第3章 安全检测常用传感器.docx

第三章 安全检测常用传感器
1. 传感器的分类 温度传感器
　 物理量传感器 压力传感器
按输入量（被测对象）分类 化学量传感器 位移传感器
生物量传感器
从传感器的转换原理来说：结构型、 物性型
按转换元件的能量转换方式：有源型（能量转换型）和无源型（能量控制型或参数型）
按输出信号的形式传感器可分为：开关式、模拟式和数字式
按输入、 输出特性传感器可分为：线性和非线性
2. 结构型传感器：电阻式传感器、电容式传感器、电感式传感器、磁电式传感器
2.1电阻应变式传感器：利用电阻应变片将应变转换为电阻的变化，从而实现电测非电量的传感器（原理基于电阻应变效应）
2.1.1 电阻应变效应：电阻材料的电阻值随机械变化的物理现象
2.1.2 压阻效应：电阻材料受到载荷作用产生应力时、其电阻率发生变化的物理现象
2.1.3 金属材料的电阻率相对变化正比于体积的相对变化
2.1.4 金属材料的应变电阻效应：金属材料的电阻相对变化与其线应变ε成正比
2.1.5 应变灵敏度系数：Ks=(1+2μ)+pE
2.1.6 应变片测量应变的基本原理：外力作用而引起的轴向应变，将导致电阻丝的电阻成比例地变化，通过转换电路可将这种电阻变化转换为电信号输出
2.1.7 电阻应变计：把应变丝制成栅状的应变敏感元件
2.1.8 电阻应变片(简称应变片）由敏感栅、基底、覆盖层、引线和粘合剂构成
2.1.9按加工方法,可以将应变片分为以下四种：丝式应变片、箔式应变片、半导体应变片、薄膜应变片
按敏感栅的材料,可将应变计分为金属应变计和半导体应变计两大类
2.1.10电阻应变片静态特性：灵敏度系数、机械滞后、蠕变、应变极限
2.1.10.1横向效应：将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变状态不同，应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，其灵敏系数降低了的现象
2.1.10.2应变计的零漂：粘贴在试件上的应变计，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性
2.1.10.3应变计的蠕变：如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，应变计电阻值随时间而变化的特性
2.1.10.4应变极限：在恒温条件下，使非线性误差达到10%时的真实应变值
2.1.11应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测试件之间的电阻值。通常要求为50~100MΩ以上
2.1.12最大工作电流：不影响应变片工作特性的最大电流
2.1.12.1工作电流大，输出信号就大，灵敏度也就高
2.1.13应变片的温度效应（也称温度误差）：由温度变化引起应变计输出变化的现象
2.1.13.1电阻应变片的温度补偿：应变片自补偿、法桥路补偿法、热敏电阻补偿法
2.1.14电桥平衡条件。根据此条件可分为以下三种情况：（1）对输出端对称 （2）对电源端对称（3）全等臂电桥结构
2.1.15差动全桥的灵敏度是单臂电桥的4倍，是双臂差动电桥的2倍
2.2 电容式传感器：将被测非电量转换为电容变化的装置
2.2.1电容式传感器可以有三种基本类型，即变极距(或称变间隙）型、变面积型和变介电常数型。它们的电极形状有平板形、圆柱形和球平面形三种。
2.2.1.1为了提高灵敏度，减小非线性误差，往往采用差动式结构。
2.2.2温度影响：温度对结构尺寸的影响、温度对介质的影响
2.2.3调频测量电路：是把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分，当输入量导致电容量发生变化时，振荡器的振荡频率就发生变化
2.3 电感式传感器：自感式传感器、互感传感器、电涡流式传感器
2.3.1 自感式传感器 工作原理与输出特性：线圈电感L与气隙面积S是成正比的，而变气隙长度传感器中电感L和气隙长度d成反比
2.3.2互感传感器：把被测的非电量转变为线圈间互感系数变化的传感器（根据变压器的基本原理制成）
2.3.2.1 差动变压器 为了既能辨别衔铁移动方向和大小，又能消除零点残余电压，实际测量时，常常采用差动相敏检波电路和差动整流电路。
2.3.3电涡流式传感器：金属导体置于变化着的磁场中，导体内就会产生感应电流（电涡流密度主要分布在表面附近）
2.3.3.1涡流传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等物理参数的测量，涡流探伤。测量范围大、灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强，而且可以实现非接触测量
3. 物性型传感器 ： 压阻式传感器、压电式传感器、光电式传感器、霍尔传感器
31.1压阻式传感器有两种类型，一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式的应变片（结构型），这另一种是在半导体的基片上用集成电路工艺制成扩散型压敏电阻，用它作为传感元件制成的传感器，称固态压阻式传感器，也叫扩散型压阻式传感器（物性型）
3.1.1.1晶向的表示方法有两种，一种是截距法，另一种是法线法
3.1.2压阻式传感器的基本类型：压阻式压力传感器、压阻式加速度传感器
3.1.3由于半导体材料对温度比较敏感，压阻式传感器的电阻值及灵敏度系数随温度变化而改变，将引起零点温度漂移和灵敏度漂移，
3.1.4 温度补偿方法：零点温度补偿、灵敏度温度补偿
3.1.5 （正压电效应：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象
3.1.6 逆向压电效应：是指当某晶体沿一定方向受到电场作用时，相应地在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力，又称电致伸缩效应
3.1.7沿电轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应
3.1.8把沿机械轴方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”
3.1.9 常见压电材料：压电晶体、多晶压电陶瓷、新型压电材料
3.1.10作为压电材料的条件：转换性能（高）、机械性能（高）、电性能（具有高的电阻率和大的）、温度和湿度稳定性要好、时间稳定性
3.1.11压电式传感器的测量电路
电压放大器：其输出电压与输入电压(压电元件的输出电压)成正比。
电荷放大器：其输出电压与输入电荷成正比。
3.1.12 电压放大器的作用是将压电式传感器的高输出阻抗经放大器变换为低阻抗输出，并将微弱的电压信号进行适当放大．因此也把这种测量电路称为阻抗变换器。

3..1.13 影响压电式传感器性能的主要因素：
横向灵敏度（压电加速度传感器的横向灵敏度是指当加速度传感器感受到与其主轴向(轴向灵敏度方向)垂直的单位加速度振动时的灵敏度，一般用它与主轴向灵敏度的百分比来表示）
环境温度和湿度的影响
安装差异及基座应变
噪声
3.2 光电式传感器：将光信号的变化转换为电信号的一种传感器件，其工作的物理基础是光电效应
3.2.1 光电效应：因为吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量而产生的电效应
外光电效应：在光的照射下，使电子逸出物体表面而产生光电子发射的现象
内光电效应（光电导效应）：在光线作用下，物体的导电性能发生变化，引起电阻率或电导改变的现象
光生伏特效应（阻挡层光电效应）：在光线作用下，物体产生一定方向的电动势的现象
3.2.1.1 把PN结的两端通过外导线短接，形成流过外电路的电流，也称为光电池的短路输出电流
3.2.2 光电器件的特性：
光照特性
伏安特性：是指光照一定时，这些光电元件的 端电压U与电流I之间的关系
光谱特性
频率特性
温度特性
光电流：光敏元件两端加上一定偏置电压，在某种光源的特定照度下产生或增加的电流
暗电流：光敏元件在无光照射下，两端加电压后产生的电流
3.2.3 光电传感器按其接收状态可分为
模拟光电传感器
开关式光电传感器：利用光电元件受光照或无光照时“有/无”电信号输出的特性，将被测量转换成断续变化的开关信号
3.2.4 其他光电检测器：电荷耦合器件(CCD)是典型的固体图象传感器——应用：图像传输、 尺寸自动检测、 缺陷检测
3.3 霍尔效应：在通有电流的金属板上加一匀强磁场，当电流方向与磁场方向垂直时，在与电流和磁场都垂直的金属板的两表面间出现电势差的现象
3.3.1 产生霍尔效应原因是根据电磁感应定律，电子在磁场中以速度v运动时，受到洛伦兹力fL； fL与电子的电菏量e、运动速度v及磁场强度B成正比； fL=evB；随着感应电动势EH的增加， fE不断增加，最终fL与fE半达到某一平衡值，即： fL +fE =0
3.3.2 霍尔元件材料 ：锗(Ge)，N型及P型均可、硅(Si)．N型及P型均可、砷化铟(InAs)和锑化铟(InSb)
3.3.3 霍尔元件材料为什么必须用薄片？因为EH=IB/end
3.3.4 霍尔元件的主要技术指标：最大磁感应强度BM、额定激励电流IH、输入电阻Ri、输出电阻RL、不等位电势E0、寄生直流电势V0、热阻RQ
3.3.5 霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类：线性型集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上，输出电压为伏级，比直接使用霍尔元件方便得多；开关型霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集电极开路输出门）等电路做在同一个芯片上
35.6 霍尔传感器优点：磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、 输出电压变化大和使用寿命长等优点
3.5.7 霍尔传感器的应用：可测量压力、质量、液位、流速、流量
3.6 传感器的选用原则：
灵敏度：传感器的响应特性是指，在所测频率范围内，保持不失真的测量条件
响应特性：在线性范围内，传感器的输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。为了保证测量的精确度，传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件 ；机械式传感器中的测力弹性元件，其材料的弹性极限是决定测力量程的基本因素，当超出测力元件允许的弹性范围时，将产生非线性误差
线性范围
稳定性
精确度：传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度
测量方式：例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量