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足球直播传感器原理及应用全套教学课件PPT1

发布日期:2021-09-21 06:10

  传感器原理及应用 教材及参考书 ?教材: 《传感器》(第3版) 哈尔滨工业大学 强锡富 主编 机械工业出版社 ?参考书 : 《机械工程测试技术》(第二版) 黄长艺、严普强 主编 机械工业出版社 ?参考书 :《当代测试技术》 钱难能 主编 华东化工学院出版社 绪 论 一、 测试技术简介 测试技术的发展与生产的发展、科技 的发展有着密切的联系。在工业发达的 国家里,测试技术的水平及其装置必定 是相当先进的,测试技术的应用领域也 十分广泛。 机械系统中常见的物理量 几何量—长度、角度、表面几何形状 机械量—振动(速度、加速度、位移)、力、 压力、力矩、扭矩、功率、质量、硬度 热工量—温度、温度场、湿度、流量 光学量—照度、光学参数(焦距、透光率) 电磁量—电压、电流、电势、磁场强度 ?? 测试技术的方法(以测力为例) 机械参数 机械测试法 位移 光学测试法 光电移动 (明暗条纹的变化) 气液测试法 气液的压力变化 电阻、电容、电感 电压、电流 电阻的变化 电测法 应变片 F x 客 观 物 理 量 机 械 转 换 力 光学参数 力 光学转 换 F 反光镜 气液转 换 气液参数 力 电参数 力 电 F P F 气 转 换 各种测试法的优缺点: ? 机械测试法: 惯性大,摩擦大,不便记录,不能测过程, 只能测静态 ? 光学测试法: 精度最高,但对环境要求苛刻,需在实验 室中作标准或高精度测量 ? 气液测试法: 要求有合适的动力源,气体的压缩性、液 体的阻尼跟不上快速的变化,一般只能用于准 静态测量 电测法的优点: ? 电测法: (1)精度高; (2)灵敏度高,在很大范围内可进行方便调整, 测试范围很广; (3)电惯性小,反映快,能够进行快速变化的 量的测量,频域范围很广; (4)便于远距离传输和控制,可遥测、遥控; (5)便于仪器的通用化和专业化生产; (6)动力源普遍,有一定抗干扰能力 ?? 适 合现场使用。 非电量被测量的二次转换 一次变换 二次变换 被测量 ???? 光测、气液测 ???? 电测量 一般非电量电测法测试系统的 组成 被测 对象 传感器 中间电路 控制系统 显示记录 观察 者 人为 驱动信号 驱动装置 标准 信号 标定装置 非电量电测法测试系统的组成 非电量电测法测试系统的各部 分的作用 : 1. 传感器 ?? 感受被测物理量并把它变换为便 于传输处理的电信号。 它是整个测试系统实现测试和自动控制 的首要的、关键的环节。 2. 中间电路 ?? 将传感器输出的微弱电信号进 行再次变换、放大、衰减、滤波、调制和解 调等,使它们成为便于显示、记录或进行数 据处理的信号。 3. 显示与记录器 ?? 将中间变换与测量电路送 来的电压或电流信号不失真地显示和记录出 来。 作用二 4. 驱动装置 ?? 产生人为驱动信号,是 被测对象处于人为的工作状态下,把内 部特性表现得更明显。 5. 标定装置 ?? 产生标准输入以便用实 验的方法来得到被测量与显示记录之间 准确地量的关系。 二、传感器在科技发展中的作用 三、传感器的定义 国 家 标 准 (GB7665-87) 对 传 感 器 (Transducer/Sensor)的定义: 能够感受规定的被测量并按照一定规律 转换成可用输出信号的器件或装置。 教科书对其定义: 传感器是一种以一定的精确度把被测 量转换为与之有确定对应关系的、便于应 用的某种物理量的测量装置。 定义包含以下几方面意思: ? 传感器是测量装置,能完成检测任务; ? 它的输入量是某一被测量,可能是物理 量,也可能是化学量、生物量等; ? 它的输出量是某一物理量,这种量要便 于传输、转换、处理、显示等等,这种 量可以是气、光、电物理量,但主要是 电物理量; ? 输出输入有对应关系,且应有一定的精 确程度。 四、传感器的组成 以测量汽车油箱中汽油液位的装置为例 组成 辅助电源 被测量 敏感元件 传感元件 信号调节转换电路 电量 例:应变式力传感器 弹性膜片—敏感元件,将力转换为弹性 膜片的变形 应变片—传感元件,将弹性膜片的变形 转换成电阻值的变化 五、传感器的分类 传感器的分类方法有许多种,从传感 器的工作机理来说,可分为物理型、化 学型、生物型等。 本课程主要讲的是物理型传感器, 因此下面我们列表将物理型传感器的各 种分类情况进行介绍。 分类方法 按输入量分类 按工作原理分类 (变换原理) 按物理现象 分类(信号 变换特征) 说 明 举 例 传感器以被测物理量分类,也 位移传感器、速度传感器、 即按用途分类,便于用户选择。温度传感器、压力传感器等 传感器以工作原理命名, 便于生产厂家专业生产。 应变式、电容式、电感式、 压电式、热电式等 结构型 物性型 能量 控制型 传感器依赖其结构参数变化实 电容式传感器:利用电容极 现信息转换 板间隙或面积的变化? ?C 传感器依赖其敏感元件物理特 压电式传感器:压电效应,力?电荷 热电偶:热电效应 性的变化实现信息转换 由外部供给传感器能量,而由 电容传感器:需外部供电, 被测量来控制输出的能量 使x(t) ??C?电流或电压 温度计:吸收被测物的能量 传感器直接将被测量的能量转 磁电式:线圈切割磁力线? 换为输出量的能量 感应电势 输出量为模拟量 输出量为数字量 按能量关 系分类 能量 转换型 模拟式 数字式 按输出信号 分类 六、传感器的命名 ?? 式 ?? 传感器 表示用途,指出被测量的种类 表示变换元件、变换原理的种类 如: ? 电阻式液位传感器 ? 电容式声传感器 ? 应变式力传感器 ? 压电式加速度传感器 七、传感器的发展趋势 ? ? ? ? ? ? 高精度 小型化 集成化 数字化 智能化 新型化 大量物性型传感器的涌现 化学传感器的开发 采用新工艺的传感器开发 第二章 电阻式传感器 电阻式传感器的分类 电位计式: 物理量变化 传感元件 电阻变化 传感元件 属于大电阻变化型,R:0—R传 应变式: 物理量变化 敏感元件 变形 电阻变化 (应力、应变) 属于微电阻变化型,R:0—20%R传 §2-1 电位计式传感器 电位计式传感器分类 将机械的线位移或角位移的变化 一定函数关系 电阻或电压的变化 变 阻 器 式 变 压 器 式 电位计式传感器的优、缺点: 优点: 结构简单、尺寸小、重量轻、精度 高(0.1%?0.05%)、性能稳定、受环境 因素影响小,可实现输出-输入任意函数 关系,输出信号较大,一般不用放大。 缺点: 存在滑动触头与线圈等之间的摩擦, 输入能量要求较大,且磨损降低寿命和 可靠性,也会降低测量精度。 电位计分类 按输出-输入特性 电位计分类 线绕式—在传感器中应用较多 线性电位计 非线性电位计 按结构形式 薄膜式—具有较高的精度和线性特性 光电式—无摩擦和磨损,分辨率高 一、线绕电位计的结构 二、线绕电位计的工作原理 l 根据欧姆定律:R ? ? A L 以线位移型为例: 若变阻器式:Rx ? R ? x ? S R ? x SR ? 电阻灵敏度:表示电刷单位位移能引起的 输出电阻的变化量 x 若分压器式:U c ? U ? ? SV ? x L SV ? 电压灵敏度:表示电刷单位位移能引起的输 出电压的变化量 SR、SV均是常数 三、线. 阶梯特性和阶梯误差 1) 阶梯特性 ?? 电位计 输出电压随x的变化是 不连续的,而是一条阶 梯形的折线) 阶梯误差 理论特性曲线 ?? 通过 每个阶梯中点的曲线。 阶梯误差 ?? 阶特梯形 曲线围绕理论特性曲线 上下波动产生的偏差。 输出特性二 2. 负载特性和负载误差 1) 负载特性?? 电位计有负载的情况下 得到的特性。 一般表达式: Y ? r r r2 1? ? KL KL Uc Y? ? ? ? 相对输出电压 U R r ? x ? ? ? 电刷的相对变化 R RL KL ? ? ? ? 负载系数的倒数 R 对负载特性的讨论: 当 时,特性曲线变成直线,它实 为空载特性 当带有负载时,曲线下垂,负载越小, 下垂越多,产生的负载误差越大。 KL ? RL ?? R 输出特性三 2) 负载误差 ?? 由于负 载电阻不是无限大, 而是可与电位计电阻 值相比的有限值,造 成负载特性为一下垂 曲线,产生误差,也 称非线性误差。 电刷在起始和最终位 置时,负载误差 eL=0 电刷在相对行程 X=1/2时,负载误差 eL ?max,且m?, 四、电位计式传感器的应用 电位计式压力传感器 电位计式加速度计 总结 原始 输入量 位移 变换 原理 欧姆 定律 物理 现象 结构型 能量 关系 控制型 输出量 电阻或 电压 §2-2 电阻应变式传感器 优点: ?结构简单,使用方便,性能稳定、可靠; ?易于实现测试过程自动化和多点同步测 量,以及远距测量和遥测; ?灵敏度高,测量速度快,适合静态、动 态测量; ?可测多种物理量,如:位移、加速度、 力、力矩、压力等。 工作原理及分类 电阻应变式传感器的工作原理是将电阻应 变片粘贴到各种弹性敏感元件上,使物 理量的变化变成应变片的应力、应变变 化,从而变成电阻值变化。 根据应变片的材料不同,可分为两种 金属电阻应变片 半导体应变片 §2-2-1 电阻应变片 一、金属电阻应变片 1. 金属的应变效应 l 根据欧姆定律: R ? ? S ?R ?R ?R dR ? dL ? dS ? d? ?L ?S ?? R L dR ? dL ? dS ? d? S S S dS dR dL dS d? S ) ? dL ? d? ? ? ? ? (1 ? dL R L S ? L ? L ? 金属的应变效应 金属丝轴向应变? x ? dL 金属丝横向应变? y ? dr L r ??? dr dL r L 称为泊松比 dS dr ? ?2 S r dR d? ? ? (1 ? 2? )? x ? ? (1 ? 2? )? x R ? 金属丝的电阻应变效应 ?? 金属丝的电阻值随 着金属丝的几何尺寸变化(伸长或缩短)而发 生相应的变化的现象。 2. 结构和形式 种类 3. 电阻-应变特性 dR d? ? (1 ? 2? )? x ? R ? 令 Ks ? dR d? R ? (1 ? 2? ) ? ? ?x ?x Ks越大,越灵敏 Ks ?? 金属丝的灵敏系数:表示金属丝产生单位 变形时,电阻相对变化的大小。 Ks只能靠实验求得,而 ?电阻应变片的灵敏系数 dR ??x R ?R ? K s? x R K? ?R ?x R 一般 KKs,K是通过抽样测定的 ,故称标称 灵敏系数。 二、半导体应变片 半导体材料有明显的压阻效应,即 半导体材料的电阻率随作用应力而变化。 dR d? ? (1 ? 2? )? x ? R ? d? ? ?? ? ?E? x ? ?? 压阻效应系数 E ? 弹性模数 实验表明:?E1+2? 半导体应变片的灵敏系数 KB ? dR ?x R ? ?E §2-2-2 测量电路 测量过程 力、压力 敏感元件 应变变化 应变片 电阻变化 电阻应变仪 电压或电流的变化 并显示和记录 按 激 励 电 压 性 质 直流电桥 交流电桥 一、直流电桥 1、不平衡桥式 直流不平衡式电桥形式 R1 R4 ? R2 R3 U0 ? U ( R1 ? R2 )( R3 ? R4 ) 电桥平衡条件为: R1R4=R2R3 一般取 R1= R2= R3= R4=R 当R ? R??R 时, U0相应变化 半桥和全桥 假设?R1=?R2=?R3=?R4 半桥单臂 U 0 ? 半桥 根据参与工 作的桥臂数 半桥双臂 1 ?R U 4 R U 0 ? S桥 ?R U R 1 ?R U0 ? U 2 R U0 ? ?R U R 全桥 讨论 1) 电桥接法与电桥灵敏度的关系: S半桥单臂:S半桥双臂:S全桥=1:2: 4 2) 电桥联接的规律 电阻变化符号相反的联入相邻臂中 电阻变化符号相同的联入相对臂中 3) 桥臂电阻数与输出之关系 ?R 2?R ?R ?U 0 ? R ? 2R ? R ? U0 单纯的增加桥臂电阻数不会增加输出, 但可以起平均作用及消除干扰的作用。 2、平衡桥路原理 H的读数?桥臂电阻变化?R 特点:电表G始终指零,与 输入电压U无关,故测量 误差仅取决于可变电位 器的精度及刻线精度, 而与电源无关,这种方 法称为“零位法” 。 二、交流电桥 输出电压 平衡条件 ? ? ? ? Z1 Z 4 ? Z 2 Z 3 U0 ? U ? ? Z )( Z ? Z ) ? ? ? ( Z1 2 3 4 ? ? ? ? Z1 Z 4 ? Z 2 Z 3 设各臂阻抗为 Z—复阻抗的模 则 ? ? Ze j? Z ? Z 2 Z 3e j (? 2 ?? 3 ) Z1 Z 4 e j (?1 ?? 4 ) 根据复数相等条件可得交流电桥平衡条件为 Z1Z 4 ? Z 2 Z 3 ?1 ? ? 4 ? ? 2 ? ? 3 在测量前对电桥应分别进行电阻、 电容平衡,即R1R4=R2R3 R1C1=R2C2 §2-2-3 温度误差及其补偿 一、温度误差 1. 敏感栅电阻随温度的变化引起的误差 2. 试件材料的线膨胀引起的误差 二、温度补偿 1. 自补偿法 1)单丝自补偿法 2)组合式自补偿法 a.选用两者具有不同符号的电阻温度系数 b.两种串接的电阻丝具有相同符号的温度系数 2.线)采用差动电桥补偿法 3)热敏电阻补偿法 §2-2-4 应变式传感器的应 用 一、测结构的应变或应力 二、与弹性元件结合构成各种 应变式传感器 应变式加速度传感器 应变式传感器实例 应变式压力传感器 应变式力传感器 三、压阻式压力传感器 四、压阻式加速度传感器 总结 传感 元件 金属 电阻 应变片 半导体 应变片 原始 输入量 应变 变换 原理 应变 效应 压阻 效应 物理 现象 能量 关系 输出量 物性型 控制型 电阻 应力 物性型 控制型 电阻率 第三章 电感式传感器 原理 电感式传感器最基本原理是电磁感应原理。 位移 振动 被测物理量 压力 的变化 流量 传感器 自感系数 L 互感系数 M 电路 的变化 电压 电流 比重 电感传感器优点: ?灵敏度高,分辨力高,位移:0.1?m ; ?精度高,线 % ; ?性能稳定,重复性好 ; ?结构简单可靠、输出功率大、输出阻抗 小、抗干扰能力强、对工作环境要求不 高、寿命长 ?能实现信息的远距离传输、记录、显示 和控制等。 电感式传感器分类 变磁阻式传感器 — 自感型 差动变压器式传感器 — 互感型 涡流式传感器 — 自感型和互感型都有 高频反射式 — 自感型 低频透射式 — 互感型 §3-1 变磁阻式传感器 一、工作原理及分类 将被测对象的微小变化(?x) ? 电感的变化 (?L) 传感器运动部分与衔铁相连,测物理量时, 运动部分位移 ? 衔铁位移 ? 气隙厚度?变化 ? 线圈自感系数L变化 根据电工学:线 L? Rm 若?很小,且不考虑磁路铁损,则 RM ? R铁芯 ? R气隙 ? R衔铁 li ? RM ? ? ?2 ?0 S i ?1 ? i S i n li ?? 各导磁体长度 Si ?? 各导磁体截面积 ? ?? 空气隙间隙 S ?? 空气隙截面积 ?i ?? 各导磁体相对导磁率 ? 0 ?? 空气隙导磁系数 因为 ? 铁芯、? 衔铁? 气隙,所以,R铁芯+R衔铁R气隙 2? RM ? ?0 S N 2 N 2 ?0 S L? ? ? f (? , ? , S ) RM 2? 电感传感器的三种型式 气隙变化型—变气隙的间隙? (a) 面积变化型—变气隙的截面积S (b) 螺管型—变衔铁与线圈重合长度 (c) 二、电感传感器的分类比较 差动型式 为了增加灵敏度,改善线性,往往 做成差动式的。 差动优点:(1).大大的改善了线性,减小线).使灵敏度提高一倍。 §3-2 差动变压器式传感器 互感原理 差动变压器本身是变压器,利用互 感原理,所以也称互感传感器。 互感现象: 线 i1 ? i1 di1 e12 ? ? M ? ?Mi1 dt 若 i1 ? sin?t ? ? ? E12 ? ? j?I1M 一、工作原理 e1 ?? 初级线b ? 次级线b ? 次级线圈的电阻 Ma、Mb ? 初级与次级线圈的互感系 数 原理推导一 在初级线 次级线圈中的感应电势 ? ? E2 a ? ? j?M a I1 ? ? E2b ? ? j?M b I1 ? ? ? ? ? E 2 ? E 2 a ? E 2 b ? ? j? ( M a ? M b ) I 1 ? ? j? ( M a ? M b ) ? ? E1 R1 ? j?L1 感应电势的有效值 E2 ? ? (M a ? M b ) R1 ? (?L1 ) 2 2 ? E1 ? k ( M a ? M b ) E1 原理推导二 N 2 a?12 ?Ma ? I1 N 2b?12 Mb ? I1 即N2a ? l2a ? M a ? k l2a N2b ? l2b M b ? k l2b 则 E2 ? K (l2a ? l2b ) E1 讨论: ? 初始位置,衔铁处于中间位置 l2 a ? l2b ? l0 ? M a ? M b ? M ? E2 ? 0 ?当衔铁上升?L l2 a ? l0 ? ?l ? M a ? M ? ?M l2b ? l0 ? ?l ? M b ? M ? ?M E2 ? 2k?ME1 ? 2 K?lE1 E2与E2a同相 ?当衔铁下降?L l2 a ? l0 ? ?l ? M a ? M ? ?M l2b ? l0 ? ?l ? M b ? M ? ?M E2 ? ?2k?ME1 ? ?2 K?lE1 E2与E2b同相 二、输出特性 从理论上讲,在衔铁 处于中间位置时输出电压 应为零,但实际存在零点 残余电压,它由这样一些 因素引起: ? 两个次级线圈不对称 ? 初级线圈铜耗电阻的存在 ? 导磁体靠近的安装位置、 铁芯长度等 ? 激磁频率的高低 ? 铁磁材质不均匀 ? 线圈间存在分布电容 三、应用 1. 压力测量 2. 加速度测量 3. 液面高度测量 §3-3 涡流式传感器 涡流 成块的金属物 体置于变化着的磁 场中,或者在磁场 中运动时,在金属 导体中会感应出一 圈圈自相闭合的电 流,这就是涡流。 高频反射式涡流传感器 — 自感型 根据激励频率不同分为 低频透射式涡流传感器 — 互感型 一、高频反射式涡流传感器 线圈上通交变高频电流 线圈产生高频交变磁场 产生高频交变涡流 涡流产生反磁场 阻碍线圈电流交换作用 等效于L或阻抗的改变 二、低频透射式涡流传感器 U ??L1 ?? 同频交变电流 ?? 产生一交变磁场 ?? 磁力线切割M ?? 产 生涡流i ?? 到达L2 的磁力线减少(无M 时磁力线) ?? E的下降 三、涡流传感器的结构及特性 四、涡流传感器的应用 位移x的变化 ?? 电量的变化 可做成位移、振幅、厚度等传感器 电导率?的变化 ?? 电量的变化 可做成表面温度、电解质浓度、材质判别等 磁导率?的变化 ?? 电量的变化 可做成应力、硬度等传感器 x、?、?的综合影响 可做成材料探伤装置 1、位移测量 ?? 涡流位移计 2、振幅测量 ?? 涡流振幅计 3、厚度测量 4、转速测量 ?? 涡流转速计 5、涡流探伤仪 探测金属材料的表面裂纹、热处理裂纹及 焊缝裂纹 6、温度测量 ?=?0[1+?(t-t0)] 保持其它条件不变,则t变化 ?? ?变化 ?? 输出电压变化 可测钢材压延时压 滚温度,足球直播液、气态介质 温度,且测温时有一个 很大的特点是热惯性小 (约0.001s),动态响 应好,能做快速测温工 作。 7、自动控制中工件是否到位等的检测 ?? 接近开关 接近开关应用实例一 接近开关应用实例二 总结 传感元件 或传感器 变磁阻式 差动 变压器式 涡流式 原始 输入量 位移 位移 位移、厚度、 电阻率 磁导率 变换 原理 电磁 感应 电磁 感应 物理 现象 结构型 结构型 结构型 能量 关系 控制型 控制型 控制型 输出量 自感 系数 互感 系数 涡流 涡流 效应 第四章 电容式传感器 §4-1 工作原理与类型 一、工作原理及分类 电容传感器是以各种类型的电容器作为传 感元件,将被测参数微小变化的信息转换成电 容量的变化,然后通过测量电路转换成电压输 出。 平板电容为 ? 0?S C? ? ? ?? 极板介质的相对介电常数 ?0 ?? 真空介电常数 S ?? 极板面积 ? ?? 极板间距 二、类型 变极距型—变极板间距 分类 变面积型—变极板面积 变介电常数型—介质变化 结构形式一 结构形式二 结构形式三 §4-2 电容传感器分类比较 电容传感器分类比较 §4-3 电容式传感器的应用 1. 电容式压力传感器 2. 电容式加速度传感器 3. 电容式应变计 4. 电容式荷重传感器 5. 电容式测厚仪 6. 差动电容法测差压 7. 电容式流量计 8. 电容式水份计 总结 传感 元件 电容式 传感器 原始 输入量 位移 变换 原理 ?? 0 A C? ? 物理 现象 能量 关系 输出量 结构型 控制型 电容 §4-4 电容式集成传感器 运用集成电路工艺可以把电容敏感元 件与测量电路制作在一起,构成电容式 集成传感器,它的核心部件是一个对被 测量敏感的集成电容器。 加速度集成电容传感器 这是一种基于多晶硅表面微加工技 术的加速度电容传感器 。 压力集成电容传感器 这是采用硅腐蚀技术、硅和玻璃的 静电键合以及常规集成电路工艺技术制 造的集成电容传感器。 §4-5 容栅式传感器 容栅式传感器是在变面积型电容传感 器的基础上发展起来的一种新型传感器。 它在具有电容式传感器优点的同时,又 具有多极电容带来的平均效应,现已应 用于数显卡尺、测长机等数显量具。 开环调幅式容栅传感器 闭环调幅式容栅传感器 第五章 压电式传感器 原理 压电式传感器是利用压电效应把受力 的变化转换成电压或电流的变化信号。 一、压电效应 对某些材料沿一定方向施力而使其 变形,内部产生极化现象,在其两表面 将产生极性相反的电荷,当外力去掉后, 表面又回到不带电状态。这种现象就是 压电效应。 天然物质:石英晶体—压电效应弱,但稳定, 分类 可用作标准的加速度计 人工制造:压电陶瓷—压电效应强,但稳定性差, 用作工作时的加速度计 1.石英晶体 结晶形状是六角晶柱,它是 一个正六面体,我们用直角坐标 三个轴来表示: 纵轴线z ?? 光轴 穿过棱线且?z轴的x轴 ?? 电轴 ?棱面的y轴 ?? 力轴(机械轴) 现象: 1) 沿电轴x 方向施力,在?x轴表面产生电荷 ?? 纵向压电效应 沿力轴y 方向施力,也在?x轴表面产生电荷 ?? 横向压电效应 沿光轴z 方向施力,表面不产生电荷; 2) 若改变受力方向,表面极性也相应改变; 3) 分别使x、y方向都受压或受拉,极性也相反。 石英晶体产生压电效应的原因: 石英晶体的分子式为SiO2,Si4+, O2-,一个晶胞有三个硅离子和六个氧离 子,氧粒子是成对出现的,电荷互相平 衡,外部没有带电。 压电陶瓷产生压电效应的原因: 在无外电场作用时,各个电畴在 晶体中杂乱无章的分布,他们的极 化效应相互抵消,呈中性,极化强 度为零。 在外电场作用下,电畴的极化方 向发生转动,转到与外电场一致方 向排列,从而使材料得到极化。 当外电场消除后,有剩余极化, 它有较强的矫顽力,虽不规则,但 仍有向极化方向排列的趋势,极化 强度不再为零。 当外界加力时,电畴界限移动, 使极化强度增加,又基本恢复到外 电场作用下的状态使材料表面带了 电荷。 极化一般在高电压1?4KV/mm, 经过几个小时才能完成。 二、压电式传感器及其等效电路 压电式传感器实质上是一个电容器 ? r? 0 S C? ? ?r ? 晶片相对介电常数 ?0 ? 真空介电常数 S ? 工作面面积 ? ? 晶片厚度 和普通电容器不同的是极板上的电荷是在 外力作用下产生的,若力的作用终止,则电荷 也随之消失。 两种等效电路: 内部一个电荷源Q和一个电容器C并联 ? 电荷等效电路 一个电压源U=Q/C和一个电容器C串联 ? 电压等效电路 叠层式压电晶片结构形式 双晶片连接形式 双晶片的总电荷、总电压取决于两片的连接方式: 1)并联:用于电荷作为输出量场合,有利于准静态测量。 U’=U Q’=2Q 则C’=2C 这种联接,输出电荷大,本身 电容大,允许被测对象变化频率 稍低。 2)串联:用于电压作为输出量场合。 U’=2U Q’=Q 则C’=(1/2)C 这种联接,输出电压大,本身 电容小,要求后续电路有较大的 输入阻抗。 三、测量电路 输出阻抗很高 输出阻抗适当降低 压电传感器 前置放大器 一般仪器 前置放大器的作用 阻抗变换作用:高阻抗?低阻抗 放大传感器输出的微弱信号 输出电压?输入电压 电压放大器 — 高内阻的电压源转换成低内阻的电压源 前置放大器 (阻抗变换器) 电荷放大器 — 高内阻的电荷源转换成低内阻的电压源 输出电压?输入电荷 1、电压测量电路 U SC ? ?RCa 1 ? [?R(Ca ? Cc ? Ci)] 1 R(Ca ? Cc ? Ci) 2 ?U x ? ?? U SC ? Ca ?U x Ca ? Cc ? Ci 可近似看作输出电压与作用力频率无关 优点:高频响应相当好 缺点:与电缆电容有关 2、电荷测量电路 ? ?? 1 KRC f Ca Q ? Ux ? ? ? Cf Cf U SC ? ? ? 一般Cf做成可调的,当(1+K)Cf(Ca+Cc+Ci) 约10倍以上时,可认为灵敏度与电缆电容无关。 优点:与电缆电容无关 缺点:电路复杂,价格昂贵 四、应用 1、压电式加速度传感器 应用二 2、压电式单向测力传感器 3、压电式压力传感器 总结 原始 输入量 力 变换 原理 压电 效应 物理 现象 物性型 能量 关系 转换型 输出量 电荷 第六章 磁电式传感器 一、概述 磁电式传感器是基于电磁感应原 理的传感器。 根据电磁感应定律可得: d? e ? ?N dt 即回路中产生的感应电 势与磁通量对时间的变化律 成正比。 型式 动圈式—线圈移动 线圈-磁铁活动型 动磁式—磁铁移动 衔铁活动型 磁阻式 ? 衔铁移动,磁阻变化 ? 二、动圈式磁电传感器 导线在磁场中作切 割磁力线运动,导线产 生的电场值为 e ? NBlvsin? 对于线速度型 dx e ? NBl sin? dt N ? 线圈匝数 B ? 磁场强度 l ? 单匝线圈有效长度 dx/dt ? 线圈与磁场的相对运动速度 ? ? 运动方向与磁场方向夹角 一般?=900,则 dx e ? NBl dt dx e? dt 角速度型 e ? kWBA ? e ?? ??? 角速度 k ?? 依赖与结构的系数 (k1) A ?? 单匝线圈的截面积 三、磁阻式磁电传感器 线圈和磁铁不动,由运动着的导磁 材料的物体改变磁路的磁阻,引起磁 力线增加或减弱,使线圈产生感应电 势。 磁阻式传感器工作原理及应用例 测线速度的磁阻式磁电传感器 磁阻式磁电传感器也可做成测线速度的,其原理图为: 其变换链: dRM dx(t ) d? (t ) d? v(t ) ? ? ? ? ? e出 dt dt dt dt 命名:磁电式速度传感器 分类:结构型、能量转换型 x(t ) ? ? (t ) ? RM ? ? ? L ?测量电路 ?电压或电流 ?? ? 命名:电感(变磁阻)式位移传感器 分类:结构型、能量控制型 四、磁电式传感器的应用 1. 振动测量 CD-1型是绝对式传感器: 应用二 CD-2型相对式测振传感器: 应用三 2. 扭矩测量 测量原理: 扭矩传感器组成: 磁电式传感器+传感器轴+磁电式传感器 ? ? 定子的齿顶与转子的齿顶相对 定子的齿根与转子的齿顶相对 ? 磁阻最小 ? 磁阻最大 输出感应电势相差1800 无外加扭矩时,?=0,两个幅值、频率均相等,相 位差?0=1800的感应电势 轴上感受扭矩时,产生扭转角?,设传感器内外 齿数均为n,则扭转角?与感应电势相位差?0的关系为: ?0=n? ? 0 ?测量电路 ?时间差 ? 脉冲信号(宽度 ? ? 0) 指示仪表 ? 读出被测扭矩 ?? ? ?? ??? ? 应用四 3. 磁电式数字转速表 测量时,转子每转一周产生脉冲数为P,则在 测量时间t内计数共产生的脉冲数为Pt,则转速为: 60Z n? Pt 对于低速测量, 应增加槽子数目以增 加精度。 特点: 精度:?0.05% 转速范围: 30r/min?480kr/min。 总结 原始输入量 变换原理 物理现象 能量关系 磁通量 电磁感应 结构型 转换型 输出量 感应电势 第七章 霍尔式传感器 原理 霍尔式传感器是利用霍尔效应使位 移带动霍尔元件在磁场中运动产生霍尔 电势,即把位移信号转换成电势变化信 号的传感器。 优缺点: 优点: ? 结构简单,体积小,坚固 ? 频率响应宽,动态范围大 ? 无触点,使用寿命长,可靠性高 ? 易于微型化和集成电路化 缺点: 转换率较低,温度影响大,要求转换精 度较高时,必须进行温度补偿。 一、霍尔元件 霍尔元件:直角平行六面体的单晶半导体薄片 材料:锗(Ge)、硅(Si)、砷化铟(InSb)等半导 体材料。 霍尔元件组成:半导体薄片和两对电极组成 输入引线a、b:激励电极 输出引线c、d:霍尔电极 霍尔元件的符号和基本电路 二、霍尔效应 当输入端加电流 I,并在元件平面法线 方向加磁感强度为B的 磁场,那么在垂直于电 流和磁场方向上将产生 一电势UH,这个电势 就是霍尔电势,这种现 象就是霍尔效应。 霍尔效应的原因: 任何带电质点在磁场中沿着和磁力线垂直 方向运动时,会受到磁场力 Fl ? qvB 如果v和B之间有夹角,那么要乘上sin?, 用向量表示即为 ? ? Fl ? qv ? B Fl的方向用右螺旋决定,指向由v经小于 1800的角转向B,这个Fl就是洛仑兹力,对于 正电荷Fl在v?B的方向上,至于负电荷,则所 受的力的方向正好相反。 霍尔电势方向判别: P型材料: N型材料: 左手定则: 四指——指向电流 B ——穿过手心 大拇指——指向的是力的方向 霍尔电势: Fl ? Fe I ? bdvnq IB UH ? nqd 三、霍尔系数及灵敏度 1. 霍尔系数: 1 RH ? nq n —— 自由电子密度 q —— 带电粒子的电量 霍尔系数取决于载流子材料的物理性 质,反映了材料的霍尔效应的强弱。 n?、RH?,故金属导体不适于制作 霍尔元件,而半导体材料迁移率(尤其是 N型半导体)大,故RH ??。 灵敏度和霍尔电势 2. 灵敏度: RH kH ? d kH表示单位电流、单位磁场作用下,开路 的霍尔电势输出值。 kH 与元件的厚度成反比,d?、KH?,但考虑 提高灵敏度的同时,必须兼顾元件的强度和内 阻。 d? r内阻? 3. 霍尔电势: IB U H ? RH ? k H IB d 四、霍尔元件的误差及其补偿 由于制造工艺问题以及实际使用时 所存在的各种影响霍尔元件性能的因素, 如元件安装不合理、环境温度变化等, 都会影响霍尔元件的转换精度,带来误 差。 (一)、霍尔元件的零位误差 及其补偿 霍尔元件的零位误差包括不等位电 动势、寄生直流电动势等。 1.不等位电动势U0及其补偿 当霍尔元件在额定控制电流作用 下,不加外磁场时,霍尔输出端之间的 空载电动势,称为不等位电动势U0。 U0产生的原因: (1)制造工艺不可能保证将两个霍尔电极 对称地焊在霍尔片的两侧,致使两电极点不能 完全位于同一等位面上,如图5-8a所示。 (2)霍尔片电阻率不均匀或片厚薄不均匀 或控制电流极接触不良都将使等位面歪斜(见 图5-8b),致使两霍尔电极不在同一等位面上 而产生不等位电动势。 采用补偿电路加以补偿 2.寄生直流电动势 当霍尔元件通以交流控制电流而 不加外磁场时,霍尔输出除了交流不等 位电动势外,还有直流电动势分量,称 为寄生直流电动势。 产生原因:由于元件的两对电极不是完全 欧姆接触而形成整流效应,以及两个霍 尔电极的焊点大小不等、热容量不同引 起温差所产生的。 (二)、霍尔元件的温度误差 及其补偿 一般半导体材料的电阻率、迁移率和载 流于浓度等都随温度而变化。霍尔元件由半导 体材料制成,因此它的性能参数如输入和输出 电阻、霍尔常数等也随温度而变化,致使霍尔 电动势变化,产生温度误差。 选用温度系数小的霍尔元件 采用恒流源供电和输入回路并联电阻 采用适当的补偿电路 合理选取负载电阻RL的阻值 采用恒流源和输入回路串联电阻 采用温度补偿元件 1. 采用恒流源供电和输入回路 并联电阻 RP ? ( ? ? ? ) Ri 0 ? (5-4) ? RP ? Ri 0 ? (5-5) 根据式(5-5)选择输入回路并联电阻RP, 可使温度误差减到极小而不影响霍尔元件的其 他性能。 2. 合理选取负载电阻RL的阻值 当霍尔元件接有负载RL(如放大器的输入 电阻)时,在RL上的电压为 UL ? RLU H 0 [1 ? ? (t ? t 0 )] RL ? Ro 0 [1 ? ? (t ? t 0 )] 式中 Ro——霍尔元件的输出电阻 Ro0——温度为t0时的输出电阻 为使负载上的电压不随温度而变化,应使 即得 dU L ?0 d (t ? t 0 ) ? RL ? Ro( ? 1 ) 0 ? 可采用串、并联电阻的方法使上式成立来补偿 温度误差。但霍尔元件的灵敏度将会降低。 3. 采用恒压源和输入回路串联 电阻 R? (? ?? ) ? Ri 0 (1 ? ? t ) 4. 采用温度补偿元件 5. 霍尔元件不等位电势U0的 温度补偿 五、霍尔式传感器的应用 根据霍尔电势的表达式,其应用可用于 下述三个方面: ? 控制电流I不变,传感器处于非均匀磁场中, UH?B 。 可进行磁场、位移、角度、转速、加速度 等测量。 ? 磁场不变,即B不变, UH?I。 故凡能转换成电流变化的各量均能测量。 ? I、B均变化, UH?I· B。 可用于乘法、功率等方面的计算与测量。 (一)、微位移测量 产生梯度磁场的磁系统及它们各自的静态特性: (a)曲线对应(a)图的磁路结 构,其线性范围窄,而且在位移 z=0时,UH ? 0。 (b) 曲 线 对 应 (b) 图 , 当 z=0 时 , B=0 , 故 UH=0 。 当 z?0时,UH?0,其值决定于B的 大小。这种结构UH 与B具有良好 线性 , 且分 辨力 较 高 , 可达106m;另外两块磁钢越短,磁场梯 度越大,灵敏度越高。 (c)曲线对应(c)图,磁场梯 度很大,所以它的灵敏度很高, 但它的测量位移量很小,一般 z??0.5mm,所以它特别适合于 测量微位移以及机械振动的振幅 等。 1. 霍尔式微压、压力传感器 差动式霍尔传感器原理 UH= UH1-UH2 讨论: (1)当霍尔元件在平衡位置时,UH1= UH2,则UH=0; (2) 当霍尔元件向右位移?x,UH1?, UH2?,UH= UH1-UH2=? UH 2. 霍尔式加速度传感器 3. 霍尔式机械振动传感器 (二)、霍尔式转速传感器 总结 原始 输入量 I和B 变换原理 物理现象 霍尔效应 物性型 能量 关系 控制型 输出量 霍尔电势 第八章 光电式传感器 光电传感器的原理与组成 光电元件 被测量 ?? 光信号的变化 ???电信号 光电器件或光电元件 — 能够将光量转换为电量 的一种器件。 光电传感器一般由辐射源、光学通路和光电器件 三部分组成 。 光电器件按探测原理分类 热探测型?首先将光信号的能量变为自身的温度 变化,然后再依赖于器件某种温度敏感特性将 温度变化转变为相应的电信号。 探测器对波长没有选择性,只与接收到的 总能量有关。 光子探测型?基于光电效应原理,即利用光子本 身能量激发载流子。 这类探测器有一定的截止波长,只能探测 短于这一波长的光线,但它们响应速度快,灵 敏度高,使用最为广泛。 光电效应分类 外光电效应 ? 在光线作用下能使物体的电子逸出表面的现象, 如:光电管、光电倍增管 内光电效应 ?? 在光线作用下能使物体电阻率改变的现象, 如:光敏电阻、光敏二极管 阻挡层光电效应 ?? 在光线作用下能使物体产生一定方向的 也称光生伏特效应 电动势的现象, 如:光电池 一、光电元件(光敏元件) 1. 光电管和光电倍增管 ?? 具有外光电效应 光电阴极 --环状 组成 阳极 ?? 单根金属丝 光电倍增管 光电阴极 ?? 半导体光电材料锑-铯制造 组成 若干倍增极 ?? 4?14个不等,并加上一定的电压 阳极 ?? 收集电子,外电路形成电流输出 光电倍增管特点:灵敏度高,稳定性好,频响很快,且 线性好,频率特性好,但体积大,需要高压供电。 2. 光敏电阻 ?? 具有内光电效应 光敏电阻是利用半导体材料的光导效应即由 于光照强弱而导致半导体阻值变化的现象而工作 的,这种具有光导效应的半导体材料就称为光敏 电阻。 光敏电阻就像一个电阻元 件,只是阻值随光照变化。 ?无光照时,暗电阻很大,电 流很小。 ?受一定范围的光照时,亮电 阻急剧减小,电流迅速增加。 优点:具有很高的灵敏度,很好的光谱特性,光谱 响应从紫外区到红外区,体积小,重量轻,性能稳定, 价格便宜。 3. 光敏二极管和光敏三极管 ?? 具 有内光电效应 光敏二极管和光敏三极管的特点: 光敏二极管特点:灵敏度一般,稳定 性好,频响快(?=10-7s),体积小,频 率特性快。 光敏三极管特点:灵敏度比二极管高, 但稳定性差,其它与二极管相同。 4. 光电池?? 具有阻挡层光电效应 特点:灵敏度低,稳定性好,频响 较慢,受光面积大,不需外加电源,频 率特性差。 具有特殊外在形式的探测器 ? 电荷耦合器件(CCD) 将MOS光敏单元阵列和读出移位寄 存器集成位一体,构成具有自扫描功能 的图像传感器。 ? 位置敏感器件(PSD) 一种对其感光面上入射点位置敏感的 器件,也称为坐标光电池。足球直播, 二、光电式传感器的应用 模拟式传感器 — 其测量系统是光电流为被测 类型 光通量的函数。 脉冲式传感器 — 其测量系统是使其输出端工 作在“通”与“断”的开关 状态。 (一)、模拟式传感器 1. 辐射能源本身就是被测对象。 模拟式传感器二 2. 光源光通量通过被测对象部分吸收后到 达光电元件 。 模拟式传感器三 3. 光源光通量先到被测物,然后再反射到 光电元件 。 模拟式传感器四 4. 从光源发射到光电元件的光通量途中被 被测物体遮蔽了部分光通量,从而改变 了到达光电元件的光通量。 (二)、脉冲式 传感器 这类传感器其测量系统是使其输出端 工作在“通”和“断”的开关状态,大多 用于光电继电器式的仪表装置中,如电子 计算机的光电输入器,扩散炉的炉温控制, 光电转速表以及自动生产流水线中工件到 位检测等。 (三)、应用 1. 光电式转速传感器 2. 光电计数 3. 自动生产流水线. 其它应用