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测试技术 传感器原理与测量电路.ppt

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测试 技术 传感器 原理 测量 电路
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第六章 ? ?传感器 传感器Sensors 主要内容 1 1 . .传感器概述 传感器概述 2 2 . .电容式 电容式 传感器 传感器 3 3 . .电感式 电感式 传感器 传感器 4 4 . .压电式 压电式 传感器 传感器 5 5 . .磁电式 磁电式 传感器 传感器 7 7 . .光栅式 光栅式 传感器 传感器 8 8 . .光纤式 光纤式 传感器 传感器 6 6 . .霍尔 霍尔 式 式 传感器 传感器 2Sensors 1.了解传感器的分类 ? ?2.掌握常用传感器测量原理 3.了解传感器测量电路 本章学习要求 3Sensors 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” 4Sensors 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 5Sensors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 6Sensors 6.1 概 ?述 传感器组成传感器由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。 7Sensors ——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。 8Sensors 6.1 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 9Sensors 6.1 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。 10Sensors 6.1 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 11Sensors 6.1 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 12Sensors 6.2 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。 ? 13Sensors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 电容式传感器 介电常数变化型 面积变化型 极距变化型 14Sensors 6.2 电容式传感器 极距变化型 O Δδ C δ Δ C 15Sensors 6.2 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。 ?16Sensors 极距变化型电容传感器 Δ δ δ 0 δ 0 C 1 C 2差动式极距变化型 17Sensors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。 极距变化型电容传感器 18Sensors v ? ?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.主要用于小位移量测量,0.01μm到数百μm。 2.分辨力可达0.1μm,灵敏度较高。 极距变化型电容传感器 19Sensors 应用举例 电容式传声器 20Sensors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 21Sensors α 定板 动板 覆盖面积 电容量 灵敏度 电容量 灵敏度 面积变化型电容传感器 22Sensors 特 点 1.输出特性为线性,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 23Sensors 介电常数变化型电容传感器 24Sensors 介电常数变化型电容传感器 非线 性板材测厚 25Sensors 介电常数变化型电容传感器 位移测量 线 性 26Sensors 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 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 1/2?1/3 ,且 使用条件必须与标定条件相同。 A B 传感器等效电容: 27Sensors 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 28Sensors 电容式传感器的常用转换电路 电桥电路 ,29Sensors 二极管双T型电路 电容式传感器的常用转换电路 30Sensors 电容式传感器的常用转换电路 运算放大器式电路 C 0 C x U s U o -K i x i 0 a i=0 31Sensors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 ? ? ? 。 可移动极板 课堂练习 32Sensors 1) 2) 课堂练习 解法1 33Sensors 课堂练习 解法2 34Sensors 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。 35Sensors 本讲要点总结 v1.电容传感器工作原理和类型 v2. 电容传感器输出特性和测量电路 ?v3. 电容式传感器的应用 36Sensors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 37Sensors 6.3 电感式传感器 铁芯 衔铁 线圈 变磁阻式电感传感器 N——线圈匝数; R m ——磁路的总磁阻; 38Sensors 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 39Sensors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隙状态下工作,其 测量范围在 0.001mm 与 lmm 之间。 变气隙型自感传感器 非差动式 40Sensors当衔铁位于中间位置(位移为零)时,两线圈自感相等, i 1 =i 2 ,△i=0,输出电压U=0。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i 1 增大,则必定使i 2 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 41Sensors 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。 变面积型自感传感器 42Sensors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 43Sensors这种传感器实际上是个变压器,初级线圈W l 通电后,次级线 圈W 2 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。 差动变压器式传感器 x 次级线圈W 1 初级线圈W 次级线圈W 2 铁芯P 44Sensors x 次级线圈W 1 初级线圈W 次级线圈W 2 铁芯P 前提:M 1 =M 2 =M 1、铁芯位于中间e 1 =e 2 ,e o =0 2、铁芯上移,e 1 ↑e 2 ↓,e o 与e 1 同相 3、铁芯下移,e 2 ↑e 1 ↓,e o 与e 2 同相 螺线管式差动变压器式传感器 45Sensors 测量转换电路 ?交流电桥 交流电桥等效电路 交流电桥式 46Sensors 测量转换电路 谐振式调幅电路 谐振式调频电路 谐振式 47Sensors 电涡流式传感器 原理:涡流效应 48Sensors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Z L 的相应变化。 高频反射式涡流传感器 49Sensors多用于测定材料厚度。 当激励低频电压e 1 加到发射 线圈W 1 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W 2 上产生的感 应电动势e 2 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,e 2 随厚 度呈指数规律减小。 低频透射式涡流传感器 50Sensors 不同频率下的e=f(h)曲线 51Sensors 应用举例 高频反射式涡流传感器如何测厚? 52Sensors 应用举例 高频反射式涡流测厚系统示意图 53Sensors CCD 应用举例 54Sensors 连续油管的椭圆度测量 Coiled Tube Eddy ?Sensor ?Reference Circle 应用举例 55Sensors 电涡流传感器振动测量示意图 应用举例 56Sensors 火车轮检测 油管检测 应用举例 57Sensors 优点: 优点: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。 缺点: 缺点: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。 58Sensors 6.5 ?压电式传感器 v 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。 59Sensors 压电材料 天然晶体 (如天然石英晶体)——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。 60Sensors O x y z 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 61Sensors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 抽z方向受力时不产生压电效应。 ?压电效应 62Sensors不受力时: ? ? ? ? ? ? 大小 相等,相互夹角 ? ? ? , 因此, ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 。 石英晶体极化效应 63Sensors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” 。 纵向压电效应 64Sensors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”。 横向压电效应 65Sensors作用力越大,产生的电偶极矩越大,极板上 出现的电荷越多。 石英晶体极化效应 66Sensors 单个晶片的等效电路 C a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 ? ? ? ? ? ? ? ?。压电元 件的开路电压: 67Sensors + + + + + + + + + + F F 晶片并接 C a R a q e a 灵敏度: 特 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。 68Sensors 晶片串接 + + + + + + + + + + F F C a R a e a 灵敏度: 特 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。 ?69Sensors 测量电路——电压放大器 U -A 传感器 电缆 电压放大器 R a R i C a C c C i U i U o 70Sensors q -A U o C a C c C i C f U i 传感器 电缆 电荷放大器 测量电路——电荷放大器 开环增益足够大时, 即 ? ? ? ? ? ? ? ? ?, 可简化为: ? ? ? ? ? ? ? 71Sensors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。 压电式传感器 72Sensors 压电式加速度传感器 73Sensors 6.7 ?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。 ?74Sensors 6.7 ?霍尔传感器 v霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成。 75Sensors 6.7 ?霍尔传感器 v测量电路 76Sensors 6.7 ?霍尔传感器 v转角测量 77Sensors 6.7 ?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 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。 78Sensors 6.7 ?霍尔传感器 v铁磁材料裂纹检测 ?N S 79Sensors 6.7 ?霍尔传感器 v叶片和齿轮位置传感器 80Sensors 6.7 ?霍尔传感器 v汽车速度测量 81Sensors 型式 测量范围 精确度 直线性 特点 电 感 式 自 感 式 变气隙型 ±0.2mm ±1% ±3% 只宜用于微小位移测量 螺管型 1.5~2mm 测量范围较前者宽,使用方便可 靠,动态性能较差 特大型 300~2000mm ① 0.15% ?~1% 差动变压器 ±0.08~75mm ① ±0.5% ±0.5% 分辨力好,受到磁场干扰时需屏 蔽 涡电流式 ±2.5~±250mm ① ±1% ~3% <3% 分辨力好,受被测物体材料、形 状、加工质量影响 同步机 360° ±0.1°~±7° ±0.5% 可在1200r/min转速工作,坚固, 对温度和湿度不敏感 微动同步器 ±10° ±1% ±0.05% 非线性误差与变压比和测量范围 有关 旋转变压器 ±60° ±0.1% 电 容 式 变面积 10 -3 ~10 3 mm ① ±0.005% ±1% 受介电常数因环境温度、湿度而 变化的影响 变间距 10 -3 ~10mm ① 0.1% 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 ±1.5mm 0.5% 结构简单,动态特性好 82Sensors 7.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 ? ? ? 。 可移动极板 83

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