传感器技术概述 ppt课件

1、第一章第一章 传感器技术概述传感器技术概述1. 1. 传感器定义传感器定义传感器传感器将被丈量按一定规律转换成便于运用的某种物将被丈量按一定规律转换成便于运用的某种物 理量的安装。理量的安装。被丈量被丈量电量电量 目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因此从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的安装。2.2.传感器的作用传感器的作用传感器类似于人的觉得器官，是人类感官的延伸。作用：将被丈量转换成电信号,传送给测试系统中的后续环节。人体系统与机器系统的对应关系鼓励安装传感器被测对象信号调理反响、控制显示纪录信号处置察看者复杂测试系统(振动丈量) 简单测试系统(红外体温) 3. 3.

2、 传感器的构成传感器的构成1组成：振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻 2原理 ：振膜一次敏感元件电容器敏感元件分类法分类法型式型式说明说明按被测量按被测量种类种类位移、温度、压力、流量这种分类便于传感器的管理按工作原按工作原理分类理分类应变式、电容式、电感式、压电式、光电式以传感器对信号转换的原理命名按被测量按被测量转换特征转换特征（构成原（构成原理）理）结构型，如电容式，电阻应变片；通过改变传感器元件的参数实现信号转换。物性型，如压电式，水银温度计，双金属片依靠敏感元件本身物理性质随被测量变化实现信号转换。按能量传按能量传递方式递方式能量控制型，如RLC式传感器输出能量由外部供给，但受被测量

3、控制。能量转换型，如热电偶温度计传感器输出量直接由被测量能量转换而得。按输出量按输出量模拟式输出量为模拟信号数字式输出量为数字信号4.分类分类 ：5 .传感器选用原那么传感器选用原那么 1.灵敏度：传感器的灵敏度越高，可以感知越小的变化量， 即被丈量稍有微小变化时，传感器即有较大的输出。 2.线性范围：线性范围愈宽，那么阐明传感器的任务量程愈大。 3.呼应特性：在所测频率范围内尽量坚持不失真。 4.稳定性：经过长期运用以后，其输出特性不发生变化的性能。 影响传感器稳定性的要素是时间与环境。5.准确度:表示传感器的输出与被丈量的对应程度。 传感器准确度愈高，价钱越昂贵，因此应从实践出发来选择。

4、6.其它选用原那么 6. 传感器技术的运用 1、日常生活 在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的运用在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的运用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器：全自动洗衣机中的传感器：衣物分量传感器，衣质传衣物分量传感器，衣质传感器，水温传感器，水质感器，水温传感器，水质传感器，洗净度传感器传感器，洗净度传感器, 液位传感器，电阻传感器液位传感器，电阻传感器(衣物烘干检测衣物烘干检测)。指纹传感器指纹传感器温湿度传感器温湿度传感器温度传感器温度传感器透光率传感器透光率传感器1产质量量丈量 在汽车、

5、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必需对其在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必需对其性能质量进展丈量和出厂检验。性能质量进展丈量和出厂检验。 2 2、机械行业、机械行业 机床加工精度丈量机床加工精度丈量汽车扭距丈量汽车扭距丈量2新产品开发广州中鸣数码的机器狗广州中鸣数码的机器狗转动转动/挪动位置传感器、力传感器、挪动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近间视觉传感器、听觉传感器、接近间隔传感器、触觉传感器、热觉传感隔传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。器、嗅觉传感器。3自动控制香港理工香港理工AGV自动送货车模型自动送货车模型石化企业输石化企业输油管道、

6、储油管道、储油罐等压力油罐等压力容器的破损容器的破损和泄露检测。和泄露检测。4缺点诊断5其他运用其他运用航天航天农业农业交通交通医疗医疗第二章第二章 传感器的根本特性传感器的根本特性1、理想定常线性系统输入输出关系：)()(.)()()()(.)()(0111101111txbdttdxbdttxdbdttxdbtyadttdyadttydadttydammmmmmnnnnnn在静态丈量时，Sxxaby00理想定常线性系统呈单调、线性比例的关系，即输入、输出关系是一条理想的直线，斜率为常数。一、静态特性：在静态丈量情况下描画实践测试系统与理想定一、静态特性：在静态丈量情况下描画实践测试系统与理

7、想定常线性系统的接近程度 。2、实践测试系统输入输出之间的关系 实践测试系统是非理想定常线形系统，输入输出之间的关系是经过实验方法测到的，通常是一条曲线定度曲线。3、描画静态特性的参数1非线性度：定度曲线与拟合直线的接近程度。非线性度常用百分数表示%100AB拟合直线确实定，常用的主要有两种：端基直线和独立直线。 1端基直线是指经过丈量范围的上下限点的直线。显然用端基直线来替代实践的输入、输出曲线，其求解过程比较简单，但是其非线性度较差。 2独立直线是指使输入与输出曲线上各点的线性误差 最小的直线。2iB2灵敏度 xyS作用：用来描画测试系统对输入信号变化的一种反响才干。 1、对于定常线性系统

8、，其灵敏度恒为常数。 2、实践的测试系统，灵敏度为定度曲线上该点处切线的斜率。3、量纲：取决于输入和输出量的单位。3分辨力：测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量。 通常是以最小单位输出量所对应的输入量来表示。数字测试系统输出显示系统的最后一位模拟测试系统输出指示标尺最小分度值的一半即回程误差%100maxAhi4回程误差：同一输入量的两条定度曲线之差的最大值 与标称的输出范围A之比。maxih5.漂移：指测试系统在输入不变的条件下，输出随时间而变化 的趋势。 产生缘由：仪器本身构造参数的变化； 周围环境的变化如温度、湿度等对输出的影响。最常见的漂移是温漂，即由于周围的温度变化而引起输出的变

9、化。 进一步引起测试系统的灵敏度和零位发生漂移。 零点漂移灵敏度漂移0yyx0yx0二、传感器的动态特性 传感器的动态特征是指在输入量随时间变化时,测试系统对输入信号的呼应特性。1、动态特性的描画方法1时域微分方程) t (xbdt) t (dxb.dt) t (xdbdt) t (xdb) t (yadt) t (dya.dt) t (ydadt) t (yda011m1m1mmmm011n1n1nnnn在初始条件为零的前提下，定义传送函数其中s为复变量，sj特点：特点：2传送函数( )Hs 只反映系统本身的输出特性,与输入和初始形状无关。 只反映系统的传输特性,与系统详细的物理构造无关。

10、分母中的最高次幂n代表系统微分方程的阶数。( )H s( )H s( )H s011n1nnn011m1mmmasasasabsbsbsb) s (X) s (Y) s (H求法：对系统的微分方程作拉普拉斯变换求得。求法：对系统的微分方程作拉普拉斯变换求得。例1：求一阶系统的传送函数，系统微分方程为( )( )( )dy ty tx tdt例2：求振动系统的传送函数。22( )( )( )( )d y tdy tmcky tx tdtdt3频率呼应函数()H在初始条件为零的前提下，定义频率呼应函数( )( )( )YHX求法：求法： 即得sj(1)假设知 ,那么在 中，令 sj，将其代入( )

11、H( )H s( )H s(2)假设知微分方程，作傅里叶变换，那么()()()YHX(3)用实验方法求得：在初始条件全为零的条件下，同时测得输入和输出，由其傅里叶变换求得。物理意义：描画了系统的频率特性。)()()()()()()()()()(jjjjeAeXYeXeYXYHxyxy)(A系统的幅频特性)(系统的相频特性 描画系统的简谐输入和其稳态输出的关系，不包含瞬态呼应信息。)(H例1:知系统的频率呼应函数 ，求其幅频特性和相频特性及作图。jH11)(例：设 ， ，txtx00cos)(jH11)(求系统的稳定输出。4脉冲呼应函数系统的输入为单位脉冲函数,即 时，系统的输出即为脉冲呼应函数

12、 。)()(ttx)(th它是对测试系统动态特性的时域描画。系统的动态系统的动态特性描画特性描画频域频率呼应函数)(H复数域传送函数)(sH时域脉冲呼应函数)(th拉普拉斯变换对傅里叶变换对h(t)H(s)H()傅里叶变换拉普拉斯变换s=j传送函数、频率呼应函数、脉冲呼应函数的关系：二、环节的串联和并联任何高阶系统均可看成假设干个一阶系统或二阶系统的串联或并联。1.环节的串联两个传送函数分别为 和 的环节串联，假设它们之间没有能量交换，在初始条件为零的情况下，串联后的系统传送函)(1sH)(2sH数为：)()()()()()()()()(21sHsHsZsYsXsZsXsYsH假设系统由n个环

13、节串联而成，其传送函数为niisHsH1)()(相应地，系统的频率呼应为niiHH1)()(其幅频特性：相频特性：niiAA1)()(nii1)()(2.环节的并联系统总输出为)()()()()()()()(2121sHsHsXsYsYsXsYsH假设系统由n个环节并联而成，其传送函数为niisHsH1)()(系统的频率呼应为niiHH1)()(3.负载效应：实践情况下各环节相联时，后环节总是成为前环节的负载，环节间总是存在着能量交换和相互影响，以致系统的传送函数不再是各组成环节传送函数的叠加或相乘。某系统由于后接另一系统而产生的种种景象。VER1R2Rm三、 实现不失真测试的条件 一、不失真

14、传输测试系统)(tx)(ty)(tx)(ty0t)()(00ttxAty当输出信号为 时，系统就实现了不失真传输。二、不失真测试条件)(tx输入为)()(00ttxAty，输出为傅里叶变换可得：0)()(0tjeXAY系统的频率呼应为00)()()(tjeAXYH幅频特性：0)(AA相频特性：0)(t测试系统不失真测试的条件。0)(A0A0t)(0思索题：假设系统问此系统能否满足不失真测试条件？0)(AA0)(例1:知系统的幅频特性和相频特性如图，对于输入，求输出 ，判别能否失真。)(tytttx21coscos)(10)(A0t)(02101t02t10)(A)(04例2:知系统的输入ttt

15、x21coscos)(，判别能否失真。例3:知系统的输入ttx0cos)(，判别能否失真。电阻式传感器电阻式传感器一、变阻式传感器一、变阻式传感器 lRAlRk xldRSkdxRkdRSkd1.构造：2.丈量电路：不思索外接电路影响时：思索外接电路影响时：00yxppUUURxRx01(1)ypppUUxRxxRx3.特点：(1)构造简单、运用简便、稳定性好。 (2)分辨力低，受电阻丝直径的限制。适宜大位移的丈量。 (3)噪声大。 二、电阻应变式传感器二、电阻应变式传感器 1.构造：丝式、箔式、金属膜片2.任务原理：基于金属的电阻应变效应。假设金属丝的长度为L，截面积为S，电阻率为，其未受力

16、时的电阻为R，那么:lRA假设金属丝沿轴向方向受拉力而变形， dRdLdAdRLA(12)(12)dRdR灵敏度：0/(12)dRRS3.特点：金属应变片的灵敏度较低，但其温度稳定性好，可用于对精度要求较高的丈量。三、压阻式传感器三、压阻式传感器 (12)dRddR 1.原理：压阻效应原理：压阻效应LLdE 灵敏度：灵敏度：0/LdRRSE两种应变片在任务原理上的区别：两种应变片在任务原理上的区别：金属应变片金属资料受力后几何变形电阻的相对变化半导体应变片半导体资料受力后电阻率变化电阻的相对变化2.特点：特点：优点：灵敏度高，分辨率高，横向效应，机械滞后小。缺陷：温度稳定性差，在较大应变下，非

17、线性误差大。3.类型：半导体应变式传感器、分散型压阻式传感器类型：半导体应变式传感器、分散型压阻式传感器三、应变片的运用三、应变片的运用1.直接测定构造的应变或应力。2.作为传感器的丈量参数。四、转换电路四、转换电路 应变 电压或电流的变化RR4.4 4.4 电感式传感器电感式传感器 一、可变磁阻式传感器一、可变磁阻式传感器 按构外型式变气隙式螺管式变面积式线圈自感量为2mNLR当气隙较小，且不思索磁路的铁损时，总磁阻311100330022mllRAAAA于是，2002NAL1.变气隙式：变气隙式：灵敏度20022NAS 常数特点：灵敏度高，线性误差小，适于测小位移。2.变面积式变面积式灵敏

18、度202NS常数特点：线性度好，量程大，但灵敏度较低。3.螺管式螺管式当铁芯在线圈中运动时，将改动磁阻，使线圈自感发生变化。 特点：灵敏度低，但丈量范围大，适用于较大位移丈量。 4.差动式差动式x2L1L5.丈量电路丈量电路:交流电路交流电路二、电涡流式传感器二、电涡流式传感器原理：利用金属体在交变磁场中的涡流效应。按电涡流在导体 内的贯穿情况高频反射式低频透射式1.高频反射式高频反射式可以作为位移、振动丈量，也可进展材质鉴别或探伤、测温度等。2.低频透射式低频透射式适于丈量金属资料的厚度。3.特点：构造简单，安装方便，灵敏度高，抗干扰才干强。特点：构造简单，安装方便，灵敏度高，抗干扰才干强。

19、4.运用运用电感式纸页厚度丈量仪原理图 三、差动变压器式传感器三、差动变压器式传感器原理：利用电磁感应中的互感景象。1.互感景象互感景象dtdiMe1122.差动变压器式传感器差动变压器式传感器(1)构造变气隙式变面积式螺管式1i1W12e2W(2)原理原理(3)特点：精度高，线性范围大，稳定性好。特点：精度高，线性范围大，稳定性好。0u2W1W21eeey2e1e4.5 电容式传感器电容式传感器一、任务原理一、任务原理AAC00为真空介电常数，mF /10854. 8120分类变 面积变化型A变 介量变化型变 极距变化型1.极距变化型极距变化型C0C与 成反比关系。02AdCCKd 常数灵敏

20、度为 运用时，减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量C与极距呈非线性关系，将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规定丈量范围实践运用中常采用差动方式，可使灵敏度提高一倍。特点：灵敏度高，有线性误差，适于小位移丈量。2.面积变化型面积变化型(1)直线位移型直线位移型假设两极板间相互覆盖长为 ，宽为 ，覆盖面积为 xbbxAbxC0那么电容灵敏度0bS 常数(2) 角位移型角位移型 假设覆盖面积对应的中心角为 ，极板半径为r ，覆盖面积为 220rC 那么电容灵敏度202rS 常数22rA (3)圆柱体线位移型圆柱体线位移型 动板左右挪动时， ， xdDA22dD)/ln(21/) 1/(2/ )

21、(2000dDxdDxdDdDxdDC那么电容灵敏度02ln(/ )SD d 常数(4)差动圆柱体线位移型差动圆柱体线位移型 动板上下挪动时，上下两个电容量一增一减。特点：线性关系好，量程大；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丈量。 3.介电常数变化型介电常数变化型 (1)测厚度、位移介质层的温度、湿度、厚度变化时， 变化，从而引起 变。 C(2)测液面高度二、丈量电路被丈量电容变化电压、电流、频率变化1.交流电桥2.运算放大器电路：可处理极距变化型电容传感器的非线性 问题。ACx0AuCuCCuxy00000三、电容传感器特点与运用三、电容传感器特点与运用 1.优点

22、:(1) 输入能量小而灵敏度高。(2)信噪比大，稳定性好。(3) 动态特性好，可用于动态丈量。(4) 能量损耗小。(5)构造简单，顺应性好。2.缺陷:(1)极距变化型，非线性大。 (2)电缆分布电容影响大。 处理方法：利用丈量电路。 处理方法：利用集成电路；采用屏蔽电缆。3.运用举例(1)电容式测厚仪 (2)电容式转速传感器 4.6 压电式传感器压电式传感器 任务原理是以某些物质的压电效应为根底。既可将机械能电能，又可将电能机械能。一、压电效应一、压电效应 1.压电效应：2.逆压电效应电致伸缩效应：逆压电效应电致伸缩效应：施加电场，这些物质就在一定方向上产活力械变形或机械应力，当外电场撤去时，

23、这些变形或应力也随之消逝。 假设在这些物质的极化方向时，在外表上将产生电荷；当外力去掉后，又重新回到不带电形状的景象。某些资料，当沿着一定方向对其加力而使其变形二、压电资料及其特性二、压电资料及其特性具有压电效应的敏感功能资料叫压电资料。 常用的压电资料：压电单晶体、压电陶瓷、新型压电资料1.压电单晶体石英压电单晶体石英( ) 、铌酸锂、铌酸锂( ) 2SiO3LiNbO2.压电陶瓷压电陶瓷钛酸钡、锆钛酸铅特点：压电常数大，灵敏度高，价钱低廉。3.新型压电资料新型压电资料 在压电晶片的两个任务面上进展金属蒸镀，构成金属膜，因此就构成一个电容器。其电容量为三、等效电路三、等效电路 0aAC 电荷等效电路电压等效电路压电式传感器适宜作动态丈量。四、压电元件常用的构造方式四、压电元件常用的构造方式串联 并联适宜以电压作为输出的场所。适宜丈量缓变信号和以电荷量作为输出的场所。五、运用五、运用压电式压力传感器 压力变送器压力变送器加速度计加速度计力传感器力传感器 产品产品:压电资料换能器压电资料换能器4.7 4.7 磁电传感器磁电传感器 包括磁电感应传感器、霍尔传感器。 一、磁电感应传感器一、磁电感应传感器(感应式传感器、电动传感器感应式传感器、电动传感器) 根据法拉第电磁感应定律，线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中会产生的感应电动势 deNdt