第3章 安全檢測常用傳感器-課件

1、 第三章 安全檢測常用傳感器1. 傳感器的分類 溫度傳感器 物理量傳感器 壓力傳感器按輸入量（被測對象）分類 化學量傳感器 位移傳感器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電阻應變式傳感器：利用電阻應變片將應變轉(zhuǎn)換為電阻的變化，從而實現(xiàn)電測非電量的傳感器（原理基于電阻應變效應） 2.1.1 電阻應變效應：電阻材料的電阻值隨機械變

2、化的物理現(xiàn)象 2.1.2 壓阻效應：電阻材料受到載荷作用產(chǎn)生應力時、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變化正比于體積的相對變化 2.1.4 金屬材料的應變電阻效應：金屬材料的電阻相對變化與其線應變成正比 2.1.5 應變靈敏度系數(shù)：Ks=(1+2)+pE 2.1.6 應變片測量應變的基本原理：外力作用而引起的軸向應變，將導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)換為電信號輸出 2.1.7 電阻應變計：把應變絲制成柵狀的應變敏感元件 2.1.8 電阻應變片(簡稱應變片）由敏感柵、基底、覆蓋層、引線和粘合劑構(gòu)成 2.1.9按加工方法,可以將應變片分為以下

3、四種：絲式應變片、箔式應變片、半導體應變片、薄膜應變片 按敏感柵的材料,可將應變計分為金屬應變計和半導體應變計兩大類 2.1.10電阻應變片靜態(tài)特性：靈敏度系數(shù)、機械滯后、蠕變、應變極限 2.1.10.1橫向效應：將直的金屬絲繞成敏感柵后，雖然長度相同，但應變狀態(tài)不同，應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 2.1.10.2應變計的零漂：粘貼在試件上的應變計，在溫度保持恒定、不承受機械應變時，其電阻值隨時間而變化的特性 2.1.10.3應變計的蠕變：如果在一定溫度下，使其承受恒定的機械應變，應變計電阻值隨時間而變化的特性 2.1.10.4應變極限：在恒溫條件下，使非線性誤

4、差達到10%時的真實應變值 2.1.11應變片絕緣電阻是指已粘貼的應變片的引線與被測試件之間的電阻值。通常要求為50100M以上 2.1.12最大工作電流：不影響應變片工作特性的最大電流 2.1.12.1工作電流大，輸出信號就大，靈敏度也就高 2.1.13應變片的溫度效應（也稱溫度誤差）：由溫度變化引起應變計輸出變化的現(xiàn)象 2.1.13.1電阻應變片的溫度補償：應變片自補償、法橋路補償法、熱敏電阻補償法 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）對輸出端對稱 （2）對電源端對稱（3）全等臂電橋結(jié)構(gòu) 2.1.15差動全橋的靈敏度是單臂電橋的4倍，是雙臂差動電橋的2倍2.2 電

5、容式傳感器：將被測非電量轉(zhuǎn)換為電容變化的裝置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。 2.2.1.1為了提高靈敏度，減小非線性誤差，往往采用差動式結(jié)構(gòu)。 2.2.2溫度影響：溫度對結(jié)構(gòu)尺寸的影響、溫度對介質(zhì)的影響 2.2.3調(diào)頻測量電路：是把電容式傳感器作為振蕩器諧振回路的一部分，當輸入量導致電容量發(fā)生變化時，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，而變氣隙長度傳感器中

6、電感L和氣隙長度d成反比 2.3.2互感傳感器：把被測的非電量轉(zhuǎn)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 差動變壓器 為了既能辨別銜鐵移動方向和大小，又能消除零點殘余電壓，實際測量時，常常采用差動相敏檢波電路和差動整流電路。 2.3.3電渦流式傳感器：金屬導體置于變化著的磁場中，導體內(nèi)就會產(chǎn)生感應電流（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、轉(zhuǎn)速、距離、厚度等物理參數(shù)的測量，渦流探傷。測量范圍大、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡單、抗干擾能力強，而且可以實現(xiàn)非接觸測量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

7、器3.1.1壓阻式傳感器有兩種類型，一種是利用半導體材料的體電阻做成粘貼式的應變片（結(jié)構(gòu)型），這另一種是在半導體的基片上用集成電路工藝制成擴散型壓敏電阻，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由于半導體材料對溫度比較敏感，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，將引起零點溫度漂移和靈敏度漂移， 3.1.4 溫度補償方法：零點溫度補償、靈敏度溫度補償 3.1.5 （正）壓電效應：某些電介質(zhì)，當沿

8、著一定方向?qū)ζ涫┝Χ顾冃螘r，內(nèi)部就產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷，當外力去掉后，又重新恢復不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象 3.1.6 逆向壓電效應：是指當某晶體沿一定方向受到電場作用時，相應地在一定的晶軸方向?qū)a(chǎn)生機械變形或機械應力，又稱電致伸縮效應 3.1.7沿電軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“縱向壓電效應 3.1.8把沿機械軸方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應稱為“橫向壓電效應” 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、時間穩(wěn)定性3.

9、1.11壓電式傳感器的測量電路電壓放大器：其輸出電壓與輸入電壓(壓電元件的輸出電壓)成正比。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進行適當放大因此也把這種測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：橫向靈敏度（壓電加速度傳感器的橫向靈敏度是指當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時的靈敏度，一般用它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 安裝差異及基座應變 噪聲 3.2 光電式傳感器：將光信號的變化轉(zhuǎn)換為電信號的一種傳感器件

10、，其工作的物理基礎(chǔ)是光電效應 3.2.1 光電效應：因為吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應 外光電效應：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 內(nèi)光電效應（光電導效應）：在光線作用下，物體的導電性能發(fā)生變化，引起電阻率或電導改變的現(xiàn)象 光生伏特效應（阻擋層光電效應）：在光線作用下，物體產(chǎn)生一定方向的電動勢的現(xiàn)象 3.2.1.1 把PN結(jié)的兩端通過外導線短接，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，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 頻率特性 溫度特性光電流：光敏元件

11、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 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“有/無”電信號輸出的特性，將被測量轉(zhuǎn)換成斷續(xù)變化的開關(guān)信號 3.2.4 其他光電檢測器：電荷耦合器件(CCD)是典型的固體圖象傳感器應用：圖像傳輸、 尺寸自動檢測、 缺陷檢測 3.3 霍爾效應：在通有電流的金屬板上加一勻強磁場，當電流方向與磁場方向垂直時，在與電流和磁場都垂直的金屬板的兩表面間出現(xiàn)電勢差的現(xiàn)象 3.3.1 產(chǎn)生霍爾效應原因是根據(jù)電磁感應定律，電子在磁場中以速度v運

12、動時，受到洛倫茲力fL； fL與電子的電菏量e、運動速度v及磁場強度B成正比； fL=evB；隨著感應電動勢EH的增加， fE不斷增加，最終fL與fE半達到某一平衡值，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？因為EH=IB/end3.3.4 霍爾元件的主要技術(shù)指標：最大磁感應強度BM、額定激勵電流IH、輸入電阻Ri、輸出電阻RL、不等位電勢E0、寄生直流電勢V0、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

13、恒流源、線性差動放大器等做在一個芯片上，輸出電壓為伏級，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、施密特觸發(fā)器、OC門（集電極開路輸出門）等電路做在同一個芯片上3.5.6 霍爾傳感器優(yōu)點：磁場敏感、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、頻率響應寬、 輸出電壓變化大和使用壽命長等優(yōu)點3.5.7 霍爾傳感器的應用：可測量壓力、質(zhì)量、液位、流速、流量 3.6 傳感器的選用原則：靈敏度：傳感器的響應特性是指，在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件 響應特性：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。為了保證測量的精確度，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 ；機械式傳感器中的測力彈性元件，其材料的彈性極限是決定測力量程的基本因素，當超出測力元件允許的彈性范圍時，將產(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量的對應程度測量方式：例如，接觸與非接觸測量、破壞與非破