種傳感器適用于測量以電

31、壓作輸出的信號和頻率較高的信號 。,,,壓電式傳感器測量電路,,,,,,,,測量電路的關鍵在于高阻抗輸入的前置放大器。根據(jù)壓電元件的工作原理及上節(jié)所述兩種等效電路，與壓電元件配套的測量電路的前置放大器也有兩種形式： 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。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,壓電傳感器有很好的高頻響應, 但

32、是, 當作用于壓電元件力為靜態(tài)力時, 則前置放大器的輸入電壓等于零, 因為電荷會通過放大器輸入電阻和傳感器本身漏電阻漏掉, 所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)力測量。  當電纜長度改變時,連接電纜電容也將改變, 因而電壓也隨之變化。因此, 壓電傳感器與前置放大器之間連接電纜不能隨意更換, 否則將引入測量誤差。,電壓放大器：,,,壓電式傳感器測量電路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

33、,,k>>1 (1+k)Cf>>C,電荷放大器：,,,壓電式傳感器測量電路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,實際電荷放大器 反饋端并聯(lián)電阻Rf:,電荷放大器，對電纜長度要求不高，可以長達100米,,,壓電式傳感器的應用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,壓電元件是一種典型的力敏感元件?？捎脕頊y量最終能轉換為力的多種物理量。在檢測技術中，

34、常用來測量力和加速度。,,,壓電式傳感器的應用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,壓電元件是一種典型的力敏感元件?？捎脕頊y量最終能轉換為力的多種物理量。在檢測技術中，常用來測量力和加速度。,,,壓電式傳感器的應用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,BS—D2壓電式傳感器是專門用于檢測玻璃破碎的一種傳感器, 它利用壓電元件對振動敏感的特性來感知玻璃受撞擊和破碎時產(chǎn)

35、生的振動波。傳感器把振動波轉換成電壓輸出 輸出電壓經(jīng)放大、 濾波、 比較等處理后提供給報警系統(tǒng)。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器,學習內(nèi)容：,掌握磁電式傳感器變換原理了解動圈式傳感器的基本結構和工作原理了解磁阻式傳感器的基本結構和工作原理,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器,磁感應電式傳感器是利用電磁感應原理將被測量（如振動、位

36、移、轉速等）的變化轉變?yōu)楦袘妱觿?，是一種機-電能量變換型傳感器， 它不需要輔助電源就能把被測對象的機械量轉換成易于測量的電信號，是有源傳感器。 由于它輸出功率大電路簡單，輸出阻抗小，且性能穩(wěn)定, 不需要外部供電電源，又具有一定的頻率響應范圍(一般為10～1000Hz)，適用于振動、轉速、扭矩等測量。所以得到普遍應用。但這種傳感器的尺寸和重量都較大。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

37、磁電式傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器分類,根據(jù)法拉第電磁感應定律，N匝線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中所產(chǎn)生的感應電動勢e的大小決定于穿過線圈的磁通量Φ的變化率：,磁通變化率與磁場強度、磁路磁阻、線圈的運動速度有關，故若改變其中一個因素，都會改變線圈的感應電動勢。,按工作原理不同，磁電感應式傳感器可分為恒定磁通式和變磁通式，即動圈式傳感器和磁阻

38、式傳感器。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器分類,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器分類,在傳感器中當結構參數(shù)確定后，B、l、N、S均為定值，感應電動勢e與線圈相對磁場的運動速度(v或ω)成正比，所以這類傳感器的基本形式是速度傳感器，能直接測量線速度或角速度。如果在其測量電路中接入積分電路或微分電路，那么還可以用來測量位移或加速度。但由上述

39、工作原理可知，磁電感應式傳感器只適用于動態(tài)測量。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁阻式,磁阻式傳感器又稱為變磁通式傳感器或變氣隙式傳感器，常用來測量旋轉物體的角速度。其結構原理如下圖所示。,變磁通式傳感器對環(huán)境條件要求不高，能在-150～＋90℃的溫度下工作，也能在油、水霧、灰塵等條件下工作。但它的工作頻率下限較高，約為50Hz，上限可達100Hz。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

40、,,,,,,,,測量電路,磁電式傳感器可以等效為一個二階系統(tǒng)。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,測量電路,磁電感應式傳感器直接輸出感應電勢。所以任何具有一定工作頻帶的電壓表或示波器都可采用。并且由于該傳感器通常具有較高的靈敏度，所以一般不需要增益放大。,但磁電感應式傳感器是速度傳感器，如要獲取位移或加速度信號，就需配用積分電路或微分電路。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

41、,測量電路,積分電路：,無源積分電路,,有源積分電路,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,測量電路,微分電路：,,,實用有源微分電路,,有源微分電路的幅頻特性,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,該傳感器測量的是振動速度參數(shù), 若在測量電路中接入積分電路, 則輸出電勢與位移成正比; 若在測量電路中接入微分電路, 則其輸出與加速度成正比。,,,,,,,,,,,磁電式傳感器應用,,CD-1型振動速度傳感

42、器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器應用,,,磁電感應式轉速傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,磁電式傳感器應用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾式傳感器,,霍爾傳感器是基于霍爾效應的一種傳感器。隨著半導體技術的發(fā)展, 開始用半導體材料制成霍爾元件, 由于它的霍爾效應顯著而得到應用和發(fā)展。 霍爾傳感器廣泛用于電磁測量、壓

43、力、加速度、振動等方面的測量。,置于磁場中的靜止載流導體, 當它的電流方向與磁場方向不一致時, 載流導體上平行于電流和磁場方向上的兩個面之間產(chǎn)生電動勢, 這種現(xiàn)象稱霍爾效應。該電勢稱霍爾電勢。,霍爾式傳感器是磁電式傳感器?；魻柺絺鞲衅鳛檩d流半導體在磁場中有電磁效應(霍爾效應)而輸出電勢的。它們原理并不完全相同，因此各有各的特點和應用范圍。,由于霍爾元件在靜止狀態(tài)下，具有感受磁場的獨特能力，并且具有結構簡單、體積小、噪聲小、頻率范圍寬(

44、從直流到微波)、動態(tài)范圍大(輸出電勢變化范圍可達1000:1)、壽命長等特點，因此獲得了廣泛應用。例如，在測量技術中用于將位移、力、加速度等量轉換為電量的傳感器；在計算技術中用于作加、減、乘、除、開方、乘方以及微積分等運算的運算器等。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾效應和霍爾元件材料,,霍爾電勢：,RH——霍爾系數(shù)，由載流材料的物理性質決定；kH——靈敏度系數(shù)；d —薄片厚度。,如果磁場和薄片法線有

45、α角，那么,最常用的霍爾元件材料有1．鍺(Ge)，N型及P型均可。 2．硅(Si)．N型及P型均可。3．砷化銦(InAs)和銻化銦(InSb)，這兩種材料的特性很相似。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,測量電路,,激勵電流由電源E供給，可變電阻RP用來調(diào)節(jié)激勵電流I的大小。RL為輸出霍爾電勢UH的負載電阻。通常它是顯示儀表、記錄裝置或放大器的輸入阻抗。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

46、,,,,,,,,,霍爾元件的主要技術指標,,1）額定激勵電流IH 使霍爾元件溫升10℃所施加的控制電流值稱為額定激勵電流。通常用IH表示。2）輸入電阻Ri 它是指控制電流極間的電阻值。它規(guī)定要在室溫(20±5)℃的環(huán)境溫度中測取。 輸出電阻Rs 它是指霍爾電極間的電阻值。規(guī)定中要求在(20±5)℃的條件下測取。3） 不等位電勢

47、和不等位電阻 當霍爾元件的激勵電流為I時, 若元件所處位置磁感應強度為零, 則它的霍爾電勢應該為零, 但實際不為零。 這時測得的空載霍爾電勢稱不等位電勢。 4） 寄生直流電勢 在外加磁場為零, 霍爾元件用交流激勵時, 霍爾電極輸出除了交流不等位電勢外, 還有一直流電勢, 稱寄生直流電勢。5） 霍爾電勢溫度系數(shù) 在一定磁感應強度和激勵電流下, 溫度每變化

48、1℃時, 霍爾電勢變化的百分率稱霍爾電勢溫度系數(shù)。它同時也是霍爾系數(shù)的溫度系數(shù)。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾元件不等位電勢補償,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾式傳感器的應用,,,霍爾式位移傳感器原理示意圖,霍爾式位移傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾式傳感器的應用,,霍爾式壓力傳感器,,霍爾式壓力傳感器結構原理圖及磁鋼外形,,,,

49、,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾式傳感器的應用,,霍爾式轉速傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,霍爾式傳感器的應用,,,,鐵磁材料裂紋檢測,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光電傳感器,,,光電器件是將光能轉換為電能的一種傳感器件, 它是構成光電式傳感器最主要的部件。光電器件工作的物理基礎是光電效應。 光電器件響應快、結構

50、簡單、 使用方便, 而且有較高的可靠性, 因此在自動檢測、計算機和控制系統(tǒng)中, 應用非常廣泛。,受光照物體(通常為半導體材料)電導率發(fā)生變化或產(chǎn)生光電動勢的效應稱為內(nèi)光電效應。內(nèi)光電效應按其工作原理分為兩種：光電導效應和光生伏特效應。,在光線作用下, 能使電子逸出物體表面的現(xiàn)象稱為外光電效應, 如光電管、光電倍增管就屬于這類光電器件。,由于被光照射的物體材料不同，所產(chǎn)生的光電效應也不同，通常光照射到物體表面后產(chǎn)生的光電效應分為：外光電效

51、應、內(nèi)光電效應。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光電傳感器,,,光電導效應：,光電導效應是指半導體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對，使其導電性能增強，光線愈強，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為光電導效應。基于這種效應的光電器件有光敏電阻(光電導型)和反向工作的光敏二極管、光敏三極管(光電導結型)。,1 光敏電阻 材料：硅、硒、硫化鎘,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,

52、,,,,,,,,其他傳感器——光電傳感器,,,光敏二極管和光敏晶體管的材料幾乎都是硅（Si）。光敏管的工作原理與光敏電阻是相似的,其差別只是光照在半導體結上而已。,2 光敏二極管和光敏晶體管,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光電傳感器,,,光生伏特效應 ：,光生伏特效應指半導體材料P-N結受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應。因此光生伏特型光電器件是自發(fā)電式的,屬有源器件。以可見光作光源的光電池

53、是常用的光生伏特型器件,硒和硅是光電池常用的材料,也可以使用鍺。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光電傳感器,,,3 光電開關,光電開關是一種利用感光元件對變化的入射光加以接收, 并進行光電轉換, 同時加以某種形式的放大和控制, 從而獲得最終的控制輸出“開”、 “關”信號的器件。,光電開關廣泛應用于工業(yè)控制、自動化包裝線及安全裝置中作光控制和光探測裝置?？稍谧钥叵到y(tǒng)中用作物體檢測， 產(chǎn)品計數(shù),

54、 料位檢測，尺寸控制，安全報警及計算機輸入接口等用途。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光電傳感器,,,光電傳感器的應用,由于光電測量方法靈活多樣，可測參數(shù)眾多，又具有非接觸、高精度、高分辨率、高可靠性和響應快等優(yōu)點，加之激光光源、光柵、光學碼盤、CCD器件、光導纖維等的相繼出現(xiàn)和成功應用，使得光電傳感器在檢測和控制領域得到了廣泛的應用。按其接收狀態(tài)可分為模擬式光電傳感器和脈沖光電傳感器。,光電

55、傳感器在工業(yè)上的應用可歸納為吸收式、遮光式、反射式、輻射式四種基本形式。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——電荷耦合器件,,,電荷耦合器件（Charge Couple Device， 簡稱CCD）是一種金屬氧化物半導體（MOS）集成電路器件。它以電荷作為信號, 基本功能是進行電荷的存儲和電荷的轉移。 廣泛應用于自動控制和自動測量, 尤其適用于圖像識別技術。,線型CCD圖像傳感器,CCD固態(tài)

56、圖像傳感器由感光部分和移位寄存器組成。根據(jù)光敏元件排列形式的不同, CCD固態(tài)圖像傳感器可分為線型和面型兩種。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——電荷耦合器件,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——電荷耦合器件,,,,CCD傳感器的應用,(1)組成測試儀器可測量物位、尺寸、工件損傷、自動焦點等。 (2)作光學信息處理裝置的輸入環(huán)節(jié)，例如用于

57、傳真技術、光學文字識別技術(OCR)、圖像識別技術、光譜測量及空間遙感技術等方面。 (3)作自動流水線裝置中的敏感器件，例如可用于機床、自動售貨機、自動搬運車以自動監(jiān)視裝置等方面。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——熱敏電阻傳感器,,,,熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鈷、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結而成的半導體。一般稱為半導體熱敏電阻，或簡稱熱敏電阻。它具有負的電阻溫度系數(shù)，隨

58、溫度上升而阻值下降。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——氣敏電阻傳感器,,,,比如化工生產(chǎn)中氣體成分的檢測與控制、煤礦瓦斯?jié)舛鹊臋z測與報警、環(huán)境污染情況的監(jiān)測、煤氣泄漏、火災報警、燃燒情況的檢測與控制等。,氣敏傳感器是一種將檢測到的氣體成分和濃度轉換為電信號的傳感器。氣敏傳感器的種類較多，主要包括敏感氣體種類的氣敏傳感器、敏感氣體量的真空度氣敏傳感器，以及檢測氣體成分的氣體成分傳感器。,煙霧報警器

59、,酒精傳感器,二氧化碳傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——溫度傳感器,,,,熱電偶：,(1) 結構簡單。 (2) 具有較高的準確度。 (3) 測量范圍寬，常用的熱電偶，低溫可測到-50℃，高溫可以達到1600 ℃ 左右。 （4）具有良好的敏感度。 （5）使用方便等。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——溫度

60、傳感器,,,,熱輻射傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——超聲波傳感器,,,,由于聲波在介質中施力方向與聲波在介質中傳播方向的不同，聲波的波型也不同，通常有以下幾種： (l)縱波：質點振動方向與波的傳播方向一致的波稱為縱波，縱波能在固體、液體和氣體中傳播。 (2)橫波：質點振動方向與波的傳播方向相垂直的波稱為橫波，橫波只能在固體中傳播。 (3)表面波：質點的振動介于縱波和橫波之

61、間，沿著表面?zhèn)鞑?，振幅隨深度增加而迅速衰減的波稱為表面波。表面波質點振動的軌跡是橢圓形，其長軸垂直于傳播方向，短軸平行于傳播方向。表面波只在固體的表面?zhèn)鞑ァ?聲波及其分類 聲波是一種能在氣體、液體和固體中傳播的機械波。根據(jù)振動頻率的同，可分為次聲波、聲波、超聲波和微波等。 (1)次聲波：振動頻率低于l6Hz的機械波。 (2)聲波：振動頻率在16～2×104Hz之間的機械波，在這個頻率范圍內(nèi)能為人耳所聞。 (3)

62、超聲波：高于2×1O4Hz的機械波。 (4)微波：頻率在3×1O8～3×1O11Hz之間的機械波。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——超聲波傳感器,,,,超聲波傳感器及應用,以超聲波為檢測手段，包括有發(fā)射超聲波和接收超聲波，并將接收的超聲波轉換成電量輸出的裝置稱為超聲波傳感器。習慣上稱為超聲波換能器或超聲波探頭。常用的超聲波傳感器有兩種，即壓電式超聲波傳感器 (

63、或稱壓電式超聲波探頭)和磁致式超聲波傳感器。,壓電式超聲波傳感器,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光纖傳感器,,,,光纖傳感器一般由三個環(huán)節(jié)組成，即信號的轉換、信號的傳輸、信號的接收與處理。 信號的轉換環(huán)節(jié)，將被測參數(shù)轉換成為便于傳輸?shù)墓庑盘枴?信號的傳輸環(huán)節(jié)，利用光導纖維的特性將轉換的光信號進行傳輸。 信號的接收與處理環(huán)節(jié)，將來自光導纖維的信號送

64、入測量電路，由測量電路進行處理并輸出。 光纖傳感器分為物性型(或稱功能型)與結構型 (或稱非功能型)兩類。,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光纖傳感器,,,,,物性型光纖傳感器及其應用,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,其他傳感器——光纖傳感器,,,,,結構型光纖傳感器及其應用,光纖傳感器應用相當廣泛，尤其在下列情況下特別適應: 在高壓、電磁感應噪