常用传感器与敏感元件演示幻灯片.ppt

常用传感器与敏感元件将被测量转换为与之对应的，易检测、易传输或易处理信号的装置，称为传感器。直接受被测量作用的元件称为传感器的敏感元件。按传感器工作原理的不同分：按输出信号类型分：需要指出的是，不同情况下，传感器可能只有一个，也可能有几个换能元件，也可能是一个小型装置。例如，电容式位移传感器是位移-电容变化的能量控制型传感器，可以直接测量位移。而电容式压力传感器，则经过压力-膜片弹性变形(位移)-电容变化的转换过程。此时膜片是一个由机械量-机械量的换能件，由它实现第一次变换；同时它又与另一极板构成电容器，用来完成第二次转换。再如电容型伺服式加速度计（也称力反馈式加速度计），实际上是一个具有闭环回路的小型测量系统。这种传感器较一般开环式传感器具有更高的精确度和稳定性。表3-1汇总了机械工程中常用传感器的基本类型及其名称、被测量、性能指标等。第二节机械式传感器及仪器a）测力计b）压力计c）温度计a）测力计b）压力计c）温度计1—工件2—电磁铁3—导槽4—簧片开关5—电极6—惰性气体7—簧片第三节电阻、电容与电感式传感器变阻器式传感器通过改变电位器触头位置，实现将位移转换为电阻的变化。其表达式为▲非线性型应用：用于线位移、角位移测量，在测量仪器中用于伺服记录仪器或电子电位差计等。金属箔式应变片——是由电阻丝几何尺寸改变所引起的，对于同一种材料，项是常数。一般市售电阻应变片的标准阻值有60Ω、120Ω、350Ω、600Ω和1000Ω等。其中以120Ω最为常用。应变片的尺寸可根据使用要求来选定。工作原理:是基于半导体材料的压阻效应。优点：灵敏度高，机械滞后小、横向效应小、体积小等特点。固态压阻式传感器是以单晶硅为基底材料，按一定晶向将P型杂质扩散到N型硅底层上，形成一层极薄的导电P型层。此P型层就相当于半导体应变片中的电阻条，连接引线后就构成了扩散型半导体应变片。由于基底(硅片)与敏感元件(导电层)互相渗透，结合紧密，所以基本上为一体。在生产时可以根据传感器结构形成制成各种形状，如圆形杯或长方形梁等。这时基底就是弹性元件，导电层就是敏感元件。当有机械力作用时，硅片产生应变，使导电层发生电阻变化。一般这种元件做成按一定晶向扩散、四个电阻组成的全桥形式，在外力作用下，电桥产生相应的不平衡输出。21二、电容式传感器a）极距变化b）输出特性为了提高传感器的灵敏度、线性度以及克服某些外界条件(如电源电压、环境温度等)的变化对测量精确度的影响，常常采用差动式。a）角位移型b）平面线位移型c）柱体线位移型1—动板2—定板圆柱体线位移型a）介质厚度、温度、湿度计b）介质液位计（1）电桥型电路（3）谐振电路三、电感式传感器a）可变导磁面积型b）差动型c）单螺管线圈型d）双螺管线圈差动型a）电桥电路b）输出特性（2）涡流式等效电路分析由上式可看出：由于涡流效应的作用，线圈的阻抗由变成了，比较Z0与Z可知：电涡流影响的结果使等效阻抗Z的实部增大，虚部减小。即等效品质因数Q值减小了，即涡电流会消耗电能，在导体中产生热量。涡流式传感器的测量电路分压式调幅电路及调频电路。传感器线圈和电容组成并联谐振回路，其谐振频率为37▲调频电路应用：电涡流传感器通常可用来测量：①位移、振幅；②转速；③表面裂纹、厚度；④材料分选、表面不平度等，还可以进行零件计数。a）径向振摆测量b）轴心轨迹测量c）转速测量d）穿透式测厚e）零件计数器f）表面裂纹测量2．互感型——差动变压器式电感传感器传感器开路输出电压为两次级线圈感应电动势之差优点：精确度高（最高分辨力可达0．1µm）、线性范围大（可扩展到±100mm）、稳定性好和使用方便。第四节磁电、压电与热电式传感器a）线速度型b）角速度型测量电路2．磁阻式二、压电式传感器2．压电材料石英晶体切片●当石英晶体切片受X向压力时，所产生的电荷量与作用力成正比，而与切片的几何尺寸无关。●当沿着Y轴方向施加压力时，则仍在与X轴垂直的平面上产生电荷，产生的电荷量与切片的几何尺寸有关，且电荷的极性与沿电轴X方向施加压力时产生的电荷极性相反。●当沿着Z轴方向施加压力时，由于晶体沿X轴和Y轴方向产生同样的变形，石英晶体不会产生压电效应，即d13=0。压电陶瓷由许多铁电体的微晶组成，微晶再细分为电畴，因而压电陶瓷是许多畴形成的多畴晶体。当加上机械应力时，它的每一个电畴的自发极化会产生变化，但由于电畴的无规则排列，因而在总体上不现电性，没有压电效应。为了获得材料形变与电场呈线性关系的压电效应，在一定温度下对其进行极化处理，即利用强电场(1～4kV／mm)使其电畴规则排列，呈现压电性。极化电场去除后，电畴取向保持不变，在常温下可呈压电性。压电陶瓷的压电常数比单晶体高得多，一般比石英高数百倍。现在的压电元件大多数采用压电陶瓷。如锆钛酸铅(PZT)系列压电陶瓷。高分