武漢理工大學(xué)檢測(cè)技術(shù)(1)課件

第五章常用傳感器5.1概述5.2電阻傳感器

5.3電容傳感器5.4電感傳感器5.5磁電傳感器5.6壓電傳感器5.7磁敏傳感器5.8傳感器選用原則▼▼▼▼▼▼▼▼1可編輯版5.1概述1.傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測(cè)量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。狹義上，非電信號(hào)電信號(hào)。在非電量電測(cè)系統(tǒng)中的作用敏感作用：感受并拾取被測(cè)對(duì)象的信號(hào)變換作用：被測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于檢測(cè)和處理的電信號(hào)2可編輯版將物理量變換成電信號(hào)的變化（水位、壓力等）。獲得傳感器信號(hào)的兩種方法直接獲得電信號(hào)的變化（開(kāi)關(guān)傳感器）；3可編輯版2.傳感器的分類(lèi)(1)按被測(cè)物理量分類(lèi)(2)按傳感器元件的變換原理分類(lèi)位移傳感器,流量傳感器,溫度傳感器等.電阻式,電容式,電感式,壓電式,光電式等.能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測(cè)對(duì)象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測(cè)量控制外部供給能量的變化.

例如:電阻應(yīng)變片.能量傳遞型:從某種能量發(fā)生器與接受器進(jìn)行能量傳遞過(guò)程中實(shí)現(xiàn)敏感檢測(cè).

例如:超聲波發(fā)生器和接受器.(3)按傳感器的能量傳遞方式分類(lèi)4可編輯版3.傳感器的性能要求工作范圍或量程應(yīng)足夠大，具有一定的過(guò)載能力與檢測(cè)系統(tǒng)匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高精度適當(dāng)，穩(wěn)定性高反應(yīng)速度快，工作可靠性高適應(yīng)性和適用性強(qiáng)5可編輯版4.常見(jiàn)的被測(cè)物理量機(jī)械量:長(zhǎng)度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),

質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,

流量;聲:

聲壓,噪聲.磁:

磁通,磁場(chǎng).溫度:

溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩▲6可編輯版電阻式傳感器是把被測(cè)量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器。按工作的原理可分為:熱敏式電阻應(yīng)變式變阻器式光敏式濕敏式5.2電阻式傳感器7可編輯版1.可調(diào)電位器為輸出電壓(V)；為外加固定電壓(V);為材料的總電阻();為固定端至滑塊的電阻()8可編輯版2.應(yīng)變式電阻傳感器絲式應(yīng)變片

箔式應(yīng)變片

9可編輯版(1).應(yīng)變效應(yīng)導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形而引起導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱(chēng)為應(yīng)變效應(yīng)。傳感元件：電阻應(yīng)變片，它是一種把被測(cè)試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的傳感元件。應(yīng)變片受力

應(yīng)變

比例關(guān)系

比例關(guān)系

應(yīng)變片電阻的變化

10可編輯版(2).工作原理式中，ρ——導(dǎo)線的電阻率，又稱(chēng)為電阻系數(shù)金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)：當(dāng)金屬絲由于受到軸向力P而伸長(zhǎng)時(shí)，長(zhǎng)度增長(zhǎng)，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如細(xì)絲因受壓力而縮短，即長(zhǎng)度變短，截面積變粗時(shí)，則電阻就減小。11可編輯版S由兩部分組成：前一部分(1+2μ)是由金屬導(dǎo)線的幾何變形引起的；后一部分λE除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。μ：泊松系數(shù)，E:彈性模量，ε:縱向應(yīng)變，λ:壓阻系數(shù)推導(dǎo)12可編輯版<1>金屬應(yīng)變片（

不變）金屬應(yīng)變計(jì)<2>

半導(dǎo)體應(yīng)變片（

變化）半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)13可編輯版(3).應(yīng)變片的主要參數(shù)

1)幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用b×L表示。2)電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。

3)靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。4)其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

14可編輯版(4).金屬應(yīng)變計(jì)金屬應(yīng)變計(jì)有:

1、絲式

2、箔式

3、薄膜式優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點(diǎn):靈敏度系數(shù)小.應(yīng)變計(jì)15可編輯版(5).半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件.缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。應(yīng)變計(jì)體型薄膜型擴(kuò)散型16可編輯版立柱應(yīng)力

橋梁應(yīng)力

(6).應(yīng)變式電阻傳感器的應(yīng)用

德國(guó)HBM電阻應(yīng)變式傳感器

17可編輯版質(zhì)量傳感器

位移傳感器

加速度計(jì)

壓力傳感器

18可編輯版壓力傳感器

轉(zhuǎn)矩傳感器

19可編輯版3.其他電阻傳感器

(1).熱電阻傳感器

利用導(dǎo)電物體電阻率隨本身溫度變化而變化的溫度電阻效應(yīng)制成的傳感器。溫度(熱量)的變化

電阻的變化溫度檢測(cè):-200℃～+500℃20可編輯版(2).熱敏電阻傳感器

圓形熱敏電阻柱形熱敏電阻珠形熱敏電阻熱敏電阻在電路中的符號(hào)非線性元件:它的溫度-電阻關(guān)系是指數(shù)關(guān)系

溫度為-50℃～＋350℃

21可編輯版(3).光敏電阻傳感器

(4).濕敏電阻傳感器

▲22可編輯版5.3電容式傳感器

1.變換原理

將被測(cè)物理量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++

A

當(dāng)被測(cè)量δ、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。23可編輯版2.分類(lèi)a)極距變化型+++c)介質(zhì)變化型b)面積變化型:平面線位移型,角位移型,柱面線位移型24可編輯版3.靈敏度a)極距變化型傳感器的靈敏度近似為：變極距電容傳感器

平板電容器25可編輯版?zhèn)鞲衅黛`敏度b)面積變化型a)直線位移型

直線位移型b)角位移型

傳感器靈敏度角位移型26可編輯版c)介質(zhì)變化型介質(zhì)常數(shù)變化型電容式傳感器大多用于測(cè)量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)根據(jù)極板介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來(lái)測(cè)量溫度、濕度、容量(圖d)等。27可編輯版4.電容式傳感器的應(yīng)用振動(dòng)測(cè)量

旋轉(zhuǎn)軸的偏心量的測(cè)量

28可編輯版電容式氫液高度傳感器

紗條均勻度測(cè)試儀

▲29可編輯版5.4電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類(lèi):電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型30可編輯版1.可變磁阻式(自感型)原理:電磁感應(yīng)W:線圈匝數(shù)；L1:軟鐵長(zhǎng)度；μ1：軟鐵磁導(dǎo)率；μ0：空氣磁導(dǎo)率A1：鐵芯導(dǎo)磁截面A0：空氣導(dǎo)磁截面可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵31可編輯版(1).間隙變化型間隙變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)

當(dāng)μ0、A0固定不變，改變?chǔ)臅r(shí)，L與δ呈非線形（雙曲線）關(guān)系，L與δ的雙曲線關(guān)系

傳感器靈敏度：32可編輯版(2).面積變化型面積變化型可變磁阻式傳感器結(jié)構(gòu)當(dāng)μ0、δ

固定不變，改變A0時(shí)，L與A0呈線形關(guān)系，傳感器靈敏度L與A0的線形關(guān)系=常數(shù)33可編輯版(3).螺線管型當(dāng)其它參數(shù)不變，僅改變L1，使Rm變化，從而產(chǎn)生電感的變化。34可編輯版(4).差動(dòng)型變間隙型差動(dòng)變壓器輸出特性傳感器靈敏度35可編輯版2.渦流式電感傳感器

當(dāng)金屬板置于變化磁場(chǎng)中或者在磁場(chǎng)中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱(chēng)為渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度t，以及金屬板與線圈距離、激勵(lì)電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。渦流式電感傳感器可分為1）高頻反射式2）低頻投射式36可編輯版原線圈的等效阻抗Z變化：(1).高頻反射式（集膚效應(yīng)）高頻反射式渦流傳感器δ37可編輯版(2).低頻透射式（互感原理）低頻透射式渦流傳感器e2隨材料厚度增加變化的規(guī)律38可編輯版4.渦流式傳感器的應(yīng)用案例：位移、振幅、軸心軌跡的測(cè)量徑向振動(dòng)的測(cè)量構(gòu)件振幅的測(cè)量構(gòu)件振型的測(cè)量軸心軌跡的測(cè)量39可編輯版其中，n為轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速；f為脈沖頻率；z為轉(zhuǎn)軸上的槽數(shù)或齒數(shù)。案例:轉(zhuǎn)速的測(cè)量40可編輯版案例：測(cè)厚案例：零件計(jì)數(shù)41可編輯版案例：連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：42可編輯版案例：無(wú)損探傷原理裂紋檢測(cè)，缺陷造成渦流變化?；疖?chē)輪檢測(cè)油管檢測(cè)43可編輯版3.變壓器式--差動(dòng)變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.44可編輯版應(yīng)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,負(fù)荷量;扭矩,應(yīng)力,動(dòng)力;氣壓,溫度;振動(dòng),速度,加速度;等.案例：板的厚度測(cè)量~案例：張力測(cè)量▲45可編輯版5.5磁電傳感器

1.變換原理

磁電式傳感器是把被測(cè)量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e為

磁通變化率與磁場(chǎng)強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。

46可編輯版2.分類(lèi)磁電式動(dòng)圈式磁阻式線速度型角速度型N47可編輯版3.動(dòng)圈式傳感器

l:每匝線圈的平均長(zhǎng)度；B:線圈所在磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度；A:每匝線圈的截面積；θ:線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場(chǎng)方向的夾角；k:傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)。48可編輯版4.磁阻式傳感器

49可編輯版5.磁電傳感器的應(yīng)用測(cè)速電機(jī)磁電式測(cè)速傳感器50可編輯版測(cè)頻數(shù)測(cè)轉(zhuǎn)速偏心測(cè)量振動(dòng)測(cè)量▲51可編輯版5.6壓電傳感器

1.變換原理

某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來(lái)的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為壓電效應(yīng)。52可編輯版壓電效應(yīng)式中，q為電荷[量]；D為壓電常數(shù)，與材質(zhì)及切片方向有關(guān)；F為作用力。q=DF53可編輯版ea：開(kāi)路電壓；q:壓電晶片表面上的電荷；Ca為壓電晶片的電容。2.測(cè)量電路

等效電荷源

Cc:分布電容；Ri:輸入電阻；Ra:漏電阻；Ci:輸入電容54可編輯版壓電式傳感器輸出電荷q很少，內(nèi)阻Ra很大，輸出信號(hào)很弱小，因此要進(jìn)行處理：(1)放大微弱的壓電信號(hào)(2)進(jìn)行阻抗匹配

電壓放大器電荷放大器(1).主要作用55可編輯版放大器的輸入電壓：系統(tǒng)的輸出電壓為：

系統(tǒng)的靈敏度為：當(dāng)電纜長(zhǎng)度變化時(shí)，Cc變化，ei變化，系統(tǒng)的靈敏度發(fā)生變化，此時(shí)測(cè)試比較困難(2).電壓放大器56可編輯版q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

ei=(q+eyCf)/(C+Cf)推導(dǎo)(3).電荷放大器57可編輯版3.壓電傳感器的應(yīng)用壓力變送器加速度計(jì)，力傳感器

58可編輯版壓電式壓力傳感

壓電式壓力傳感器特性

59可編輯版阻抗頭的結(jié)構(gòu)原理圖

阻抗頭的安裝結(jié)構(gòu)

60可編輯版▲61可編輯版5.7磁敏傳感器1.半導(dǎo)體霍爾元件霍爾效應(yīng)

當(dāng)半導(dǎo)體中流過(guò)一個(gè)電流時(shí)，若在與該電流垂直的方向上外加一個(gè)磁場(chǎng)，則在與電流及磁場(chǎng)分別成直角的方向上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓。這種現(xiàn)象也稱(chēng)為霍爾效應(yīng)

?；魻栃?yīng)原理圖

62可編輯版半導(dǎo)體霍爾元件的結(jié)構(gòu)

63可編輯版半導(dǎo)體磁敏電阻

半導(dǎo)體磁敏電阻的結(jié)構(gòu)(蛇形元件)利用磁場(chǎng)造成的電流偏轉(zhuǎn)使元件阻抗增加這種特點(diǎn)制成的雙端磁敏傳感器。64可編輯版磁性體磁敏電阻

利用強(qiáng)磁材料的磁場(chǎng)異向性制成的磁敏元件。磁性體磁敏電阻的結(jié)構(gòu)65可編輯版電磁感應(yīng)型磁敏傳感器原理：范圍：法拉第電磁感應(yīng)定律只能檢測(cè)交流磁場(chǎng)，不能檢測(cè)直流磁場(chǎng)

電磁感應(yīng)型磁敏傳感器

66可編輯版2.磁敏傳感器的應(yīng)用

電流計(jì)磁感應(yīng)開(kāi)關(guān)磁敏電位器霍爾電動(dòng)機(jī)紙幣及預(yù)付卡識(shí)別設(shè)卡形電流計(jì)的結(jié)構(gòu)

67可編輯版霍爾電動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖

霍爾電動(dòng)機(jī)等效電路

▲68可編輯版5.8傳感器選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、線性范圍、響應(yīng)特性、穩(wěn)定性、精確度、測(cè)量方式等六個(gè)方面的問(wèn)題。

1.靈敏度一般說(shuō)來(lái)，傳感器靈敏度越高越好，但在確定靈敏度時(shí)，要考慮以下幾個(gè)問(wèn)題。a)靈敏度過(guò)高引起的干擾問(wèn)題；b)量程范圍。

69可編輯版3響應(yīng)特性傳感器的響應(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。實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時(shí)間越短越好。2線性范圍任何傳感器都有一定的線性工作范圍。在線性范圍內(nèi)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。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。70可編輯版4穩(wěn)定性穩(wěn)定性是表示傳感器經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時(shí)間與環(huán)境。5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。6測(cè)量方式傳感器工作方式，也是選擇傳感器時(shí)應(yīng)考慮的重要因素。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)量等?！?1可編輯版應(yīng)變片受力后，電阻的變化dR

則兩邊同除以R，同時(shí)R=ρL/A，則dL/L=ε——金屬導(dǎo)線長(zhǎng)度的相對(duì)變化，稱(chēng)縱向應(yīng)變。dρ/ρ——導(dǎo)線電阻率的相對(duì)變化。dA/A——導(dǎo)線截面積的相對(duì)變化，稱(chēng)為稱(chēng)橫向應(yīng)變。

(2).工作原理72可編輯版對(duì)于圓形截面積的導(dǎo)線，若其直徑為D，則橫向應(yīng)變dD/D和縱向應(yīng)變dL/L之比稱(chēng)為泊桑比，即故73可編輯版E為