传感器和调理技术

1、关于传感器与调理技术第1页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四2.1 虚拟仪器常用传感器21世纪的社会是信息社会。现代信息技术包括三大组成部分： 传感器技术信息采集 通信技术-信息传递 计算机技术信息处理传感器技术位于信息技术之首。 第2页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四传感器 给我们的生活带来了便利和帮助第3页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四2.1.1 传感器概述 传感器（Sensor）：能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和装置。包含的概念它是由敏感元件和转换元件构成的检测装置； 能按一定规律将被测量转换成

2、电信号输出； 传感器的输出与输入之间存在确定的关系。按使用的场合不同又称为:变换器、换能器、探测器。1.传感器的定义第4页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四2.传感器的组成传感器由敏感元件、转换元件、测量电路三部分组成。敏感元件 转换元件 测量电路 电量输出被测量 敏感元件感受被测量; 转换元件将响应的被测量转换成电参量; 测量电路（信号调节与转换电路）将传感元件输出的微小的电信号变换成便于显示、记录、处理和控制的能直接利用的电信号。 。第5页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四3.传感器分类传感器分类方法较多,大体有以下2种：按传感器的工作原理分类 如：

3、应变式传感器 电容式传感器 压电式传感器按被测参数分类 如：温度传感器 压力传感器 位移传感器第6页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四4.传感器技术的作用和地位 传感器广泛用于工业、农业、商业、交通、环境监测、医疗诊断、军事科研、航空航天、现代办公设备、智能楼宇和家用电器等领域。是构建现代信息系统的重要组成部分。第7页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四机械手、机器人中的传感器 转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。 密歇根大学的机械手装配模型广州中鸣数码的机器狗第8页，共95页，202

4、2年，5月20日，21点6分，星期四AGV自动送货车 超声波测距传感器、判断建筑物内人和物所在位置；红外线色彩传感器运动轨迹和AGV小车位置识别；条形码传感器，货品识别。香港理工AGV模型第9页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四循迹小车第10页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四产品质量测量 在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。 图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。汽车扭距测量机床加工精度测量第11页，共95页，

5、2022年，5月20日，21点6分，星期四楼宇控制与安全防护 4、 为使建筑物成为安全、健康、舒适、温馨的生活、工作环境，并能保证系统运行的经济性和管理的智能化。在楼宇中应用了许多测试技术，如闯入监测、空气监测、温度监测、电梯运行状况。 图示为某公司楼宇自动化系统。该系统分为：电源管理、安全监测、照明控制、空调控制、停车管理、水/废水管理和电梯监控。烟雾传感器亮度传感器红外人体探测器第12页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四其他应用 航天农业交通医学第13页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四5.传感器发展趋势 目前传感器总的发展趋势是 : （1）新材料的

6、开发和应用； （2）新工艺、新技术的应用；（3）新的效应的应用；（4）传感器的集成化； （5）传感器的多维化； （6）传感器的多功能化； （7）传感器的智能化。 第14页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四有人说：征服了传感器 几乎就征服了科学技术。第15页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四2.1.2 应变式传感器高精度电子汽车衡广泛应用于：第16页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四1. 工作原理应变效应：当导体或半导体在外界力的作用下发生机械变形时，其电阻值相应发生变化，这种现象称为应变效应。第17页，共95页，2022年，5月20日

7、，21点6分，星期四应变效应当电阻丝受到拉力F作用时, 将伸长L, 横截面积相应减小S, 电阻率将因晶格发生变形等因素而改变, 故引起电阻值相对变化量。第18页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四应变效应式中L/L是长度相对变化量, 用应变表示 S/S为圆形电阻丝的截面积相对变化量, 即 又由材料力学可知，在弹性范围内电阻丝材料的泊松比第19页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四电阻丝的灵敏系数电阻丝的灵敏系数：把单位应变能引起的电阻值变化称为电阻丝的灵敏度系数。其物理意义是单位应变所引起的电阻相对变化量， 其表达式为：第20页，共95页，2022年，5月2

8、0日，21点6分，星期四工作原理说明演示实验第21页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四2. 应变片的基本结构与种类 金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层和引线等部分组成。 敏感栅是应变片的核心部分，它粘贴在绝缘的基片上，其上再粘贴起保护作用的覆盖层，两端焊接引出导线。金属电阻应变片的敏感栅有： 丝式箔式第22页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四金属丝式应变片 金属电阻丝应变片的基本结构 1-基片；2-电阻丝；3-覆盖层；4-引出线 其灵敏度系数多在1.73.6之间第23页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四金属箔式应变片 箔式应变片结构在绝

9、缘基底上，将厚度为0.0030.01mm电阻箔材，利用照相制板或光刻腐蚀的方法，制成适用于各种需要的形状。 第24页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四3. 电阻应变片的测量电路 由于机械应变一般都很小，要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来，同时要把电阻相对变化R/R转换为电压或电流的变化。需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路。 直流电桥 交流电桥 第25页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四直流电桥 直流电桥的平衡条件 负载RL（开路）当电桥平衡时, Uo=0, 则有 R1R4 = R2R3 或这说明欲使电桥平衡, 其相邻两臂电阻的

10、比值应相等, 或相对两臂电阻的乘积相等。第26页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四 电压灵敏度设R1为应变片，应变时R1变化量为R1，这时电桥失衡，不平衡输出电压为： 设桥臂比n = R2/R1第27页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四电压灵敏度讨论 由第28页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四差动电桥电压灵敏度 差动电桥可补偿非线性误差，而且电桥电压灵敏度KU比单臂工作时提高, 同时还具有温度补偿作用。电压灵敏度是单片的 4 倍电压灵敏度是单片的 2 倍第29页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四差动应变实验第30

11、页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四4. 应变式传感器的应用电阻应变式传感器按用途不同可分为： 应变式测力（称重）传感器 应变式压力传感器 应变式位移传感器 应变式加速度传感器 等几类第31页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四应变式传感器的应用主要体现在两个方面将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应变和应力。将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。这种传感器常用来测量力、位移、加速度等物理参数。第32页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（1）应变式传感器测力第33页，共95页，2022年，5月20日，21点6分

12、，星期四应变式传感器测力演示第34页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（2）应变式压力传感器Phr0圆形金属膜片径向应变切向应变R1 R20.58rR3 R4膜片式压力传感器第35页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（3）应变式加速度传感器 1质量块 2等强度梁 3壳体 4电阻应变片第36页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（4）应变式传感器测桥梁固有频率测量第37页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四南京长江二桥通车应变试验第38页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四2.1.3 电容式传感器电容式

13、传感器是把被测量的变化转换成电容量变化的一种传感器。传统电容式传感器主要用于位移、振动、角度、加速度等机械量精密测量。现逐渐应用于压力、压差、液面、成份含量等方面的测量。第39页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四各种电容式传感器电容式接近开关电容式指纹传感器电容式变送器差压传感器第40页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四1. 电容式传感器工作原理和类型由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，如果不考虑边缘效应，其电容量为： A 极板相对覆盖面积d 极板间距离r相对介电常数0真空介电常数 电容极板间介质的介电常数 dA第41页，共95页，2022年

14、，5月20日，21点6分，星期四电容传感器的结构类型变极距型传感器第42页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四变面积式电容传感器平面线位移型+柱面线位移型.角位移型.第43页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四变介质型传感器第44页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四(1)变极距型电容传感器 当传感器的r和A为常数, 初始极距为d0时, 其初始电容量C0为:第45页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四变极距型电容传感器若电容器极板间距离由初始值d0缩小d，电容量增大C，则有:电容传感器的灵敏度：电容的相对容量为:第46页，

15、共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四变极距型差动结构差动结构的电容特征方程式为：dd上静片下静片动片电容总的变化量为：略去高次项：电容传感器的灵敏度：第47页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（2）变面积型电容传感器当动极板相对于定极板沿着长度方向平移时，其电容变化量化为第48页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（3）变介电常数型电容式传感器当某种介质在两固定极板之间运动时，电容量与介质参数之间的关系为：rdD动片变介电常数式电容传感器分几种情况： 测介电常数 测厚度d第49页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四变介电常

16、数的两种类型d为运动介质的厚度，d保持不变，改变介电常数， 可作为介电常数的测试仪器。第50页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四2. 电容式传感器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测量电路。测量电路主要有：运算放大电路二极管双T型交流电桥脉冲宽度调制电路等第51页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（1）运算放大器式电路最大特点：能克服变极距型电容传感器的非线性. Cx是传感器电容C是固定电容u0是输出电压信号 uCCxu0A第52页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（2）二极管双T型电路e是高频电源,

17、它提供幅值为Ui的对称方波D1、D2为特性完全相同的两个二极管R1 = R2 = RC1、C2为传感器的两个差动电容，当传感器没有输入时,C1=C2 工作原理分析：e为正半周 e为负半周第53页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四双T型电路工作原理若传感器输入不为 0, 则C1C2, 那么I1I2, 此时RL上必定有信号输出, 其输出在一个周期内的平均值为式中f为电源频率。 当RL已知（常数）则：当电源电压确定后, 输出电压Uo是电容C1和C2的函数 第54页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（3）脉冲宽度调制电路QBQD2D1 AR2R1FGC1C2A2

18、A1uABUr双稳态触发器A1、A2为比较器C1、C2为差动式电容传感器电阻R1=R2D1、D2为特性完全相同的两个二极管当差动电容器的C1=C2时, 其平均电压值为零。T1、T2C1、C2充放电至Ur所需时间U1触发器输出的高电位第55页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四脉冲宽度调制电路工作原理由于由电路知识可知C1、C2的充电时间将T1、T2代入上式 得结论：输出的直流电压与传感器两电容差值成正比。第56页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四3. 电容式传感器的应用 电子技术的发展，解决了电容式传感器存在的许多技术问题，使电容式传感器不但广泛应用于精确

19、测量位移、厚度、角度、振动等物理量，还应用于测量力、压力、差压、流量、成分、液位等参数，在自动检测与控制系统中也常常用来作为位置信号发生器。 第57页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四电容式差压传感器差动型凹玻璃圆片弹性膜片(动电极)固定电极P(1) 电容式压差传感器P弹性膜片(动电极)固定电极电容式压力传感器单只变间隙型第58页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四 当PH=PL时，中心膜片处于平直状态，膜片两侧电容均为C0；当PHPL时，中心膜片上凸，上部电容为CL，下部电容为CH。CH 相当于当前膜片位置与平直位置间的电容CA和C0的串联；而C0又可看

20、成是膜片上部电容CL与的CA串联。hmaxd0CACLCHC0PHPL第59页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（2）电容测厚仪 电容测厚仪用于测量金属带材在轧制过程中的厚度变化。 带材是电容的动极板，总电容C1+C2作为桥臂。 带材只是上下波动时Cx=C1+C2总的电容量不变；带材的厚度变化使电容Cx变化。 第60页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（3）电容式料位计传感器的静电电容可由下式表示:式中: k比例常数; s被测物料的相对介电常数 ； 0空气的相对介电常数; D储罐的内径; d测定电极的直径; h被测物料的高度。测定电极安装在金属储罐的顶部

21、，储罐的罐壁和测定电极之间形成了一个电容器。第61页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（4）电容式接近开关振荡电路被测物体感应电极被测电容测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。第62页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四2.1.4 压电式传感器压电式传感器是一种典型的发电型传感器，以电介质的压电效应为基础，外力作用下在电介质表面产生电荷，从而实现非电量测量。 压电式传感器可以对各种

22、动态力、机械冲击和振动进行测量，在声学、医学、力学、导航方面都得到广泛的应用。第63页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四压电式传感器应用概述压电陶瓷位移器压电陶瓷超声换能器压电秤重浮游计压电加速度计压电警号第64页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四1. 压电式传感器的工作原理压电效应 某些物质在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生改变时，其表面上会产生电荷，若将外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象就称为压电效应(正)。 在压电材料的两个电极面上，如果加以交流电压，那么压电片能产生机械振动，即压电片在电极方向上有伸缩的现象，压电材料的这种现象称为

23、电致伸缩效应，也叫逆压电效应。第65页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四压电效应说明当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变第66页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四压电材料压电材料:具有压电效应的材料称为压电材料。压电材料能实现机电能量的相互转换,如图所示：压电材料分为两大类: 压电晶体和压电陶瓷 。压电元件机械能电能第67页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（1）石英晶体压 电 晶 片按特定方向切片人工合成水晶石英晶体是最常用的压电晶体之一第68页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四石英晶体的压电效应石英晶体它

24、理想的几何形状为正六面体晶柱，如图 在晶体学中可用三根互相垂直的晶轴表示，其中纵向轴Z称为光轴；经过正六面体棱线且垂直于光轴的x轴称为电轴；与x轴和z轴同时垂直的y轴称为机械轴。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”，把沿机械轴y轴方向的力作用下产生电荷的压电效应，称为“横向压电效应”。而沿z轴方向受力时不会产生压电效应。第69页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四表面电荷与外力关系压电元件受力后,表面电荷与外力成正比关系: d为压电系数 当在电轴x方向施加作用力时, 在与电轴垂直的平面上将产生电荷, 其大小为：d11x方向受力的压电系数qx垂直于x轴平

25、面上的电荷Fx沿电轴x方向施加的作用力第70页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四表面电荷与外力关系若在同一切片上, 沿机械轴y方向施加作用力Fy, 则仍在与x轴垂直的平面上产生电荷qy, 其大小为：d12y轴方向受力的压电系数，根据石英晶体轴的对称条 件d12= -d11a,b-晶体切片的长度与厚度电荷q x、 qy的符号由晶体受压还是受拉而决定当石英晶体沿z轴方向被压缩或被拉伸时，晶体沿x方向和y方向产生同样的变形，因此沿z轴方向施加作用力时，石英晶体不会产生压电效应，即d13=0。第71页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四石英晶体压电模型石英晶体的压

26、电效应示意图第72页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（2）压电陶瓷压电陶瓷与石英晶体不同，它是人工制造的多晶体压电材料。压电陶瓷在未进行极化处理时，不具有压电效应；经过极化处理后，它的压电效应非常明显，具有很高的压电系数，为石英晶体的几百倍。第73页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四电畴结构 电畴实质上是自发形成的小区域，每个小区域有一定的极化方向，从而存在着一定的电场，但由于电畴分布杂乱无章，如图所示。因此在没有外加电场的情况下，它们的极化作用被相互低消了。 上述情况下，压电陶瓷不会产生压电效应。 压电陶瓷具有与铁磁材料磁畴结构类似的电畴结构，如图所

27、示。第74页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四压电陶瓷极化处理所谓极化处理，就是给压电陶瓷加外电场，使电畴规则排列，从而具备压电性能。外加电场的方向即是压电陶瓷的极化方向，通常取沿z轴方向。外电场去掉后，电畴极化方向基本不变，剩余极化强度很大。所以，压电陶瓷极化后才具有压电特性，未极化时是非压电体。施加外电场时，电畴的极化方向发生转动，趋向外电场方向排列。外电场强度达到饱和程度时，所有的电畴与外电场一致。第75页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四压电陶瓷极化压电陶瓷的极化强度不恢复为零，而是存在着很强的剩余极化强度。此时，在与极化方向垂直的两端面将会出现

28、束缚电荷，一端面为正，另一端面为负，如图所示。由于束缚电荷的作用，在束缚电荷附近很快吸附一层来自周围外界的自由电荷，且束缚电荷与自由电荷多少相等，极性相反，因此压电陶瓷对外不呈现极性。第76页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四压电陶瓷的极化过程第77页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四压电陶瓷的电荷晶体极化后，沿极化方向（垂直极化平面）作用力时，引起剩余极化强度变化，在极化面上产生电荷，电荷量的大小与外力成正比关系。电荷密度：d33压电陶瓷的压电系数 d33 比d11、 d12大的多 所以压电陶瓷制作传感器灵敏度比压电晶体高第78页，共95页，2022年

29、，5月20日，21点6分，星期四（3）压电式传感器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。第79页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四2. 压电式传感器的等效电路和测量电路（1）压电式传感器的等效电路 当压电元件受到外力作用时，就会在受力纵向或横向表面上出现电荷，在一个极板上聚集正电荷，而在另一个极板上聚集等量的负电荷。因此压电传感器可以看作是一个电荷发生器，也是一个电容器。 若已知压电片面积为A，压电片厚度d，压电材料的相对介电常数r ，则其电容值为: Ca=第80页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四压电元件的等效电路压电传感器可以等

30、效为一个与电容相串联的电压源。 如图（b）所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为 压电元件电荷q的开路电压Ua可等效为电源与电容串联或等效为一个电荷源q和电容Ca并联。(b)电压源(a)电荷源第81页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四压电传感器的实际等效电路压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接, 因此还须考虑连接电缆的等效电容Cc, 放大器的输入电Ri, 输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra, 这样压电传感器在测量系统中的实际等效电路, 如图所示:第82页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四（2）压电式传感器的测量电路压电传感器本身的内阻抗很高，而输出能量较小，因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗的前置放大器，其作用为： 一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗； 二是放大传感器输出的微弱信号。 压电传感器的输出可以是电压信号，也可以是电荷信号，因此前置放大器也有两种形式： 电压放大器 电荷放大器第83页，共95页，2022年，5月20日，21点6分，星期四电压放大器下图（a）、（b）是电压放大器电路原理图及其等效电路（ Cc连接电缆的等效电容）（a）电压放大器电路 （b）等效电路图（b）中， 电