常用傳感器課件

1、常用傳感器原理及應(yīng)用芬雷選煤工程技術(shù)（北京）有限公司2010.07 一、常用傳感器分類及原理二、常用傳感器應(yīng)用一、常用的傳感器分類及原理1 概述2 機(jī)械式傳感器3 電阻式傳感器4 電感式傳感器5 電容式傳感器6 壓電式傳感器7 磁電式傳感器8 半導(dǎo)體式傳感器9 光纖傳感器10 分類回顧1 概述二 傳感器的分類按被測(cè)量分: 位移式傳感器,力傳感器,溫度傳感器等按工作原理分: 機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等 按信號(hào)變換特征分: 物性型和結(jié)構(gòu)型按敏感元件與被測(cè)對(duì)象之間的能量關(guān)系:能量轉(zhuǎn)換型與能量控制型按輸出信號(hào)分: 模擬式和數(shù)字式2 機(jī)械式傳感器原理：在測(cè)試技術(shù)中，以彈性體作為傳感器的敏感元件，對(duì)

2、力、壓力、溫度等物理量進(jìn)行測(cè)量，而輸出彈性元件本身的彈性變形，經(jīng)放大后成為儀表指針的偏轉(zhuǎn)，借助刻度指示出被測(cè)量的大小。 典型應(yīng)用：用于測(cè)力或稱重的環(huán)性測(cè)力計(jì)、彈簧稱等；用于測(cè)量流體壓力的波紋膜片、波紋管等；用于溫度測(cè)量的雙金屬片等 2 機(jī)械式傳感器優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單、可靠、使用方便、價(jià)格低廉、讀數(shù)直觀等 缺點(diǎn)：彈性變形不宜大，以減小線形誤差。 此外，由于放大和指針環(huán)節(jié)多為機(jī)械傳動(dòng)，不僅受間隙的影響，而且慣性大，固有頻率低，只宜用于檢測(cè)緩變或靜態(tài)被測(cè)量。 3 電阻式傳感器 電阻式傳感器是一種把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電阻變化的傳感器。按其工作原理可分為變阻器式和應(yīng)變片式兩類。 一、變阻器式傳感器 原理：它通過改

3、變電位器觸頭位置，把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化。根據(jù)下式 式中 電阻率 l 電阻絲長度 A 電阻絲截面積 3 電阻式傳感器二、電阻應(yīng)變式傳感器 優(yōu)點(diǎn)：體積小、動(dòng)態(tài)響應(yīng)快測(cè)量精度高、使用簡便 電阻應(yīng)變式傳感器分為金屬電阻應(yīng)變片式與半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類 .（一）金屬電阻應(yīng)變片 常用的金屬電阻應(yīng)變片有絲式和箔式兩種。其工作原理都是基于應(yīng)變片發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值發(fā)生變化。 把應(yīng)變片用特制膠水粘固在彈性元件或需要測(cè)量變形的物體表面上。在外力作用下，電阻絲隨該物體一起變形，其電阻值發(fā)生相應(yīng)變化。由此，將被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電阻變化。 3 電阻式傳感器（三）電阻應(yīng)變片式傳感器應(yīng)用方式 1）直接用來測(cè)定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力

4、2）將應(yīng)變片貼于彈性元件上，作為測(cè)量力、位移、壓力、加速度等物理參數(shù)的傳感器。在這種情況下，彈性元件得到與被測(cè)量成正比的應(yīng)變，在由應(yīng)變片轉(zhuǎn)換為電阻的變化。 4 電感式傳感器 將被測(cè)參數(shù)轉(zhuǎn)換為線圈自感量或互感量變化的裝置。電感式傳感器可分為自感型和互感型兩大類 一、自感型 （一） 可變磁阻式傳感器 圖示動(dòng)畫為變磁阻式傳感器的原理圖。 4 電感式傳感器（二） 渦電流式 渦電流式傳感器的變換原理是利用金屬體在交變磁場中的渦電流效應(yīng)。渦電流式傳感器的測(cè)量電路一般有阻抗分壓式調(diào)幅電路及調(diào)頻電路 。4 電感式傳感器二、互感型差動(dòng)變壓器式傳感器 這種傳感器是利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象，如下圖所示。 4 電感式

5、傳感器當(dāng)線圈 輸入交流電流 時(shí)，線圈 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) ，其大小與電流 的變換率成正比，即 式中 M比例系數(shù)，稱為互感 高頻反射式渦流傳感器 。如圖所示，高頻(1MHz)激勵(lì)電流產(chǎn)生的高頻磁場作用于金屬板的表面，由于集膚效應(yīng)，在金屬板表面將形成渦電流。與此同時(shí)，該渦流產(chǎn)生的交變磁場又反作用于線圈，引起線圈自感L或阻抗ZL的變化。線圈自感L或阻抗ZL的變化與距離該金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、激勵(lì)電流i及角頻率等有關(guān)。若只改變距離而保持其它參數(shù)不變，則可將位移變化轉(zhuǎn)換為線圈自感變化，通過測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓輸出。高頻反射式渦流傳感器多用于位移測(cè)量。 案例： 測(cè)厚5 電容式傳感器 一、電容式傳感器工作原理設(shè)

6、平板電容器兩極板間距離為，有效覆蓋面積為A，極板間介質(zhì)的相對(duì)介電系數(shù)，真空介電常數(shù) ，則電容器的電容量為 如果在、A、三個(gè)參數(shù)中保持其中的兩個(gè)不變，而只改變一個(gè)參數(shù)，則電容器的電容量將隨之發(fā)生變化。所以電容式傳感器可以分成三種類型：極距變化型（變）、面積變化型（變A）和介質(zhì)變化型（變）。 返回章目錄5 電容式傳感器2.面積變化型 保持電容器極板距離、介質(zhì)不變，僅改變極板間的相對(duì)覆蓋面積。則此中傳感器靈敏度為常數(shù)通常電容傳感器的覆蓋面積與線形位移間有良好的線形關(guān)系，故面積變化型傳感器有著良好的線形關(guān)系。 3.介質(zhì)變化型 利用介質(zhì)介電常數(shù)的變化將被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電量的傳感器。常用于液位測(cè)量，或某些材料

7、的厚度、溫度、濕度等參數(shù)的變化測(cè)量 6 壓電式傳感器二、壓電材料 常用的壓電材料大致分為三類：壓電單晶（機(jī)械強(qiáng)度好）、壓電陶瓷（壓電常數(shù)大）和有機(jī)壓電薄膜（可大量生產(chǎn)）。 動(dòng)畫特點(diǎn)： 1.剛性好，固有頻率高 2.靈敏度高且穩(wěn)定 3.較好的線性，通常無滯后 4.系統(tǒng)使用和調(diào)整方便 應(yīng)用： 壓電式力傳感器 壓電式加速度計(jì) 7 磁電式傳感器 把被測(cè)量轉(zhuǎn)換成感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的傳感器稱為電磁感應(yīng)式傳感器 原理：基于電磁感應(yīng)定律：感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)取決于匝數(shù)W和磁通變化率d/dt，即 一、動(dòng)圈式 當(dāng)線圈在磁場運(yùn)動(dòng)時(shí)所產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為 （線速度型） （角速度型） 二、磁阻式物體運(yùn)動(dòng)磁路磁阻改變磁通變化產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì) 8

8、 半導(dǎo)體傳感器半導(dǎo)體有一個(gè)重要的特性是對(duì)光、熱、力、磁、氣體、溫度等理化量的敏感性。利用半導(dǎo)體材料的這些特性，作為非電量電測(cè)的轉(zhuǎn)換元件，是近代半導(dǎo)體技術(shù)應(yīng)用的一個(gè)重要的方面。 半導(dǎo)體的特點(diǎn)是他們是一些物性型傳感器，通常可以作成結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕的器件，他們的功耗低、安全可靠、壽命長；他們對(duì)被測(cè)量敏感，響應(yīng)速度快；易于實(shí)現(xiàn)集成化。8 半導(dǎo)體傳感器磁阻元件是利用半導(dǎo)體材料的磁阻效應(yīng)來工作的。借用上面的動(dòng)畫來說明磁阻效應(yīng)，磁阻效應(yīng)將使通有電流i的金屬或半導(dǎo)體片的ab兩端之間的電阻隨外磁場B而變化。磁阻效應(yīng)與材料性質(zhì)、幾何形狀有關(guān)，一般遷移率越大的材料，磁阻效應(yīng)越顯著，元件的長寬比越小，磁阻效應(yīng)

9、越大。 磁阻元件可用于測(cè)量位移、力、加速度等參數(shù)。(二)磁阻元件8 半導(dǎo)體傳感器二、光敏傳感器 光敏傳感器是將光量轉(zhuǎn)換為電量的元件，其工作原理是利用半導(dǎo)體材料的光電效應(yīng)。 光敏電阻其工作原理是基于半導(dǎo)體材料的內(nèi)光電效應(yīng)，即半導(dǎo)體當(dāng)受到光照射時(shí)，其電阻值減小的現(xiàn)象。(一)光敏電阻 光電池直接將光能轉(zhuǎn)換為電能，受光照射時(shí)，可直接輸出電勢(shì)，實(shí)際上是一個(gè)電源。 (二)光電池8 半導(dǎo)體傳感器（三）光敏二極管和光敏三極管光敏二極管是一種既有一個(gè)PN結(jié)又有光電轉(zhuǎn)化功能的晶體二極管。它將光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電壓輸出的基本電路如圖所示。8 半導(dǎo)體傳感器 若普通的晶體管的基極集電極制成光敏二極管，則成為光敏三極管。光敏二

10、極管的光電流成為基極電流，在三極管內(nèi)放大，形成集電極電流。由于光敏三極管的基極電流由其基極集電極結(jié)構(gòu)的光電流供給，因而許多光敏三極管不在設(shè)基極引線。下圖為光敏三極管的基本電路。8 半導(dǎo)體傳感器 下圖動(dòng)畫為光電轉(zhuǎn)速器的工作原理圖，在電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)軸上涂上黑白兩種顏色，當(dāng)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光電元件接收到強(qiáng)弱交變的信號(hào)，再經(jīng)過放大整形電路，輸出整齊的方波信號(hào)，由數(shù)字頻率計(jì)測(cè)出電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。8 半導(dǎo)體傳感器三、固態(tài)圖象傳感器 從功能上說,它是一個(gè)把受光面的光像分成許多小單元,并將它們轉(zhuǎn)換成電信號(hào),然后輸送出去的器件. 從構(gòu)造上說,它是一種小型固態(tài)集成元件,它的核心多半是電耦合器(CCD),CCD具有光生電荷、

11、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷的功能. 固態(tài)圖象傳感器 具有小型、輕便、響應(yīng)快 、靈敏度高、 穩(wěn)定性好、 壽命高和以光為媒介可以到達(dá)危險(xiǎn)地點(diǎn)工作 固態(tài)圖象傳感器主要用途:1.物位、尺寸、形狀、探傷等2.作為光學(xué)信息處理的輸入環(huán)節(jié)3.自動(dòng)生產(chǎn)過程的控制敏感元件8 半導(dǎo)體傳感器四、熱敏電阻 熱敏電阻是由金屬氧化物的粉末按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體.它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù),隨溫度的上升而阻值下降.與金屬絲電阻相比較優(yōu)點(diǎn)是:1.靈敏度高2.熱敏元件體積小,熱慣性好,響應(yīng)速度快3.元件本身的電阻值大,遠(yuǎn)距離時(shí)可忽略導(dǎo)線電阻的影響4.在-50350溫度范圍內(nèi)具有交好的穩(wěn)定度缺點(diǎn)是:非線形大,對(duì)環(huán)境溫度敏感性大,測(cè)量時(shí)易

12、受到干擾8 半導(dǎo)體傳感器五、氣敏傳感器 半導(dǎo)體氣敏傳感器具有在低濃度下對(duì)可燃?xì)怏w和某些有毒氣體的靈敏度高、響應(yīng)快、制造使用和保養(yǎng)簡便、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)。 但是它們的氣體選擇性差、元件性能參數(shù)分散，且時(shí)間穩(wěn)定度欠佳。 電阻式半導(dǎo)體氣敏傳感器是應(yīng)用較多的一種。被測(cè)氣體一旦與這種傳感器的敏感材料接觸并被吸附后，傳感器的電阻值隨氣體濃度而改變。其敏感材料廣泛采用熱穩(wěn)定度較好的金屬氧化物如氧化鋅等，主要用于檢測(cè)一氧化碳、甲烷、氫和乙醇等。這類氣敏傳感器中都有電極和加熱絲。前者用于輸出電阻值，后者用來灼燒敏感材料表面的油污，以加速被測(cè)氣體的吸、脫過程的進(jìn)程。8 半導(dǎo)體傳感器六、濕敏傳感器 制造半導(dǎo)體濕敏傳感

13、器的材料有：四氧化三鐵、鉻酸鎂-二氧化鈦、五氧化二釩-二氧化鈦等。其中四氧化三鐵多制成膠體濕敏元件，其余均制成金屬陶瓷濕敏元件。 金屬陶瓷濕敏原理大致是，當(dāng)水分子附著在半導(dǎo)體陶瓷上，使陶瓷表面層的電阻值明顯下降。表面層電阻值下降到一定程度上，半導(dǎo)體內(nèi)部的電阻以遠(yuǎn)大于表層電阻，電流主要從表層通過，體內(nèi)電阻的作用可以忽略，而由濕度引起下降了的表層電阻起者主導(dǎo)作用。隨著濕度的增加，此類半導(dǎo)體陶瓷的阻值可以下降三至四個(gè)數(shù)量級(jí)。8 半導(dǎo)體傳感器七、集成傳感器 后續(xù)電路和半導(dǎo)體傳感器制作在同一芯片上,形成集成傳感器.它具有傳感器功能又能完成后續(xù)電路的功能. 隨著集成技術(shù)的發(fā)展,集成傳感器所包含的電路已具有

14、一定的智能,從而擴(kuò)大使用范圍和提高可靠性.9 光纖傳感器 一、分類 按照調(diào)制方式光纖傳感器可以分為強(qiáng)度調(diào)制、頻率調(diào)制、相位調(diào)制和偏振調(diào)制四類。 按光纖的作用，光纖傳感器可以分為功能型和傳光型兩種。9 光纖傳感器二、傳感器的特點(diǎn)1）采用光波傳遞信息，不受電磁干擾，電氣絕緣性能好，可在強(qiáng)電磁干擾下完成傳統(tǒng)的傳感器難以完成的某些參量的測(cè)量。2）光波傳輸無電能和電火花，不會(huì)引起被測(cè)介質(zhì)的燃燒和爆炸。而且耐高壓耐腐蝕。3）某些光纖傳感器的工作優(yōu)于傳統(tǒng)的傳感器4）重量輕、體積小、可撓性好，可在狹小的空間使用5）具有良好的幾何形狀適應(yīng)性6）頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，對(duì)被測(cè)對(duì)象不產(chǎn)生影響，利于提高精度7）利用現(xiàn)有的

15、光通訊技術(shù)，易于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測(cè)控10 傳感器的選用原則 根據(jù)測(cè)試目的和實(shí)際條件，合理的選用傳感器應(yīng)遵從以下幾條原則： 1.靈敏度2.響應(yīng)特性3.線性范圍4.可靠性5.精確度6.測(cè)量方式 除了以上因素外，還應(yīng)盡可能兼顧結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、價(jià)格便宜、易于維修、易于更換等條件。返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回返回二、常用傳感器1. 溫度傳感器2. 壓力傳感器3. 位移傳感器4. 流量傳感器5. 濕度傳感器6. 稱重傳感器7. 拉力傳感器1. 溫度傳感器能感受溫度并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。 熱電偶、熱敏電阻、電阻溫度檢測(cè)器(RTD)和IC溫度傳感器。IC溫度傳感器又包括模擬輸出和數(shù)字輸出兩種類型。 2.壓力傳感器電阻應(yīng)變片壓力傳感器、半導(dǎo)體應(yīng)變片壓力傳感器、壓阻式壓力傳感器、電感式壓力傳感器、電容式壓力傳感器、諧振式壓力傳感器及電容式加速度傳感器 把壓力信號(hào)變成電信號(hào)3. 位移傳感器 位移傳感器又稱為線性傳感器，它分為電感式位移傳感器，電容式位移傳感器，光電式位移傳感器，位移傳感器超聲波式位移傳感器，霍爾式位移傳感器。 5. 濕度傳感器能感受氣體中水蒸氣含量，并轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的傳感器。 6.稱重傳感器種將質(zhì)量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)榭蓽y(cè)量的電信號(hào)輸出的裝置。 稱重傳感器