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2010.8.14,数据采集与处理技术,颜拥军 主讲,第二章 采集系统常用传感器,2.1 传感器的定义与组成,2.2 传感器的分类与特点,2.3 电阻应变式传感器原理,2.4 热电偶传感器原理,2.5 电感式传感器,2.6 电容式传感器,2.7 压电传感器,2.8 霍尔传感器,2.9 光电传感器,2.1 传感器的定义与组成,传感器的概念： 广义上讲传感器就是能感知外界信息并能按一定规律将这些信息转换成可用信号的装置。 简单地说传感器是将外界信号转换为电信号的装置。 所以传感器由敏感元器件（感知元件）和转换器件（将敏感元件的输出量转换成适宜传输和测量的量的器件，如电学量）两部分组成；有的半导体敏感元器件可以直接输出电信号，本身就构成传感器。,非电学量 电学量,传感器,角度 位移 速度 加速度 压力 温度 湿度 声强 光照强度 ,电压 电流强度 电阻 电容,2.1 传感器的定义与组成,2.2 传感器的分类与特点,分类方法,按被测输入量来分,按敏感材料分类,按能量的关系分类,其他分类法,2.2 传感器的分类与特点,优点：比较明确地表达传感器的用途，可方便地根据测量对象选择所需要的传感器。 缺点：不便于使用者掌握其基本原理及分析方法。,按被测物理量分类,温度传感器、湿度传感器、压力传感器、位移传感器、流量传感器、加速度传感器、光电传感器,按敏感材料分类：半导体传感器、陶瓷传感器、 光导纤维传感器、高分子材料 传感器和金属传感器等。,按能量分类,有源传感器,无源传感器,压电式 热电式 压阻式等,电阻式 电容式 电感式等,传感器的基本特性,一、静态特性,传感器的静态特性是指被测量的值处于稳定状态时的输出输入关系。只考虑传感器的静态特性时, 输入量与输出量之间的关系式中不含有时间变量。衡量静态特性的重要指标是线性度、 灵敏度, 迟滞和重复性等。,1. 线性度 传感器的线性度是指传感器的输出与输入之间数量关系的线性程度。输出与输入关系可分为线性特性和非线性特性。,2 灵敏度 灵敏度S是指传感器的输出量增量y 与引起输出量增量y的输入量增量x的比值, 即 S=y/x 对于线性传感器, 它的灵敏度就是它的静态特性的斜率, 即S=y/x为常数, 而非线性传感器的灵敏度为一变量, 用S=dy/dx表示。,3. 迟滞 传感器在正（输入量增大）反（输入量减小）行程期间其输出-输入特性曲线不重合的现象称为迟滞。产生这种现象的主要原因是由于传感器敏感元件材料的物理性质和机械零部件的缺陷所造成的, 例如弹性敏感元件的弹性滞后、运动部件摩擦等。,4. 重复性 重复性是指传感器在输入量按同一方向作全量程连续多次变化时, 所得特性曲线不一致的程度。,一、动态特性,传感器的动态特性是指其输出对随时间变化的输入量的响应特性。当被测量随时间变化,是时间的函数时, 则传感器的输出量也是时间的函数,其间的关系要用动特性来表示。 实际上除了具有理想的比例特性外, 输出信号将不会与输入信号具有相同的时间函数,这种输出与输入间的差异就是所谓的动态误差。,1. 瞬态响应特性 传感器的瞬态响应是时间响应。常用激励信号有阶跃函数、斜坡函数、脉冲函数等。,瞬态响应特性指标 （1）时间常数一阶传感器时间常数越小, 响应速度越快。 （2）延时时间传感器输出达到稳态值的50%所需时间。 （3）上升时间传感器输出达到稳态值的90%所需时间。 （4） 超调量传感器输出超过稳态值的最大值。,2. 频率响应特性 传感器对正弦输入信号的响应特性, 称为频率响应特性。 频率响应法是从传感器的频率特性出发研究传感器的动态特性,频率响应特性指标 (1) 频带传感器增益保持在一定值内的频率范围为传感器频带或通频带, 对应有上、下截止频率。 (2) 时间常数用时间常数来表征一阶传感器的动态特性。越小, 频带越宽。 (3) 固有频率n二阶传感器的固有频率n表征了其动态特性。 ,2.3 电阻应变式传感器原理,电阻应变式传感器是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器, 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。 当被测物理量作用在弹性元件上时, 弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化, 通过转换电路将其转变成电量输出, 电量变化的大小反映了被测物理量的大小。应变式电阻传感器是目前测量力、力矩、 压力、加速度、重量等参数应用最广泛的传感器。,2.3 电阻应变式传感器原理,电阻应变效应及原理 电阻应变片的工作原理是基于应变效应, 即在导体产生机械形变时, 它的电阻值相应发生变化。 如图 2.1 所示, 一根金属电阻丝,在其未受力时,原始电阻值为 R= （1） 式中: 电阻丝的电阻率; L电阻丝的长度; S电阻丝的截面积。 r电阻丝的半径,2.3 电阻应变式传感器原理,图2.1 金属电阻丝应变效应,2.3 电阻应变式传感器原理,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为,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,（2）,（3）,（4）,2.3 电阻应变式传感器原理,由材料力学可知, 在弹性范围内, 金属丝受拉力时, 沿轴向伸长, 沿径向缩短, 那么轴向应变和径向应变的关系可表示为,式中: 电阻丝材料的泊松比, 负号表示应变方向相反。 将式（3）, 式（5）代入式（2）, 可得,（6）,（7）,（5）,2.3 电阻应变式传感器原理,设K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。由材料力学可知， ，故R/R可表示为,（8）,说明：如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积S，以及弹性模量E均为已知，则只要测出R/R的数值，即可获知试件受力F的大小。该传感器广泛用于电子秤中。,2.3 电阻应变式传感器原理,电阻应变式传感器的结构及特性,常见的有丝式电阻应变片和箔式电阻应变片两种。,2,3,4,1,图2.2 电阻应变片结构示意图,b,l,栅宽,栅长,2.3 电阻应变式传感器原理,静态特性 灵敏系数K 应变片的灵敏系数K不等于金属丝的灵敏系数K0，一般KK0。原因是K0是在标准条件下测定得到，而K0值是对一批应变片产品进行抽样测定，得到的各灵敏系数的平均值，即“标称灵敏系数K0”。,2.3 电阻应变式传感器原理,横向效应 定义：将直的电阻丝绕成敏感栅后, 虽然长度不变, 应变状态相同, 但由于应变片敏感栅的电阻变化较小, 因而其灵敏系数K较电阻丝的灵敏系数K0小, 这种现象称为应变片的横向效应。,结果：应变片的灵敏度比电阻丝的灵敏度要小 解决办法：多采用箔式应变片,图2.3 应变片轴向受力及横向效应,2.3 电阻应变式传感器原理,机械滞后 原因：基底材料、粘结剂的材料、残余变形 通常要求：,图2.4 机械滞后,2.3 电阻应变式传感器原理,应变片主要参数和性能指标,主要参数,基长l:又称标距，即敏感栅的纵向长度； 基宽b:敏感栅的横向宽度； 电阻值R:指应变片未经安装也不受外力情 况下于室温时所测定的电阻值； 灵敏度S:即单位应变引起的电阻值的相对 变化，是应变片的重要技术参数； 允许电流:允许通过应变片的最大工作电 流。,2.3 电阻应变式传感器原理,测量转换电路直流电桥电路,如图2.5所示，电桥的一个对角线为输出电压U0,Ui,R2,R3,R1,R4,Uo,a,b,c,d,图2.5 直流电桥电路,2.3 电阻应变式传感器原理,三种组桥方式 （1）单臂电桥,如图2.7所示，R1为应变片，其余各臂为固定电阻，则输出为：,Ui,R2,R3,R1,R4,Uo,a,b,c,d,图2.7单臂电桥,2.3 电阻应变式传感器原理,（2）双臂电桥（相邻臂）,Ui,R2,R3,R1,R4,Uo,a,b,c,d,如图2.7所示，R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻，则输出为：,图2.8 双臂电桥,2.3 电阻应变式传感器原理,（3）四臂全桥,Ui,R2,R3,R1,R4,Uo,a,b,c,d,全桥的四个桥臂均为应变片，如图2.9所示，如果设法使试件受力后，应变片R1R4产生的电阻增量正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大,图2.9 四臂电桥,上述三种工作方式中，全桥四臂灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度补偿。 全桥的温度补偿原理如图2.9所示：当环境温度升高时，如图所示，温度引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂较小。半桥也同样能克服温漂。 主要应用是力的测量或可转化为力的测量量P20-P22 汽车衡称重系统,Ui,R2,R3,R1,R4,Uo,a,c,d,2.3 电阻应变式传感器原理,2.10 全桥温度补偿,2.4 热电偶传感器原理,温度是反映物体冷热状态的物参数,温度传感器的分类： （1）接触式温度传感器,特点：传感器直接与被测物体接触进行温度测量，由于被测物体的热量传递给传感器，降低了被测物体温度，特别是被测物体热容量较小时，测量精度较低。因此采用这种方式要测得物体的真实温度的前提条件是被测物体的热容量要足够大。常见的有热电偶、热电阻、热敏电阻等。,（2）非接触式传感器,主要是利用被测物体热辐射而发出红外线，从而测量物体的温度，可进行遥测。其制造成本较高，测量精度却较低。优点是：不从被测物体上吸收热量；不会干扰被测对象的温度场；连续测量不会产生消耗；反应快等。常见的有红外测温传感器、光电比色高温计等。,热电偶传感器是目前使用最广泛的测温元件之一。优点是测温范围广、精度高、性能稳定、结构简单、动态特性好，而且可直接输出电信号，便于处理和远距离传送。,热电偶传感器测温原理,如图2.15所示，两种不同的导体或半导体A和B组合成闭合回路，若导体A和B的连接处温度不同（设TT0），则在此闭合回路中就有电流产生，也就是说回路中有电动势存在，这种现象叫做热电效应。 这种现象早在1821年首先由西拜克（Seeback）发现,所以又称西拜克效应。,回路中所产生的电动势，叫热电势。热电势由两部分组成，即温差电势和接触电势。,热端,冷端,2.4 热电偶传感器原理,（1）接触电势,当A和B两种不同材料的导体接触时，由于两者内部单位体积的自由电子数目不同(即电子密度不同)，因此，电子在两个方向上扩散的速率就不一样。现假设导体A的自由电子密度大于导体B的自由电子密度，则导体A扩散到导体B的电子数,2.4 热电偶传感器原理,图2.11 接触电势原理图,要比导体B扩散到导体A的电子数大。所以导体A失去电子带正电荷，导体B得到电子带负电荷，于是，在A、B两导体的接触界面上便形成一个由A到B的电场。该电场的方向与扩散进行的方向相反，它将引起反方向的电子转移，阻碍扩散作用的继续进行。当扩散作用与阻碍扩散作用相等时，即自导体A扩散到导体B的自由电子数与在电场作用下自导体B到导体A的自由电子数相等时，便处于一种动态平衡状态。在这种状态下，A与B两导体的接触处就产生了电位差，称为接触电动势。接触电动势的大小与导体的材料、接点的温度有关，与导体的直径、长度及几何形状无关。对于热电偶的热端温度T和冷端温度T0，分别有接触电动热EAB(T)和EAB(T0)。,2.4 热电偶传感器原理,（2）温差电动势,A,EA(T,To),To,T,图2.12温差电势原理图,对于导体A或B，将其两端分别置于不同的温度场T、T0中(TT0)。在导体内部，热端的自由电子具有较大的动能，向冷端移动，从而使热端失去电子带正电荷，冷端得到电子带负电荷。这样，导体两端便产生了一个由热端指向冷端的静电场。该电场阻止电子从热端继续跑到冷端并使电子反方向移动，最后也达到了动态平衡状态。这样，导体两端便产生了电位差，我们将该电位差称为温差电动势。温差电动势的大小取决于导体的材料及两端的温度，分别记为EA(T,T0)和EB(T,T0),2.4 热电偶传感器原理,(3) 回路总电动势,由导体材料A、B组成的闭合回路，其接点温度分别为T、T0,如果TT0，则必存在着两个接触电势和两个温差电势，回路总电势：,T0,T,EAB(T),EAB(T0),EA(T,T0),EB(T,T0),A,B,2.4 热电偶传感器原理,图2.13,实践证明，在热电偶回路中起主要作用的是接触电动势，温差电动势只占极小部分，可以忽略不计，故上式可写成：,热电偶构成条件：,（1）热电偶必须采用两种不同材料的导体组成； （2）热电偶的热电势仅与两接点的温度有关，而与沿热电极的温度分布无关； （3）热电极材料的均匀性是衡量热电偶质量的重要技术之一。,2.4 热电偶传感器原理,结论:,热电偶回路热电势只与组成热电偶的材料及两端温度有关；与热电偶开头尺寸无关。,导体材料确定后，热电势的大小只与热电偶两端的温度有关。如果使EAB(T0)=常数，则回路热电势EAB(T，T0)就只与温度T有关，而且是T的单值函数，这就是利用热电偶测温的原理。,2.4 热电偶传感器原理,热电偶的基本定律,1. 中间导体定律,在热电偶回路中接入第三种导体，只要第三种导体的两接点温度相同，则回路中总的热电动势不变。,2.4 热电偶传感器原理,图2.14,2. 中间温度定律,热电偶AB两结点的温度分别为T、T0 时产生的热电势为EAB(T, T0) 等于该热电偶在T、Tn及Tn、T0时的热电势EAB(T, Tn)与EAB(Tn, T0)的代数和。表达式为：,EAB（T, T0）=EAB（T, Tn）+EAB（Tn, T0）,2.4 热电偶传感器原理,图2.15,例：用S型热电偶测量某一温度，若参考端温度Tn=30oC，测得的热电势E(T,Tn)=7.5mV，求测量端实际温度T。,解：在E(Tn,T0)中，Tn=30oC，T0=0oC 查分度表有，E(30,0)=0.173mV E(T,Tn)=7.5mV 故有：E(T,0)=E(T,30)+E(30,0)=7.5+0.173=7.673mV 反查分度表有： T=830oC，即测量端实际温度为830oC。,2.4 热电偶传感器原理,热电偶的冷端处理和补偿,原因 热电偶热电势的大小是热端温度和冷端的函数差，为保证输出热电势是被测温度的单值函数，必须使冷端温度保持恒定； 热电偶分度表给出的热电势是以冷端温度0为依据，否则会产生误差。,方法 冰点槽法 计算修正法 补正系数法 零点迁移法 冷端补偿器法 软件处理法,2.4 热电偶传感器原理,1.冰点槽法 把热电偶的参比端置于冰水混合物容器里，使T0=0。这种办法仅限于科学实验中使用。,2.计算修正法 用普通室温计算出参比端实际温度TH，利用公式计算热电势,然后查表.,例： 用镍铬镍硅（K型）热电偶测温，热电偶参考端温度为30oC，测得的势为28mV，求热端温度。,解： E(30,0)=1.203mV E(T,30)=28mV E(T,0)=28mV+1.203mV=29.203mV 反查分度表有 T=701.5oC,2.4 热电偶传感器原理,3.补正系数法 把参比端实际温度TH乘上系数k，加到由EAB(T，TH)查分度表所得的温度上，成为被测温度T。,4.零点迁移法 在测量结果中人为地加一个恒定值，因为冷端温度稳定不变，电动势EAB(TH,0)是常数，利用指示仪表上调整零点的办法，加大某个适当的值而实现补偿。,2.4 热电偶传感器原理,5. 冷端补偿器法 利用不平衡电桥产生热电势补偿热电偶因冷端温度变化而引起热电势的变化值。,图2.16冷端补偿器的作用,注意：桥臂RCu必须和热电偶的冷端靠近，使处于同一温度之下。,mV,EAB(T,T0),T0,T0,T,A,B,+,+,-,a,b,U,RCu,R1,R2,R3,R,2.4 热电偶传感器原理,6. 软件处理法 对于计算机系统，不必全靠硬件进行热电偶冷端处理。例如冷端温度恒定但不为0的情况，只需在采样后加一个与冷端温度对应的常数即可。 对于T0经常波动的情况，可利用热敏电阻或其它传感器把T0信号输入计算机，按照运算公式设计一些程序，便能自动修正。后一种情况必须考虑输入的采样通道中除了热电动势之外还应该有冷端温度信号，如果多个热电偶的冷端温度不相同，还要分别采样，若占用的通道数太多，宜利用补偿导线把所有的冷端接到同一温度处，只用一个冷端温度传感器和一个修正T0的输入通道就可以了。冷端集中，对于提高多点巡检的速度也很有利。,2.4 热电偶传感器原理,工业用热电偶,下图2.17为典型工业用热电偶结构示意图。它由热电偶丝、绝缘套管、保护套管以及接线盒等部分组成。实验室用时，也可不装保护套管，以减小热惯性。,2.4 热电偶传感器原理,2.5 电感式传感器,定义：是一种利用线圈自感和互感的变化实现非电量测量的装置。 电感测量：位移、振动、压力、应变、流量、比重等。 分类：根据转换原理，分自感式和互感式两种； 根据结构型式，分气隙型、面积型和螺管型。 优点： 结构简单、可靠，测量力小 衔铁为0.520010-5N时，磁吸力为(110)10-5N。 分辨率高 机械位移：0.1m，甚至更小；角位移：0.1角秒。 输出信号强，电压灵敏度可达数百mV/mm 。 重复性好，线性度优良 在几十m到数百mm的位移范围内，输出特性的线性度较好，且比较稳定。 不足：存在交流零位信号，不宜于高频动态测量,自感式电感传感器 可分为变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。 （1）变间隙型电感传感器,工作原理 组成：线圈1，衔铁3和铁芯2等。 图2.18中点划线表示磁路，磁路中空气隙总长度为l0 。,图2.18变间隙型电感传感器,由磁路基本知识知，线圈自感为,N：线圈匝数； Rm：磁路总磁阻(铁芯与衔铁磁阻和空气隙磁阻),2.5 电感式传感器,l1：铁芯磁路总长；l2：衔铁的磁路长；A：截面积；1：铁芯磁导率； 2：衔铁磁导率 0：真空磁导率，0=410-7Hm；：空气隙总长。,对于变间隙式电感传感器，因为气隙较小(l0为0.11mm)，所以，认为气隙磁场是均匀的，若忽略磁路铁损，则磁路总磁阻为,因此有：,由于自感传感器的铁芯一般在非饱和状态下，其磁导率远大于空气的磁导率，因此铁芯磁阻远较气隙磁阻小，所以上式可简化为,2.5 电感式传感器,可以看出，电感值与线圈匝数N的平方成正比，与空气间隙有效截面积A成正比，与空气间隙长度成反比。,2.5 电感式传感器,（2）变面积型电感式传感器,由变气隙型传感器可知，气隙长度不变，铁芯与衔铁间相对覆盖面积随被测量的变化而改变，从而导致线圈的电感量发生变化，这种形式称为变面积型电感传感器，其结构示意图如2.19所示。,由式子,可知，线圈电感量L与磁通截面面积A成正比，是一种线性关系。,图2.19变面积型电感式传感器,1衔铁；2铁芯；3线圈,2.5 电感式传感器,（3）螺管型电感式传感器,图2.20为螺管型电感式传感器的结构图。螺管型电感式传感器的衔铁随被测对象移动，线圈磁力线路径上的磁阻发生变化，线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线圈的深度有关。其关系式为：,线圈长度为l；线圈的平均半径为r；线圈的匝数为N，衔铁进入线圈的长度为la，衔铁的半径为ra；铁芯的有效磁导率为m。,2.5 电感式传感器,r,x,螺旋管,铁心,图2.20圈螺管型传感器结构图,l,2.5 电感式传感器,自感式电感传感器分析结论：,（1）变间隙型灵敏度较高，但非线性误差较大，且制作装配比较困难； （2）变面积型灵敏度较前者小，但线性较好，量程较大，使用比较广泛； （3）螺管型灵敏度较低，但量程大且结构简单易于制件和批量生产，是使用最广泛的一种电感式传感器。,2.5 电感式传感器,差动变压器式传感器 1. 差动变压器式传感器结构,1 初级线圈;2.3次级线圈;4衔铁,1,2,4,3,1,2,3,(a)气隙型,(b)螺管型,其基本元件有衔铁、初级线圈、次级线圈和线圈框架等。初级线圈作为差动变压器激励用，相当于变压器的原边，而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成，相当于变压器的副边。螺管形差动变压器根据初、次级排列不同有二节式、三节式、四节式和五节式等形式。,2.5 电感式传感器,图2.21 差动变压器式传感器结构,U21,R21,e21,U22,ui,M1,M2,N21,N22,N1,Ii,图2.22 等效电路,其等效电路如图2.22所示，在没有被测量输入时两组线圈L1和L2的电感值相等；当有被测量输入时，衔铁随被测对象移动，使一组线圈的自感增大，而另一组线圈的自感将减少。,2.5 电感式传感器,（2）差动变压器式传感器的特性,在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减少，形成差动形式。差动变压器式传感器的特性如图2.23所示。从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线性度较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式的两倍。,2.5 电感式传感器,图2.23 差动变压器式传感器的特性,（3）变压器式传感器的测量转换电路,差动变压器的输出电压为交流，它与衔铁位移成正比。用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小，不能反映移动的方向，因此常采用差动整流电路和相敏检波电路进行测量。,（一）差动整流电路 根据半导体二级管单向导通原理进行解调的。 如传感器的一个次级线圈的输出瞬时电压极性，在f点为“”，e点为“”，则电流路径是fgdche（参看图a）。反之，如f点为“”，e点为“”，则电流路径是ehdcgf。可见，无论次级线圈的输出瞬时电压极性如何，通过电阻R的电流总是从d到c。同理可分析另一个次级线圈的输出情况。输出的电压波形见图（b），其值为USC=eabecd。,2.5 电感式传感器,设正半周，在f点为“” ，e为“-”，则电流路径是fgdche (参看图a)。,负半周，f点为“” ，e为“+”，则电流路径是ehdcgf。,e1,R,R,c,a,b,h,g,f,d,e,USC,USC= ecdeab,图2.24全波整流电路和波形图,2.5 电感式传感器,（二）、相敏检波电路 容易做到输出平衡，便于阻抗匹配。图2.25中调制电压er和e同频，经过移相器使er和e保持同相或反相，且满足ere。调节电位器R可调平衡，图中电阻R1=R2=R0，电容C1=C2=C0，输出电压为UCD。,2.5 电感式传感器,图2.25 相敏检波电路,当铁芯在中间时,e=0,只有er起作用，输出电压UCD0。 若铁芯上移，e0，设e和er同相位，由于ere， 故er正半周时D1、D2仍导通，但D1回路内总电势为ere，而D2回路内总电势为ere，故回路电流i1i2，输出电压UCD=R0（i1i2）0。,当er负半周时， UCD=R0(i4-i3)0，因此铁芯上移时输出电压UCD0。 当铁芯下移时，e和er相位相反。同理可得UCD0。,由此可见，该电路能判别铁芯移动的方向。,2.5 电感式传感器,（三）零点残余电压,当差动变压器的衔铁处于中间位置时，理想条件下其输出电压为零（图4-16）。 但实际上，当使用桥式电路时，在零点仍有一个微小的电压值(从零点几mV到数十mV)存在，称为零点残余电压。 如图是扩大了的零点残余电压的输出特性。零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区；零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和，影响电路正常工作等。,0,e2,x,-x,e20,1,2,1e20等于零的输出曲线 2e20不等于零的输出曲线 e20零点残余电压,2.5 电感式传感器,图2.26 零点残余电压示意图,造成零点残余电压的主要原因是：,1、一组两个传感器不完全对称； 2、存在寄生参数； 3、供电电源中有谐波，而电桥不能对基波进行较好的预调平衡； 4、供电电源很好，但磁路本身存在非线性； 5、工频干扰。,消除零点残余电压方法：,1从设计和工艺上保证结构对称性 2选用合适的测量线路 3采用补偿线路,2.5 电感式传感器,（4）自感式传感器的应用,图2.27所示为差动变压器式加速度传感器的结构示意图。它由悬臂梁 1 和差动变压器 2 构成。测量时, 将悬臂梁底座及差动变压器的线圈骨架固定,而将衔铁的A端与被测振动体相连。当被测体带动衔铁以x(t)振动时,导致差动变压器的输出电压也按相同规律变化。,2.5 电感式传感器,2.5 电感式传感器,图2.27 差动变压器式加速度传感器,2.6电容式传感器,电容器是电子技术的三大类无源元件(电阻、电感和电容)之一，利用电容器的原理，将非电量转换成电容量,进而实现非电量到电量的转化的器件或装置，称为电容式传感器，它实质上是一个具有可变参数的电容器。,优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。 由于材料、工艺，特别是测量电路及半导体集成技术等方面已达到了相当高的水平，因此寄生电容的影响得到较好地解决，使电容式传感器的优点得以充分发挥。 应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。,2.6.1 电容式传感器工作原理,用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为,S极板相对覆盖面积； 极板间距离；r相对介电常数； 0 真空介电常数，0 8.85pF/m； 电容极板间介质的介电常数。,、S和r中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0。或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；r的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。,2.6电容式传感器,图2.28 电容器结构示意图,（一）变面积式电容传感器,原理结构如图2.29（a）所示。它与变极距型不同的是，被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。设动极板相对定极板沿长度0方向平移时，则电容为,图2.29变面积型电容传感器原理图 （a）单片式 (b) 中间极移动式,2.6电容式传感器,2.6电容式传感器,2.6电容式传感器,2.6电容式传感器,2.6电容式传感器,（二）变极距式电容传感器,如图2.31所示，当平行板电容器两极板之间对应的面积S和两极板之间介质的相对介电常数不变，只改变电容器两极之间的距离时，电容器的容量C则发生变化，利用电容器的这一特性制作的传感器，称为变极距式电容传感器。,图2.31 变极距式电容传感器,2.6电容式传感器,当xd时， 则,设极板面积为S，其静态电容量为C0，当活动板移动x后，其电容量为,在实际应用中，为了提高灵敏度，减少非线性一，可采用差动式结构,由公式可知，只有当xd时，才可认为是最近似线性关系。,2.6电容式传感器,（3）变介电常数式电容传感器,这种电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度。 图2.32为原理结构。图(a)中两平行极板固定不动，极距为0，相对介电常数为r2的电介质以不同深度插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电容量C为两个电容C1和C2的并联结果。由式,2.6电容式传感器,图2.32 变介质型电容传感器,(a)电介质插入式；(b)非导电流散材料物位的电容测量 式中l0、b0极板长度和宽度； l第二种电介质进入极间的长度。,2.6电容式传感器,2.6电容式传感器,2.6.2 电容式传感器应用实例,图2.33 电容式位移传感器 1-测杆；2-开槽簧片；3-固定电极；4-活动电极,2.6电容式传感器,图2.34 电容式挠性加速度传感器,2.6电容式传感器,图2.34所示为电容式传感器及由其构成的力平衡式挠性加速度计。敏感加速度的质量组件由石英动极板及力发生器线圈组成；并由石英挠性梁弹性支承，其稳定性极高。固定于壳体的两个石英定极板与动极板构成差动结构；两极面均镀金属膜形成电极。由两组对称E形磁路与线圈构成的永磁动圈式力发生器，互为推挽结构，这大大提高了磁路的利用率和抗干扰性。 工作时，质量组件敏感被测加速度，使电容传感器产生相应输出，经测量(伺服)电路转换成比例电流输入力发生器，使其产生一电磁力与质量组件的惯性力精确平衡，迫使质量组件随被加速的载体而运动；此时，流过力发生器的电流，即精确反映了被测加速度值。,2.6电容式传感器,在这种加速度传感器中，传感器和力发生器的工作面均采用微气隙“压膜阻尼”，使它比通常的油阻尼具有更好的动态特性。典型的石英电容式挠性加速度传感器的量程为0150m/s2，分辨力110-5m/s2，非线性误差和不重复性误差均不大于0.03%F.S.。,2.6电容式传感器,2.7 压电传感器,以某些电介质的压电效应为基础，在外力作用下，在电介质的表面上产生电荷，从而实现非电量测量。 压电传感元件是力敏感元件，所以它能测量最终能变换为力的那些物理量，例如力、压力、加速度等。 压电式传感器具有响应频带宽、灵敏度高、信噪比大、结构简单、工作可靠、重量轻等优点。近年来，由于电子技术的飞速发展，随着与之配套的二次仪表以及低噪声、小电容、高绝缘电阻电缆的出现，使压电传感器的使用更为方便。因此，在工程力学、生物医学、石油勘探、声波测井、电声学等许多技术领域中获得了广泛的应用。,2.7.1 压电效应和压电传感器 1. 压电效应,正压电效应（顺压电效应）：某些电介质，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，同时在它的一定表面上产生电荷，当外力去掉后，又重新恢复不带电状态的现象。当作用力方向改变时，电荷极性也随着改变。 逆压电效应（电致伸缩效应）：当在电介质的极化方向施加电场，这些电介质就在一定方向上产生机械变形或机械压力，当外加电场撤去时，这些变形或应力也随之消失的现象。,2.7 压电传感器,2. 压电材料的分类及特性,种类： 压电晶体，如石英等； 压电陶瓷，如钛酸钡、锆钛酸铅等； 压电半导体，如硫化锌、碲化镉等。 对压电材料特性要求： 转换性能。要求具有较大压电常数。 机械性能。压电元件作为受力元件，希望它的机械强度高、刚度大，以期获得宽的线性范围和高的固有振动频率。 电性能。希望具有高电阻率和大介电常数，以减弱外部分布电容的影响并获得良好的低频特性。 环境适应性强。温度和湿度稳定性要好，要求具有较高的居里点，获得较宽的工作温度范围。 时间稳定性。要求压电性能不随时间变化。,2.7 压电传感器,2.7.2 压电转换电路的工作原理 1. 压电传感器基本工作原理,压电传感器是一种有源传感器，它同时又是一个电容器，它是在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，引出两个电极。实际应用中常将两个以上晶片进行串联或并联。如图2.35所示。,+,+,+,+,。,。,。,。,（a）并联,（b）串联,2.7 压电传感器,图2.35 压电传感器结构,2. 压电传感器基本应用电路,根据后继放大电路是电压放大还有电荷放大可将压电传感器等效为电压源电路和电流源电路，如图2.36所示。,3. 电荷放大电路,为了减少测量误差，在压电式传感器的输出端总是接入高输入阻抗的前置放大器。,2.7 压电传感器,前置放大器有两个作用： 一是将压电传感器的输出信号放大器； 二是将高阻抗输出变换为低阻抗输出。,压电式传感器的测量电路有电荷型与电压型两种，相应的放置放大器也有电荷与电压型两种。电荷型放大电路如图2.37所示。,2.7 压电传感器,1. 压电式压力传感器 根据使用要求不同，压电式测压传感器有各种不同的结构形式。但它们的基本原理相同。 压电式测压传感器的原理简图2.38。它由引线1、壳体2、基座3、压电晶片4、受压膜片5及导电片6组成。当膜片5受到压力P作用后，则在压电晶片上产生电荷。在一个压电片上所产生的电荷q为,2.7.3 压电传感器应用实例,1,2,3,4,5,6,p,图2.38 压电式测压传感器原理图,F作用于压电片上的力； d11压电系数； P压强， ； S膜片的有效面积。,2.7 压电传感器,测压传感器的输入量为压力P，如果传感器只由一个压电晶片组成，则根据灵敏度的定义有：,电荷灵敏度,电压灵敏度,电荷灵敏度,因为 ，所以电压灵敏度也可表示为 U0压电片输出电压；C0压电片等效电容,2.7 压电传感器,2. 压电式流量计 利用超声波在顺流方向和逆流方向的传播速度进行测量。其测量装置是在管外设置两个相隔一定距离的收发两用压电超声换能器，每隔一段时间(如1/100s)，发射和接收互换一次。在顺流和逆流的情况下，发射和接收的相位差与流速成正比。据这个关系，可精确测定流速。流速与管道横截面积的乘积等于流量。,此流量计可测量各种液体的流速，中压和低压气体的流速，不受该流体的导电率、粘度、密度、腐蚀性以及成分的影响。其准确度可达0.5%，有的可达到0.01%。,根据发射和接收的相位差随海洋深度深度的变化，测量声速随深度的分布情况,2.7 压电传感器,2.8 霍尔传感器,2.8.1 霍尔元件的结构及工作原理,一、霍尔效应定义,金属或半导体薄片置于磁感应强度为B的磁场中，磁场方向垂直于薄片，当有电流流过薄片时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种现象称霍尔效应。如图2.40所示。,图2.40 霍尔效应原理,霍尔效应所产生的电势称霍尔电势，大小与控制电流I和磁感应强度B的乘积成正比例。,为磁感应强度B与霍尔元件法线的夹角。当磁场垂直于霍尔元件时，电动势大小为：,二、霍尔元件,霍尔元件由霍尔片、三根引线和壳体组成，如图2.41所示。霍尔集成电路可分为线性型和开关型两大类。线性集成电路是将霍尔元件和恒流源、线性差动放大器等做在一个芯片上。较典型的线性霍尔元件有UGN3501等。,2.8 霍尔传感器,图2.41 霍尔元件外形,2.8 霍尔传感器,如图2.42所示为具有双端减去输出特性的线性霍尔器件的输出特性曲线。,图2.42 线性霍尔元件的输出特性曲线,2.8 霍尔传感器,开关型号霍尔集成电路是将霍尔元件、稳压电路、放大器、施密特触发器、OC门（集成极开路输出门）等电路做在同一个芯片上，如图2.43所示。,（a）外形,(b) 内部电路,图2.43 开关型霍尔集成电路,当外加磁场强度超过规定的工作点时，OC门由高阻态变为导通状态，输出低电平；当外加磁场强度低于释放点时，OC门重新变为高阻态，输出高电平。较典型的开关霍尔器件有UGN3020等。,2.8 霍尔传感器,开关型霍尔集成电路的施密特输出特性如图2.44所示,UoH,UoL,0,Uo,B(T),图2.44 开关型霍尔集成电路的施密特输出特性,2.8 霍尔传感器,2.8.2 霍尔型传感器应用,霍尔电势是关于I、B、 三个变量的函数，即E=kIBcos ，人们利用这个关系可以使其中两个变量不变，将第三个量作为变量，或者固定其中一个量、其余两个量都作为变量。三个变量的多种组合使得霍尔传感器具有非常广阔的应用领域。霍尔传感器由于结构简单、尺寸小、无触点、动态特性好、寿命长等特点，因而得到了广泛应用。如磁感应强度、电流、电功率等参数的检测都可以选用霍尔器件。它特别适合于大电流、微小气隙中的磁感应强度、高梯度磁场参数的测量。此外，也可用于位移、加速度、转速等参数的测量以及自动控制。归纳起来，霍尔传感器主要有下列三个方面的用途：,2.8 霍尔传感器,维持I、 不变，则E=f(B)，在这方面的应用有：测量磁场强度的高斯计、测量转速的霍尔转速表、磁性产品计数器、霍尔式角编码器以及基于微小位移测量原理的霍尔式加速度计、微压力计等； 维持I、B不变，则E=f()，在这方面的应用有角位移测量仪等； 维持不变，则E=f(IB)，即传感器的输出E与IB的乘积成正比，在这方面的应用有模拟乘法器、霍尔式功率计等。 下面我们介绍几种霍尔传感器的应用实例,2.8 霍尔传感器,图2.45是霍尔转速表示意图。在被测转速的转轴上安装一个齿盘，也可选取机械系统中的一个齿轮，将线性形霍尔器件及磁路系统靠近齿盘，随着齿盘的转动，磁路的磁阻也周期性地变化，测量霍尔元件输出的脉冲频率经隔直、放大、整形后就可以确定被测物的转速。,一、霍尔转速表,2.8 霍尔传感器,图2.45 霍尔转速表 1磁铁；2霍尔器件；3齿轮,二、位移测量,如图2.46(a)所示。在磁场强度相同而极性相反的两个磁铁气隙中放置一个霍尔元件。当元件的控制电流I恒定不变时，霍尔电势 与磁感应强度B成正比。若磁场在一定范围内沿x方向的变化梯度 为一常数如图（b）所示。则当霍尔元件沿x方向移动时， 的变化为: 式中K为位移传感器输出灵敏度。 将上式积分后得:,2.8 霍尔传感器,上式说明，霍尔电势 与位移量成线性关系，其极性反映了元件位移的方向。磁场梯度越大，灵敏度越高；磁场梯度越均匀，输出线型度越好。当时，即元件位于磁场中间位置上时， ，这是由于元件在此位置受到大小相等、方向相反的磁通作用的结果。一般可用来测量12mm 的小位移，其特点是：惯性小，响应速度快，无接触测量。利用这一原理还可以测量其他非电量，如力、压力、压差、液位和加速度等,2.8 霍尔传感器,图2.46 霍尔电势UH与磁感应强度B关系曲线,2.8 霍尔传感器,2.9 光电传感器,光电器件是将光能转换为电能的一种传感器件, 它是构成光电式传感器最主要的部件。 光电器件响应快、结构简单、 使用方便, 而且有较高的可靠性, 因此在自动检测、计算机和控制系统中, 应用非常广泛。 光电器件工作的物理基础是光电效应。 在光线作用下, 物体的电导性能改变的现象称为内光电效应, 如光敏电阻等就属于这类光电器件。在光线作用下, 能使电子逸出物体表面的现象称为外光电效应, 如光电管、光电倍增管就属于这类光电器件。,2.9.1 光电效应,是指物体吸收了光能后转换为该物体中某些电子的能量，从而产生的电效应。光电传感器的工作原理基于光电效应。光电效应分为外光电效应和内光电效应两大类 1、外光电效应 在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。向外发射的电子叫做光电子。基于外光电效应的光电器件有光电管、光电倍增管等。 2、内光电效应 光照射在物体上，使物体的电阻率发生变化，或产生光生电动势的现象叫做内光电效应，它多发生于半导体内。,2.9 光电传感器,2.9.2 光敏电阻, 光敏电阻的结构与工作原理 光敏电阻又称光导管, 它几乎都是用半导体材料制成的光电器件。 光敏电阻没有极性, 纯粹是一个电阻器件, 使用时既可加直流电压, 也可以加交流电压。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时, 它的阻值（亮电阻）急剧减少, 电路中电流迅速增大。光敏电阻的工作原理是基于内光电效应。,2.9 光电传感器,光敏电阻的结构如图2.47所示。管芯是一块安装在绝缘衬底上带有两个欧姆接触电极的光电导体。光导体吸收光子而产生的光电效应，只限于光照的表面薄层，虽然产生的载流子也有少数扩散到内部去，但扩散深度有限，因此光电,2.9 光电传感器,导体一般都做成薄层。为了获得高的灵敏度，光敏电阻的电极一般采用硫状图案，结构见图2.48。,它是在一定的掩模下向光电导薄膜上蒸镀金或铟等金属形成的。这种硫状电极，由于在间距很近的电极之间有可能采用大的灵敏面积，所以提高了光敏电阻的灵敏度。图2.48（c）是光敏电阻的代表符号。,RG,4,5,6,7,(a)结构,(b)电极,(c)符号,图2.48 CdS光敏电阻的结构和符号,1,2,3,1-光导层; 2-玻璃窗口; 3-金属外壳; 4-电极; 5-陶瓷基座; 6-黑色绝缘玻璃; 7-电阻引线。,2.9 光电传感器,光敏电阻的灵敏度易受湿度的影响，因此要将导光电导体严密封装在玻璃壳体中。如果把光敏电阻连接到外电路中，在外加电压的作用下，用光照射就能改变电路中电流的大小，其连线电路如图2.49所示。 光敏电阻具有很高的灵敏度，很好的光谱特性，光谱响应可从紫外区到红外区范围内。而且体积小、重量轻、性能稳定、价格便宜，因此应用比较广泛。,RG,RL,E,I,2.9 光电传感器,图2.49 光敏电阻电路,2. 光敏电阻的主要参数和基本特性 （1）暗电阻、亮电阻、光电流 暗电流：光敏电阻在室温条件下，全暗（无光照射）后经过一定时间测量的电阻值，称为暗电阻。此时在给定电压下流过的电流。 亮电流：光敏电阻在某一光照下的阻值，称为该光照下的亮电阻。此时流过的电流。 光电流：亮电流与暗电流之差。,光敏电阻的暗电阻越大，而亮电阻越小则性能越好。也就是说，暗电流越小，光电流越大，这样的光敏电阻的灵敏度越高。 实用的光敏电阻的暗电阻往往超过1M,甚至高达100M，而亮电阻则在几k以下，暗电阻与亮电阻之比在102106之间，可见光敏电阻的灵敏度很高。,2.9 光电传感器,（2） 伏安特性 在一定照度下，加在光敏电阻两端的电压与电流之间的关系称为伏安特性。图2.50中曲线1、2分别表示照度为零及照度为某值时的伏安特性。由曲线可知，在给定偏压下,光照度较大，光电流也越大。在一定的光照度下，所加的电压越大，光电流,越大，而且无饱和现象。但是电压不能无限地增大，因为任何光敏电阻都受额定功率、最高工作电压和额定电流的限制。超过最高工作电压和最大额定电流，可能导致光敏电阻永久性损坏。,50,100,150,200,1,2,0,20,I/ A,2.9 光电传感器,图2.50 光敏电阻伏安特性,（3）光照特性,下图2.51表示CdS光敏电阻的光照特性。在一定外加电压