工程測試技術(shù)32-精選課件

1、工程測試技術(shù)第三章 傳感器原理及應(yīng)用本章學(xué)習(xí)要求：了解傳感器的分類；掌握常用傳感器測量原理；了解測量電路；了解智能傳感器的概念；了解典型傳感器的應(yīng)用。工程測試技術(shù)工程測試技術(shù)第三章 傳感器原理及應(yīng)用本章學(xué)習(xí)要求：工程測試本章目錄3.1 概述（4學(xué)時(shí)）3.2 電阻式傳感器3.3 電感式傳感器（2學(xué)時(shí)）3.4 電容式傳感器3.5 磁電式傳感器3.6 壓電式傳感器3.7 熱電式傳感器（2學(xué)時(shí)）3.8 光電式傳感器（2學(xué)時(shí)）3.9 其它類型的傳感器3.10 傳感器的應(yīng)用2工程測試技術(shù)本章目錄3.1 概述（4學(xué)時(shí)）2工程測試技術(shù)3.1 概述工程上通常把直接作用于被測量，能按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換成同種或別種量

2、值輸出的器件稱為傳感器。傳感器的作用類似于人的感覺器官。它把被測量如力、位移、溫度等，換為易測信號，傳送給測量系統(tǒng)的信號調(diào)理環(huán)節(jié)。傳感器也可以認(rèn)為是人類感官的延伸，因?yàn)榻柚鷤鞲衅骺梢匀ヌ剿髂切┤藗儫o法用感官直接測量的事物，例如，用熱電偶可以測得熾熱物體的溫度；用超聲波探測器可以測量海水深度；用紅外遙感器可從高空探測地面上的植被和污染情況，等等。因此，可以說傳感器是人們認(rèn)識自然界的有力工具，是測量儀器與被測事物之間的接口。傳感器處于測試裝置的輸入端，其性能將直接影響著整個(gè)測試裝置的工作質(zhì)量。隨著測量、控制及信息技術(shù)的發(fā)展，傳感器作為這些領(lǐng)域里的一個(gè)重要構(gòu)成因素，被視為關(guān)鍵技術(shù)之一受到了普遍重視。

3、深入研究傳感器的原理和應(yīng)用，研制新型傳感器，對于社會生產(chǎn)、科學(xué)技術(shù)和日常生活中自動測量和自動控制的發(fā)展，以及人類觀測研究自然界的深度和廣度都具有重要的實(shí)際意義。3工程測試技術(shù)3.1 概述工程上通常把直接作用于被測量，能按一定規(guī)律將其1. 傳感器的定義 傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。物 理 量電 量傳感器 目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電量信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。4工程測試技術(shù)1. 傳感器的定義 傳感器是借助檢測元件將一種2. 傳感器的構(gòu)成 傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換

4、輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。V5工程測試技術(shù)2. 傳感器的構(gòu)成 傳感器由敏感器件與輔助器件組成。3. 傳感器的分類按被測物理量分類按工作機(jī)理分類按信號變換特征按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系6工程測試技術(shù)3. 傳感器的分類按被測物理量分類6工程測試技術(shù)按工作機(jī)理分類工作機(jī)理分類電阻式電感式光電式壓電式電容式變阻器式應(yīng)變片式熱敏式光敏式磁阻式氣敏式自感式互感式磁電式極距變化型面積變化型介質(zhì)變化型渦流式可變磁阻型熱電式半導(dǎo)體式電阻絲式機(jī)械式7工程測試技術(shù)按工作機(jī)理分類工作機(jī)理分類電阻式電感式光電式壓電式電容式變阻3.2.2 電阻應(yīng)變式傳感器 電

5、阻應(yīng)變式傳感器的核心是電阻應(yīng)變片。 電阻應(yīng)變式傳感器可分為金屬電阻應(yīng)變片式與半導(dǎo)體應(yīng)變片式兩類。 1. 工作原理對金屬應(yīng)變片 b. 半導(dǎo)體應(yīng)變片8工程測試技術(shù)3.2.2 電阻應(yīng)變式傳感器 電阻應(yīng)變式傳感器3) 應(yīng)變片測量電路VER1R2R4R39工程測試技術(shù)3) 應(yīng)變片測量電路VER1R2R4R39工程測試技術(shù)單臂橋路的計(jì)算令： V與應(yīng)變成線形關(guān)系，可以用電橋測量電壓來測量應(yīng)變。當(dāng)：10工程測試技術(shù)單臂橋路的計(jì)算令： V與應(yīng)變成線形關(guān)系，可以用電橋測量雙臂半橋的計(jì)算輸入與輸出基本為線性關(guān)系；輸出是單臂橋的二倍。當(dāng)：11工程測試技術(shù)雙臂半橋的計(jì)算輸入與輸出基本為線性關(guān)系；當(dāng)：11工程測試技術(shù)全橋

6、電路的計(jì)算當(dāng)：輸入與輸出為線性關(guān)系；輸出是單臂橋的四倍。12工程測試技術(shù)全橋電路的計(jì)算當(dāng)：輸入與輸出為線性關(guān)系；12工程測試技術(shù)（）電橋的輸出電壓V與橋臂電阻的變化率dR/R（或應(yīng)變）成線性關(guān)系（在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)）。電阻應(yīng)變儀的工作原理，就是利用上述關(guān)系，以電橋輸出量的大小來確定應(yīng)變值。 （）各個(gè)橋臂電阻的變化率dR/R（或應(yīng)變）對輸出電壓的影響是線性疊加的，相鄰橋臂符號相反，相對橋臂符號相同。 （）利用單、雙臂半橋電路確定被測應(yīng)變值，存在一定的誤差。 13工程測試技術(shù)（）電橋的輸出電壓V與橋臂電阻的變化率dR/R（或應(yīng)變）成4) 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測力將應(yīng)變片直接粘貼于被測構(gòu)件上，用

7、來直接測量構(gòu)件的應(yīng)變或應(yīng)力將應(yīng)變片粘貼于彈性元件上，與彈性元件一起構(gòu)成應(yīng)變式傳感器，常用來測力、位移、壓力、加速度等物理量14工程測試技術(shù)4) 電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測力將應(yīng)變片直接粘貼于被測構(gòu)件電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用15工程測試技術(shù)電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用15工程測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品- Load Cell / Force Sensor16工程測試技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品- Load Cell / Force SensorTorque Sensors17工程測試技術(shù)Torque Sensors17工程測試技術(shù)Pressure Sensor1低壓腔 2高壓腔 3硅杯 4引線 5硅膜片18工程測試技術(shù)Pressu

8、re Sensor1低壓腔 2高壓腔 案例一：電子稱原理將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。19工程測試技術(shù)案例一：電子稱原理19工程測試技術(shù)案例二：機(jī)器人握力測量20工程測試技術(shù)案例二：機(jī)器人握力測量20工程測試技術(shù)案例三：振動式地音入侵探測器適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。21工程測試技術(shù)案例三：振動式地音入侵探測器適合于金庫、倉庫、古建筑的防范3.2.3 熱敏式傳感器熱阻式傳感器熱電阻熱敏電阻線繞式熱電阻薄膜式熱電阻負(fù)溫度系數(shù)正溫度系數(shù)線性溫度系數(shù) 熱敏式傳感器的工作原理是利用了導(dǎo)體或半導(dǎo)體電阻值隨溫度變化的性質(zhì)。構(gòu)成熱敏式

9、傳感器的測溫元件，有金屬熱電阻及半導(dǎo)體熱敏電阻。22工程測試技術(shù)3.2.3 熱敏式傳感器熱阻式傳感器熱電阻熱敏電阻線繞式熱電1. 熱電阻-RTD 從物理學(xué)可知，一般金屬導(dǎo)體具有正的電阻溫度系數(shù)，電阻率隨著溫度的上升而增加，電阻與溫度的關(guān)系為Rt=R0(1+At+Bt2+)式中，R0和Rt分別為0C和tC時(shí)的電阻值；A和B為常數(shù)。 常用的標(biāo)準(zhǔn)化測溫電阻有鉑電阻(Pt100)、銅電阻(Cu50)等。銅電阻的線性很好，但測量范圍不寬，一般為0-150。鉑電阻的線性稍差，但其物理化學(xué)性能穩(wěn)定，復(fù)現(xiàn)性好，測量溫度高，測溫范圍寬，因而應(yīng)用廣泛。23工程測試技術(shù)1. 熱電阻-RTD 從物理學(xué)可知，一般金屬導(dǎo)

10、體1). 鉑電阻-目前最好的材料 長時(shí)間穩(wěn)定的復(fù)現(xiàn)性可達(dá)10-4 K ，是目前測溫復(fù)現(xiàn)性最好的一種溫度計(jì)。 鉑電阻的精度與鉑的提純程度有關(guān)，一般用百度電阻比衡量。W(100)越高，表示鉑絲純度越高，國際實(shí)用溫標(biāo)規(guī)定，作為基準(zhǔn)器的鉑電阻，W(100)1.3925目前技術(shù)水平已達(dá)到W(100)1.3930；工業(yè)用鉑電阻的純度W(100)為1.381.39。 24工程測試技術(shù)1). 鉑電阻-目前最好的材料 長時(shí)間穩(wěn)定的復(fù)鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系當(dāng)溫度t 在200 t 0時(shí)：當(dāng)溫度 t 在0 t 650時(shí)： 國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)的工業(yè)用標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻，R0分為50和100兩種，分度號分別為Pt50和Pt100

11、，其分度表給出阻值和溫度的關(guān)系。 25工程測試技術(shù)鉑絲的電阻值與溫度之間的關(guān)系當(dāng)溫度t 在200 t 2). 銅熱電阻應(yīng) 用：測量精度要求不高且溫度較低的場合測量范圍：50150優(yōu) 點(diǎn)：溫度范圍內(nèi)線性好，靈敏度(4.254.2810-3/)比鉑電阻高，容易提純、加工，價(jià)格便宜，復(fù)制性能好。缺 點(diǎn)：易于氧化，一般只用于150以下的低溫測量和沒有水分及無侵蝕性介質(zhì)的溫度測量；與鉑相比，銅的電阻率低，所以銅電阻的體積較大。 工業(yè)上使用的標(biāo)準(zhǔn)化銅熱電阻的R0按國內(nèi)統(tǒng)一設(shè)計(jì)取50和100兩種，分度號分別為Cu50和Cu100，相應(yīng)的分度表可查閱相關(guān)資料。26工程測試技術(shù)2). 銅熱電阻應(yīng) 用：測量精度要

12、求不高且溫度3). 測量電路采用熱電阻作為測溫元件時(shí)，是將溫度的變化轉(zhuǎn)化為電阻的變化，因此對溫度的測量就轉(zhuǎn)化為對電阻的測量。要測量電阻的變化，一般是以熱電阻作為電橋的一臂，通過電橋?qū)y量電阻的變化轉(zhuǎn)變?yōu)闇y量電壓的變化。接線方式分二線制、三線制和四線制。27工程測試技術(shù)3). 測量電路采用熱電阻作為測溫元件時(shí)，是將溫度的變化轉(zhuǎn)2. 熱敏電阻-Thermistor 熱敏電阻是一類溫度敏感的半導(dǎo)體電阻器件，根據(jù)電阻與溫度的關(guān)系分為三類：負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻，電阻隨溫度上升而下降；正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻，電阻隨溫度上升而增加；線性熱敏電阻(LTN)，電阻與溫度成線性關(guān)系。28工程測試技術(shù)

13、2. 熱敏電阻-Thermistor 熱敏電阻是一1) 負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻RT 敏感元件主要由錳、鈷、銅、鎳等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的陶瓷半導(dǎo)體電阻和電極材料組成。使用溫度范圍-200C -+ 1000C。式中，B為與材料有關(guān)的常數(shù)，一般取值為3400K；為電阻溫度系數(shù)，其值約為鉑電阻的10倍。29工程測試技術(shù)1) 負(fù)溫度系數(shù)（NTC）熱敏電阻RT 敏感元件主要由2) 正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻分兩大類：陶瓷半導(dǎo)體PTC和硅半導(dǎo)體PTC 。溫度電阻特性曲線見圖。陶瓷半導(dǎo)體PTC熱敏電阻的主要成分為鈦酸鈀。其特性是到一定溫度時(shí)電阻值會急劇增加。

14、陶瓷PTC一般應(yīng)用于：溫度感應(yīng)開關(guān)(60-180C)固態(tài)熔斷器(mA-A)。30工程測試技術(shù)2) 正溫度系數(shù)（PTC）熱敏電阻正溫度系數(shù)（PTC）熱敏硅半導(dǎo)體PTC熱敏電阻利用半導(dǎo)體P-N結(jié)的電阻溫度特性制作的熱敏電阻。主要特點(diǎn)：使用溫度范圍：-50150C低成本長期穩(wěn)定性好無極性易于集成31工程測試技術(shù)硅半導(dǎo)體PTC熱敏電阻利用半導(dǎo)體P-N結(jié)的電阻溫度特性制作3) 線性溫度系數(shù)熱敏電阻Linear Thermistor Network由一對NTC熱敏電阻和兩只精密電阻組成，其電阻溫度特性為：Rt=R0+Mt特點(diǎn)： 簡化電路設(shè)計(jì) 互換性好 高精確度 無需參照溫度或冷端補(bǔ)償32工程測試技術(shù)3)

15、線性溫度系數(shù)熱敏電阻Linear Thermisto熱敏電阻的特點(diǎn)（與金屬電阻比較）：由于有較大的電阻溫度系數(shù)，所以靈敏度很高，目前可測到0.001-0.0005微小溫度的變化；熱敏電阻元件可作成片狀、柱狀、珠狀等，直徑可達(dá)0.5mm，由于體積小，熱慣性小，響應(yīng)速度快，時(shí)間常數(shù)可小到毫秒級；熱敏電阻的電阻值可達(dá)10-700K，當(dāng)遠(yuǎn)距離測量時(shí)導(dǎo)線電阻的影響可不考慮；在-50-350溫度范圍內(nèi)，具有較好的穩(wěn)定性。熱敏電阻的主要缺點(diǎn)是阻值分散性大。復(fù)現(xiàn)性差，其次是非線性大，老化較快。33工程測試技術(shù)熱敏電阻的特點(diǎn)（與金屬電阻比較）：由于有較大的電阻溫度系數(shù)，熱敏電阻的結(jié)構(gòu)形式34工程測試技術(shù)熱敏電阻

16、的結(jié)構(gòu)形式34工程測試技術(shù)3.2.4 光敏式傳感器半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會產(chǎn)生電子-空穴對，使其導(dǎo)電性能增強(qiáng)，光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象，稱為內(nèi)光電效應(yīng) 。 主要應(yīng)用：照相機(jī)自動測光、燈光控制、工業(yè)控制。35工程測試技術(shù)3.2.4 光敏式傳感器半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會產(chǎn)生電子-空3.2.5 磁阻式傳感器magnetoresistive sensors磁阻效應(yīng)是指，當(dāng)磁性材料處于一個(gè)外部磁場中時(shí)，如果磁場的方向和磁性材料中電流的方向不同，那么該磁性材料的電阻會隨著施加于它的磁場的強(qiáng)度而變化，盡管這種變化是十分微弱的。除了磁性材料，半導(dǎo)體材料也具有磁阻效應(yīng)，半導(dǎo)體材料中的載流子

17、（電子和空穴）運(yùn)動時(shí)會產(chǎn)生磁場，當(dāng)這個(gè)磁場與外界磁場相互作用 時(shí)會產(chǎn)生“洛倫茲”力，洛倫茲力會使載流子的運(yùn)動方向發(fā)生偏轉(zhuǎn)，使運(yùn)動路徑增長，也就相當(dāng)于增加了電阻（磁性材料同理）。磁阻效應(yīng)36工程測試技術(shù)3.2.5 磁阻式傳感器magnetoresistive s特點(diǎn)電阻的增量與磁場的平方成正比；與磁場的正負(fù)無關(guān)；寬頻率范圍（01MHz）；磁感應(yīng)的范圍比霍爾元件大。應(yīng)用 旋轉(zhuǎn)速度測量； 角度測量 線性位移測量 電流測量 接近開關(guān)和無觸點(diǎn)開關(guān)。37工程測試技術(shù)特點(diǎn)電阻的增量與磁場的平方成正比；應(yīng)用37工程測試技術(shù)3.2.6 氣敏式傳感器氣體與人類日常生活密切相關(guān)，對氣體的檢測已經(jīng)是保護(hù)和改善生態(tài)居住

18、環(huán)境不可缺少手段，氣敏傳感器發(fā)揮著極其重要的作用。如生活環(huán)境中一氧化碳濃度達(dá)0.81.15 ml/L時(shí)，就會出現(xiàn)呼吸急促，脈搏加快，甚至?xí)炟?。還有易燃、易爆氣體、酒精等的探測。煙霧報(bào)警器酒精傳感器二氧化碳傳感器38工程測試技術(shù)3.2.6 氣敏式傳感器氣體與人類日常生活密切相關(guān)，對氣體氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸收了氣體煙霧，如一氧化碳、醇等時(shí)，電阻發(fā)生變化。從而使氣敏元件電阻值隨被測氣體的濃度改變而變化。 39工程測試技術(shù)氣敏傳感器是利用氣敏半導(dǎo)體材料，如氧化錫、氧化錳。當(dāng)它們吸氣敏器件阻值與濃度關(guān)系圖40工程測試技術(shù)氣敏器件阻值與濃度關(guān)系圖40工程測試技術(shù)各種氣敏傳感器41工程測試技術(shù)各種氣敏傳感器41工程測試技術(shù)煙霧報(bào)警器和自動排風(fēng)扇燃?xì)鈭?bào)警器煙霧報(bào)警器42工程測試技術(shù)煙霧報(bào)警器和自動排風(fēng)扇燃?xì)鈭?bào)警器煙霧報(bào)警器42工程測試技術(shù)酒精測試儀酒