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文档简介
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传感器及检测技术绪论学习目标
了解检测技术与传感器的作用和地位。
了解检测系统的组成及各组成部分的作用。
了解检测技术与传感器的发展方向。了解本课程的内容、任务和学习方法。绪论随着现代科学技术的飞速发展,人类已进入了瞬息万变的信息时代。人们在各种生产、科学研究和社会活动中无处不涉及信息的交换和利用,如何迅速获取信息、正确处理信息和充分利用信息,直接影响到科学技术和国民经济的发展,因此世界各国纷纷加快了信息化建设步伐。绪论绪论人类是通过耳、眼、鼻、舌、皮肤这“五官”所具有的听、视、嗅、味、触觉功能来感知外界事物的。在工农业生产、科学研究和日常生活中,来自生产过程和自然界的各种信息是通过传感器进行采集的,通常人们把传感器比作人的“五官”,计算机比作人的大脑,执行器比作人的四肢,如图0-1所示。因此传感器是系统对外猎取信息的窗口。一、检测技术与传感器的作用和地位绪论一、检测技术与传感器的作用和地位绪论工业生产采用各种检测技术与传感器对生产全过程进行检查、监测,它是确保安全生产、保证产品质量、提高产品合格率、降低能耗和原材料消耗、提高劳动生产率和经济效应的重要手段。各种现代装备系统检测技术与传感器是其安全经济运行的重要保证,是其先进性和实用性的重要标志。检测系统的成本一般已达到所在装备系统总成本的50%~70%,甚至更高。自动控制系统传感器是不可缺少的组成部分。要实现自动化,只有通过传感器精确检测出被控对象的参数并转换成易于处理的信号,控制系统才能正常地工作。现代国防,工业飞机、潜艇、火箭、导弹等都装备了大量的传感器,检测技术水平越高,其性能就越好。医疗检查检测设备可大大地提高疾病的检查、诊断速度和准确性。绪论1.检测系统的组成框图检测系统的基本组成框图如图0-2所示。(一)检测系统的组成二、检测系统简介绪论2.检测系统的组成及功能检测系统由传感器、测量电路、输出单元及电源等组成。它们分别完成信息的获取、转换、显示和处理等功能。(一)检测系统的组成二、检测系统简介绪论传感器是一种以一定的精确度把被测量对象转换为另一种与之有确定对应关系,并且便于测量的量的装置。(二)传感器二、检测系统简介绪论测量电路是将传感器的输出信号转换成易于测量的电压或电流信号的电路。通常传感器输出信号是很微弱的,需经测量电路放大、处理后才能显示、记录。不同的传感器所要求的测量电路是不同的。(三)测量电路二、检测系统简介绪论输出单元包括显示、打印、记录装置、数据通信接口和控制执行器装置等。它使人们能了解检测数值的大小和变化,并能完成控制和保护操作等功能。(四)输出单元二、检测系统简介绪论随着时代的发展和现代化步伐的加快,人们对检测技术与传感器的要求越来越高。而科学技术,特别是微机电技术、大规模集成电路技术、新材料技术、计算机技术和网络技术等的不断进步,大大促进了检测技术与传感器的发展,主要表现在以下几方面:三、检测技术与传感器的发展趋势绪论(一)不断提高传感器检测水平开发新材料采用新技术新工艺传感器的集成化传感器的智能化仿生传感器发现新效应三、检测技术与传感器的发展趋势绪论(二)不断拓展测量范围,提高检测精度和可靠性随着科学技术的不断发展,对检测系统的性能要求,特别是精度、测量范围和可靠性指标的要求越来越高。如测高温,尽管目前已能研制和生产最高上限超过2800℃的热电偶,但测温范围一旦超过2500℃,其准确度将下降,而且极易氧化,严重影响测量的可靠性和使用寿命。三、检测技术与传感器的发展趋势绪论(三)推进新的检测方法:发展非接触法检测技术在检测过程中,把传感器置于被测对象上,可灵敏地感知被测量对象的变化,这种接触式检测方法直接、可靠,测量精度较高,但在某些情况下,传感器的装入会影响测量精度或根本不能装入传感器,这就要用非接触式检测。目前,已有光电传感器、电涡流传感器、超声波传感器、核辐射传感器等非接触式传感器得到了广泛的应用,今后将更快地发展非接触法检测技术,并改进和克服非接触法检测易受外界干扰及检测绝对精度较低等问题。三、检测技术与传感器的发展趋势绪论(四)实现检测系统智能化随着集成电路技术的快速发展,微处理器等电路的成本和价格不断下降,集成度和功能不断提高,为检测系统的智能化创造了有利的条件。智能化检测系统以计算机为中心,进行电量、非电量的多种测量;多输入通道的多点测量;在线动态实时测量;信号的分析处理、排除噪声干扰、消除偶然误差、修正系统误差等,以实现测量结果的高准确度和对被测信号的高分辨率。三、检测技术与传感器的发展趋势绪论(五)实现无线网络化以互联网为代表的计算机网络技术是20世纪计算机科学的一项伟大成果,它给人们的生活带来了深刻的变化,然而网络功能再强大,网络世界再丰富,也终究是虚拟的,与人们所生活的现实世界还是相隔的,在网络世界中,很难感知现实世界,很多事情还是不可能的。三、检测技术与传感器的发展趋势绪论四、本课程的内容、任务和学习方法本课程是机电一体化、自动控制、电气自动化、应用电子等专业的一门专业课程。要求学生能认识常用传感器,掌握其工作原理、输出特性、误差补偿,理解各种测量转换电路,了解传感器的典型应用等知识,达到能正确使用常用传感器的目的。PPT模板下载:/moban/
传感器及检测技术项目一检测技术与传感器的认知项目一检测技术与传感器的认知目录1任务一传感器的认知2任务二测量误差的认知及处理3任务三传感器的特性及选用认知项目一检测技术与传感器的认知学习目标能掌握检测技术与传感器的基本概念。能了解检测技术与传感器的作用、地位和发展方向。能掌握传感器的组成及各组成部分的作用。能掌握误差的基本概念,熟悉几种测量误差的定义和表示。能区分各种测量误差并进行处理。能掌握传感器的基本特性和传感器的选用原则。任务一传感器的认知一、传感器的定义根据国家标准(GB/T7665—2005)《传感器通用术语》,传感器(transducer/sensor感觉)的定义为:“能感受(或响应)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。传感器通常由直接响应于被测量的敏感元件和产生可用的输出信号的转换元件以及相应的电子线路所组成。”任务一传感器的认知二、传感器的组成传感器从字面上理解,具有一感二传的功能,即感受被测信息,再传送出去,因此,传感器由敏感元件和转换元件组成。但由于它的输出信号较弱,因此需要由后续的信号调节与转换电路进行放大或转换为容易传输、处理、记录和显示的信号。随着半导体和集成电路技术的发展,传感器的信号调节与转换电路往往直接安装在传感器的壳体里或与敏感元件、转换元件一起集成在同一芯片内,这样,传感器就由敏感元件、转换元件和转换电路组成。其组成框图如图1-1所示。任务一传感器的认知二、传感器的组成任务一传感器的认知敏感元件敏感元件是直接感受被测量、并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。它是传感器技术的核心,是设计和制作传感器的关键。转换元件转换元件是将敏感元件的输出量转换成电路参数量的元件。转换电路转换电路是将电参量转换成可直接利用的电信号的电路。需要说明的是有些被测非电量可直接变换为电参量,这时传感器中的敏感元件和转换元件就合二为一了。二、传感器的组成任务一传感器的认知三、传感器的分类传感器的种类繁多,即使同一种被测量也可以用不同类型的传感器来测量,如位置检测,可以用光电、磁电、电感、电容等多种传感器进行测量;而一种传感器又可测量多种物理量,如电容式传感器可用来测位移、压力、荷重、加速度等。因此,传感器的分类方法很多,常用的分类方法有:任务一传感器的认知按被测量分类按被测量分类,即按照传感器的输入信号分类,它能够很方便地表示传感器的功能,便于用户的使用。可以分为温度、压力、位移、转速、加速度、位置、湿度、气体浓度、流量、流速等传感器。按传感器的工作原理分类按传感器的工作原理可分为电阻式、电感式、电容式、磁电式、光电式、压电式、热电式、霍尔式、超声波、激光、光纤等传感器。按能量关系分类按能量关系分类,可分为能量转换型和能量控制型两类。按信号转换特征分类按信号转换特征分类,可分为结构型和物性型两类。结构型:通过传感器的结构参量发生变化实现信号变换。物性型:利用某些物质的某些性质随被测参数变化来实现信号变换。三、传感器的分类任务二测量误差的认知及处理一、测量的概念及方法测量是人们认识和改造客观世界的一种必不可少的重要手段。它是把被测未知量与同性质标准量进行比较,确定被测量对标准量的倍数,并用数字表示这个倍数的过程。测量的步骤包括比较、示差、平衡和读数四个步骤。以天平测量为例:①比较:被测量和标准量(砝码)分别放到天平两边秤盘上比较。②示差:观察指针位置的变化值,即示差。③平衡:调整砝码数值,使之平衡。④读数:根据砝码多少,读出物体质量的值,即读数。(一)测量的概念任务二测量误差的认知及处理一、测量的概念及方法(二)测量方法1.按测量手续分类(1)直接测量直接测量是用精度较高的设备直接对被测量进行测量并得到测量结果。例如:温度计测温、万用表测电压、卡尺测工件的长度等。(2)间接测量间接测量是在使用仪表进行测量时,首先对与被测量有函数关系的几个量进行测量,将测量值代入函数关系式,经过计算得到测量所需要的结果。(3)联立测量联立测量是被测量与多个元素有关,必须经过求解联立方程组才能得到最后的结果。任务二测量误差的认知及处理(二)测量方法一、测量的概念及方法2.按测量方式分类(1)偏差法偏差法是在测量过程中,用仪表指针的位移决定被测量的测量方法。(2)零位法零位法是在测量过程中,用已知的标准量去平衡或抵消被测量的作用,并用指零仪表的零位指示测量系统的平衡状态,在测量系统达到平衡时,用已知的基准量决定被测未知量的测量方法。(3)微差法微差法是零位法和偏差法的组合。将被测的未知量与已知的标准量进行比较,并取得差值后,再用偏差法测得此值。任务二测量误差的认知及处理(二)测量方法一、测量的概念及方法3.其他测量方法(1)接触测量和非接触测量接触测量是传感器或测量器具的测量头在一定测量力的作用下,与被测物体直接接触的测量法。非接触测量是传感器或测量器具的测量头与被测对象不发生机械接触的测量。(2)静态测量和动态测量静态测量是指在测量期间的被测量是恒定值的测量。动态测量是为了确定随时间变化的被测量的瞬时值而进行的测量。(3)被动测量和主动测量产品加工完成后的测量为被动测量;正在加工过程中的测量为主动测量。被动测量只能发现和挑出不合格品;而主动测量可通过测得值的反馈,控制设备的加工过程,预防和杜绝不合格品的产生。任务二测量误差的认知及处理(一)测量误差的基本概念1.测量误差测量误差是检测结果与被测量的客观真值之间的差值。2.真值真值是在确定的时间、地点和状态下,被测量表现出来的实际大小。真值是客观存在的,又是未知的。3.标称值标称值是计量或测量器具上标注的量值,如标准砝码上标出的1kg。4.示值示值是由测量仪器给出或提供的量值,也称测量值。二、测量误差的认知任务二测量误差的认知及处理二、测量误差的认知(一)测量误差的基本概念5.精确度(精度)精确度是测量结果中系统误差与随机误差的综合,表示测量结果与真值的一致程度。6.重复性重复性是在相同条件下,对同一被测量进行多次连续测量所得结果之间的一致性。7.误差公理误差公理是指一切测量都具有误差,误差自始至终存在于所有科学实验的过程之中。任务二测量误差的认知及处理(二)测量误差的来源1.测量装置误差测量装置误差包括传感器和测量仪器仪表的误差、标准件的误差以及装卡附件的误差。传感器和测量仪器仪表的误差如设计、制造误差;标准件的误差如标准量块、标准线纹尺、标准电池、标准电阻、标准砝码等所体现量值的误差;装卡附件的误差如装卡定位等造成的误差。2.测量方法误差测量方法不完善或测量所依据的理论公式本身的近似性引起的误差。二、测量误差的认知任务二测量误差的认知及处理(二)测量误差的来源3.环境误差各种环境因素与规定的标准状态不一致而引起的测量装置和被测量本身的变化所造成的误差。如温度、湿度、气压、振动、照明、电磁场等所引起的误差。4.人员误差测量人员因技术能力、工作疲劳、固有习惯等因素引起的误差。它的大小取决于测量人员的操作技能和其他主观因素。二、测量误差的认知任务二测量误差的认知及处理(三)测量误差的表示法1.绝对误差绝对误差Δx是指被测量的指示值x与真值x0之间的差值。
由于真值是未知的,实际应用时用标准表的测量值代替真值,称为实际值x0。绝对误差Δx=指示值x-实际值x0二、测量误差的认知任务二测量误差的认知及处理(三)测量误差的表示法2.相对误差相对误差γ是用绝对误差Δx与真值(实际值)x0比值的百分数来表示的。因被测量指示值x与真值x0接近,可近似用绝对误差与指示值的百分数来表示。二、测量误差的认知任务二测量误差的认知及处理(三)测量误差的表示法3.引用误差(或满度相对误差)引用误差γn是绝对误差Δx与仪器仪表量程xm比值的百分数。二、测量误差的认知任务二测量误差的认知及处理(三)测量误差的表示法4.最大引用误差最大引用误差γnm是最大绝对误差Δxm与仪器仪表量程xm比值的百分数。最大引用误差常被用来确定仪表的精度等级K,即二、测量误差的认知任务二测量误差的认知及处理三、测量误差的分类(一)按测量误差出现的规律分类1.系统误差在相同的条件下,多次重复测量同一量时,误差的大小和符号保持不变,或在条件改变时,遵循一定规律变化的误差。系统误差的产生原因是由测量仪器、量具本身制造、安装、调整或者是使用方法不当造成的。系统误差表明测量结果的准确度,即仪表指示值有规律地偏离真值的程度。系统误差越小,测量结果准确度越高。任务二测量误差的认知及处理(一)按测量误差出现的规律分类2.随机误差在相同的条件下,多次重复测量同一量时,误差的大小和符号均无规律变化的误差。随机误差的产生原因是由周围环境的随机因素引起的。随机误差的大小表明测量结果重复一致的程度,即分散性,通常用精密度表示。随机误差越大,测量结果越分散,精密度就越低。测量的精密度和准确度的综合反映,可用精确度(简称精度)来表示。三、测量误差的分类任务二测量误差的认知及处理(一)按测量误差出现的规律分类精密度、准确度和精确度三者的示意图如图1-2所示。三、测量误差的分类任务二测量误差的认知及处理(一)按测量误差出现的规律分类3.粗大误差粗大误差是明显歪曲测量结果的误差。粗大误差的产生原因是由于外界重大干扰、仪器仪表故障或人为因素等造成的。含有粗大误差的测量值称为坏值或异常值,应剔除。三、测量误差的分类任务二测量误差的认知及处理(二)按被测量与时间的关系分类测量误差按被测量与时间的关系可分为静态误差与动态误差两大类。1.静态误差静态误差是在被测量不随时间变化时测得的测量误差。2.动态误差动态误差是在被测量随时间变化过程中进行测量时所产生的附加误差。它的大小为动态中测量和静态中测量所得误差值的差值。三、测量误差的分类任务二测量误差的认知及处理四、测量误差的处理(一)系统误差的处理系统误差的特点是其出现的有规律性,因此对系统误差的处理可通过理论分析和实验方法来确定,采用修正值或补偿矫正的方法进行消除或减小。1.测量前采用的方法①从产生系统误差的来源上考虑,设法消除或尽量减小其影响。②采用修正方法来消除。在测量前,送计量部门鉴定或通过标准的仪器设备比对,得到修正值。任务二测量误差的认知及处理(1)交换法在测量中将引起系统误差的某些条件相互交换,而保持其他条件不变,使引起系统误差的因素对测量结果起相反的作用,从而抵消系统误差。(2)抵消法改变测量中的某些条件,使得前后两次测量结果的误差相反,取其平均值以消除系统误差。(3)替代法在测量条件不变的情况下,用已知量替换被测量,达到消除系统误差的目的。2.测量中采用的方法四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(4)对称测量法对称测量法用于消除线性变化的系统误差。事实上,很多随时间变化的系统误差,在短时间内均可看成线性变化的。复杂变化的系统误差,短时间内也可近似作为线性系统误差。因此,一切精密实验均可采用对称测量法。(5)补偿法在系统中采取补偿措施,自动消除系统误差。2.测量中采用的方法四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理存在随机误差的测量结果中,虽然单个测量值误差的出现是随机的,但就误差的整体而言是服从一定的统计规律的。因此通过增加测量次数,利用概率论的一些理论和统计学的一些方法,可以掌握看似毫无规律的随机误差的分布特性,并进行测量结果的数据统计处理。四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理1.概率和正态分布曲线(1)概率概率是描述某一事件或现象出现的客观可能性的大小。必然出现——概率=1;必然不出现——概率=0;可能出现的随机事件——概率=0~1。四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理例如:抛硬币:我们会发现出现正面和反面的可能性是一样的,即概率均为0.5。下面做一个试验,若现在为北京时间九点整,我们统计了全班48位学生的手表指示值(总数n=48),得到表1-1的数据。表中的频率为指示值或随机误差落在某个区间的相对次数。如果以随机误差δi为横坐标,频率ni/n为纵坐标,画出它们的关系曲线即为频率直方图,如图1-4所示。四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理(2)正态分布曲线当测量次数n→∞,测量误差Δδ→dδ时,无限多个直方图的顶点的连线就称为随机误差的正态分布曲线,如图1-5所示。四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理2.随机误差的特性多数随机误差服从正态分布规律,测量结果符合正态分布曲线。对正态分布曲线进行分析,也就发现了随机误差对于单次测量具有随机性,但当多次重复测量时,具有以下的特性:四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理(1)对称性绝对值相等、符号相反的误差在多次重复测量中出现的可能性相等,即正负误差出现的概率相同。(2)有界性绝对值很大的误差出现的概率趋于零,即误差有一定的实际限度。(3)抵偿性相同条件下,当n→∞时,随机误差的代数和等于零。(4)单峰性绝对值小的误差出现的概率大,绝对值大的误差出现的概率小。四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理3.算术平均值和标准误差(1)算术平均值四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理3.算术平均值和标准误差(2)标准误差四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理3.算术平均值和标准误差(3)算术平均值的标准误差四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理4.测量结果的正确表示和置信度具有随机误差的测量结果,可用算术平均值替代真值,并用标准误差给出可能范围。具体表示如下:四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理由理论计算可得:当K=1时,测量结果落在±σ(x-)范围内的概率为68.27%。当K=2时,测量结果落在±2σ(x-)范围内的概率为95.45%。当K=3时,测量结果落在±3σ(x-)范围内的概率为99.73%。四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(二)随机误差的处理四、测量误差的处理任务二测量误差的认知及处理(三)粗大误差的处理在测量数据中发现有异常数据时,一般从以下两方面来考虑:1.定性分析对测量设备、测量条件、测量步骤进行分析,看是否存在问题而引起出现异常数据。这种判断无严格规则,属于定性判断。2.定量判断用概率统计和误差理论知识建立的粗大误差判断准则为依据,进行定量判断,以确定该异常值是否应剔除。在工程上常用拉依达准则(3σ准则)来判断粗大误差。四、测量误差的处理任务三传感器的特性及选用认知一、传感器的特性(一)静态特性定义:当被测量不随时间变化或变化缓慢时,认为传感器与检测系统的输入量和输出量都与时间无关。这样确定的检测装置的性能参数称为静态特性。静态特性主要由以下性能指标来描述。任务三传感器的特性及选用认知(一)静态特性1.线性度线性度又称非线性度或非线性误差,是指实际输入输出特性曲线与拟合直线(理想直线)之间的最大偏差与传感器满量程输出值的百分比,如图1-7所示。线性度可用公式(1-13)表示:一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知(一)静态特性一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知(一)静态特性2.迟滞性迟滞性又称回差或滞后,表示传感器与检测系统在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输入输出特性曲线之间最大差值与传感器满量程输出值的百分比,如图1-8所示。迟滞性可用公式(1-14)表示:一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知(一)静态特性一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知(一)静态特性3.重复性重复性是指输入量按同一方向作全量程连续多次测试时,所得特性曲线最大不重复误差与传感器满量程范围值的百分比,如图1-9所示。重复性可用公式(1-15)表示:一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知(一)静态特性一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知(一)静态特性4.灵敏度灵敏度是指传感器与检测系统对被测量变化的反应能力。当输入量x有一个变化量Δx时,引起输出量y有相应的变化量Δy,则输入变化量与输出变化量之比称为灵敏度。灵敏度可用公式(1-16)表示:一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知(一)静态特性灵敏度的注意点:①灵敏度S是有量纲的。但若x与y是同类量时,S无量纲,为放大倍数K。②若系统是有多个环节组成的串联式系统,每个环节的灵敏度分别为S1、S2、S3,如图110所示,则系统总灵敏度为各个环节灵敏度的乘积,即S=S1S2S3。③灵敏度越高,测量精度越高,但测量范围越窄,稳定性越差。一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知(一)静态特性5.分辨率分辨率是指传感器能够检测出被测量的最小变化量,是有量纲的数。当被测量的变化小于分辨率时,传感器对输入量的变化无任何反应,对数字式仪表,该表的最后一位数值就是它的分辨率;一般模拟式仪表分辨率为最小刻度分格数值的一半。灵敏度越高,分辨率越好。一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知(一)静态特性6.测量范围与量程传感器所能测量的最大被测量称为测量上限,最小被测量称为测量下限。用测量上限和测量下限表示的测量区间称为测量范围。如某温度计测量范围为-20~+200℃。测量上限和测量下限的代数差称为量程。如上述温度计量程为220℃。一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知(一)静态特性7.稳定性稳定性是指传感器在较长时间内保持其原性能的能力。即对于相同输入量,其输出量发生变化的程度。一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知(一)静态特性8.漂移漂移是指在外界干扰的情况下,在一定的时间间隔内,传感器输出量发生与输入量无关的变化程度,包括时间漂移和温度漂移。时漂是指在规定的条件下,零点或灵敏度随时间的缓慢变化;温漂是指周围温度变化引起的零点或灵敏度的变化。一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知(二)动态特性动态特性是指传感器与检测系统的被测量随时间变化很快时,输出对输入的响应特性。其通常是用实验方法求得的。一、传感器的特性任务三传感器的特性及选用认知二、传感器的选用认知(一)传感器的选择要求由于传感器在原理与结构上千差万别,即使是测量同一物理量,也有多种原理的传感器可供选用。如何合理选用传感器,是应用时首先要解决的问题。一般传感器的选择应根据测量对象与测量环境,从测试条件与目的、传感器的性能指标、传感器的使用条件、数据采集和辅助设备配套情况,以及价格、备件和售后服务等多种因素综合考虑。任务三传感器的特性及选用认知(一)传感器的选择要求1.根据测量目的和测量对象确定传感器类型①测量目的是要直接得到被测量,作为过程控制量或是其他用途。②测量对象为固体还是液体;采用接触式还是非接触式传感器;静态测量还是动态测量;有无负荷效应及对被测量的影响;被测位置对传感器有无体积要求等。③测量环境包括安装现场条件、环境条件(温度、湿度和振动等)、过载保护、信号传输距离、与传感器连接的系统负荷阻抗情况等。二、传感器的选用认知任务三传感器的特性及选用认知(一)传感器的选择要求2.根据传感器技术指标确定传感器种类①静态特性要求,如测量范围、测量精度、灵敏度、分辨率、迟滞性和重复性等。②动态特性要求,如快速性和稳定性等。③信息传递要求,如形式和距离等。④过载能力要求,如机械、电气和热的过载能力。二、传感器的选用认知任务三传感器的特性及选用认知(一)传感器的选择要求3.根据测量系统要求确定传感器的种类①系统要求的信号形式,如实时与否,数字还是模拟等。②与传感器连接的负荷阻抗特性等。③传输和连接接口等。二、传感器的选用认知任务三传感器的特性及选用认知(一)传感器的选择要求4.根据使用环境确定传感器种类考虑温度、湿度、大气压力、振动、磁场、电场、附近有无大功率用电设备、加速度、倾斜、防火、防爆、防化学腐蚀以及是否有害于周围材料的寿命及操作人员的身体健康等。二、传感器的选用认知任务三传感器的特性及选用认知(一)传感器的选择要求5.电源的要求电源电压形式、等级、功率、波动范围、频率及高频干扰等。6.基本安全要求绝缘电阻、耐压强度及接地保护等。7.可靠性要求抗干扰、使用寿命、无故障工作时间等。二、传感器的选用认知任务三传感器的特性及选用认知(一)传感器的选择要求8.管理要求要求结构简单、模块化,有自诊断能力和故障显示等。9.购买与维修要求考虑价格、交货方式与日期、保修期限、售后服务和零配件供应等。二、传感器的选用认知任务三传感器的特性及选用认知(二)传感器的选用原则在现代社会,传感器得到了广泛应用。各类传感器性能技术指标很多,如果要求一个传感器具有全面良好的性能指标,不仅可能给设计、制造带来困难,而且在实际应用中也没有必要。因此应根据实际需要与可能,在确保主要指标实现的基础上,放宽对次要指标的要求,以达到高的性能价格比。传感器选用总的原则是:在满足检测系统对传感器所有要求的情况下,价格低廉、工作可靠、容易维修。二、传感器的选用认知任务三传感器的特性及选用认知(二)传感器的选用原则在具体选用传感器时,可按下列步骤进行:①借助传感器分类表,按被测量的性质,从典型应用中初步确定几种可供选用的传感器的类别。②借助常用传感器比较表,按被测量的范围、精度要求、环境要求等确定传感器类别。③借助传感器的产品目录、选型样本,最后查出传感器的规格、型号、性能和尺寸。二、传感器的选用认知PPT模板下载:/moban/
传感器及检测技术项目二速度检测项目二速度检测目录1任务一电涡流传感器用于转速检测2任务二汽车行车速度检测3任务三磁电式传感器用于转速检测4任务四光电传感器用于转速检测项目二速度检测学习目标能认识、了解检测速度的传感器器件,了解它们的特点和性能。能理解电涡流传感器的工作原理、测量电路及应用电路。能掌握霍尔传感器的工作原理和应用。了解磁电式传感器的工作原理和它的特点。能理解变磁通式和恒磁通式磁电传感器的工作原理和应用。掌握光电效应的三种类型和常用光电传感器的工作原理。掌握光电传感器的组成及理解光电传感器的应用电路。项目二速度检测在各种车辆的运转、机械设备的运行中,都需要对旋转轴的转速进行测量,转速一般以每分钟的转数来表达,单位为r/min。测量速度的方法很多,通常有霍尔传感器测速、电涡流测速、磁电感应测速、光电测速、光电编码器数字测速和测速发电机模拟测速等。这里介绍几种主要的转速测量方法。任务一电涡流传感器用于转速检测机械设备的运行中,有大量涉及转轴的转速测量。当被测对象是导电良好的金属物体时,一般可选用电涡流传感器进行测速。任务提出任务一电涡流传感器用于转速检测基于法拉第电磁感应原理,将块状金属导体置于变化的磁场中或在磁场中作切割磁力线运动时,导体内会产生呈涡旋状的感应电流,该电流称为电涡流。电涡流的产生必然要消耗一部分能量,使产生磁场的线圈阻抗发生变化的物理现象称为电涡流效应。电涡流式传感器就是利用电涡流效应,将非电量转换成阻抗的变化而进行测量的一种传感器。相关知识任务一电涡流传感器用于转速检测一、电涡流传感器外形结构和性能指标(一)电涡流传感器的外形任务一电涡流传感器用于转速检测(二)电涡流式传感器的结构一、电涡流传感器外形结构和性能指标任务一电涡流传感器用于转速检测(三)V系列电涡流传感器性能指标①线性距离:2~10mm。②精度:1.0%。③响应时间:5ms。④工作电压:15~30VDC。⑤输出电压:0.1VDC。⑥输出电流:≤5mA。⑦静态功耗:≤0.8W。⑧环境温度、湿度:-25~75℃、95%RH(25℃时)。⑨使用寿命:≥10000h。一、电涡流传感器外形结构和性能指标任务一电涡流传感器用于转速检测二、电涡流传感器的工作原理如图2-4所示,在金属导体上方放置一个线圈L,当线圈中通以电流I1·时,线圈的周围空间就产生了交变磁场H1,在金属导体内就会产生电涡流I2·,由I2·任务一电涡流传感器用于转速检测三、高频反射式电涡流传感器高频反射式电涡流传感器的结构如图2-3所示,在线圈前面放一块金属导体,电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是非接触磁性耦合。当高频电流施加在电感线圈上时,线圈产生的高频磁场作用于被测金属导体表面,形成电涡流,电涡流产生的磁场又反作用于线圈,从而改变了线圈的阻抗。线圈阻抗由线圈与金属导体的距离决定。通过测量线圈阻抗的变化就可确定电涡流传感器探头与金属板之间的距离。被测物的电导率越高,传感器的灵敏度越高。任务一电涡流传感器用于转速检测四、低频透射式电涡流传感器低频透射式电涡流传感器采用低频激励,贯穿深度较大,适合测量金属材料的厚度。其工作原理如图2-5所示。图中发射线圈L1和接收线圈L2分别位于被测金属板的两侧。当振荡器产生的低频电压u1加到线圈L1上时,在其周围产生一个交变磁场。若两线圈间无金属导体,则L1产生的磁力线能较多地穿过L2,在L2上产生的感应电压u2最大。任务一电涡流传感器用于转速检测四、低频透射式电涡流传感器任务一电涡流传感器用于转速检测五、电涡流传感器的测量电路(一)电桥测量电路电桥测量电路如图2-6所示,它是将传感器线圈的阻抗作为电桥的一个桥臂,或用两个相同的电涡流线圈组成差动形式。初始状态电桥平衡,无输出。当测量时,线圈阻抗A、B发生差动变化,电桥失去平衡,输出电压的大小反映了被测量的变化。任务一电涡流传感器用于转速检测(一)电桥测量电路五、电涡流传感器的测量电路任务一电涡流传感器用于转速检测(二)定频调幅测量电路定频调幅测量电路原理如图2-7所示。传感器线圈L和电容C并联组成谐振电路,由石英晶体振荡电路提供一个稳定的高频激励电流i。五、电涡流传感器的测量电路任务一电涡流传感器用于转速检测(三)调频式测量电路调频式测量电路原理如图2-8所示。传感器线圈接入LC振荡回路,当传感器与被测导体距离x改变时,由于电涡流的影响,L改变,将导致振荡器频率f=12πL(x)C跟随改变。该频率可由数字频率计直接测量或通过频率电压变换后,再由电压表测得。五、电涡流传感器的测量电路任务一电涡流传感器用于转速检测一、合理选择电涡流传感器旋转轴的转速测量,实际是检测电涡流传感器线圈与被测齿盘凹凸之间的间距的变化,根据电涡流式传感器的相关知识,可选用高频反射式电涡流传感器。任务一电涡流传感器用于转速检测二、正确使用电涡流传感器电涡流传感器测量旋转轴转速的工作原理如图2-9所示,它由输入盘、电涡流传感器和测量电路等组成。由软磁性材料做成的输入盘上开有键槽,在距离输入盘表面d处放置电涡流传感器,输入盘与被测旋转轴相连。(一)电涡流传感器测速原理任务一电涡流传感器用于转速检测二、正确使用电涡流传感器电涡流传感器测量旋转轴转速的工作原理如图2-9所示,它由输入盘、电涡流传感器和测量电路等组成。由软磁性材料做成的输入盘上开有键槽,在距离输入盘表面d处放置电涡流传感器,输入盘与被测旋转轴相连。(一)电涡流传感器测速原理任务一电涡流传感器用于转速检测二、正确使用电涡流传感器使用电涡流式传感器测距,传感器线圈仅为实际测试系统的一部分,另一部分是被测体,因此在使用时必须注意线圈与被测导体的关系。1.被测导体厚度的选择高频反射式电涡流传感器测距时,应使导体厚度远大于电涡流的轴向贯穿深度;低频透射式电涡流传感器测厚时,应使导体厚度小于电涡流的轴向贯穿深度。(二)电涡流传感器测速注意点任务一电涡流传感器用于转速检测二、正确使用电涡流传感器
2.励磁电源频率的选择低频透射式电涡流传感器测厚时,由于电涡流的贯穿深度t符合下式:(二)电涡流传感器测速注意点任务一电涡流传感器用于转速检测二、正确使用电涡流传感器3.被测导体材料与大小的确定线圈阻抗变化与导体的电导率、磁导率等有关。对于非磁性材料,被测体的电导率越高,灵敏度越高;而对于磁性材料,磁导率将影响线圈的阻抗。(二)电涡流传感器测速注意点任务一电涡流传感器用于转速检测二、正确使用电涡流传感器4.电涡流传感器的确定电涡流传感器的线圈外径越大,线性范围越大,但灵敏度越低,分辨率越差。(二)电涡流传感器测速注意点任务一电涡流传感器用于转速检测二、正确使用电涡流传感器①安装探头时,应调节夹住位置,使位移变化不超出测量范围。②被测轴表面应光滑、清洁,不能有缺陷。③探头线圈要通入合适的高频电流。④系统接线牢固,接触良好。(三)电涡流传感器使用注意事项任务一电涡流传感器用于转速检测其它案例轴的振动和偏心会影响零件的加工精度,因此要对振动和偏心进行检测,转轴的振动和偏心测量如图2-10所示。(一)测量转轴的振动和偏心任务一电涡流传感器用于转速检测其它案例(二)测量振幅、波动和弯曲等任务一电涡流传感器用于转速检测其它案例低频透射式电涡流传感器可以用于测量厚度,高频反射式电涡流传感器也可以用来测量厚度。如图2-12所示为高频反射式电涡流测厚仪的原理框图。(三)高频反射式电涡流测厚仪任务一电涡流传感器用于转速检测其它案例如图2-13所示为电涡流传感器构成的液位监控系统。由浮筒与杠杆带动涡流板上下移动,涡流板与电涡流传感器的间距发生变化,从而使传感器发出信号控制电动泵的开启来保持一定高度的液位。(四)液位监控系统任务一电涡流传感器用于转速检测其它案例安检门是一种检测通过人员是否携带金属物品的探测装置,又称金属探测门,它的示意简图如图2-14所示,主要应用于机场、车站、海关和大型会议等重要场所,用来检查通过人员隐藏的金属物品,如枪支、管制刀具等。(五)安检门任务一电涡流传感器用于转速检测其它案例由于在较小的温度范围内,导体的电阻率与温度之间有如下的关系:(六)测量温度任务一电涡流传感器用于转速检测训练一下在实训室借助电涡流传感器及测量模块、安装有测速齿盘的电机、调节电机转速的变频器、计数器(或示波器)、电源等器件和设备,试着连接电路并进行测速。任务一电涡流传感器用于转速检测用电涡流传感器检测位移了解电涡流传感器测量位移的工作原理和特性。(一)实验目的任务一电涡流传感器用于转速检测用电涡流传感器检测位移①CSY—2000传感器与检测技术实验台。(+15V电源,数显电压表)②电涡流传感器实验板。③电涡流传感器。④测微头。⑤铁圆片。(二)需用器件与单元任务一电涡流传感器用于转速检测用电涡流传感器检测位移探头线圈通入高频电流,产生磁场,当有被测导体接近时,导体内的涡流效应产生涡流损耗,而涡流效应的强弱与该导体与线圈的距离有关,因此通过检测涡流效应的强弱即可以进行位移测量。(三)实验原理任务一电涡流传感器用于转速检测用电涡流传感器检测位移①根据图2-17所示安装电涡流传感器。(四)实验步骤任务一电涡流传感器用于转速检测用电涡流传感器检测位移②根据图2-18所示进行实验连线:(四)实验步骤任务一电涡流传感器用于转速检测用电涡流传感器检测位移(a)将+15V电源接入模板。(b)将模板输出电压V0接到数显电压表上。(c)将模板上高频电流接入电涡流线圈中。③打开主控台电源。(四)实验步骤任务一电涡流传感器用于转速检测用电涡流传感器检测位移④使测微头与传感器线圈顶部接触,记录数显表的示数,然后每隔0.5mm读一个数,记入表2-1,直到输出几乎不变为止。(四)实验步骤任务一电涡流传感器用于转速检测用电涡流传感器检测位移①根据表21数据,画出Ux曲线。②计算量程为1mm、3mm和5mm时的灵敏度和线性度。③由实验结果分析电涡流传感器是如何测量轴的振动和偏心的。(五)实验数据分析任务一电涡流传感器用于转速检测用电涡流传感器检测位移①将上述被测体铁圆片分别换成铜圆片和铝圆片,重复实验过程,实验数据分别记入表2-2和表2-3。(六)被测体材质对电涡流传感器特性的影响任务一电涡流传感器用于转速检测用电涡流传感器检测位移②由表2-2和表2-3分别计算量程为1mm、3mm和5mm时的灵敏度和线性度。③比较三种被测体的实验结果。(六)被测体材质对电涡流传感器特性的影响
任务二汽车行车速度检测
任务提出在汽车中,行车速度是一个很重要的参数。一般汽车发动机中都安装有速度传感器,输出的速度信号输入速度表、里程表指示,并用它来进行汽车的牵引控制、导航系统、发动机和变速箱的管理等。一般可使用霍尔传感器。
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相关知识霍尔传感器是基于霍尔效应的一种传感器,是目前应用最为广泛的一种磁电式传感器。它可以用来检测磁场、微位移、转速、流量、角度,也可以用于制作高斯计、电流表、接近开关等。
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一、霍尔传感器的外形结构和性能(一)霍尔传感器的外形
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一、霍尔传感器的外形结构和性能(二)霍尔元件的结构和符号
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1.特点霍尔接近开关具有响应频率高,重复定位精度高,抗干扰能力强,多种保护功能,有工作状态指示灯,可以和控制器(PC)直接接口,可靠性高和使用寿命长等特点。(三)霍尔接近开关介绍一、霍尔传感器的外形结构和性能
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2.技术参数(三)霍尔接近开关介绍一、霍尔传感器的外形结构和性能
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3.使用要点①配套磁钢:采用8×4钕铁硼磁钢S面(表面磁感应强度为0.3T)。②接线方式:红线:电源(Vcc);黄线:输出(VOUT);黑线:地线(GND)。(三)霍尔接近开关介绍一、霍尔传感器的外形结构和性能
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3.使用要点③接线图:如图2-21所示。(三)霍尔接近开关介绍一、霍尔传感器的外形结构和性能
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3.使用要点④触发方式:如图2-22所示。。(三)霍尔接近开关介绍一、霍尔传感器的外形结构和性能
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霍尔传感器的工作原理是基于霍尔效应。1879年美国物理学家霍尔首先在金属材料中发现了霍尔效应。所谓霍尔效应是置于磁场中的导体或半导体中流过电流时,若是没有磁场的影响,则正电荷载流子能平稳地流过,此时输出端(从载流导体上平行于电流和磁场方向的两个面引出)的电压为零。(一)霍尔效应二、霍尔传感器的工作原理
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当加入一个与电流方向垂直的磁场时(图2-23),电荷载流子会由于洛伦兹力的作用而偏向一边,在输出端产生电压,即霍尔电压。这一现象称为霍尔效应。(一)霍尔效应二、霍尔传感器的工作原理
任务二汽车行车速度检测
当电流I通过N型半导体时,导电载流子为电子。在磁场B的作用下,电子受到洛仑兹力的作用而偏向一侧(左手定则)。这样在两个侧面间产生了一个霍尔电场EH,该电场阻止电子的偏移,与洛仑兹力的作用力方向相反。最后电场力fE和洛仑兹力fL达到动态平衡。(一)霍尔效应二、霍尔传感器的工作原理任务二汽车行车速度检测(一)霍尔效应洛仑兹力:
式中,EH为霍尔电场强度;UH为霍尔电压;b为霍尔片宽度。二、霍尔传感器的工作原理
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由于UH=KHIB,所以霍尔元件产生的霍尔电压主要由三个方面的因素决定:①与电源提供的电流的大小有关。②与霍尔元件所处磁场的强度有关。③与霍尔元件的物理尺寸有关。霍尔电压是和元件厚度d成反比的,因此霍尔元件一般制作得较薄。(二)霍尔元件产生的霍尔电压大小的决定因素二、霍尔传感器的工作原理
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由于霍尔元件的灵敏度与材料的电阻率和电子迁移率(在单位电场强度作用下,载流子的平均速度值)成正比。若要霍尔效应强,制造霍尔元件材料的电阻率和电子迁移率要大。(三)霍尔元件二、霍尔传感器的工作原理
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对于金属导体,电子迁移率大,但电阻率很小;而绝缘材料电阻率极高,但电子迁移率极小。两者都不适宜制作霍尔元件。只有半导体材料的电阻率和电子迁移率适中,且N型半导体的电子迁移率大于P型半导体的电子迁移率,因此一般用N型半导体制作霍尔元件。(三)霍尔元件二、霍尔传感器的工作原理
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制作霍尔元件常用的材料有N型锗、锑化铟、砷化铟、砷化镓及磷砷化铟等。锑化铟产生的霍尔电势较大,但温度影响大;锗及砷化铟受温度影响小,线性好,但霍尔电势小;砷化镓温度特性好,但价格贵;磷砷化铟的温度特性最好。(三)霍尔元件二、霍尔传感器的工作原理
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(一)霍尔传感器的测量电路三、霍尔传感器的测量电路及补偿
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由于霍尔元件的基片是半导体材料,因而对温度的变化很敏感。为了减小霍尔元件的温度误差,可采取:①选用温度系数小的元件。②采用恒温措施。③采用恒流源供电。(二)温度误差及补偿三、霍尔传感器的测量电路及补偿
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1.零位特性零位特性是在无外加磁场或无控制电流的情况下,元件产生输出电压的特性。2.零位误差零位误差是零位特性产生的误差。3.不等位电压不等位电压是霍尔元件的激励电流为额定电流IN而磁感应强度为零时,所测到的空载霍尔电压UO。4.不等位电阻不等位电阻R0:R0=UO/IN。(三)零位特性及补偿三、霍尔传感器的测量电路及补偿
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不等位电压产生的主要原因:霍尔电极安装时不在同一个电位面上,两者之间存在不等位电阻,如图2-25所示。(三)零位特性及补偿三、霍尔传感器的测量电路及补偿
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补偿方法:利用桥路平衡的原理来补偿,如图2-26所示。(三)零位特性及补偿三、霍尔传感器的测量电路及补偿
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用集成电路技术,将霍尔元件、放大器、温度补偿电路、施密特触发器和稳压电源等电路集成在一个芯片上,就构成了霍尔集成传感器。这种传感器具有可靠性高、体积小、重量轻、功耗低、无温漂等优点。按照输出信号的形式,可分为开关型和线性型两种类型。(三)零位特性及补偿四、霍尔集成传感器
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它的输出电压与外加磁场之间的关系如图2-27所示,具有开关特性,但导通磁感应强度和截止磁感应强度之间存在滞后效应,这一特性大大增强了电路的抗干扰能力,保证开关动作稳定,不产生振荡现象。(三)零位特性及补偿四、霍尔集成传感器
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汽车发动机的转速测量是利用了霍尔传感器的开关特性,因此,宜选用霍尔开关集成传感器。一、合理选择霍尔传感器的类型任务实施
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1.磁铁在霍尔元件上的测速方式齿盘装在被测轴上,随被测轴一起旋转,永久磁铁装在靠近齿盘的侧面,磁铁N极与S极的距离等于齿距,霍尔元件粘贴在N极的端面,如图228a所示;或者将磁铁固定在霍尔元件的背面,如图2-28b所示。(一)霍尔传感器测量转速的方式二、正确使用霍尔传感器
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二、正确使用霍尔传感器
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2.磁铁装在转盘上的测速方式将磁铁装在转盘上,转盘随被测轴转动,霍尔元件固定在转盘附近,如图2-29所示。当小磁铁随转盘旋转通过霍尔元件时,霍尔元件输出一个脉冲,只要检测出单位时间的脉冲数,就测出了转速。(一)霍尔传感器测量转速的方式二、正确使用霍尔传感器
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(一)霍尔传感器测量转速的方式二、正确使用霍尔传感器
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霍尔传感器用于汽车发动机测速的安装结构如图2-30所示。转速盘如图2-30a所示,由钢板制成,盘中有六个齿,其中一个为40°宽齿,其他五个为20°的窄齿。(二)霍尔传感器用于汽车发动机转速测量二、正确使用霍尔传感器
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如图2-30b所示,霍尔传感器和磁钢安装在铝块上,再固定在支架上;转速盘与发电机安装在一起,随发电机转动,此时霍尔传感器输出矩形脉冲信号,转一周输出六个脉冲。汽车转速越快,单位时间内输出脉冲越多。(二)霍尔传感器用于汽车发动机转速测量二、正确使用霍尔传感器
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(二)霍尔传感器用于汽车发动机转速测量二、正确使用霍尔传感器
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①采用不同的磁铁,检测距离有所不同,建议采用的磁铁直径和检测对象的直径相等。②当霍尔开关驱动感性负载时,要在负载两端并接续流二极管,避免感性负载动作时的瞬态高压脉冲对输出级的冲击,以保护霍尔开关。③为了保证不损坏接近开关,请务必在接通电源前检查接线是否正确,核定电压是否为额定值。(三)霍尔传感器使用注意事项二、正确使用霍尔传感器
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当控制电流I恒定时,由于UH=KHIB,霍尔输出电压UH与磁感应强度B成正比。霍尔传感器特别适用于微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数等的测量。(一)测量磁场其他案例
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如图2-31所示为霍尔传感器测量压力的原理示意图,它是先把压力转换成位移后,再应用霍尔电压与位移关系来测量压力。(二)测量压力其他案例
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早期的计算机键盘采用机械接触式按键,容易产生抖动噪声,影响系统的可靠性。目前都使用无触点键盘开关,在每个键上都有两块永久磁铁,当键按下时,磁铁的磁场作用在键下放的霍尔开关传感器上,形成开关动作。由于霍尔开关传感器具有滞后效应,故工作十分稳定可靠,且功耗低,使用寿命长。(三)霍尔接近开关用于计算机键盘其他案例
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霍尔电流传感器的结构如图2-32所示。用一环形导磁材料制成磁芯,套在被测电流流过的导线上(大电流)或通电导线绕在磁芯上(小电流),在磁芯上开一气隙,内置一个霍尔传感器。当导线中有电流流过时,便在磁芯中感生磁场,霍尔元件受到磁场的作用,输出霍尔电压。导线中电流越大,磁场越强,输出霍尔电压越大。由霍尔电压的大小就可知电流的大小了。(四)霍尔电流传感器其他案例
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(四)霍尔电流传感器其他案例
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当磁场恒定时,霍尔电压与控制电流之间成线性关系,可用它直接测量电流——钳形电流表,如图2-33所示。(四)霍尔电流传感器其他案例
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如图2-34所示为霍尔开关电子点火器分电盘及电路原理图,在分电盘上装几块磁钢,磁钢数与汽缸数相对应,在电盘上方安装霍尔开关元件。当磁钢转到霍尔元件处时,输出一个脉冲,经放大升压送入点火线圈,使火花塞产生火花放电,完成点火过程。(五)霍尔开关电子点火器其他案例
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(五)霍尔开关电子点火器其他案例
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在实训室借助霍尔开关型传感器(UGN3020/3030)、电机及安装在电机上的测速齿盘、调节电机转速的变频器、数字频率计(或示波器)和电源等器件和设备,试着按照图235所示连接电路并进行测速。训练一下
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训练一下
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(一)实验目的了解霍尔式位移传感器的原理与应用。(二)基本原理根据霍尔效应,霍尔电势UH=KHIB,保持KH、I不变,若霍尔元件在梯度磁场B中运动,且B是线性均匀变化的,则霍尔电势UH也将线性均匀变化,这样就可以进行位移测量。实验二直流激励时用霍尔传感器检测位移
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(三)需用器件与单元霍尔传感器实验模板,线性霍尔位移传感器,±4V、±15V直流电源,测微头,数显单元。(四)实验步骤①按图236所示安装霍尔传感器,霍尔传感器与实验模板之间按图2-37所示进行连接。1、3为电源±4V输入,2、4为霍尔电压输出,R1与4之间的连线可暂时不接。实验二直流激励时用霍尔传感器检测位移
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实验二直流激励时用霍尔传感器检测位移
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实验二直流激励时用霍尔传感器检测位移
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②开启电源,接入±15V电源,将测微头旋至10mm处,左右移动测微头使霍尔片处在磁钢中间位置,此时数显表电压绝对值为最小,拧紧测量架顶部的固定镙钉,接入R1与4之间的连线,调节RW2使数显电压表指示为零(数显表置于2V挡)。③旋转测微头,每转动1mm或2mm记下数字电压表的示数,并将读数填入表2-4。将测微头回到10mm处,反向旋转测微头,重复实验过程,填入表2-4。实验二直流激励时用霍尔传感器检测位移
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实验二直流激励时用霍尔传感器检测位移
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(五)实验分析作出Ux曲线,计算不同线性范围时的灵敏度S和非线性误差δ。实验二直流激励时用霍尔传感器检测位移
任务三磁电式传感器用于转速检测
测量机床等设备转轴的转速是一个很重要的任务,可以用多种速度传感器进行测速,本节介绍用磁电式传感器来测速。相关知识
任务三磁电式传感器用于转速检测
磁电式传感器也称电磁感应传感器,是利用导体与磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势来进行测速的。它具有不需要供电电源、电路简单、性能稳定、输出阻抗小、输出电压灵敏度高、一定的工作带宽(10~100Hz)等特点。根据电磁感应原理,该类传感器仅适用于动态测量,被广泛用来测量转速、振动、扭矩等。相关知识
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磁电式传感器的工作原理是基于法拉第电磁感应原理。当匝数为N的线圈在磁场中运动而切割磁力线,或通过闭合线圈的磁通量Φ发生变化时,线圈中将产生感应电势e,即:一、磁电式传感器的工作原理
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当线圈在恒定均匀磁场中做直线运动并且切割磁力线时,会产生感应电势。若线圈运动方向与磁场方向如图238所示,B与v的夹角为θ,则线圈的磁通:一、磁电式传感器的工作原理(一)线圈直线运动切割磁力线
任务三磁电式传感器用于转速检测
当线圈在恒定均匀磁场中做直线运动并且切割磁力线时,会产生感应电势。若线圈运动方向与磁场方向如图238所示,B与v的夹角为θ,则线圈的磁通:一、磁电式传感器的工作原理(一)线圈直线运动切割磁力线
任务三磁电式传感器用于转速检测
式中,θ为线圈运动方向与磁场方向的夹角;B为磁感应强度;x为位移;l为线圈的长度。一、磁电式传感器的工作原理(一)线圈直线运动切割磁力线任务三磁电式传感器用于转速检测(一)霍尔效应线圈两端的感应电势:式中,N为线圈的匝数;v为线圈与磁场相对运动的速度。当θ=90°时:一、磁电式传感器的工作原理任务三磁电式传感器用于转速检测(二)线圈旋转切割磁力线当线圈旋转切割磁力线时,线圈两端的感应电势:式中,θ为线圈平面的法线方向与磁场方向的夹角;A为线圈截面积;ω为旋转运动角速度。当θ=90°时:一、磁电式传感器的工作原理
任务三磁电式传感器用于转速检测
变磁通式磁电传感器中产生磁场的永久磁铁和线圈都固定不动,通过磁通Φ的变化产生感应电动势e。它要求被测物体或与被测物体连接部分用导磁材料制成,当被测物体运动时,磁路的磁阻发生变化,使穿过线圈的磁通量变化,从而在线圈中产生感应电势,所以变磁通式磁电传感器又称变磁阻式,常用于角速度的测量。二、变磁通式磁电传感器
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在这类磁电式传感器中,工作气隙中的磁通保持不变,线圈相对永久磁铁运动,并切割磁力线而产生感应电势。三、恒磁通式磁电传感器
任务三磁电式传感器用于转速检测
由上面的相关知识得知,磁电式传感器有变磁通式和恒磁通式两种类型。用于测速的传感器,一般使用变磁通式磁电传感器。任务实施一、合理选择磁电传感器的类型
任务三磁电式传感器用于转速检测
磁电式转速传感器根据磁路的不同,分成开磁路式和闭磁路式两种。如图2-39所示为两种磁电式转速传感器的结构示意图。开磁路式由固定不动的永久磁铁、感应线圈、软磁材料和外壳等组成。齿轮安装在被测转轴上并随转轴一起转动。闭磁路式由内外齿轮、线圈和永久磁铁等组成。二、正确使用变磁通式磁电传感器(一)磁电式转速传感器的结构
任务三磁电式传感器用于转速检测
二、正确使用变磁通式磁电传感器(一)磁电式转速传感器的结构
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1.工作原理框图开磁路变磁通式转速传感器的工作原理框图如图2-40所示。二、正确使用变磁通式磁电传感器(二)开磁路变磁通式转速传感器
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2.工作原理安装时把永久磁铁产生的磁力线通过软磁材料端部对准齿轮的齿顶。当齿轮旋转时,齿的凹凸使空气间隙产生变化,从而使磁路磁阻变化,引起磁通量变化,而产生感应电动势。二、正确使用变磁通式磁电传感器(二)开磁路变磁通式转速传感器
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闭磁路变磁通式转速传感器的内外齿轮的齿数相同,它被安装在被测轴上,内齿轮与被测轴一起旋转,外齿轮不动,由于内外齿轮的相对运动使磁路间隙发生变化,从而在线圈中产生交变的感应电势。二、正确使用变磁通式磁电传感器(三)闭磁路变磁通式转速传感器
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变磁通式转速传感器对环境条件要求不高,结构简单、工作可靠、价格便宜。但输出电势取决于切割磁力线的速度,转速太低时,输出感应电势很小,导致无法测量。闭磁路式的最低下限工作频率为30Hz;开磁路式的最低下限工作频率为50Hz,且被测轴振动较大时传感器输出波形失真较大。二、正确使用变磁通式磁电传感器(四)变磁通式转速传感器的特点和要求
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磁电式振动传感器是一种恒磁通式磁电传感器。它的气隙磁通保持不变,感应线圈与磁钢作相对运动,线圈切割磁力线产生感应电势。其他案例(一)磁电式振动传感器
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1.磁电式振动传感器的结构磁电式振动传感器的结构如图2-41所示。其他案例(一)磁电式振动传感器
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2.磁电式振动传感器的组成磁电式振动传感器由如下三部分组成:①固定部分:永久磁铁、壳体。②可动部分:线圈、芯杆、阻尼环。③弹簧片。其他案例(一)磁电式振动传感器
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3.磁电式振动传感器的工作原理磁电式振动传感器的工作原理框图如图2-42所示。其他案例(一)磁电式振动传感器
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3.磁电式振动传感器的工作原理①传感器紧固在振动体上,外壳及磁铁与振动体一起振动。②线圈与磁铁作相对运动而切割磁力线。③线圈两端产生电动势e,且e∝v。④e的大小就代表了v的大小。⑤还可经过积分或微分电路测量位移或加速度。其他案例(一)磁电式振动传感器
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如图2-43所示为磁电式扭矩传感器的结构示意图,转子和线圈固定在传感器轴上,定子(永久磁铁)固定在传感器外壳上,转子和定子上有对应的齿和槽。其他案例(二)磁电式扭矩传感器
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其他案例
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如图2-44所示为磁电式流量计示意图,它是基于磁电感应原理工作的。在绝缘导管的上下方放置永久磁铁,当被测导电液体流动而切割磁力线时,在水平方向上安置的两个电极产生感应电势。感应电势与流体流速成正比,也与单位时间内通过导管横截面的流体体积(流量)成正比。感应电势经放大后输出,由此可测出导管内流体的流量。其他案例(三)磁电式流量计
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其他案例
任务三磁电式传感器用于转速检测
在实训室借助磁电式传感器及测量模块、电机及安装在电机上的测速齿盘、调节电机转速的变频器、数字频率计(或示波器)和电源等器件和设备,试着连接电路并进行测速。训练一下任务四光电传感器用于转速检测在机电设备的转速测量中,对于一些检测距离较大的场合,可用光电传感器测量转速,它可以在距被测物10mm,有的甚至可达10m外非接触地测量转速。任务提出任务四光电传感器用于转速检测光电传感器是将光信号转换为电信号的一种传感器,可用于检测直接引起光强度变化的非电量,也可用来检测能转换为光量变化的其他非电量。光电传感器具有高精度、高分辨率、高可靠性、非接触、响应快和结构简单等特点。相关知识任务四光电传感器用于转速检测光照射在物体表面上可看成是物体受到一连串具有一定能量的光子轰击,于是物体中的电子吸收了光子的能量,导致物体的电学性质发
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