第3章 传感器ppt课件

一、传感器定义,GB7665-2005：能够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。,第三章传感器,第一节概述,二、传感器组成,传感器组成：敏感器件与转换元件敏感器件直接感受被测物理量；转换元件对信号进行转换输出。,第三章传感器,三、传感器分类,(1)按被测物理量分类(用户)位移,力,温度(2)按工作原理分类(研究人员)电阻式,电容式,电感式,磁电式(3)按输出信号分类模拟式传感器,数字式传感器(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系能量转换型(发电型)和能量控制型(参量型),第三章传感器,1.变阻器(电位器)式传感器1)工作原理,把被测量转换为电阻变化的传感器。按工作原理分为变阻器式(电位器式)、电阻应变式。,第二节参量型传感器,一、电阻式传感器,2)变阻器式传感器特点,一、电阻式传感器,(1)结构简单且性能稳定；(2)受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小；(3)可以实现输出输入间任意函数关系；(4)输出信号强，一般不需放大。,优点：,缺点：(1)电刷与线圈或电阻膜之间存在摩擦磨损；(2)分辨力较低（e2,输出电压是交流量，其幅值与铁心位移成正比。,当初级线圈W加交流电时，次级线圈W1、W2分别产生感应电势e1和e2。铁心P在中间位置时，e1=e2，输出e0=0；铁心向上运动，e1e2，输出e00；铁心向下运动，e1e2，输出e00。,三、电感式传感器,a.输出电压用交流电压表指示，输出值只能反映铁心位移的大小，不能反映移动的极性。,三、电感式传感器,b.交流电压输出存在零点残余电压铁心在中间位置时，输出不为零。原因：两个次级线圈结构不对称，以及初级线圈铜损电阻、铁磁材质不均匀、线圈间分布电容等形成。解决措施：后续电路采用差动直流电路，反映铁心位移极性，补偿残余电压。,3)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；温度;振动，速度，加速度,应用一：钢板厚度测量,应用二：钢丝绳张力测量,三、电感式传感器,一、压电式传感器,1.工作原理:压电效应,压电材料受到外力作用时，几何尺寸发生变化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态正压电效应。,第三节发电型传感器,压电效应可逆。逆压电效应将压电材料置于电场中，其几何尺寸发生变化（机械变形）。,2.压电材料,具有压电效应的材料压电材料。1)天然材料：石英、电石。2)合成材料：人造多晶体。钛酸钡、锆钛酸铅(PZT)。3)高分子压电薄膜：聚偏二氟乙烯(PVDF)，用于微压测量和机器人触觉的新型压电材料。,一、压电式传感器,天然石英晶体结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。在晶体学中，用三根互相垂直的轴表示。纵轴Z称光轴，通过六棱线而垂直于光轴的X轴称电轴，与X-X轴和Z-Z轴垂直的Y-Y轴(垂直于六棱柱体的棱面)称机械轴。,一、压电式传感器,从石英晶体中切下一个平行六面体并使其晶面分别平行于Z-Z、Y-Y、X-X轴线。晶片在正常情况下呈现电性，若对其施力，则有不同的效应。通常把沿电轴(X轴)方向的作用力产生的压电效应称“纵向压电效应”，压电式传感器主要是利用纵向压电效应。把沿机械轴(Y轴)方向的作用力产生的压电效应称“横向压电效应”；沿相对两棱加力时，产生切向效应。沿光轴(Z轴)方向的作用力不产生压电效应。,一、压电式传感器,如果施加于压电晶片的外力不变，积聚在极板上的电荷又无泄漏在外力继续作用时，电荷量保持不变。极板上积聚的电荷与力关系,一、压电式传感器,要测得力值F，主要是如何测得电荷值。利用压电式传感器测量(准)静态量值时，必须采取措施使电荷从压电晶片上经测量电路的漏失减小到足够小程度。而在动态力作用下，电荷可以得到不断补充压电传感器适宜动态测量(测量频率下限0.1Hz)。,一、压电式传感器,2.等效电路,第三节发电型传感器,并联：,电荷量,电压,电容,串联：,电荷量,电压,电容,并联：电容量大，输出电荷量大，时间常数大，适于测量缓变信号，输出信号为电荷；串联：电容量小，输出电压大，输出信号为电压。,传感器输出电信号微弱，通常把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗交换后，用一般的放大检波电路再将信号输入到指示仪表或记录器中。,第三节发电型传感器,压电式传感器是一个具有一定电容的电荷源。,3.压电传感器应用注意问题,1)不适用于静态、准静态信号测量；,2)电缆噪声易混入信号中被放大减小电缆噪声方法：在使用中固定好传感器的引出电缆；选用低噪声的同轴电缆。,3)接地回路噪声压电传感器接入二次测量线路或仪表构成测试系统后，由于不同电位处多点接地，形成接地回路和回路电流所致。克服：消除接地回路,一、压电式传感器,4.应用,2)加速度计，力传感器,1)压力传感器,一、压电式传感器,基本构成：质量块、压电晶体、压紧弹簧、金属基座。,(一)变换原理,基于电磁感应原理，把被测物理量转换为感应电动势的传感器。,当匝数为W的线圈切割磁力线运动或穿过线圈的磁通发生变化时，感应线圈的感应电动势e,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个参数，都会改变线圈的感应电动势。,二、磁电式传感器,(二)分类,按照结构方式不同，分动圈式与磁阻式。,磁电式,磁阻式,二、磁电式传感器,1.动圈式传感器,在B、L、W不变时，感应电动势与线圈相对磁场的运动速度成正比。,若线圈在恒定磁场中作直线运动，并切割磁力线时，则线圈产生的感应电势为,二、磁电式传感器,若线圈相对磁场作旋转运动切割磁力线时，则线圈产生的感应电动势为,在B、A、W不变时，感应电动势与线圈相对磁场的角速度成正比。,二、磁电式传感器,2.磁阻式传感器(变磁通式传感器),线圈和磁铁静止不动，利用导磁材料制成的测量齿轮安装在被测旋转体上，不断改变磁路的磁阻，改变贯穿线圈的磁通量，使线圈产生感应电势。,二、磁电式传感器,图磁阻式传感器工作原理(a)测频数(b)测转速(c)偏心测量(d)振动测量,2.磁阻式传感器(变磁通式传感器),磁阻式传感器一般做成转速传感器，利用磁通变化产生感应电动势。电势的频率作为输出，而电动势的频率取决于磁通变化的频率。磁阻式转速传感器在结构上分开磁路和闭磁路两种。,二、磁电式传感器,测量时，壳体固定在一个试件上，顶杆顶住另一试件，线圈在磁场中运动速度就是两试件的相对速度。速度计的输出电压与两试件的相对速度成正比。相对式速度传感器可测量的最低频率接近于零。,二、磁电式传感器,(三)应用,磁电式相对速度传感器,二、磁电式传感器,弹簧片1径向刚度很大，能将心轴组件可靠地支撑在所需的径向位置上。当壳体3与被测物体一起振动，且振动频率较高时，由于心轴组件质量很大，产生很大的惯性力，阻止心轴随壳体一起运动。当振动频率高到一定程度时，可认为心轴组件基本不动，只是壳体随被测物体振动线圈与振动体的振动速度切割磁力线而产生感应电动势，测得物体的绝对振动速度。,1-弹簧片;2-心轴;3-外壳;4-阻尼器;5-磁钢;6-工作线圈;7-引线,磁电式绝对速度传感器,1.霍尔效应将半导体薄片放入垂直于半导体表面的磁场中，在半导体的(a,b)两端通以电流，则在半导体两侧面(c,d)产生与控制电流和磁场强度乘积呈正比的电动势。,三、霍尔式传感器,半导体薄片置于磁场中，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的现象霍尔效应。产生的电动势霍尔电势；半导体薄片霍尔元件。,工作原理当磁场垂直于半导体薄片作用，而在沿半导体长度方向有电流流过时，由于半导体中的电子(载流子)在磁场中运动，使电子受到洛伦兹力FL作用。n型半导体材料，载流子为电子；p型半导体材料，载流子为空穴。,三、霍尔式传感器,洛伦兹力,在洛伦兹力作用下，电子被推向一侧形成电子积（负电荷），在另一侧形成正电荷积累电场。电场力FE阻止电子向该侧面继续偏移。,三、霍尔式传感器,洛伦兹力FL=电场力FE时，电子积累达到动平衡。此时在两侧面建立的电场霍尔电场，相应的电势霍尔电势UH。,三、霍尔式传感器,电场力,流经载流体的电流与载流子运动速度之间关系,RH霍尔常数，取决于载流体材料物理性质，RH=1/ne；KH霍尔元件灵敏度，表示霍尔元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下霍尔电势大小，mV/mAT。KH=1/ned金属材料电子密度n大，不适合做霍尔元件；霍尔元件做成薄片（d小）,三、霍尔式传感器,基于霍尔效应工作的半导体器件称为霍尔元件，霍尔元件多采用n型半导体材料。霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。,2.霍尔元件结构,三、霍尔式传感器,霍尔片是半导体单晶薄片(一般4mm2mm0.1mm)，在其长度方向两端面上焊有a、b两根引线(控制电流端引线)，通常用红色导线，其焊接处称为控制电极；在另两侧端面焊有c、d两根霍尔输出引线，通常用绿色导线，其焊接处称为霍尔电极。霍尔元件壳体用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装。,三、霍尔式传感器,3.应用,霍尔元件置于磁场中，左半部磁场方向向上，右半部磁场方向向下；从a端通电流i左半部产生霍尔电势VH1，右半部产生霍尔电势VH2，其方向相反c、d两端电势为VH1VH2。如果霍尔元件在初始位置时VH1=VH2，则输出为零；改变磁极系统与霍尔元件的相对位置时，即可得到输出电压，其大小正比于位移量。,三、霍尔式传感器,磁场变化霍尔电势,(a)角位移(b)线位移(c)加速度(d)零件计数(e)转速(f)压力,霍尔元件工程测量应用,将温度变化转换为电量变化的传感器热电偶温度计,(一)热电偶测温原理,基于两种不同材料的热电效应：由两种不同的导体(或半导体)组成的闭合回路，当两导体A和B的两个结点处温度不同时，回路中产生热电势。,简单热电测温系统,基本要求：在所测温度范围内具有较好的灵敏度和直线性；熔点足够高，物理化学性能稳定；导电性和抗氧化性能好，电阻温度系数小等,四、热电式传感器,(二)热电势,1.接触电势：电子从自由电子密度高的材料向低的材料流动。,2.温差电势：电子从高温端向低温端流动。,3.总热电势,四、热电式传感器,温差电势与接触电势相比小得多，热电偶测温中，主要是接触电势起作用。,(三)热电偶基本定律1.均匀回路定律,问：由同一种导体组成的闭合回路能产生热电势吗?,四、热电式传感器,2中间温度定律,热电偶A、B在接点温度t，t0时的热电势等于该热电偶在接点温度t，tn与tn，t0时的热电势之和。,如tn为变值，而测得eAB(t，tn)后，将eAB(t