w4第三章传感器1.ppt

传感器是将被测物理量（机械量）转化成与之相对应的，容易检测、传输、或处理的信号的装置。,国家标准GB7665-87对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用信号的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成”。,第三章 传感器,第一节 概述,一、组成,例：电容传声器,振膜,平板电容,直流极化电路,e,声波,例：压力传感器：,1、敏感元件 - 把机械量转化成电量。 2、一次敏感元件 - 把被测机械量转化成 敏感元件可接受的机械量。 3、辅助元件 - 多数为传力元件。 4、测量电路 - 将电路参数的变化转化为 电信号输出。,注 ：有些传感器没有一次敏感元件。 如： 光电池组成的测亮度传感器 热敏电阻组成的测温传感器,二、分类,1、按被测物理量分类,压力传感器 温度传感器 位移传感器,以测量目标为对象便于管理,注意：同一类型的传感器，内部转换原理可能不同：如压电式加速度传感器、应变式加速度传感器,按工作原理分类,2、按敏感元件类型：,3、按转换特性:,4、按是否需要能源：,电阻式、压电式、电感式、电容式等,物性型：,结构型：,能量控制型：,能量转换型：,利用敏感材料性质的变化，如：压电式、光电式、磁阻式,利用结构参数的变化，如：电感式、电容式、电阻式,能量由测量电路提供,不需辅助能源,第二节、传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,2 响应特性,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。,传感器选用原则,4 稳定性,稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。,传感器选用原则,第三节、电阻式传感器,将被测机械量转化成电阻的变化,一、变阻式：,角位移型：,非线性型：,用于满足输入、输出之间的某种函数关系,特点： 结构简单，性能稳定，使用方便。 电阻不随x连续变化。 分辨力低，噪声大。,场合： 用于大位移测量,测量电路：,测量电路,电阻分压电路,变阻器式传感器的性能参数,线性(或曲线的一致性); 分辨率; 整个电阻值的偏差; 移动或旋转角度范围; 电阻温度系数; 寿命;,应用案例,案例1： 重量的自动检测-配料设备,比较,原理 用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化,案例2：煤气包储量检测,原理 直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化,特点： （1）测量量程大； （2）防爆； （3）可靠； （4）成本低。,应用案例,案例3：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理 直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化,应用案例,4.3.1 电阻应变式传感器,敏感元件： 应变片,输入,输出,丝式,箔式,1、电阻应变效应：,把应变片用特制胶水（502）粘固在弹性元件或需要测量变形的物体表面上，在外力的作用下，电阻丝随同该物体一起发生变形，其电阻值发生相应变化。,设一根电阻丝，未受力时的原始电阻值：,当受到外力F作用，其电阻R的变化：,电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,2、金属电阻应变片：,工作原理：,结构：,丝式 箔式,金属应变片：应变效应为主，压阻效应很小,a丝式：,四个基本部分组成：,敏感栅（电阻丝） 基片 覆盖层 引出线,丝式,b箔式：,特点： 光刻技术，应变花； 横向效应小； 散热条件好； 疲劳寿命长； 生产率高。,箔式,优点:稳定性和温度特性好. 缺点:灵敏度系数小.,材料： 见表4-2。,3、半导体应变片：, 工作原理：“压阻效应”,单晶半导体材料在沿某一轴向受到外力作用时，其电阻率发生变化的现象。压阻效应为主，应变效应很小, 特点： （1）灵敏度高；机械滞后小，横向效应小； （2）温度稳定性差；灵敏度离散度大； 在较大应力作用下，非线性误差大等。,结构：,材料： 见表4-3P型硅单晶,应变片的主要参数,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用bL 表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,应变片应用,桥梁固有频率测量,原理 在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,电阻式传感器小结,变阻式 应变式 金属 半导体,第四节 电感式传感器,分类,将被测机械量转换成电感变化，其工作原理基于电磁感应这一物理现象,（一）可变磁阻式：,1、基本组成：,线圈 铁心 衔铁,一自感型：,2、工作原理：,3、极距变化型,3、极距变化型,特点：, 由于非线性关系，取较小的初始间隙0可获得 高的灵敏度；, 由于非线性，工作范围受限。只能对微小的位 移进行测量。,（/00.1 ,:0.001-1mm), 使用时先定0 ， 限制测量范围,4、面积变化型,a) 可变导磁面积型（同上）,b) 差动式：,5、可变磁组式传感器的典型结构,两个完全相同的单线圈电感传感器共用一个活动衔铁。（电气参数，几何尺寸均相同）,c） 单螺管型：,d）双螺管差动型：,（二）、涡电流型,涡流式传感器的变换原理，是利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应。如图所示，金属板置于一只线圈的附近，它们之间相互的间距为为，当线圈输入一交变电流 i时，便产生交变磁通量，金属板在此交变磁场中会产生感应电流 i1，这种电流在金属体内是闭合的，所以称之为“涡电流”或“涡流”。涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度h，金属板与线圈的距离，激励电流角频率等参数有关。若改变其中某一参数，而固定其他参数不变，就可根据涡流的变化测量该参数。,、涡流传感器原理,如上图所示，高频(lMHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，由于集肤效应，在金属板表面将形成涡电流。与此同时，该涡流产生的交变磁场又反作用于线圈，引起线圈自感L或阻抗ZL的变化，其变化与距离、金属板的电阻率、磁导率、激励电流i，及角频率等有关，若只改变距离而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化，通过测量电路转换为电压输出。高频反射式涡流传感器多用于位移测量。,涡流式传感器可分为高频反射式和低频透射式两种,2、高频反射式涡流传感器,线圈自感系数L变化，与以下因素有关：,距离 板厚 h 电阻率 导磁率 激励电流频率,初始安装间隙,铸铁、钢、铝、铜,涡流变换器,初始安装间隙,轴,铸铁、钢、铝、铜,低频透射式涡流传感器的工作原理如图所示，发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。由于低频磁场集肤效应小，渗透深，当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G,使线圈2产生感应电动势e2。但由于涡流消耗部分磁场能量，使感应电动势e2减少，当金属板材料G越厚时，损耗的能量越大，输出电动势e2越小。因此，e2的大小与G的厚度及材料的性质有关，试验表明，e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少,如图所示，因此，若金属板材料的性质一定，则利用e2的变化即可测量其厚度。,3、低频透射式涡流传感器,4、涡流传感器的应用 涡流式电感传感器主要用于位移、振动、转速、距离、厚度等参数测量，它可实现非线性测量，下图是涡流式传感器测厚和涡流式传感器用于零件计数的例子。,5、涡流传感器测量电路,、阻抗分压式调幅电路：,e,图3-17,、调频电路：,分类,将被测机械量转换成电感变化，其工作原理基于电磁感应这一物理现象,二、互感型-差动变压器式电感传感器,互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化。这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器。当变压器初级线圈输入稳定交流电压后，次级线圈便产生感应电压输出，该电压随被测量的变化而变化。,1、工作原理：,M-互感系数（H）,表示两线圈之间的耦合程度。 其大小与两线圈相对位置及 周围介质的导磁能力等因素 有关。,2 互感型-差动变压器,2、 基本结构,X,X,X,3、测量电路,1、极性的确定问题 差动变压器式传感器输出的电压是交流量，如用交流电压表指示，则输出值只能反应铁芯位移的大小，而不能反应移动的极性；,X,3、测量电路,2、残余电压地消除问题（调零） 交流电压输出存在一定的零点残余电压，是由于两个次级线圈的结构不对称、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等原因所形成。所以，即使活动衔铁位于中间位置时，输出也不为零,图示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理，当没有信号输入时，铁芯处于中间位置，调节电阻R，使零点残余电压减小； 当有信号输入时，铁芯移上或移下，其输出电压经交流放大、相敏检波(+-)、滤波后得到直流输出。由表头指示输入位移量的大小和方向。,4、差动变压器式传感器的特点,优点：测量精度高（0.1微米），线性范围大（+-100毫米），稳定性好，使用方便。 缺点：功耗相对较大，动态响应性能一般，通常只能用于接触测量。,5、应用: 厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度; 压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩, 应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.,案例：板的厚度测量,案例：张力测量,第五节 电容式传感器,一、工作原理：,将被测量的变化转换成电容的变化。,平行平板电容器：,上式表明，当被测量、A或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。,根据电容器参数变化的特性，电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种，其中极距变化型和面积变化型应用较广。,二、分类,（一）、极距变化型电容式传感器, 一般在小范围内测量 用于非接触式测量 差动连接 运放电路,运算放大器电路,输出,输入,总的灵敏度？,（二）、面积变化型电容式传感器,角位移型,线位移型,圆柱体线位移型,图3-23,角位移型,角位移型,线位移型,线位移型,圆柱体线位移型,圆柱体线位移型,输入输出呈线性。但与极距变化型相比，灵敏度较低，适于较大直线位移或角位移的测量。,面积变化型电容传感器的特点：,、液位测量。,、介质温度，湿度或厚度测量；,（三）、介质变化型,气体介质间的电容量,液体介质间的电容量,液位测量,(四) 电容式传感器的测量电路,将电容量转换成电量 (电压或电流)的电路称作电容式传感器的转换电路，它们的种类很多，目前较常采用的有电桥电路、谐振电路、调频电路及运算放大电路等,电桥电路图3-25,图所示为电容式传感器的电桥测量电路。电容传感器为电桥的一部分。通常采用电阻、电容或电感、电容组成交流电桥，该图所示为一种电感、电容组成的电桥。由电容变化转换为电桥的电压输出，经放大、相敏检波、滤波后，再推动显示、记录仪器,谐振式电路,图所示为谐振式电路的原理框图，电容传感器的电容C3作为谐振回路(L2、C2、C3)调谐电容的一部分。谐振回路通过电感藕合，从稳定的高频振荡器取得振荡电压。当传感器电容发生变化时，使得谐振回路的阻抗发生相应的变化，而这个变化被转换为电压或电流，再经过放大、检波即可得到相应的输出。,为了获得较好的线性关系，一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内，最大振幅70%附近的地方，且工作范围选在BC段内。,电容式传感器的应用,案例：电容传声器,案例:液面高度测量,第六节 压电式传感器,压电式传感器是一种可逆型换能器，它既可以将机械能转换为电能，又可以将电能转化为机械能。它的工作原理是基于某些物质的压电效应。,一压电效应： a. 概念,某些晶体元件，在外力作用下不仅几何尺寸发生变化，而且内部极化，表面出现电荷，形成电场。外力消去，电荷也随之消失，尺寸恢复，这种现象叫做压电效应。 相反，如果将这些物质 (物体)置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质 (物体）产生机械变形的现象，称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。,b. 晶体的各向异性与压电效应模型：,电荷发生器:,Q=DF (D压电常数；F 外力）从理论上讲，如果外力保持不变，无电荷泄漏，可以测静力。但是，由于测量对信号源吸取能量，且不可避免的存在泄漏，因此适合动态测量。,二压电材料：,三压电式传感器及其等效电路,在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，构成两个电极。当压电晶片受到压力F的作用时，分别在两个极板上积聚数量相等而极性相反的电荷，形成电场。因此，压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也可以看成是一个电容器。,等效电路：,等效电荷源,等效电压源,Ra 泄漏电阻,泄漏电阻,一阶高通环节,不失真的条件？,能实现不失真传输,可见压电元件具有优良的高频特性，低频特性不好。为了改善其低频特性（降低下限截止频率），需有较大的R0或C，而R0Ri，即压电元件需后接高输入阻抗的运算放大器。,即压电元件需后接高输入阻抗的运算放大器。,并联,电容量大，电荷量大，时间常数大，动态响应差，适合于慢变 信号的测量。以电荷量输出的场合。,四、压电晶体片的连接方式,串联,电容量小，电压大，时间常数小，动态响应好，适合于快变信号的测量。以电压作为输出的场合。,五、压电传感器的测量电路,压电传感器对测