第6章传感器原理与测量电路1课件.ppt

1、第第六六章章 SensorsSensors2主要内容主要内容SensorsSensors31.1.了解传感器的分类2.2.掌握常用传感器测量原理3.3.了解传感器测量电路本章学习要求本章学习要求SensorsSensors4正在给主人敬送饮料的机器人6.1 概 述传感器技术信息采集“感官”通信技术信息传输“神经”计算机技术信息处理“大脑”SensorsSensors5传感器按感官的归类6.1 概 述人的感觉人的感官信号形态转换相关器件物理现象视觉眼光电流光电阻光电流光电池光敏电阻器光电晶体管光电动势光导效应听觉耳位移电压位移电阻位移电压位移电容压电器件应变计霍尔元件压变电容器压电效应压阻效应霍

2、尔效应压力引起电容量变化温觉与触觉皮肤温度电压温度电阻压力电阻压力电容压力电压压力电压热电偶热敏电阻器应变计压变电容器压电传感器电感式传感器塞贝克效应温度引起载流子数的变化压阻效应压力引起电容量的变化压电效应嗅觉鼻气体电阻气体电流半导体气敏元件电化学气体传感器表面吸附现象电化学反应味觉舌化学变化电离子电极酶传感器SensorsSensors6 传感器是将被测量转换成为与之有确定对应关系的、容易测量、传输或处理的另一种形式的量（大多为电量）的装置。6.1 概 述传感器定义物理量电量传感器电压、电流、频率、脉冲等尺寸、位移、温度、力等SensorsSensors76.1 概 述传感器组成 传感器由

3、敏感器件与辅助器件组成。敏感元件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。SensorsSensors8按被测物理量分类6.1 概 述传感器分类机械量：长度，厚度，位移，速度，加速度，旋转角，转数，质量，重量，力，压力，真空度，力矩，风速，流速，流量；声：声压，噪声；磁:磁通，磁场；光：亮度，色彩；温度：温度，热量，比热。SensorsSensors96.1 概 述按传感原理分类传感器分类电容式传感器电阻式传感器压电式传感器磁电式传感器电感式传感器光电式传感器光纤式传感器光栅式传感器SensorsSensors106

4、.1 概 述按信号变换特征传感器分类能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作。例如热电偶温度计,压电式加速度计。能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。例如电阻应变片。SensorsSensors116.1 概 述基本参数指标环境参数指标可靠性指标其它指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：容许

5、各项抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其它环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等SensorsSensors126.1 概 述1.发展、利用新效应；2.开发新材料；3.提高传感器性能和检测范围；4.微型化与微功耗；5.集成化与多功能化；6.传感器的智能化；7.传感器的数字化和网络化。传感器的发展趋势SensorsSensors136.2 6.2 电容式传感器

6、电容式传感器一、电容传感器概述、工作原理和类型；二、电容传感器输出特性；三、电容式传感器的特点；四、电容传感器测量电路；五、电容式传感器的应用举例。主要内容学习要求1.掌握电容式传感器工作原理；2.掌握电容式传感器的分类、及它们各自的特点；3.了解电容式传感器的测量电路。SensorsSensors14电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置，实质上是一个具有可变参数的电容器。6.2 6.2 电容式传感器电容式传感器ACr0极板面积极板间距离相对介电常数真空介电常数A0r介电常数变化型面积变化型极距变化型SensorsSensors156.2 6.2 电容式传感器电容式传感器极距变化型

7、OCC非线性变化后电容：1 112000000000000000 CCCCCACC。通常取为近似线性。灵敏度时，当0.1S,000000CCCCSensorsSensors166.2 6.2 电容式传感器电容式传感器讨 论要提高传感器灵敏度S应减小初始极距 ,但极距也要受电容击穿电压限制。非线性随相对位移 的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移。初始极距 与S，与线性度相矛盾，决定了极距变化型电容传感器只适合测小位移（在0.01微米至零点几毫米）。为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。0000/SensorsSensors17极距变化型电容传感器 00C1C2 差动式极距变化型Sens

8、orsSensors18 差动式极距变化型传感器灵敏度可提高一倍，而非线性可大大减小。)4()3()2()(1 110000000001 CCACr)4()3()2()(1 110000000002 CCACr)5()3()(2000021 CCCC002CCS极距变化型电容传感器SensorsSensors19v 极距变化型电容式传感器的优点是动态响应快，灵敏度高，可进行非接触测量。但由于输出非线性特性、传感器杂散电容对灵敏度和测量精度的影响，以及与传感器配合使用的电子线路比较复杂等缺点，因此使用范围受到一定限制。差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍，非线性误差减小。特点1.主要用于小位

9、移量测量，0.01m到数百m。2.分辨力可达0.1m，灵敏度较高。极距变化型电容传感器SensorsSensors20应用举例电容式传声器SensorsSensors21 面积变化型电容传感器的工作原理是在被测参数的作用下改变极板的有效面积。常用的有角位移型和线位移型两种。优点是输出与输入成线性关系。但与极距变化型相比，灵敏度较低。适用于较大角位移及直线位移的测量。面积变化型电容传感器SensorsSensors22定板动板覆盖面积电容量灵敏度22rA220rCr常数220rddCSr电容量灵敏度常数bdxdCSr0bxCr0面积变化型电容传感器SensorsSensors23特特点点1.输出

10、特性为线性，灵敏度S为常数，适合测量大位移。2.与极距变化型相比，灵敏度较低v 应用举例 检测齿轮转速面积变化型电容传感器SensorsSensors24介电常数变化型电容传感器ACr0SensorsSensors25介电常数变化型电容传感器rrrdAAdAAdACCCCC000002121非线性 板材测厚SensorsSensors26介电常数变化型电容传感器位移测量dbxdbldbxdxlbCCCrr)1()(000021线 性SensorsSensors27电容式传感器的等效电路Rs 为引线,电容器支架和极板的电阻。Rp 为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和极板间的介质损耗。通常在低

11、频时较大。电感L由电容器本身的电感和外部引线的电感所组成。低频时很小，在很高的频率工作时需要加以考虑。电容传感器谐振频率通常为几十兆赫，通常工作点应在其谐振频率的 1/21/3，且使用条件必须与标定条件相同。ABLCCCe21传感器等效电容：SensorsSensors28电容式传感器的等效电路驱动电缆技术消除寄生电容的影响SensorsSensors29电容式传感器的常用转换电路电桥电路02EUo21212CCCCEUo001ACr002ACr，SensorsSensors30二极管双T型电路电容式传感器的常用转换电路)()()2(212ccfURRRRRRUELLLRLSensorsSen

12、sors31ACUCCUUrsxso000电容式传感器的常用转换电路运算放大器式电路C0CxUsUo-Kixi0ai=0SensorsSensors32 有一圆板电容传感器，直径 ，极板间距离 ,极板间介质为空气，试计算其电容 之值。又若将此电容传感器接至振荡器的调谐回路(皮法，微亨)作为调频元件，为使测量时有较均匀的灵敏度，要求调频最大偏频在 以内，求电容传感器的 。mmD20mm2.000C90C10L%5.0C可移动极板0课堂练习课堂练习SensorsSensors33pFAc9.132.0101085.8212000pFccc9.103909.13001)2)dcfcdcccLdf00

13、00121121210021CLf%5.00fdfpFcdc04.1005.020课堂练习课堂练习解法1SensorsSensors34课堂练习课堂练习%5.000fff%5.000fffpFc039.199.0005.12000ffcc020cffc01.1995.02000ffccpFc039.1解法2SensorsSensors35电容式传感器的特点主要优点主要缺点1.温度稳定性好；2.结构简单，适应性强；3.动态响应好；4.可以实现非接触测量，具有平均效应。1.输出阻抗高，负载能力差；2.寄生电容影响大。SensorsSensors36本讲要点总结v1电容传感器工作原理和类型v2.电容

14、传感器输出特性和测量电路 v3.电容式传感器的应用ACr0SensorsSensors37 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类：电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型6.3 电感式传感器SensorsSensors386.3 电感式传感器铁芯衔铁线圈变磁阻式电感传感器mRNL2N线圈匝数；Rm磁路的总磁阻；2202ANRNLmAAAlRm0022SensorsSensors39变磁阻式电感传感器传感器类型可变导磁面积型可变气隙厚度型差动型SensorsSensors40 灵敏度与气隙厚度的平方成反比。为了减小非线性误差，提高灵敏度，通常使这种传感器在小气

15、隙状态下工作，其测量范围在 0.001mm 与 lmm 之间。2202ANRNLm00LS 变气隙型自感传感器非差动式SensorsSensors41 当衔铁位于中间位置(位移为零)时，两线圈自感相等，i1i2，i=0，输出电压U0。当衔铁有位移时，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小，U的大小表示了衔铁位移量，极性表示了衔铁移动方向。若位移使i1增大，则必定使i2减小相同的值，于是灵敏度增加一倍。变气隙型自感传感器差动式002LS SensorsSensors42主要特点：主要特点：具有较好的线性，测量范围也比较大，但它的灵敏度比不上改变气隙厚度的电感传感器。2202ANRNLm变面积型自感

16、传感器SensorsSensors43 螺线管式电感传感器是一种开磁路电感传感器，其工作原理是基于线圈漏磁路径中的磁阻变化。由于空气通路长，使得磁路的磁阻比较高，因此这种传感器的灵敏度比较低，对于小位移测量意义不大。主要用于较大位移的测量，可达数毫米到数百毫米。可动铁芯螺管型自感传感器SensorsSensors44这种传感器实际上是个变压器，初级线圈Wl通电后，次级线圈W2便感应出电压。被测量的变化使初、次级线圈间互感发生变化，感应电压也产生相应变化。由于这种传感器常制成差动的形式，故称差动变压器。dtdiMe11差动变压器式传感器x次级线圈次级线圈W1初级线圈初级线圈W次级线圈次级线圈W2

17、铁芯铁芯PSensorsSensors45x次级线圈次级线圈W1初级线圈初级线圈W次级线圈次级线圈W2铁芯铁芯P前提：M1M2M1、铁芯位于中间e1=e2，eo=02、铁芯上移，e1e2,eo与e1同相3、铁芯下移，e2e1,eo与e2同相螺线管式差动变压器式传感器SensorsSensors46测量转换电路 交流电桥交流电桥等效电路交流电桥式SensorsSensors47测量转换电路谐振式调幅电路谐振式调频电路谐振式SensorsSensors48电涡流式传感器原理:涡流效应),(hfZ SensorsSensors49 高频(1MHz以上)激励电流i施加于邻近金属板一侧的线圈，由线圈产生

18、的高频电磁场作用于金属板的表面。金属板表面感应的涡流产生的电磁场又反作用于线圈上，改变了电感的大小。当线圈与金属板的距离发生变化时，导致耦合系数k、线圈自感L、线圈阻抗ZL的相应变化。高频反射式涡流传感器SensorsSensors50 多用于测定材料厚度。当激励低频电压e1加到发射线圈W1上后，在被测材料中产生涡流i而损耗部分能量，导致接收线圈W2上产生的感应电动势e2减小。其减小量与材料的厚度和材料性质有关，对一定的材料，e2随厚度呈指数规律减小。低频透射式涡流传感器SensorsSensors51不同频率下的e=f(h)曲线SensorsSensors52应用举例高频反射式涡流传感器如何

19、测厚？SensorsSensors53应用举例高频反射式涡流测厚系统示意图SensorsSensors54CCD应用举例SensorsSensors55连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle应用举例SensorsSensors56电涡流传感器振动测量示意图应用举例SensorsSensors57火车轮检测火车轮检测油管检测油管检测应用举例SensorsSensors58结构简单可靠，没有触点摩擦，灵敏度、分辨率都比较高，输出功率也比较大，测量准确度也比较高。对激磁电源的频率和振幅的稳定性要求比较高。6.3 电感式传感器 利用电磁感应原

20、理将被测量（位移、压力等）转换为线圈自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换成电压或电流的变化量输出，这种将被测非电量转换为电感变化的装置称为电感式传感器。SensorsSensors596.5 压电式传感器v 压电效应压电效应 某些物质在沿一定方向上施加外力使之变形时，其内部电荷分布将发生变化，使得表面的金属电极产生电荷。在外力除去后，它们又重新回到不带电的状态。这种现象称为正压电效应。相反，如果把这些物质置于电场中，其几何尺寸也将发生变化，这种由于外电场作用导致物质的机械变形的现象，称为逆压电效应，或称为电致伸缩效应。SensorsSensors60压电材料天然晶体(如天然石英晶体)

21、性能稳定，机械性能好，广泛应用于振荡器、谐振器等元件材料。人造晶体(如钛酸钡、锆钛酸钡等)灵敏度较高，性能存在缺陷，已逐渐被取代。压电陶瓷（锆钛酸铅、氧化锌等）现今大多采用的材料。压电高聚物薄膜（聚偏二氟乙烯）压电性强、柔性好，已得到应用。v具有这种压电效应的物质称为压电材料或压电元件。SensorsSensors61Oxyz纵向轴z称为光轴经过六面体棱线并垂直于光轴的x轴称为电轴与z和x抽同时垂直的轴y称为机械轴压电材料SensorsSensors62 通常把沿电轴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”，而把沿机械轴y方向的作用下产生电荷的压电效应称为“横向压电效应”。而沿光

22、抽z方向受力时不产生压电效应。压电效应SensorsSensors63 不受力时：不受力时：大小大小相等，相互夹角相等，相互夹角 ，因此，因此，。321,ppp01200321ppp石英晶体极化效应SensorsSensors64 把沿电轴把沿电轴x方向方向的力作用下产生电的力作用下产生电荷的压电效应称为荷的压电效应称为“纵向压电效应纵向压电效应”。纵向压电效应SensorsSensors65 把沿机械轴把沿机械轴y方向方向的作用下产生电荷的的作用下产生电荷的压电效应称为压电效应称为“横向横向压电效应压电效应”。横向压电效应SensorsSensors66 作用力越大，产生的电偶极矩越大，极板

23、上出现的电荷越多。压电片变形量。压电片刚度；压电常数；电荷量；式中：KDqDKDFq石英晶体极化效应SensorsSensors67单个晶片的等效电路单个晶片的等效电路Ca 压电元件两电极间的石英晶体或压电陶瓷为绝压电元件两电极间的石英晶体或压电陶瓷为绝缘体，因此就构成一个电容器缘体，因此就构成一个电容器 。压电元。压电元件的开路电压：件的开路电压：ACa0aaaCDFCqeSensorsSensors68+FF晶片并接CaRaqea灵敏度：灵敏度：DdFdqSq特特点点1.电荷得到放大。2.适用于测量缓变信号和以电荷为输出量的场合。SensorsSensors69晶片串接+FFCaRaea灵

24、敏度：灵敏度：aaeCDdFdeS特特点点1.电压得到放大。2.适用于以电压为输出量、测量电路有高输入 阻抗的场合。SensorsSensors70测量电路电压放大器U-A传感器电缆电压放大器RaRiCaCcCiUiUo222)(1)(icamimCCCRRFDUSensorsSensors71qAUoCaCcCiCfUi传感器电缆电荷放大器foCqU测量电路电荷放大器ffioACCCAqAUU开环增益足够大时，即 ，可简化为:ffCCKCSensorsSensors72 压电式传感器是一种典型的自发电式传感器，常用来测量力、压力、振动加速度，也用于声学(包括超声)、声发射及几何量等的测量。压

25、电式传感器SensorsSensors73压电式加速度传感器SensorsSensors746.7 6.7 霍尔传感器霍尔传感器v 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尔效应。BIKUCHHcosBIKUCHHSensorsSensors756.7 霍尔传感器v霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。SensorsSensors766.7 霍尔传感器v测量电路SensorsSensors776.7 霍尔传感器v转角测量SensorsSensors786.7 霍尔传感器v 电流传感器 当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小

26、与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。SensorsSensors796.7 霍尔传感器v铁磁材料裂纹检测 NSSensorsSensors806.7 6.7 霍尔传感器霍尔传感器v叶片和齿轮位置传感器SensorsSensors816.7 6.7 霍尔传感器霍尔传感器v汽车速度测量SensorsSensors82型式型式测量范围测量范围精确度精确度直线性直线性特点特点电感式自感式变气隙型0.2mm1%3%只宜用于微小位移测量螺管型1.52mm测量范围较前者宽，使用方便可靠，动态性能较差特大型3002000mm0.15%1%差动变压器0.0875m

27、m0.50.5%分辨力好，受到磁场干扰时需屏蔽涡电流式2.5250mm1%3%3%分辨力好，受被测物体材料、形状、加工质量影响同步机3600.170.5%可在1200r/min转速工作，坚固，对温度和湿度不敏感微动同步器101%0.05%非线性误差与变压比和测量范围有关旋转变压器600.1%电容式变面积10-3103mm0.005%1%受介电常数因环境温度、湿度而变化的影响变间距10-310mm0.1%分辨力很好，但测量范围很小，只能在小范围内近似地保存线性霍尔元件1.5mm0.5%结构简单，动态特性好SensorsSensors837.有一圆板电容传感器，直径 ，极板间距离 ,极板间介质为空气，试计算其电容 之值。又若将此电容传感器接至振荡器的调谐回路(微微法，微亨)作为调频元件,为使测量时有较均匀的灵敏度，要求调频最大偏频在 以内，求电容传感器的 。mmD20mm2.000C90C10L%5.0C可移动极板0