第3章安全檢測(cè)常用傳感器

1、第三章安全檢測(cè)常用傳感器1.傳感器的分類r溫度傳感器物理量傳感器 壓力傳感器按輸入量（被測(cè)對(duì)象）分類 彳 化學(xué)量傳感器 I 位移傳感器I生物量傳感器從傳感器的轉(zhuǎn)換原理來說：結(jié)構(gòu)型、物性型按轉(zhuǎn)換元件的能量轉(zhuǎn)換方式：有源型（能量轉(zhuǎn)換型）和無源型（能量控制型或參數(shù)型）按輸出信號(hào)的形式傳感器可分為：開關(guān)式、模擬式和數(shù)字式:按輸入、輸出特性傳感器可分為：線性和非線性2. 結(jié)構(gòu)型傳感器：電阻式傳感器、電容式傳感器、電感式傳感器、磁電式傳感器2.1電阻應(yīng)變式傳感器：利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，從而實(shí)現(xiàn)電測(cè)非電量的傳感器（原理基于電阻應(yīng)變效應(yīng)）2.1.1電阻應(yīng)變效應(yīng)：電阻材料的電阻值隨機(jī)械變化的物理

2、現(xiàn)象2.1.2壓阻效應(yīng)：電阻材料受到載荷作用產(chǎn)生應(yīng)力時(shí)、其電阻率發(fā)生變化的物理現(xiàn)象2.1.3金屬材料的電阻率相對(duì)變化正比于體積的相對(duì)變化2.1.4金屬材料的應(yīng)變電阻效應(yīng)：金屬材料的電阻相對(duì)變化與其線應(yīng)變&成正比2.1.5應(yīng)變靈敏度系數(shù)：Ks=（1+2卩）壬2.1.6應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變的基本原理：外力作用而引起的軸向應(yīng)變，將導(dǎo)致電阻絲的電阻成比例地變化，通過轉(zhuǎn)換電路可將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出2.1.7電阻應(yīng)變計(jì)：把應(yīng)變絲制成柵狀的應(yīng)變敏感元件2.1.8電阻應(yīng)變片（簡(jiǎn)稱應(yīng)變片）由敏感柵、基底、覆蓋層、引線和粘合劑構(gòu)成2.19按加工方法，可以將應(yīng)變片分為以下四種：絲式應(yīng)變片、箔式應(yīng)變片、半導(dǎo)體應(yīng)變

3、J片、薄膜應(yīng)變片L按敏感柵的材料，可將應(yīng)變計(jì)分為金屬應(yīng)變計(jì)和半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)兩大類2.1.10電阻應(yīng)變片靜態(tài)特性：靈敏度系數(shù)、機(jī)械滯后、蠕變、應(yīng)變極限f 2.1.10.1橫向效應(yīng)：將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，其靈敏系數(shù)降低了 的現(xiàn)象J 2.1.10.2應(yīng)變計(jì)的零漂：粘貼在試件上的應(yīng)變計(jì)，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性2.1.10.3應(yīng)變計(jì)的蠕變：如果在一定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，應(yīng)變計(jì)電阻值隨時(shí)間而變化的特性I 2.1.10.4應(yīng)變極限：在恒溫條件下，使非線性誤差達(dá)到10%時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值2.1.

4、11應(yīng)變片絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測(cè)試件之間的電阻值。通常要求為50、100MD 以上2.1.12最大工作電流：不影響應(yīng)變片工作特性的最大電流2.1.12.1工作電流大，輸出信號(hào)就大，靈敏度也就高2.1.13應(yīng)變片的溫度效應(yīng)（也稱溫度誤差）：由溫度變化引起應(yīng)變計(jì)輸出變化的現(xiàn)象2.1.13.1電阻應(yīng)變片的溫度補(bǔ)償：應(yīng)變片自補(bǔ)償、法橋路補(bǔ)償法、熱敏電阻補(bǔ)償法2.1.14電橋平衡條件。根據(jù)此條件可分為以下三種情況：（1）對(duì)輸出端對(duì)稱 （2）對(duì)電源端對(duì)稱（3）全等臂電橋結(jié)構(gòu)2.1.15差動(dòng)全橋的靈敏度是單臂電橋的4倍，是雙臂差動(dòng)電橋的 2倍2.2電容式傳感器：將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電容變化的裝

5、置2.2.1電容式傳感器可以有三種基本類型，即變極距（或稱變間隙）型、變面積型和變介電常數(shù)型。它們的電極形狀有平板形、圓柱形和球平面形三種。221.1為了提高靈敏度，減小非線性誤差，往往采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu)。222溫度影響：溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響、溫度對(duì)介質(zhì)的影響2.2.3調(diào)頻測(cè)量電路：是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當(dāng)輸入量導(dǎo)致電容量發(fā)生變化時(shí)，振蕩器的振蕩頻率就發(fā)生變化2.3電感式傳感器：自感式傳感器、互感傳感器、電渦流式傳感器2.3.1自感式傳感器 工作原理與輸出特性：線圈電感L與氣隙面積S是成正比的，而變氣隙長(zhǎng)度傳感器中電感L和氣隙長(zhǎng)度6成反比2.3.2互感傳感器：把被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)

6、變?yōu)榫€圈間互感系數(shù)變化的傳感器（根據(jù)變壓器的基本原理制成）2.3.2.1差動(dòng)變壓器 為了既能辨別銜鐵移動(dòng)方向和大小，又能消除零點(diǎn)殘余電壓，實(shí)際測(cè)量時(shí)，常常采用差動(dòng)相敏檢波電路和差動(dòng)整流電路。2.3.3電渦流式傳感器：金屬導(dǎo)體置于變化著的磁場(chǎng)中，導(dǎo)體內(nèi)就會(huì)產(chǎn)生感應(yīng)電流（電渦流密度主要分布在表面附近）2.3.3.1渦流傳感器主要用于位移、振動(dòng)、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等物理參數(shù)的測(cè)量，渦流探傷。測(cè)量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、抗干擾能力強(qiáng)，而且可 以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量3. 物性型傳感器：壓阻式傳感器、壓電式傳感器、光電式傳感器、霍爾傳感器3.1.1壓阻式傳感器 有兩種類型，一種是利用半導(dǎo)體材料的體電阻做成粘貼

7、式的應(yīng)變片（結(jié)構(gòu)型），這另一種是在半導(dǎo)體的基片上用集成電路工藝制成擴(kuò)散型壓敏電阻，用它作 為傳感元件制成的傳感器，稱固態(tài)壓阻式傳感器，也叫擴(kuò)散型壓阻式傳感器（物性型）3.1.1.1晶向的表示方法有兩種，一種是 截距法，另一種是 法線法3.1.2壓阻式傳感器的基本類型：壓阻式壓力傳感器、壓阻式加速度傳感器3.1.3由于半導(dǎo)體材料對(duì)溫度比較敏感，壓阻式傳感器的電阻值及靈敏度系數(shù)隨溫度變化而改變，將引起零點(diǎn)溫度漂移和靈敏度漂移，3.1.4溫度補(bǔ)償方法：零點(diǎn)溫度補(bǔ)償、靈敏度溫度補(bǔ)償3.1.5 （正）壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)，當(dāng)沿著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r(shí)，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時(shí)在它的兩個(gè)表面上產(chǎn)生符

8、號(hào)相反的電荷，當(dāng)外力 去掉后，又重新恢復(fù)不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象3.1.6 逆向壓電效應(yīng)：是指當(dāng)某晶體沿一定方向受到電場(chǎng)作用時(shí)，相應(yīng)地在一定的晶軸方向?qū)a(chǎn)生機(jī)械變形或機(jī)械應(yīng)力，又稱電致伸縮效應(yīng)3.1.7沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為縱向壓電效應(yīng)3.1.8把沿機(jī)械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為橫向壓電效應(yīng)”3.1.9常見壓電材料：壓電晶體、多晶壓電陶瓷、新型壓電材料3.1.10作為壓電材料的條件：轉(zhuǎn)換性能（高）、機(jī)械性能（高）、電性能（具有高的電阻率和大的）、溫度和濕度穩(wěn)定性要好、時(shí)間穩(wěn)定性3.1.11壓電式傳感器的測(cè)量電路電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓（壓電元件的輸出電壓）成正比

9、。電荷放大器：其輸出電壓與輸入電荷成正比。3.1.12電壓放大器的作用是將壓電式傳感器的高輸出阻抗經(jīng)放大器變換為低阻抗輸出， 并將微弱的電壓信號(hào)進(jìn)行適當(dāng)放大因此也把這種測(cè)量電路稱為阻抗變換器。3.1.13影響壓電式傳感器性能的主要因素：廣橫向靈敏度（壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當(dāng)加速度傳感器感受到與其主軸向（軸向靈敏度方向）垂直的單位加速度振動(dòng)時(shí)的靈敏度，一般用它J與主軸向靈敏度的百分比來表示）環(huán)境溫度和濕度的影響安裝差異及基座應(yīng)變-噪聲3.2光電式傳感器：將光信號(hào)的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的一種傳感器件，其工作的物理基礎(chǔ)是光電效應(yīng)3.2.1光電效應(yīng)：因?yàn)槲樟斯饽芎筠D(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而

10、產(chǎn)生的電效應(yīng)r外光電效應(yīng)：在光的照射下，使電子逸出物體表面而產(chǎn)生光電子發(fā)射的現(xiàn)象I內(nèi)光電效應(yīng)（光電導(dǎo)效應(yīng)）：在光線作用下，物體的導(dǎo)電性能發(fā)生變化，引起電I阻率或電導(dǎo)改變的現(xiàn)象I光生伏特效應(yīng)（阻擋層光電效應(yīng)）：在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢(shì)的現(xiàn)象3.2.1.1把PN結(jié)的兩端通過外導(dǎo)線短接，形成流過外電路的電流，也稱為光電池的短路輸出電流3.2.2光電器件的特性：光照特性伏安特性：是指光照一定時(shí)，這些光電元件的端電壓U與電流I之間的關(guān)系光譜特性丿頻率特性溫度特性光電流：光敏元件兩端加上一定偏置電壓，在某種光源的特定照度下產(chǎn)生或增加的電流I暗電流：光敏元件在無光照射下，兩端加電壓后產(chǎn)生的電流

11、3.2.3光電傳感器按其接收狀態(tài)可分為模擬光電傳感器開關(guān)式光電傳感器：利用光電元件受光照或無光照時(shí)“有/無”電信號(hào)輸出的特性，將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的開關(guān)信號(hào)3.2.4其他光電檢測(cè)器：電荷耦合器件（CCD是典型的固體圖象傳感器一一應(yīng)用：圖像傳輸、尺寸自動(dòng)檢測(cè)、缺陷檢測(cè)3.3霍爾效應(yīng)：在通有電流的金屬板上加一勻強(qiáng)磁場(chǎng)，當(dāng)電流方向與磁場(chǎng)方向垂直時(shí)，在與電流和磁場(chǎng)都垂直的金屬板的兩表面間出現(xiàn)電勢(shì)差的現(xiàn)象3.3.1產(chǎn)生霍爾效應(yīng)原因是根據(jù)電磁感應(yīng)定律，電子在磁場(chǎng)中以速度 v運(yùn)動(dòng)時(shí)，受到洛倫茲力 忙；fL與電子的電荷量e、運(yùn)動(dòng)速度v及磁場(chǎng)強(qiáng)度B成 正比；fL=evB;隨著感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) Eh的增加，fE不斷增

12、加，最 終fL與fE半達(dá)到某一平衡值，即：fL +fE=03.3.2霍爾元件材料 :鍺（Ge），N型及P型均可、硅（Si）. N型及P型均可、砷化銦（InAs） 和銻化銦（InSb）3.3.3霍爾元件材料為什么必須用薄片？因?yàn)镋H=IB/end3.3.4霍爾元件的主要技術(shù)指標(biāo)：最大磁感應(yīng)強(qiáng)度Bm、額定激勵(lì)電流Ih、輸入電阻 R、輸出電阻RL不等位電勢(shì)Eq、寄生直流電勢(shì) V。、熱阻Rq3.3.5霍爾集成電路可分為線性型和開關(guān)型兩大類：線性型集成電路是將霍爾元件和恒流源、線性差動(dòng)放大器等做在一個(gè)芯片上，輸出電壓為伏級(jí)，比直接使用霍爾 元件方便得多；開關(guān)型霍爾集成電路是將霍爾元件、穩(wěn)壓電路、放大器、

13、施密 特觸發(fā)器、0C門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個(gè)芯片上3.5.6霍爾傳感器優(yōu)點(diǎn)：磁場(chǎng)敏感、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、頻率響應(yīng)寬、輸出電壓變化大和使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)3.5.7霍爾傳感器的應(yīng)用：可測(cè)量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量3.6傳感器的選用原則：f靈敏度：傳感器的響應(yīng)特性是指，在所測(cè)頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測(cè)量條件響應(yīng)特性：在線性范圍內(nèi)，傳感器的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。 為了保證測(cè)量的精確度，傳感器工作在線性區(qū)域內(nèi)，是保證測(cè)量精度的基本條件 ；機(jī)械式傳感器中的測(cè)力彈J性元件，其材料的彈性極限是決定測(cè)力量程的基本因素，當(dāng)超出測(cè)力1元件允許的彈性范圍時(shí)，將

14、產(chǎn)生非線性誤差線性范圍穩(wěn)定性精確度：傳感器的精確度是表示傳感器的輸出與被測(cè)量的對(duì)應(yīng)程度測(cè)量方式：例如，接觸與非接觸測(cè)量、破壞與非破壞性測(cè)量、在線與非在線測(cè)量Whe n you are old and grey and full of sleep,And no ddi ng by the fire, take dow n this book,And slowly read, and dream of the soft lookYour eyes had once, and of their shadows deep;How many loved your mome nts of glad gra

15、ce,And loved your beauty with love false or true,But one man loved the pilgrim soul in you,And loved the sorrows of your cha nging face;And bending dow n beside the glow ing bars,Murmur, a little sadly, how love fledAnd paced upon the mountains overheadAnd hid his face amid a crowd of stars.The furt

16、hest dista nee in the worldIs not betwee n life and deathBut whe n I sta nd in front of youYet you dont know thatI love you.The furthest dista nee in the worldIs not whe n I sta nd in front of youYet you cant see my loveBut whe n un doubtedly knowing the love from bothYet cannot be together.The furthest dista nee in the worldIs not being apart while being in loveBut