工学测试技术河南科技大学常用传感器.pptx
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1、河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第第2章章 常用传感器常用传感器本章学习要求:本章学习要求:1.理解传感器的定义、组成及分类;理解传感器的定义、组成及分类;2.掌握常用传感器原理、特点及应用;掌握常用传感器原理、特点及应用;3.了解传感器的信号调理电路。了解传感器的信号调理电路。测试技术测试技术河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第第2章章 常用传感器常用传感器2.1 概述概述1.传感器的定义传感器的定义 传感器传感器(Transducer/Sensor)是能感受规定的被测量,并按是能感受规定的被测量,并按照一定规律转换成照一定规律转换成可用信号可用信号(便于传输和处理便于传输和处
2、理)的器件或装置。的器件或装置。非电物理量非电物理量电信号电信号传感器转换后的信号大多为传感器转换后的信号大多为电信号电信号。因而从狭义上讲,。因而从狭义上讲,传感器是把外界输入的非电物理量转换成电信号的装置。传感器是把外界输入的非电物理量转换成电信号的装置。现代信息技术的基础有三个主要方面:现代信息技术的基础有三个主要方面:信息采集信息采集 传感器技术传感器技术 信息传输信息传输 通信技术通信技术 信息处理信息处理 计算机技术计算机技术(包括软件和硬件包括软件和硬件)河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2.传感器的组成传感器的组成传感器由传感器由敏感元件敏感元件、转换元件转换元件和和基本
3、转换电路基本转换电路组成。敏感元件直接感受被测组成。敏感元件直接感受被测物理量物理量(力力),并对被,并对被测量进行转换输出测量进行转换输出(应变应变);转换元件将敏感元件的;转换元件将敏感元件的输出转换成便于传输和测量的电参量输出转换成便于传输和测量的电参量(电阻电阻)或电信或电信号;转换电路则对号;转换电路则对转换元件转换元件输出的信号进行放大、输出的信号进行放大、阻抗匹配、运算调制等,以便于接入后续仪表。阻抗匹配、运算调制等,以便于接入后续仪表。2.1 概述概述被测量被测量敏感元件敏感元件转换元件转换元件辅助电源辅助电源基本转换电路基本转换电路输出信号输出信号河南科技大学机电学院河南科技
4、大学机电学院3.传感器的分类传感器的分类(1)按被测物理量分类按被测物理量分类常见的被测物理量常见的被测物理量机械量:长度机械量:长度,厚度厚度,位移位移,速度速度,加速度加速度,旋转角旋转角,转速转速,质量质量,重量重量,力力,应力应力,应变应变,压力压力,真空度真空度,力矩力矩,风速风速,流速流速,流量。流量。声:声:声压声压,噪声。噪声。磁:磁:磁通磁通,磁场。磁场。温度:温度温度:温度,热量热量,比热。比热。光:光:亮度亮度,色彩。色彩。2.1 概述概述河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 位移传感器位移传感器 力传感器力传感器 滑觉传感器滑觉传感器 压力传感器压力传感器 流量传感
5、器流量传感器 温度传感器等温度传感器等(2)按被测量的性质分类按被测量的性质分类 2.1 概述概述河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院能量转换型和能量控制型两大类。能量转换型和能量控制型两大类。(3)按被测量与输出电信号的转换关系分类按被测量与输出电信号的转换关系分类能量转换型:能量转换型:直接将被测量转换为电信号直接将被测量转换为电信号(电压等电压等)。(有源)(有源)例如:例如:热电偶传感器,压电式传感器。热电偶传感器,压电式传感器。2.1 概述概述能量控制型:能量控制型:先将被测量转换为电参量先将被测量转换为电参量(电阻等电阻等),在,在(无源)(无源)外部辅助电源作用下才能输出电信
6、号,外部辅助电源作用下才能输出电信号,并由被测量控制输出电信号的变化。并由被测量控制输出电信号的变化。例如:例如:应变式传感器,电容式传感器。应变式传感器,电容式传感器。河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院(4)按工作原理分类按工作原理分类电阻应变式传感器电阻应变式传感器电容传感器电容传感器磁电式传感器磁电式传感器光电式传感器光电式传感器压电式传感器等压电式传感器等4.传感器的性能指标传感器的性能指标 灵敏度、线性度、重复性、稳定性、精灵敏度、线性度、重复性、稳定性、精确度、动态特性、环境影响等。确度、动态特性、环境影响等。2.1 概述概述河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2.2 能
7、量控制型传感器能量控制型传感器第第2章章 常用传感器常用传感器上式中任何一个参数变化均会引起电阻变化。上式中任何一个参数变化均会引起电阻变化。金属电阻丝的电阻为:金属电阻丝的电阻为:转换原理:转换原理:将被测量变化转换为电阻变化。将被测量变化转换为电阻变化。2.2.1 电阻式传感器电阻式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 金属电阻丝在外力作用下发生金属电阻丝在外力作用下发生机械变形机械变形时,其时,其电阻值随着所受机械变形电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发的变化而发生变化的现象。生变化的现象。(1)工作原理:)工作原理:电阻应变效应电阻应变效应1.电阻应变式传
8、感器电阻应变式传感器(金属电阻应变片金属电阻应变片)2.2.1 电阻式传感器电阻式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院对上式求偏导数对上式求偏导数 代入代入金属电阻丝的电阻为:金属电阻丝的电阻为:2.2.1 电阻式传感器电阻式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院有:有:2.2.1 电阻式传感器电阻式传感器式中:式中:轴向相对轴向相对变形变形(纵向应变纵向应变);径向相对径向相对变形变形(体积不变体积不变);电阻率相对变化电阻率相对变化。河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院故:故:电阻丝灵电阻丝灵敏系数:敏系数:对于金属电阻应变片,在外力作用下电阻率对于金属电阻应变片,在
9、外力作用下电阻率基本不变基本不变(不同于半导体应变片不同于半导体应变片):(由由实验确定实验确定)2.2.1 电阻式传感器电阻式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院应变计(2)应变片的结构及类型)应变片的结构及类型金属应变片按敏感栅的结金属应变片按敏感栅的结构可分为:构可分为:丝绕式丝绕式、短接短接丝式丝式、箔式箔式、应变花应变花。2.2.1 电阻式传感器电阻式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院(3)应变片的主要参数应变片的主要参数5)其它参数:如环境温度、滞后、蠕变、零漂其它参数:如环境温度、滞后、蠕变、零漂 以及疲劳寿命、横向效应等。以及疲劳寿命、横向效应等。1)几何
10、尺寸:基长几何尺寸:基长基宽基宽=lb0 时时,e1e2,ey0;当当 x0 时时,e1 e2,eyNB)。AT0BT河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院(2)温差电势:)温差电势:接点温度接点温度不同,温度扩散不同,温度扩散(T T0)。汤姆逊系数,与材料性质和两端温度有关。汤姆逊系数,与材料性质和两端温度有关。,第三节第三节 能量转换型传感器能量转换型传感器 当热电偶材料一定,冷端温度时,总当热电偶材料一定,冷端温度时,总热电势为热端温度热电势为热端温度 的单值函数的单值函数(分度表分度表)。ABTT0河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2热电偶的基本定律热电偶的基本定律(1)均质
11、导体定律)均质导体定律 若组成热电偶回路的两种导体相同,则无论两若组成热电偶回路的两种导体相同,则无论两 接点温度如何,接点温度如何,热电偶回路中的总热电偶回路中的总热电势为零;热电势为零;若两接点温度相同,则尽管导体材料不同,若两接点温度相同,则尽管导体材料不同,热电热电 偶回路中的总热电势也为零。偶回路中的总热电势也为零。(2)中间导体定律中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要在热电偶回路中接入第三种材料的导体,只要 其两端的温度相等,该导体的接入就不会影响热电其两端的温度相等,该导体的接入就不会影响热电 偶回路的总热电势偶回路的总热电势工程应用?工程应用?TT0V2.3.
12、3 热电偶传感器热电偶传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院3冷端温度处理冷端温度处理 (2)热电势修正法热电势修正法 (3)电桥补偿法电桥补偿法 (1)恒温法恒温法 (4)延伸导线法延伸导线法 TTnV2.3.3 热电偶传感器热电偶传感器热电极热电极热端热端冷端冷端河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2.3.3 热电偶传感器热电偶传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2.3.3 热电偶传感器热电偶传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第第2章章 常用传感器常用传感器 工作原理:工作原理:热阻效应热阻效应(能量控制型能量控制型)利用电阻值随温度变化的特点制成的。利用
13、电阻值随温度变化的特点制成的。(1)铂电阻:)铂电阻:(2)铜电阻:)铜电阻:2.3.4 热电阻传感器:温度热电阻传感器:温度电阻电阻1金属热电阻:正电阻温度系数金属热电阻:正电阻温度系数(3)铟和锰电阻:)铟和锰电阻:,:河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2.3.4 热电阻传感器热电阻传感器(4)金属热电阻的测量电路)金属热电阻的测量电路电桥电桥 三线接法三线接法四线接法四线接法河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2半导体半导体热敏电阻热敏电阻 热敏电阻不宜用于较宽的温度范围,但对于特定热敏电阻不宜用于较宽的温度范围,但对于特定温度点的检测却十分灵敏。因此可用做检测元件、电温度点的
14、检测却十分灵敏。因此可用做检测元件、电路保护元件、温度补偿元件、温度报警元件等。路保护元件、温度补偿元件、温度报警元件等。(2)PTC 型:型:正电阻温度系数正电阻温度系数(过热保护)(过热保护)2.3.4 热电阻传感器热电阻传感器(3)CT R型:型:临界电阻温度系数临界电阻温度系数(开关元件)(开关元件)(1)NTC 型:型:负电阻温度系数负电阻温度系数热敏电阻材料的特征常数热敏电阻材料的特征常数(20006000K)。(温度测量)(温度测量)河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2.3.4 热电阻传感器热电阻传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院产品产品2.3.4 热电阻传感器
15、热电阻传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院温控器温控器应用应用水温感应塞水温感应塞还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等2.3.4 热电阻传感器热电阻传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院第第2章章 常用传感器常用传感器2.4 磁敏传感器:磁信息磁敏传感器:磁信息电信息电信息 半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于电流和磁场的方向上会产生电势垂直于电流和磁场的方向上会产生电势(霍尔电势霍尔电势),这种现象称为霍尔效应。这种现象称为霍尔效应。2.4.1 霍尔式传感器:霍尔式传感器:霍尔效应霍尔效应
16、河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院霍尔式传感器由霍尔片、四根引线和壳体组成。霍尔式传感器由霍尔片、四根引线和壳体组成。2.4.1 霍尔式传感器霍尔式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2.4.1 霍尔式传感器霍尔式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院霍尔转角传感器霍尔转角传感器2.4.1 霍尔式传感器霍尔式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院霍尔电流传感器霍尔电流传感器 当电流流过导线时,将在导线周围产生磁场,当电流流过导线时,将在导线周围产生磁场,磁场大小与流过导线的电流成正比,磁场通过钳形磁场大小与流过导线的电流成正比,磁场通过钳形软磁铁心来聚集,然后用
17、霍尔元件进行检测。软磁铁心来聚集,然后用霍尔元件进行检测。2.4.1 霍尔式传感器霍尔式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 当金属表面有裂纹时,在裂纹处出现漏磁场,当金属表面有裂纹时,在裂纹处出现漏磁场,霍尔元件通过漏磁场将获得一个脉动电压信号。霍尔元件通过漏磁场将获得一个脉动电压信号。案例:案例:金属表面裂纹和钢丝绳断丝检测金属表面裂纹和钢丝绳断丝检测 NS2.4.1 霍尔式传感器霍尔式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院案例:案例:汽车速度测量汽车速度测量(r/min)2.4.1 霍尔式传感器霍尔式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2.4.2 磁敏电阻传感
18、器:磁敏电阻传感器:磁阻效应磁阻效应 当霍尔元件的长宽比小于当霍尔元件的长宽比小于1 1时,在外磁场作用时,在外磁场作用下霍尔电势难以建立,输入端电流方向会发生倾斜下霍尔电势难以建立,输入端电流方向会发生倾斜而导致电阻值增大,这种现象称为磁阻效应。而导致电阻值增大,这种现象称为磁阻效应。时时,当当当当时时,;2.4 磁敏传感器磁敏传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院磁阻电阻可用于位移测量、票证检伪、无触点开关。磁阻电阻可用于位移测量、票证检伪、无触点开关。当磁铁远离当磁铁远离InSb电阻,处于无磁场状态,电阻电阻,处于无磁场状态,电阻R0较小,晶体管截止,继电器较小,晶体管截止,继电
19、器K断电,处于开状态;断电,处于开状态;当磁铁接近当磁铁接近InSb电阻时,电阻变大,晶体管导电阻时,电阻变大,晶体管导通,继电器通,继电器K通电,处于关状态。通电,处于关状态。2.4.3 磁敏管磁敏管 磁敏二、三极管广磁敏二、三极管广泛用于磁场、转速、漏泛用于磁场、转速、漏磁探伤、无触点开关。磁探伤、无触点开关。2.4 磁敏传感器磁敏传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院 第第2章章 常用传感器常用传感器2.5 光敏传感器:光信息光敏传感器:光信息电信息电信息1.工作原理:工作原理:光电效应光电效应 (1)外光电效应)外光电效应 在光照作用下,物体内的电子从物体表面逸出在光照作用下,
20、物体内的电子从物体表面逸出的现象。光电器件有的现象。光电器件有光电管光电管和和光电倍增管光电倍增管。(2)内光电效应)内光电效应 在光照作用下,物体的导电性增加而电阻率在光照作用下,物体的导电性增加而电阻率下降的现象。光电器件有下降的现象。光电器件有光敏电阻光敏电阻和和光导管光导管。2.5.1 光电式传感器光电式传感器河南科技大学机电学院河南科技大学机电学院2.5.1 光电传感器光电传感器(3)光生伏特效应)光生伏特效应 在光照作用下,能使物体产生一定方向电动势在光照作用下,能使物体产生一定方向电动势的现象。光电器件有的现象。光电器件有光敏晶体管光敏晶体管和和光电池光电池。2.光电器件光电器件
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