传感器与检测技术PPT完整全套教学课件

传感器技术与应用全套PPT课件项目一：力与压力检测电子课件学习重点学习重点

1.电阻式传感器的原理2.压电式传感器的基本原理目录任务一：超市电子秤的设计任务二：大气压力过度页任务一：超市电子秤的设计任务一：超市电子秤的设计随着自动化测量技术的不断发展，传统的称重系统在功能、精度、智能化、性价比等方面越来越难以满足人们的需要，尤其对一些微小质量的测量更显得力不从心。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计在超市里的一台电子秤（如图1所示），它能很精确的称出商品的重量，并自动显示出物品重量、价格等，非常的智能化，而且非常的精确。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计由此，顾客在购物的时候非常的放心，商家的效益也提高了，所以有了电子秤，顾客买的放心，商家也卖的开心了。那么，它是如何是实现的哪？一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计1.传感器传感器是一种检测装置，能感受到被测量的非电量信息，如温度、压力、流量、位移等，并将检测到的信息，按一定规律转换成电信号或其他所需形式的信息输出，用以满足信息一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计的传输、处理、存储、显示、记录或控制等要求。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计传感器的组成传感器一般由敏感元件、传感元件和测量电路组成。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计传感器的特性传感器的特性是指传感器所有性质的总称。而传感器的输入-输出特性是其基本特性，一般把传感器作为二端网络研究时，输入-输出特性是二端网络的外部特性，即输入量和输出量的对应关系。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计传感器输入量的状态可分为静态量和动态量两类。衡量传感器的静态特性的主要指标是线性度、灵敏度、迟滞和重复性。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计2.传感器选用原则选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计3.检测技术基础（1）测量的分类按测量方法的不同，测量可分为直接测量和间接测量;按测量条件的不同，测量又分为等精度测量和不等精度测量。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计（2）误差及其分类用实验方法去研究事物的客观规律，总是在一定的环境(温度、湿度等)和仪器条件下进行的，由于测量条件(环境、温度、湿度等)的变化以及仪器精度的不同，因而在任何测量中，一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计测量结果N与待测量客观存在的真值N′之间总存在着一定的差异。测量值N与真值N′的差值叫做测量误差ΔN,简称误差。根据误差的性质把它们归纳为系统误差和随机误差两大类。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计在几何量和机械量测量中，最常用的传感器是某些金属和半导体材料做成的电阻应变式传感器。应变片式电阻传感器是以应变片为传感元件的传感器。它具有以下优点：一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计1）精度高，测量范围广。2）使用寿命长，性能稳定可靠。3）结构简单、尺寸小、重量轻。4）频率响应特性快速，应变片响应时间约为10-7秒。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计5）适应环境强，可在高低温、高速、高压、强烈振动、强磁场、核辐射和化学腐蚀等恶劣环境中工作。6）应变片种类繁多，性价比高。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计2.电阻应变片工作原理应变片变形时，从引线上测出的电阻值也会相应的变化。只要选择的应变片的材料得当，就可以使应变片因变形而产生的应变(应变片的输入)和它的电阻的变化值(应变片的输出)成线性关系。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计如果把应变片贴在弹性结构体上，当弹性体受外力作用而成比例地变形(在弹性范围内)时，应变片也随之变形，所以可通过应变片电阻的大小来检测外力的大小。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计电阻丝的电阻应变效应为分析方便，假设电阻丝是圆形截面的，截面积A＝πr2，r为电阻丝的半径，则有一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计令εx称为电阻丝的纵向应变，εy称为电阻丝的横向应变。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计3.电阻应变片的结构与材料一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计图8应变片的基本结构图9各式箔式应变花一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计图8应变片的基本结构一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计4.电阻应变片的性能参数（1）应变计的灵敏系数应变计的灵敏系数K是指：在应变计灵敏轴线方向的单一应力作用下，应变计的电阻相对变化dR/R与应变计试件表面上的轴向应变的比值，一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计即一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计（2）横向效应沿应变计轴向的应变，必然引起应变计电阻的相对变化。而沿垂直于应变计轴向的应变，也会引起应变计电阻的相对变化，这种现象称为横向效应。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计（3）机械滞后应变计安装在试件上后，在一定温度下，作出应变计电阻相对变化(指示应变)与试件机械应变之间加载的特性曲线,，实验发现这两条特性曲线并不重合。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计在同一机械应变下，卸载时的高于加载时的,这种现象称为应变计的机械滞后。加载特性曲线与卸载特性曲线之间最大的差值，称为应变计的机械滞后值。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计（4）零漂和蠕变已粘贴的应变片，在温度保持恒定，试件上没有应变的情况下，应变片的指示值会随时间的增长而逐渐变化，此变化就是应变片的零点漂移，简称零漂。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计已粘贴的应变片，在温度保持恒定，承受某一恒定的机械应变长时间的作用，应变片的指示值会随时间的增长而逐渐变化，此种现象称蠕变。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计(5)应变极限应变片的应变极限是指在一定的温度下，应变片的指示应变与试件的真实应变的相对误差达规定值(一般为10%)是的真实应变。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计(6)疲劳寿命对已安装好的应变片，在恒定幅值的交变压力下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N，称为应变片的疲劳寿命。疲劳寿命反映了应变片对动态应变测量的适应性。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计测量电桥的构成和类型1．测量电桥的构成2．测量电桥的输出电压和平衡条件3．测量电桥的类型一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计1．测量电桥的构成测量电桥由四个阻抗元件Z1、Z2、Z3、Z4构成，如图所示。它的一个对角A、C接入电源电压Us，则另一个对角B、D有输出电压UO。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计AC称为电源端，BD称为输出端。测量电桥的输出端往往接入负载ZL。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计2．测量电桥的输出电压和平衡条件根据戴维南定理，任何一个有源两端网络，都可用一个等效电压ETH和一个等效阻抗ZTH串联的等效电路来代替。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计因此可将上图简化成图所示的等效电路。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计等效电压ETH等于输出端BD开路时的端电压，可由两个支路的分压之差求出，即有一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计等效阻抗ZTH等于电源端AC短路时输出端BD的阻抗，有一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计通过负载阻抗ZL的电流IL为一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计负载阻抗ZL的电压降UL即为输出电压Uo，故有一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计若测量电桥的负载阻抗ZL足够大，即ZL远大于桥臂阻抗，这时电桥的输出端可视为开路，此时电桥的输出电压近似为等效电压ETH一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计即一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计当电桥的四个桥臂阻抗满足某种关系时，电桥的输出电压等于零，这时就称电桥平衡。为了使电桥的输出为零，即达到电桥平衡，应满足一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计因要使电桥平衡，则应满足一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计对于桥臂阻抗为纯电阻的情况，若负载电阻RL远大于桥臂电阻，则电桥的输出电压为一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计电桥的平衡条件为：即纯电阻电桥的平衡条件为：两相对桥臂的电阻乘积相等。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计3．测量电桥的类型（1）直流电桥和交流电桥（2）不平衡电桥和平衡电桥一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务一：超市电子秤的设计不平衡电桥按偏差法进行测量。以纯电阻电桥为例，图所示的电桥即为不平衡电桥。一、传感器与检测技术基础知识二、电阻式传感器任务实施任务实施1.方案设计电子秤设计方案如图24所示。它有力传感器、信号处理电路、放大电路，控制器和键盘，数据显示组成。任务实施2.硬件电路设计任务实施3.软件系统设计过度页任务二：大气压力任务二：大气压力气压计在现实生活中的使用并不是很明显，大部分人在一生中很少甚至是没有接触过气压表，但是在某一些工作领域确实是不可或缺的重要物件，例如国防领域、医疗领域、工业领域。那么，气压计是如何进行大气压力检测的哪？一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力压电效应顺压电效应：某些电介质，在受到一定方向的外力作用而变形时，内部产生极化现象，而在其表面产生电荷，当去掉外力后，又重新回到不带电一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力状态，这种将机械能转换成电能的现象，称为顺压电效应，又称为压电效应。逆压电效应：当在电介质极化方向施加电场时，电介质在一定方向上产生机械变形，内一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力出现机械应力，这种将电能转换成机械能的现象称“逆压电效应”,又称为电致伸缩效应--驱动器。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应压力变送器部件任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应

压电传感器的外形任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应

压力变送器

任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应

各种小巧的压力传感器任务二：大气压力特点：石英晶体是各向异性晶体晶体分右（左）旋外形规则一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应xyz任务二：大气压力石英晶体的三个晶轴一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力光学轴（基准轴，Z轴）：光沿该方向通过没有双折射现象，该方向没有压电效应，光学方法确定。电轴（X轴）：经过晶体棱线，垂直于该轴的表面上压电效应最强。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力机械轴（Y轴）：垂直于XZ面，在电场作用下，该轴方向的机械变形最明显。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。如BaTiO3、PbTiO3、PbZrO3。

材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力压电陶瓷极化处理一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应E任务二：大气压力

在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强,就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整齐地与外电场方向一致时,外电场去掉后,电畴的极化方向变化不大,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力极化方向即外加电场方向，取为Z轴方向。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力石英晶体的压电方程

设有一X0°切型的正六面体左旋石英晶片，在三维直角坐标系内的力-电作用状况如图8所示。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力图中：T1、T2、T3分别为沿x、y、z向的正应力分量(压应力为负)T4、T5、T6分别为绕x、y、z轴的切应力分量(顺时钟方向为负)；σ、σ2、σ3分别为在x、y、z面上的电荷密度(或电位移D)。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力完全各向异性压电晶体的压电特性——即机械弹性与电的介电性之间的耦合特性，可用压电常数矩阵表示如下：一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力X0°切型石英晶体的压电常数矩阵，体为:一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力当X0°石英晶片自由地处在一定方向外电场Ei的作用下，导致晶体内应力而产生晶片某方向的应变Si时，由实验同样可得，其逆压电方程为:一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力可见，逆压电方程的压电常数矩阵是正压电方程压电常数矩阵的转置矩阵。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力可以归结出如下结论：(1)压电晶体的正压电效应和逆压电效应是对应存在的，哪个方向上有正压电效应，则在此方向上必定存在逆压电效应，而且力-电之间呈线性关系。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力

(2)石英晶体不是在任何方向上都存在压电效应。图9清楚地表明了这一点：①在x方向：只有d11的纵向压电效应〔图(a)〕、d12的横向压电效应〔图(b)〕和d14的剪切压电效应〔图(c)〕。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力②在y方向：只有d25和d26的剪切压电效应〔图图(c)(d)〕。③在z方向：无任何压电效应。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力压电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由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可以看作一个电荷发生器。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,则其电容量为：一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力压电传感器可以等效为一个与电容Ca相串联的电压源。如图11（a）所示，电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca之间的关系为一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应图12实际压电传感器的等效电路任务二：大气压力1、电压放大器一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力1、电压放大器一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力输入端电压：一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力输入端电压：一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力放大器输入端电压幅值：一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力输入电压与作用力间的相位差：一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应系统高频灵敏度任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应时间常数系统固有频率任务二：大气压力2、电荷放大器电荷放大器是一个具有深度负反馈的高增益放大器，其基本电路如图。若放大器的开环增益A0足够大，并且放大器的输入阻抗很高，则放大器输入端几乎没有分流，运算电流仅流入反馈回路CF与RF。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力实际的电荷放大器由电荷转换级、适调放大级、低通滤波级、电压放大级、过载指示电路和功率放大级6部分组成。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应－A0CaU∑USC电荷放大器原理电路图iRaqCFRF任务二：大气压力根据上式画出等效电路图CF、RF等效到A0的输入端时，电容CF将增大(1＋A0)倍。电导1／RF也增大了(1＋A0)倍。所以图中C΄=(1＋A0)CF；1/R΄=(1＋A0)1／RF，这就是所谓“密勒效应”的结果。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应－A0CaRaR’C’USCU∑q任务二：大气压力电荷放大器一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力电荷放大器一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力电荷放大器一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应灵敏度与电缆电容无关任务二：大气压力电荷放大器一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应上限下限任务二：大气压力3压电式传感器的应用1）压电式力传感器压电式测力传感器是利用压电元件直接实现力－电转换的传感器，在拉、压场合，通常较多采用双片或多片石英晶片作压电元件。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力它刚度大，测量范围宽，线性及稳定性高，动态特性好。当采用大时间常数的电荷放大器时，可测量准静态力。按测力状态分，有单向、双向和三向传感器，它们在结构上基本一样。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力2）压电式压力传感器压电式压力传感器的结构类型很多，但它们的基本原理与结构仍与前述压电式加速度和力传感器大同小异。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力突出的不同点是，它必须通过弹性膜、盒等，把压力收集、转换成力，再传递给压电元件。为保证静态特性及其稳定性，通常多采用石英晶体作压电元件。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力图17给出了另一种压力传感器的结构。它采用两个相同的膜片对晶体施加预载力，从而可以消除由振动加速度引起的附加输出。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力3）压电加速度传感器压电加速度传感器结构原理如图18所示。使用时，传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。压电加速度传感器可以做得很小，重量很轻，故对被测机构的影响就小。压电加速度传感器的频率范围广、动态范围宽、灵敏度高、应用较为广泛。一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务二：大气压力一、石英晶体（SiO2)的压电效应二、压电陶瓷的压电效应任务实施任务实施一个标准大气压(atm)相当101．325kPa怨101．3kPa。因此，对大气压力的测量可采用满量程为200kPa的绝对压力传感器。本项目选用BOSCH公司生产HS20型压电式集成绝对压力传感器。任务实施该传感器满量程为200kPa，工作电压为5V。它能将气压的变化直接转换为输出电压的变化，并且具有温度漂移小和使用方便的优点。其输出电压随大气压力变化的线性较好，系统电路图如图19所示。任务实施系统由10个发光二极管依次点亮时，分别表示气压从96kPa连续上升至105kPa。任务实施THANKYOU传感器技术与应用项目二：位移检测电子课件学习重点学习重点掌握电位器传感器的原理和应用掌握光栅位移传感器的基本原理理解超声波传感器的基本原理目录任务一：机械式位移测量仪任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用任务三、简易汽车倒车雷达过度页任务一：机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪电位器是一种常用的机电元件，广泛应用于各种电器和电子设备中。它主要是一种把机械的线位移或角位移输入量转换为与它成一定函数关系的电阻或电压输出的传感元件来使用。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪同时，与其它种类的位移传感器相比，它结构简单、尺寸小、重量轻、精度高、输出信号大、性能稳定并容易实现任意函数。因此，在工程机械等方面经常采用。那么，如何设计一个采用电位器制作的位移测量仪哪？机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪线性电位器空载特性

线性电位器的理想空载特性曲线应具有严格的线性关系。图所示为电位器式位移传感器原理图。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪如果把它作为变阻器使用,假定全长为xmax的电位器其总电阻为Rmax,电阻沿长度的分布是均匀的,则当滑臂由A向B移动x后,A点到电刷间的阻值为机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪机械式位移测量仪图电位器式位移传感器原理图任务一：机械式位移测量仪

若把它作为分压器使用,且假定加在电位器A、B之间的电压为Umax,则输出电压为机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪所示为电位器式角度传感器。作变阻器使用,则电阻与角度的关系为机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪作为分压器使用,则有机械式位移测量仪图电位器式角度传感器原理图任务一：机械式位移测量仪

线性线绕电位器理想的输出、输入关系遵循上述四个公式。因此对如图所示的位移传感器来说,因为机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪其灵敏度应为机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪机械式位移测量仪线性线绕电位器示意图任务一：机械式位移测量仪机械式位移测量仪线性线绕电位器示意图任务一：机械式位移测量仪

式中,SR、SU分别为电阻灵敏度、电压灵敏度;ρ为导线电阻率;A为导线横截面积;n为线绕电位器绕线总匝数。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪由式可以看出,线性线绕电位器的电阻灵敏度和电压灵敏度除与电阻率ρ有关外,还与骨架尺寸h和b、导线横截面积A(导线直径d）、绕线节距t等结构参数有关;电压灵敏度还与通过电位器的电流I的大小有关。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪阶梯特性、阶梯误差和分辨率

图所示为绕n匝电阻丝的线性电位器的局部剖面和阶梯特性曲线图。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪电刷在电位器的线圈上移动时,线圈一圈一圈的变化,因此,电位器阻值随电刷移动不是连续地改变,导线与一匝接触的过程中,虽有微小位移,但电阻值并无变化,因而输出电压也不改变,机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪在输出特性曲线上对应地出现平直段;当电刷离开这一匝而与下一匝接触时,电阻突然增加一匝阻值,因此特性曲线相应出现阶跃段。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪这样,电刷每移过一匝,输出电压便阶跃一次,共产生n个电压阶梯,其阶跃值亦即名义分辨率为机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪机械式位移测量仪局部剖面和阶梯特性任务一：机械式位移测量仪

实际上,当电刷从j匝移到(j+1)匝的过程中,必定会使这两匝短路,于是电位器的总匝数从n匝减小到（n-1）匝,这样总阻值的变化就使得在每个电压阶跃中还产生一个小阶跃。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪这个小电压阶跃亦即次要分辨脉冲为机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪

主要分辨脉冲和次要分辨脉冲的延续比,取决于电刷和导线直径的比。若电刷的直径太小,尤其使用软合金时,会促使形成磨损平台;若直径过大,则只要有很小的磨损就将使电位器有更多的匝短路,一般取电刷与导线直径比为10可获得较好的效果。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪工程上常把图9.4那种实际阶梯曲线简化成理想阶梯曲线,如图9.5所示。这时,电位器的电压分辨率定义为:在电刷行程内,电位器输出电压阶梯的最大值与最大输出电压Umax之比的百分数,对理想阶梯特性的线绕电位器机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪电压分辨率为机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪

除了电压分辨率外,还有行程分辨率,其定义为:在电刷行程内,能使电位器产生一个可测出变化的电刷最小行程与整个行程之比的百分数,即机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪

从图中可见,在理想情况下,特性曲线每个阶梯的大小完全相同,则通过每个阶梯中点的直线即是理论特性曲线,阶梯曲线围绕它上下跳动,从而带来一定误差,这就是阶梯误差。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪电位器的阶梯误差δj通常以理想阶梯特性曲线对理论特性曲线的最大偏差值与最大输出电压值的百分数表示,即机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪

阶梯误差和分辨率的大小都是由线绕电位器本身工作原理所决定的,是一种原理性误差,它决定了电位器可能达到的最高精度。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪在实际设计中,为改善阶梯误差和分辨率,需增加匝数,即减小导线直径（小型电位器通常选0.5mm或更细的导线）或增加骨架长度（如采用多圈螺旋电位器)。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪非线性电位器1.变骨架式非线性电位器

变骨架式电位器是利用改变骨架高度或宽度的方法来实现非线性函数特性。所示为一种变骨架高度式非线性电位器。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪机械式位移测量仪图变骨架高度式线性电位器任务一：机械式位移测量仪

1.骨架变化的规律

变骨架式非线性电位器是在保持电位器结构参数ρ、A、t不变时,只改变骨架宽度b或高度h来实现非线性函数关系。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪这里以只改变h的变骨架高度式非线性线绕电位器为例来对骨架变化规律进行分析。在图所示曲线上任取一小段,则可视为直线,电刷位移为Δx,对应的电阻变化就是ΔR,因此前述的线性电位器灵敏度公式仍然成立,机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪即机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪当Δx→0时,则有机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪由上述两个公式可求出骨架高度的变化规律为机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪2.阶梯误差与分辨率

变骨架高度式电位器的绕线节距是不变的,因此其行程分辨率与线性电位器计算式相同,则有机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪

但由于骨架高度是变化的,因而阶梯特性的阶梯也是变化的,最大阶梯值发生在特性曲线斜率最大处,故阶梯误差为机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪机械式位移测量仪图阶梯骨架式非线性电位器任务一：机械式位移测量仪由于测量领域的不同，电位器结构及材料选择有所不同。但是其基本结构是相近的。电位器通常都是由骨架、电阻元件及活动电刷组成。常用的线绕式电位器的电阻元件由金属电阻丝绕成。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪1.电阻丝。

要求电阻系数高、电阻温度系数小，强度高和延展性好，对铜的热电势要小，耐磨耐腐蚀，焊接性好等。常用的材料有康铜丝、铂铱合金及卡玛丝等。机械式位移测量仪任务一：机械式位移测量仪机械式位移测量仪图2-11某些电刷结构1.电刷；2.电阻元件任务实施任务实施本次任务设计的位移测量仪，主要实现位移的检测，并通过数码管显示，对测量的位移量精度要求并不太高。系统设计电路图如图2-15所示。任务实施任务实施电路工作原理：系统采用电位器传感器进行位移测量，电位器与电阻R3和R4构成直流电桥，当被测量移动时，电桥失衡，输出相应电压信号，差动输入AD521。电桥直流电源由1403供给。任务实施1403是一款低压基准芯片。一般用作一些需要基本精准的基准电压的场合。输入电压范围:4.5Vto40V，输出电压:2.5V。AD521是单片集成测量放大器，对输入差模信号进行放大，放大倍数为：任务实施放大倍数可以在0.1到1000范围内调整，通常选Rs=100K，Rg在使用中根据实际需要选定。芯片7555构成多谐振动器，给ICL7139提供振荡信号，双积分式A/D转换器件，其输出可直接驱动数码管和LCD显示。任务实施电路调试：1、电位器处于零点(动触点无位移)，选择合适的桥臂电阻，使电桥平衡，通过调放大器AD521的4脚和6脚间的调零电阻，使得电路的输出为0；任务实施2、用该位移计测量标准位移(满量程位移)，调节ICL7139中Vref端可变电阻，改变参考电压，使得数码管的显示满量程位移。任务实施3、调试过程中，A/D转换器的参考电压是根据量程来调整的。调试的过程实际上也是位移计定标的过程。过度页任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用任务引入任务引入数控机床是制造业不可缺少的设备，它的应用是制造业现代化的必然趋势。为了提高数控机床的加工精度，必须采用高精度的检测装置，特别是工作台的位移检测精度。任务引入光栅作为一种高精度的直线位移传感器，在数控机床上用于测量工作台的位移常用于构成位置闭环伺服系统。那么，光栅是如何对机床工作台位移检测的哪？任务分析任务分析机床工作台采用光栅传感器进行位移检测，目前应用十分广泛。本任务将结合光栅传感器的相关知识，介绍工作台位移检测。任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术（a）测量线位移的长光栅（b）测量角位移的圆光栅图2-16光栅外观任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用光栅位移传感器的结构如图2-17所示。它主要由标尺光栅、指示光栅、光电器件和光源等组成。通常，标尺光栅和被测物体相连，随被测物体的直线位移而产生位移。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用一般标尺光栅和指示光栅的刻线密度是相同的，而刻线之间的距离W称为栅距。光栅条纹密度一般为每毫米25、50、100、250条等。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用如果把两块栅距W相等的光栅平行安装，且让它们的刻痕之间有较小的夹角θ时，这时光栅上会出现若干条明暗相间的条纹，这种条纹称莫尔条纹，它们沿着与光栅条纹几乎垂直的方向排列，如图2-18所示。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用莫尔条纹是光栅非重合部分光线透过而形成的亮带，它由一系列四棱形图案组成，如图中的d—d线区所示。f—f线区则是由于光栅的遮光效应形成的。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用莫尔条纹若光栅栅距为W，两个相邻莫尔条纹的间距为BH，（即莫尔条纹中两条暗纹或两条亮纹之间的距离）则有一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用这里θ是弧度，如果夹角为0.10，则θ=0.1/180*π,则BH=573W,相当于把栅距放大了573倍。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用5.细分技术另一种方法是采用栅距细分技术，由于细分后计数脉冲提高了n倍，所以细分又称倍频，细分后可以在不增加刻线数的情况下较大地提高光栅的分辨力。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用——常用的细分方法有四倍频细分法、十六倍频细分法、计算机细分法等。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用当光栅向左移动时，莫尔条纹向上移动，光电元件1和2分别输出如图2-23所示的电压信号u1、u2,经放大整形后得到相位相差90°的两个方波信号和。经反相后得到。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用和经RC微分电路后得到两组光脉冲信号和分别加到与门Y1和Y2的输入端。对与门Y1来说，由于处于高电平时，总是低电平，故脉冲被堵塞Y1无输出。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用对与门Y2来说，由于处于高电平时，正处于高电平，故允许脉冲通过，并触发加减控制触发器使之置“1”。可逆计数器对与门输出的脉冲进行加法计数。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用同理当光栅反向移动时，输出信号的波形如图所示，与门Y2阻塞，输出脉冲信号使触发器置“0”，可逆计数器对与门输出的脉冲进行减法计数。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用这样每当光栅移动一个栅距时，辨向电路只输出一个脉冲，计数器所计之脉冲数即代表光栅位移x。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用细分技术―m细分即分辨率W/m在主光栅移动一个栅距过程中，产生m个彼此相位差360°/m的正弦交流信号一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用m个ui波形依次产生m个过零脉冲，于是，与光栅位移x对应的过零脉冲计数值即位移的数字测量结果为：一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用1.直接细分直接细分又称位置细分，通常为四细分。是用四个依次相距H/4的光电元件，获得依次相差90°相角的四个正弦交流信号。主光栅每移动一个栅距，将产生四个过零计数脉冲，从而实现四细分。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用2.电位器桥(电阻链)细分（1）电位器移相原理一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术若则任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用（2）48点电位器桥细分电路将位置细分得到的四个相位差90°的输出信号Umcosθ、Umsinθ，-Umcosθ、-Umsinθ加到电位器桥细分电路，使图259-48中第i个电位器电刷两边一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用电阻比值为：

就可从这48个电位器的电刷端得到48个相位差360°/48的信号，这样就达到了48细分的目的。一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务二：光栅位移传感器在机床工作台上的应用一、光栅的构造二、工作原理三、辨向原理四、细分技术任务实施任务实施1.检测系统结构

根据光栅传感器的工作原理分析，工作台位移检测系统的结构示意图如图2-28所示。它由光栅位移传感器、信号差分放大器、整形电路、辩向电路、计数器和PC接口等电路组成。任务实施任务实施（1）传感器电路与信号放大电路由传感器莫尔条纹信号实现位移量转换为电信号，光电转换器件选硅光电池，莫尔条纹信号采用4极硅光电池接收。任务实施光栅栅距W，可得最小读数值τ＝W/4。同时，输出电压信号输入给差动放大器进行放大。任务实施（2）整形和辩向电路采用信号比较电路进行整形。对4路正、余弦信号进行整形，首先把它们整形为占空比为1：1的方波，而且数字0，1的电平符合TTL电平。任务实施根据莫尔条纹输出的四路信号，间隔90度相位差，用2个不同计数器分别记录莫尔条纹上移和下移所形成的脉冲数，即可实现辨向。任务实施（3）PC接口卡放大、整形和判向电路输出苻合TTL电平的脉冲信号，可逆脉冲计数电路将串行脉冲变换成16位的并行二进制数字信号，最后通过PC计算机I／O接口卡送入计算机。任务实施2.光栅传感器的安装光栅尺在机床上的安装如图2-29所示。过度页任务三、简易汽车倒车雷达任务引入任务引入汽车倒车雷达全称叫“汽车倒车防撞雷达”，也叫“汽车泊车辅助装置”，是汽车泊车或者倒车时的安全辅助装置。任务引入能以声音或者更为直观的显示告知驾驶员周围障碍物的情况，解除了驾驶员泊车、倒车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高驾驶的安全性。任务分析任务分析简易汽车倒车雷达可以利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统和单片机结合于一体，设计出一种基于AT89C51单片机的汽车倒车雷达系统。任务三、简易汽车倒车雷达

振动在弹性介质内的传播称为波动，简称波。其频率在16~2×104Hz之间，能为人耳所闻的机械波，称为声波；低于16Hz的机械波，称为次声波；一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达高于2×104Hz的机械波，称为超声波,如图10-1所示。频率在3×108~3×1011Hz之间的波，称为微波。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用声波的频率界限图任务三、简易汽车倒车雷达

当超声波由一种介质入射到另一种介质时，由于在两种介质中传播速度不同，在介质界面上会产生反射、折射和波型转换等现象。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达超声波的波型及其传播速度声波的波型不同。通常有以下几种。

①纵波：质点振动方向与波的传播方向一致的波，它能在固体、液体和气体介质中传播；一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达②横波：质点振动方向垂直于传播方向的波，它只能在固体介质中传播；一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达超声波的反射和折射声波从一种介质传播到另一种介质，在两个介质的分界面上一部分声波被反射，另一部分透射过界面继续传播。这样的两种情况称之为声波的反射和折射。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达

当波在界面处产生折射时，入射角的正弦与折射角的正弦之比等于入射波在第一介质中的波速c1与折射波在第二介质中的波速c2之比，即一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达

当超声波垂直入射界面，即在==0时，则反射系数和透射系数为一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达

若2c2≈1c1，则反射系数R≈0，透射系数T≈1，此时声波全部从第一介质透射入第二介质；若2c2>>1c1，反射系数R≈1，则声波在界面上几乎全反射。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达同理，当1c1>>2c2，反射系数R≈1，声波在界面上几乎全反射。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达5.超声波的波速与波长超声波的波速C、波长λ、频率f之间有下列关系：C=f×λ超声波的传播速度与介质密度和弹性特性有关。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达超声波在气体和液体中传播时，由于不存在剪切应力，所以仅有纵波的传播，其传播速度c为：式中：ρ——介质的密度；

Ba——绝对压缩系数。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达6.超声波的干涉如果在一种介质中传播几个声波，于是会产生波的干涉现象。由不同波源发出的频率相同、振动方向相同、相位相同或相位差恒定的两个波在一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达空间相遇时，某些点振动始终加强，某些点振动始终减弱或消失，这种现象称为干涉现象。两个振幅相同的相干波在同一直线上彼此相向传播时叠加而成的波称为驻波。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达每相距λ/2的这些点上，介质保持静止状态，这些点称为节点，节点之间对应介质位移最大的点称为波腹。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达利用超声波在超声场中的物理特性和各种效应而研制的装置可称为超声波探头、超声波换能器或超声波传感器。超声波传感器由发射器和接收器两部分组成，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用，即为可逆元件。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达发射器将电磁振荡转换为超声波向空间发射，接收器将接收的超声波进行声电转换变为电脉冲信号。接收器实质上是一种可逆的换能器，即将电振荡的能量转变为机械振荡，形成超声波；一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达或者由超声波能量转换为电振荡。超声波发射探头发出的超声波脉冲在介质中传到其介面经过反射后，再返回到接收探头，这就是超声波测距原理。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达超声波探头按其工作原理可分为压电式、磁致伸缩式、电磁式等,而以压电式最为常用。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达1.超声波物位检测图2-33给出了几种超声物位检测的结构示意图。超声波发射和接收换能器可设置水中,让超声波在液体中传播。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达由于超声波在液体中衰减比较小,所以即使发生的超声脉冲幅度较小也可以传播。超声波发射和接收换能器也可以安装在液面的上方,让超声波在空气中传播,这种方式便于安装和维修,但超声波在空气中的衰减比较厉害。一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务三、简易汽车倒车雷达一、超声波分类二、超声波传感器三、超声波传感器的应用任务实施任务实施本任务设计的汽车倒车雷达采用两个超声波探头分别进行超声波发射和接收来进行距离测量。即能测量出倒车方向的障碍物与汽车之间的距离,又能通过数码管显示单元模块显示两者任务实施之间的距离,然后通过LED灯的亮灭,从而起到提示和报警的作用。

本系统利用一片89C52单片机对超声波信号循环不断地进行采集。任务实施

系统包括超声波测距单元（超声波集成模块）、89C52单片机控制、LED灯报警模块和数码管显示模块。任务实施任务实施2.软件设计THANKYOU传感器技术与应用项目三：速度检测电子课件学习重点学习重点1.霍尔传感器的原理2.光电编码器的基本原理3.磁电传感器的工作原理目录任务一：汽车车速检测任务二：电机主轴测速任务三：应用磁电速度传感器对车轮转速检测过度页任务一：汽车车速检测任务引入任务引入汽车安全、稳定运行是每位驾驶员最关心、也是最重要的问题，要保证安全运行，对必须对汽车运行速度实时关注。所以汽车速度检测、指示是每辆汽车必须具有的基本功能。任务引入传统的机械式车速表是由旋转磁场作用于转动盘，使转动盘连同车速表指针发生同向的偏转。当电磁转矩与弹簧产生的阻力矩平衡时，指针偏转停留在某一角度上。任务引入指针偏转角与车速成正比，因而可用其表示车速。但是，机械式车速表有明显缺陷：由于表盘指针偏转程度正比于软轴的转动时产生的磁力，当转速较低的时候，磁力较小，随转速变化波动较大。任务引入因此，低速时车速表指针摆动剧烈、测量及显示精度不高。对于发动机后置的车辆，要将车速表指针的偏转动力由变速箱经软轴等传至驾驶室，软轴必然布置的较长，如何将这种任务引入长长的转动软轴从结构上布置妥当，肯定是一件十分困难的事情。现在的车速表大多是电子式的，用LED数码管或LCD显示，使速度显示更加直观。任务引入采用接触车速传感器代替软轴传动,可使车速表的安装位置不受距离限制,有效地克服了机械式车速表中的诸多不足。电子式车速表更加智能，车速表的功能也更加人性化，如加上了里程累计、超速提醒等功能。任务分析任务分析接触式汽车车速检测就需要有相应的接触式速度传感器来实现，霍尔式传感器作为一种接触式传感器进行速度检测，将是理想的选择。本任务结合霍尔传感器的工作原理分析汽车速度检测的设计和实施。任务一：汽车车速检测金属或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，这种物理现象称为霍耳效应。该电动势称霍耳电势，半导体薄片称霍耳元件。一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测霍耳效应的产生是由于电荷受到磁场中洛伦兹力作用的结果。如图8-8所示，在垂直于外磁场B的方向上放置一块长L、宽b、厚d的半导体薄片，沿着长度方向通以控制电流I，方向一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测如图3-1所示，则半导体中的电流是金属中自由电子在电场作用下的定向运动，此时，每个电子都要受到洛伦兹力，其大小为一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测式中，q为电子的电荷量，q=1.60×10－19C；v为半导体中电子在控制电流I作用下的运动方向和速度，FL为电子受到的洛伦兹力，FL方向符合左手定则。一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测电子除了沿电流方向做定向移动外，还在FL的作用下，向上面一侧运动，致使在霍耳元件的前后两个端面上积累起等量的正、负电荷，从而在导电板内部宽度b的方向上建立了附加内电场EH，形成霍耳电场，一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测该电场的强度为：一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测式中，UH为电位差。霍耳电场的出现，使定向运动的电子除了受到洛伦兹力作用外，还受到霍耳电场的作用力，其作用力大小为：FH=qEH一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测式中，FH为该霍耳电场的电场力。此力阻止电荷继续积累。随着前后积累电荷的增加，霍耳电场强度增加，电子受到的电场力也增加。当电子所受霍耳电场力FH与洛伦兹力FL大小相等，方向相反时，即FL=FH，则有：EH=vB一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测此时电子不再向两底面积累，达到平衡状态。又因

式中，j为电流密度；ρ为电阻率。而v=μEH一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测式中，μ为电荷迁移率，是自由电子在单位磁场下的运动速度(m2/V·s)。所以霍耳电压又可表示为一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测一般金属材料载流子迁移率很高，但电阻率很小；而绝缘材料电阻率极高，但载流子迁移率极低。故只有半导体材料适于制造霍尔片。一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测目前常用的霍尔元件材料有:锗、硅、砷化铟、锑化铟等半导体材料。其中N型锗容易加工制造，其霍尔系数、温度性能和线性度都较好。N型硅的线性度最好，其霍尔系数、温度性能同N型锗相近。一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测锑化铟对温度最敏感，尤其在低温范围内温度系数大，但在室温时其霍尔系数较大。砷化铟的霍尔系数较小，温度系数也较小，输出特性线性度好。一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测1．霍耳元件结构霍耳元件的结构很简单，如图3-2中所示，霍耳元件是由具有霍耳效应的半导体薄片、电极引线及壳体组成。一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测霍耳片是一块矩形半导体单晶薄片，在两个相互垂直方向侧面上，分别引出一对电极，共四个电极。其中a、b电极用于控制电流，称控制电极，c、d电极用于引出霍耳电势，称为霍耳电势输出极。一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测在霍耳基片外面用非导磁金属、陶瓷或环氧树脂封装作为外壳。在电路中霍耳元件可用两种符号表示，如图3-3所示。一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测2．测量电路霍耳元件基本测量电路如图3-4所示，图中控制电流I由电源UE供给，可以是直流电源或交流电源，调节电阻RW是用来调节控制电流I的大小；一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测RL是霍耳输出电压UH的负载电阻，通常是放大电路的输入电阻或表头内阻。霍耳电压UH一般为毫伏数量级，因而实际应用时要后接差动放大器。一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测一、霍尔效应二、霍耳元件结构及测量电路三、霍尔元件基本特性任务一：汽车车速检测1．额定激励电流和最大允许激励电流