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传感器技术及应用--信息与机电工程系.pptx
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1、一、传感器的作用因为一般的仪器、仪表要求输入的信号必须为电信号,计算机及各种电子设备只能处理电信号,而表征物质特性或其运动形式的参数中有很多都是非电量,如大家在自然界经常接触到的温度、压力、距离、流量、重量、速度、加速度、浓度、酸碱度、湿度、光、磁场等。上述的非电量需要转换成与非电量有一定关系的电量,再运用电子设备和仪器测量,实现这种转换技术的器件就是传感器。二、传感技术的特点1.用传感技术进行检测时,响应速度快,精确度高,灵敏度高;2.能在特殊环境下连续进行检测,便于自动记录能在人类无法存在的高温、高压、恶劣环境中,和对人类五官不能感觉到的信息(如超声波、红外线等),进行连续检测,记录变化的
2、数据。3.可与计算机相连,进行数据的自动运算、分析和处理传感器将非电物理量转换成电信号后,通过接口电路变成计算机能够处理的信号,进行自动运算、分析和处理。4.品种繁多,应用广泛现代信息系统中待测的信息量很多,一种待测信息可由几种传感器来测量,一种传感器也可测量多种信息,因此传感器种类繁多,应用广泛,从航空、航天、兵器、交通、机械、电子、冶炼、轻工、化工、煤炭、石油、环保、医疗、生物工程等领域,到农、林、牧、副、渔业,以及人们的衣、食、住、行等生活的方方面面,几乎无处不使用传感器,无处不需要传感器。三、传感器的发展趋势1新材料的开发、应用如:半导体材料、功能陶瓷材料、功能金属、功能有机聚合物、非
3、晶态材料、固体材料及薄膜材料等,都可进一步提高传感器的产品质量,降低生产成本。2新工艺、新技术的应用将半导体的精密细微加工技术应用在传感器的制造中,可极大提高传感器的性能指标,并为传感器的集成化、超小型化提供技术支撑。借助半导体的蒸镀技术、扩散技术、光刻技术、静电封闭技术、全固态封接技术,也可取得类似的功效。3向小型化、集成化方向发展由于航空技术的发展,以及医疗器件和一些特殊场合的需要,传感器必须向小型化、微型化方向发展,以便减小体积和质量。4传感器的智能化将传统的传感器和微处器及相关电路组成一体化的结构就是智能传感器。因为它本身带有微型计算机,具有自动校准、自动补偿、自动诊断、数据处理、远距
4、离双向通信、信息存储记忆和数字信号输出等功能。5传感器的网络化将传感器和计算机与网络技术有机结合,使传感器成为网络中的智能节点。这种努力使多个传感器组成网络直接通信,实现数据的实施发布、共享,以及网络控制器对节点的控制操作。另外,通过Internet网,传感器与用户之间可异地交换信息,厂商能直接与异地用户交流,能及时完成传感器故障诊断,指导用户维修或交换新仪器改进的数据,软件升级等工作。另外,在微机电技术、自组织网络技术、低功耗射频通信技术及低功耗微型计算机技术的共同促进下,传感器朝微型化和网络化的方向迅速发展,产生了无线传感器网络。四、传感器需求与开发的重点方向1工业过程控制与汽车传感器2环
5、保传感器3医疗卫生与食品监测传感器4微小型传感器及MEMS(微电子机械系统)5生物、医学研究急需要的新型传感器6生态农业传感器五、传感器的定义与组成传感器的定义是:能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。通常由对被测量敏感的元件和转换元件组成,其中敏感元件是指传感器中能直接感受或响应被测量的部分,如应变式压力传感器中的弹性膜片,就是敏感元件;转换元件是指传感器中能将敏感元件感受或响应到的被测量转换成适于传输或测量的电信号(电压、电流)部分,如电阻应变片就是转换元件。根据以上定义可画出传感器的组成框图,如图1-1所示。图1-1传感器组成框图六、传感器的分类与特点传感器常
6、用的分类方法有两种,一种是按被测输入量划分,另一种是按传感器的工作原理划分。1按被测物理量划分这一种方法是根据被测量的性质进行分类,如被测量分别为温度、湿度、压力、位移、流量、加速度、光,则对应的传感器分别为温度传感器、湿度传感器,压力传感器、位移传感器、流量传感器、加速度传感器、光电传感器。2按传感器工作原理划分这一种分类方法是以工作原理来划分,将物理、化学、生物等学科的原理、规律和效应作为分类的依据,据此可将传感器分为电阻式、电感式、电容式、阻抗式、磁电式、热电式、压电式、光电式、超声式、微波式等类别。这种分类方法有利于传感器的专业工作者从原理与设计上作归纳性的分析研究。七、传感器的基本特
7、性传感器的基本特性一般是指传感器的输出与输入之间的关系,有静态和动态之分。通常是以建立数学模型来体现的,为了简化传感器的静、动态特性,可以分开来研究。1传感器的静态特性静态特性是指在静态信号作用下,传感器输出与输入量间的一种函数关系,其静态特性可表示为y=a0+a1x+a2x2+anxn(1-1)常用的静态性能指标包括灵敏度、精确度、测量范围、量程、线性度及误差等。(1)灵敏度传感器的灵敏度K是指达到稳定状态时,输出增量与输入增量的比值(1-3)线性传感器的灵敏度就是其静态特性的斜率,而非线性传感器的灵敏度则是其静态特性曲线某点处切线的斜率。(2)线性度线性度是传感器输出量与输入量之间的实际关
8、系曲线偏离直线的程度,又称非线性误差,如图1-2所示,即为在垂直方向上最大偏差|ymax|与最大输出ymax的百分比,图中a0称为零位输出,即被测量为零时传感器的指示值。(1-4)图1-2传感器的线性度误差图1-3传感器的重复性(3)重复性重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变动时所得到的特性曲线的不一致程度,如图1-3所示,用公式表示为(1-5)式中,mmax取m1、m2中最大的计算,ymax为满量程输出值。传感器输出特性的不重复性主要是由传感器的机械部分的磨损、间隙、松动、部件内摩擦、积尘、电路元件老化、工作点漂移等原因产生的。(4)迟滞现象迟滞现象是传感器在正向行程(输入量
9、增大)和反向行程(输入量减小)期间输出输入曲线不重合的程度,如图1-4所示。图1-4 传感器的迟滞现象(1-6)(1-7)迟滞现象反映了传感器机械结构和制造工艺上的缺陷,如轴承摩擦、间隙、螺钉松动、元件腐蚀等。(5)精确度传感器的精确度是指传感器的输出指示值与被测量约定真值的一致程度,反映了传感器测量结果的可靠程度。在工程应用中,为了简单表示测量结果的可靠性程度,引入精确度这个等级概念,用A表示,它表示允许的最大绝对误差与满度量程的比值的百分数,即(1-8)式中A传感器精确度;A测量范围内允许的最大绝对误差;ymax满度量程输出值。常用的档次为0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、4
10、.0、5.0。例如,0.5级的仪表表示其允许的最大使用误差为0.5%。(6)分辨力传感器的分辨力是在规定测量范围内所能检测的输入量的最小变化量的能力。通常是以最小量程单位值表示。当被测量的变化值小于分辨力时,传感器对输入量的变化无任何反应。(7)稳定性传感器的稳定性是指在室温条件下经过一定的时间间隔,传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异。通常有长期稳定性(如年、月、日)和短期稳定性(如时、分、秒)之分,传感器的稳定性常用长期稳定性表示。(8)漂移传感器的漂移是指在外界的干扰下,输出量发生与输入量无关的不需要的变化。漂移包括零点漂移和灵敏度漂移等。零点漂移和灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂
11、移。时间漂移是指在规定的条件下,零点或灵敏度随时间的缓慢变化;温度漂移为环境温度变化而引起的零点或灵敏度的变化。2传感器的动态特性传感器的动态特性是指传感器在测量快速变化的输入信号情况下,输出对输入的响应特性。传感器测量静态信号时,由于被测量不随时间变化,测量和记录的过程不受时间限制。但是在工程实践中,检测的是大量随时间变化的动态信号,这就要求传感器不仅能精确地测量信号的幅值大小,而且还能显示被测量随时间变化的规律,即正确的再现被测量波形。传感器测量动态信号的能力用动态特性来表示。在动态测量中,当被测量作周期性变化时,传感器的输出值随着周期性变化,其频率与前者相同,但输出幅值和相位随频率的变化
12、而变化,这种关系称为频率特性。输出信号的幅值随频率变化而改变的特性称为幅频特性;输出信号的相位随频率的变化而改变的特性称为相频特性,幅值下降到稳定幅值的0.707倍时所对应的频率称为截止频率。习题:1、2模块二力敏传感器及其应用课题一力敏传感器的工作原理与分类任务目标掌握电阻应变式力敏传感器的工作原理;掌握电感应变式力敏传感器的工作原理;了解电阻应变式和电感应变式力敏传感器之间的区别。一、力敏传感器概述力敏传感器,顾名思义就是能对各种力或能转化为力的物理量产生反应,并能将其转变为电参数的装置或元件。很显然,要成为真正实用意义上的力敏传感器,这个由力转化为电参数的过程最好能成线性关系。根据由力至
13、电参数转变的方式不同,力敏传感器一般有电阻应变式传感器、电位计式传感器、电感式传感器、压电式传感器、电容式传感器等,它们也可用来测量力值。二、电阻应变式传感器电阻应变式传感器是目前工程测力传感器中应用最普遍的一种传感器,它测量精度高,范围广,频率响应特性较好,结构简单,尺寸小,易实现小型化,并能在高温、强磁场等恶劣环境下使用,并且工艺性好,价格低廉。它主要应用在力作用下,将材料应变转变为电阻值的变化,从而实现力值的测量。组成电阻应变片的材料一般为金属或半导体材料。1电阻应变式传感器工作原理(1)应变效应由物理学可知,电阻丝的电阻R与电阻丝的电阻率、导体长度及截面积存在如下关系(2-1)图2-1
14、电阻丝应变效应(2)电阻应变式传感器的结构及特性金属电阻应变片分为金属丝式和金属箔式两种。金属丝式电阻应变片。金属丝式电阻应变片的基本结构图如图2-2所示。由敏感栅1、基底2和盖层3、引线4和黏结剂几个基本部分组成。图2-2金属丝式电阻应变片的基本结构图金属箔式应变片。如图2-3所示,它与金属丝式电阻应变片相比,有如下优点:用光刻技术能制成各种复杂形状的敏感栅;横向效应小;散热性好,允许通过较大电流,可提高相匹配的电桥电压,从而提高输出灵敏度;疲劳寿命长,蠕变小;生产效率高。但是,制造箔式应变片的电阻值的分散性要比丝式应变片的大,有的能相差几十欧姆,需要调整阻值。金属箔式应变片因其一系列优点而
15、将逐渐取代丝式应变片,并占主要地位。(a)箔式单向应变片(b)箔式转矩应变片(c)箔式压力应变片(d)箔式花状应变片图2-3各种箔式应变片2电阻应变片传感器基本应用电路将电阻应变片粘贴于待测构件上,应变片电阻将随构件应变而改变,将应变片电阻接入相应的电路中,使其转化为电流或电压输出,即可测出力值。通常将应变片接入电桥来实现电阻至电压或电流的转换。根据电桥电源不同,又分直流电桥和交流电桥。这里主要介绍直流电桥。图2-4所示为一直流电桥,计算可知图2-4 直流电桥(2-2)若使此电桥平衡,即,只要。一般我们取即可实现。现将换成电阻应变片,即组成半桥单臂电桥,随构件产生应变造成传感器电阻变化时,式(
16、2-2)变成(2-3)一般,可忽略,由此可得可见,输出电压与电阻变化率成线性关系,也即和应变成线性关系,由此即可测出力值,由式(2-3)可得半桥单臂工作输出的电压灵敏度(2-4)为了提高输出电压灵敏度,可以采用半桥双臂或全桥电路,如图2-5所示。图2-5(a)为半桥双臂,图2-5(b)为全桥电路。(a)半桥双臂(b)全桥电路图2-5直流电桥的连接方式对于半桥双臂(2-5)全桥(2-6)即半桥双臂可使电压灵敏度比半桥单臂提高一倍,而全桥电路电压灵敏度又比半桥双臂电压灵敏度提高一倍。可见,利用全桥,并提高供电电压E,可提高灵敏度系数。3.温度误差及其补偿用作测量应变的金属应变片,希望其阻值仅随应变
17、变化,而不受其它因素的影响。实际上应变片的阻值受环境温度(包括被测试件的温度)影响很大。由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级,从而产生很大的测量误差,称为应变片的温度误差,又称热输出。因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素:u应变片的电阻丝(敏感栅)具有一定温度系数;u电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同。(1)温度误差(2)温度补偿一般采用桥路补偿法、应变片补偿法或热敏电阻补偿法。所谓桥路补偿法,如图2-4所示,当ab间接入应变片传感器,bc间也接入同样的应变片,但bc间接入的应变片不受构件应变力的作用,将它用同样的方法粘贴在与ab间应变片所贴构件材
18、料相同的材料上,并与ab间应变片处于同一温度场中,这样ab、bc间应变片的阻温效应相同,电阻的变化量也相同,由电桥理论可知,它们起了互相抵消作用,对输出电压没有影响。应变片补偿法分自补偿和互补偿两种。自补偿法的原理是合理选择应变片阻温系数及线膨胀系数,使之与被测构件线膨胀系数匹配,使应变片温度变化时,由热造成的输出值为0。应变片互补偿法的原理是检测用的应变片敏感栅由两种材料组成,在温度变化时,它们的阻值变化量相同,但符号相反,这样就可抵消由于温度变化而造成传感器误输出。使用中要注意选配敏感栅电阻丝材料。热敏电阻补偿法如图2-6所示,图中R5为分流电阻,Rt为NTC热敏电阻,使Rt与应变式传感器
19、处在同一温度场中,适当调整R5值,可使与Uab的乘积不变,热输出为零。图2-6热敏电阻补偿法电阻应变式传感器广泛应用在测力及可以转化为力值的量(如加速度等)。图2-8应变式加速度传感器原理图加速度传感器就是将被测加速度通过一个悬臂梁将力转化成应变片的应力,从而达到测量加速度的目的。三、电感式传感器1工作原理电感式传感器是利用线圈自感或互感的变化来实现测量的一种装置,可以用来测量位移、振动、压力、流量、重量、力矩和应变等多种物理量。电感式传感器的核心部分是可变自感或可变互感,在被测量转换成线圈自感或互感的变化时,一般要利用磁场作为媒介或利用铁磁体的某些现象。这类传感器的主要特征是具有绕组。2优点
20、和缺点(1)优点结构简单可靠,输出功率大,抗干扰能力强,对工作环境要求不高,分辨力较高(如在测量长度时一般可达0.1mm),示值误差一般为示值范围的0.1%0.5%,稳定性好。(2)缺点频率响应低,不宜用于快速动态测量。一般来说,电感式传感器的分辨力和示值误差与示值范围有关。示值范围大时,分辨力和示值精度将相应降低。3种类电感式传感器种类很多,有利用自感原理的自感式传感器(通常称电感式传感器),有利用互感原理的差动变压器式传感器。此外,还有利用涡流原理的涡流式传感器,利用压磁原理的压磁式传感器和利用互感原理的感应同步器等。下面简单介绍其中一种较为常见的传感器:变压器式传感器。变压器式传感器工作
21、原理:变压器式传感器是将非电量转换为线圈间互感的一种磁电动机构,很像变压器的工作原理,因此常称其为变压器式传感器。这种传感器多采用差动形式。图2-9气隙型差动变压器式传感器当没有非电量输入时,衔铁C与铁心A、B的间隔相同,则绕组W1a和W2a间的互感ma与绕组W1b和W2b间的互感mb相等。当衔铁的位置改变时,则ma不等于mb,ma和mb的差值即可反映被测量值的大小。为反映差值互感,将两个一次绕组的同名端顺向串联,并施加交流电压u,二次绕组的同名端反向串联,同时测量串联后的合成电动势e2为:e2=e2a-e2b(e2值的大小取决于被测位移的大小,e2的方向取决于位移的方向。)图2-10截面积型
22、差动变压器式传感器图2-10所示为改变气隙有效截面积型差动变压器式传感器,输入非电量为角位移。它是一个山字形铁芯A上绕有三个绕组,衔铁B以O点为轴转动,衔铁B转动时由于改变了铁芯与衔铁间磁路上的垂直有效截面积s,也就改变了绕组间的互感,使其中一个互感增大,另一个互感减小,因此两个二次绕组中的感应电动势也随之改变。将绕组w2a和w2b反相串联并测量合成电动势e2,就可以判断出非电量的大小及方向。一般来说,较小位移量的测量采用差动变压器,图2-11列出其应用实例。图2-11(a)为测物体重量的电子秤,用差动变压器把弹簧的位移变为电信号,换算为重量即可;图2-11(b)为偏心测量仪,以起始点作为基准
23、,用正负量来显示转体的偏心程度。(a)电子秤(b)偏心测量仪图2-11差动变压器应用实例为了测量列车运行的速度和加速度的大小,可采用如图所示的装置,它是由一块安装在列车头底部的强磁体和埋设在轨道地面的一组线圈及电流测量仪组成的(测量仪未画出)。当列车经过线圈上方时,线圈中产生的电流被记录下来,就能求出列车在各位置的速度和加速度。SOB阶段小结阶段小结力敏传感器是将动态或静态力的大小转换成便于测量的电量的装置。本模块介绍了电阻应变式传感器,其将外力转化成电阻值的变化,再利用电桥电路检测出电阻值的变化值,从而得出对应的力变化量。还讲述了电感式传感器,其将外力引起的微小位移量转化成电感参数的变化,从
24、而得出相应力的变化量。如位移量很小,可采用差动变压器来放大信号的方式,以提高传感器的灵敏度。课题二压电传感器的转换原理任务目标掌握压电式力敏传感器的工作原理;掌握电容应变式力敏传感器的工作原理;了解压电应变式和电感应变式力敏传感器之间的区别。压电传感器是利用某些半导体材料的压电效应来实现由力至电量的转化,属于有源传感器类。由于其灵敏系数高,信噪比高,使用频带宽,体积小,方便耐用等优点已广泛应用在工业、军事及民用等方面。压电传感器材料一般有三类:压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。一、压电传感器1压电转换元件的工作原理(1)压电效应某些晶体或有机薄膜,当沿着一定方向受到外力作用时,内部极化,某两个
25、面产生符号相反的电荷,当外力去掉后,又恢复到不带电状态,当作用力方向改变时,电荷的极性也改变,晶体受力所产生的电量与外力的大小成正比,即式中,是压电常数,它反映了压电效应的强弱。上述现象称正压电效应。反之,如对晶体施加一交变电场,晶体本身将产生变形,此称电致伸缩现象,也称逆压电效应,如图2-14所示。(2-9)(a)材料受压(b)材料受拉(c)材料受压(d)材料受拉图2-14压电效应(2)压电传感器材料及特性常用压电传感器的材料一般有压电单晶、压电陶瓷和有机压电薄膜。石英单晶分人工石英和天然石英。它们是单晶中使用频率最高的一种传感器。其特点是介电和压电常数的温度稳定性好,如图2-15所示。适用
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