第6章传感器原理与测量电路1.ppt

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1、第六章 传感器,2,主要内容,3,1.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路,本章学习要求,4,正在给主人敬送饮料的机器人,6.1 概 述,传感器技术信息采集“感官”通信技术信息传输“神经”计算机技术信息处理“大脑”,5,传感器按感官的归类,6.1 概 述,6,传感器是将被测量转换成为与之有确定对应关系的、容易测量、传输或处理的另一种形式的量（大多为电量）的装置。,6.1 概 述,传感器定义,物理量,电量,传感器,电压、电流、频率、脉冲等,尺寸、位移、温度、力等,7,6.1 概 述,传感器组成,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感元件的作用是感受被测物理量，并对信号进

2、行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,8,按被测物理量分类,6.1 概 述,传感器分类,机械量：长度，厚度，位移，速度，加速度，旋转角，转数，质量，重量，力，压力，真空度，力矩，风速，流速，流量；声：声压，噪声；磁:磁通，磁场；光：亮度，色彩；温度：温度，热量，比热。,9,6.1 概 述,按传感原理分类,传感器分类,电容式传感器,电阻式传感器,压电式传感器,磁电式传感器,电感式传感器,光电式传感器,光纤式传感器,光栅式传感器,10,6.1 概 述,按信号变换特征,传感器分类,能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作。例如热电偶温度计,压电式加

3、速度计。能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。例如电阻应变片。,11,6.1 概 述,12,6.1 概 述,1.发展、利用新效应；2.开发新材料；3.提高传感器性能和检测范围；4.微型化与微功耗；5.集成化与多功能化；6.传感器的智能化；7.传感器的数字化和网络化。,传感器的发展趋势,13,6.2 电容式传感器,一、电容传感器概述、工作原理和类型；二、电容传感器输出特性；三、电容式传感器的特点；四、电容传感器测量电路；五、电容式传感器的应用举例。,主要内容,学习要求,1.掌握电容式传感器工作原理；2.掌握电容式传感器的分类、及它们各自的特点；3.了解电容式传感器的测量电路

4、。,14,电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置，实质上是一个具有可变参数的电容器。,6.2 电容式传感器,介电常数变化型,面积变化型,极距变化型,15,6.2 电容式传感器,极距变化型,16,6.2 电容式传感器,讨 论,要提高传感器灵敏度S应减小初始极距,但极距也要受电容击穿电压限制。非线性随相对位移 的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移。初始极距 与S，与线性度相矛盾，决定了极距变化型电容传感器只适合测小位移（在0.01微米至零点几毫米）。为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。,17,极距变化型电容传感器,差动式极距变化型,18,差动式极距变化型传感器灵敏度可提高一倍

5、，而非线性可大大减小。,极距变化型电容传感器,19,极距变化型电容式传感器的优点是动态响应快，灵敏度高，可进行非接触测量。但由于输出非线性特性、传感器杂散电容对灵敏度和测量精度的影响，以及与传感器配合使用的电子线路比较复杂等缺点，因此使用范围受到一定限制。差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍，非线性误差减小。,极距变化型电容传感器,20,应用举例,电容式传声器,21,面积变化型电容传感器的工作原理是在被测参数的作用下改变极板的有效面积。常用的有角位移型和线位移型两种。优点是输出与输入成线性关系。但与极距变化型相比，灵敏度较低。适用于较大角位移及直线位移的测量。,面积变化型电容传感器,22,

6、覆盖面积,电容量,灵敏度,电容量,灵敏度,面积变化型电容传感器,23,应用举例 检测齿轮转速,面积变化型电容传感器,24,介电常数变化型电容传感器,25,介电常数变化型电容传感器,非线性,板材测厚,26,介电常数变化型电容传感器,位移测量,线 性,27,电容式传感器的等效电路,Rs 为引线,电容器支架和极板的电阻。,Rp 为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和极板间的介质损耗。通常在低频时较大。,电感L由电容器本身的电感和外部引线的电感所组成。低频时很小，在很高的频率工作时需要加以考虑。,电容传感器谐振频率通常为几十兆赫，通常工作点应在其谐振频率的 1/21/3，且使用条件必须与标定条件相同

7、。,A,B,传感器等效电容：,28,电容式传感器的等效电路,驱动电缆技术消除寄生电容的影响,29,电容式传感器的常用转换电路,电桥电路,，,30,二极管双T型电路,电容式传感器的常用转换电路,31,电容式传感器的常用转换电路,运算放大器式电路,32,有一圆板电容传感器，直径，极板间距离,极板间介质为空气，试计算其电容 之值。又若将此电容传感器接至振荡器的调谐回路(皮法，微亨)作为调频元件，为使测量时有较均匀的灵敏度，要求调频最大偏频在 以内，求电容传感器的。,课堂练习,33,1),2),课堂练习,解法1,34,课堂练习,解法2,35,电容式传感器的特点,主要优点,主要缺点,1.温度稳定性好；,

8、2.结构简单，适应性强；,3.动态响应好；,4.可以实现非接触测量，具有平均效应。,输出阻抗高，负载能力差；,2.寄生电容影响大。,36,本讲要点总结,1电容传感器工作原理和类型2.电容传感器输出特性和测量电路 3.电容式传感器的应用,37,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,分类：,电感式传感器,6.3 电感式传感器,38,6.3 电感式传感器,变磁阻式电感传感器,N线圈匝数；Rm磁路的总磁阻；,39,变磁阻式电感传感器,传感器类型,可变气隙厚度型,40,灵敏度与气隙厚度的平方成反比。为了减小非线性误差，提高灵敏度，通常使这种传感器在小气隙状态下工作，其测量

9、范围在 0.001mm 与 lmm 之间。,变气隙型自感传感器,非差动式,41,当衔铁位于中间位置(位移为零)时，两线圈自感相等，i1i2，i=0，输出电压U0。当衔铁有位移时，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小，U的大小表示了衔铁位移量，极性表示了衔铁移动方向。若位移使i1增大，则必定使i2减小相同的值，于是灵敏度增加一倍。,变气隙型自感传感器,差动式,42,主要特点：具有较好的线性，测量范围也比较大，但它的灵敏度比不上改变气隙厚度的电感传感器。,变面积型自感传感器,43,螺线管式电感传感器是一种开磁路电感传感器，其工作原理是基于线圈漏磁路径中的磁阻变化。由于空气通路长，使得磁路的磁阻比较

10、高，因此这种传感器的灵敏度比较低，对于小位移测量意义不大。主要用于较大位移的测量，可达数毫米到数百毫米。,可动铁芯,螺管型自感传感器,44,这种传感器实际上是个变压器，初级线圈Wl通电后，次级线圈W2便感应出电压。被测量的变化使初、次级线圈间互感发生变化，感应电压也产生相应变化。由于这种传感器常制成差动的形式，故称差动变压器。,差动变压器式传感器,45,前提：M1M2M1、铁芯位于中间e1=e2，eo=02、铁芯上移，e1e2,eo与e1同相3、铁芯下移，e2e1,eo与e2同相,螺线管式差动变压器式传感器,46,测量转换电路,交流电桥,交流电桥等效电路,交流电桥式,47,测量转换电路,谐振式

11、调幅电路,谐振式调频电路,谐振式,48,电涡流式传感器,原理:涡流效应,49,高频(1MHz以上)激励电流i施加于邻近金属板一侧的线圈，由线圈产生的高频电磁场作用于金属板的表面。金属板表面感应的涡流产生的电磁场又反作用于线圈上，改变了电感的大小。当线圈与金属板的距离发生变化时，导致耦合系数k、线圈自感L、线圈阻抗ZL的相应变化。,高频反射式涡流传感器,50,多用于测定材料厚度。当激励低频电压e1加到发射线圈W1上后，在被测材料中产生涡流i而损耗部分能量，导致接收线圈W2上产生的感应电动势e2减小。其减小量与材料的厚度和材料性质有关，对一定的材料，e2随厚度呈指数规律减小。,低频透射式涡流传感器

12、,51,不同频率下的e=f(h)曲线,52,应用举例,高频反射式涡流传感器如何测厚？,53,应用举例,高频反射式涡流测厚系统示意图,54,CCD,应用举例,55,连续油管的椭圆度测量,应用举例,56,电涡流传感器振动测量示意图,应用举例,57,火车轮检测,油管检测,应用举例,58,优点：结构简单可靠，没有触点摩擦，灵敏度、分辨率都比较高，输出功率也比较大，测量准确度也比较高。缺点：对激磁电源的频率和振幅的稳定性要求比较高。,6.3 电感式传感器,利用电磁感应原理将被测量（位移、压力等）转换为线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化量输出，这种将被测非电量转换为电感变

13、化的装置称为电感式传感器。,59,6.5 压电式传感器,压电效应 某些物质在沿一定方向上施加外力使之变形时，其内部电荷分布将发生变化，使得表面的金属电极产生电荷。在外力除去后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象称为正压电效应。相反，如果把这些物质置于电场中，其几何尺寸也将发生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。,60,压电材料,天然晶体(如天然石英晶体)性能稳定，机械性能好，广泛应用于振荡器、谐振器等元件材料。人造晶体(如钛酸钡、锆钛酸钡等)灵敏度较高，性能存在缺陷，已逐渐被取代。压电陶瓷（锆钛酸铅、氧化锌等）现今大多采用的材料。压电高聚物薄

14、膜（聚偏二氟乙烯）压电性强、柔性好，已得到应用。,具有这种压电效应的物质称为压电材料或压电元件。,61,O,x,y,z,纵向轴z称为光轴,经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴,与z和x抽同时垂直的轴y称为机械轴,压电材料,62,通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”，而把沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光抽z方向受力时不产生压电效应。,压电效应,63,不受力时：大小相等，相互夹角，因此，。,石英晶体极化效应,64,把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”。,纵向压电效应,65,把沿机械轴y方向的作用下产生电

15、荷的压电效应称为“横向压电效应”。,横向压电效应,66,作用力越大，产生的电偶极矩越大，极板上出现的电荷越多。,石英晶体极化效应,67,单个晶片的等效电路,压电元件两电极间的石英晶体或压电陶瓷为绝缘体，因此就构成一个电容器。压电元件的开路电压：,68,晶片并接,灵敏度：,69,晶片串接,灵敏度：,70,测量电路电压放大器,71,测量电路电荷放大器,开环增益足够大时，即，可简化为:,72,压电式传感器是一种典型的自发电式传感器，常用来测量力、压力、振动加速度，也用于声学(包括超声)、声发射及几何量等的测量。,压电式传感器,73,压电式加速度传感器,74,6.7 霍尔传感器,金属或半导体薄片置于磁

16、场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,75,6.7 霍尔传感器,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。,76,6.7 霍尔传感器,测量电路,77,6.7 霍尔传感器,转角测量,78,6.7 霍尔传感器,电流传感器 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大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,79,6.7 霍尔传感器,铁磁材料裂纹检测,80,6.7 霍尔传感器,叶片和齿轮位置传感器,81,6.7 霍尔传感器,汽车速度测量,82,83,7.有一圆板电容传感器，直径，极板间距离,极板间介质为空气，试计算其电容 之值。又若将此电容传感器接至振荡器的调谐回路(微微法，微亨)作为调频元件,为使测量时有较均匀的灵敏度，要求调频最大偏频在 以内，求电容传感器的。,