第四章 常用传感器基本原理与参数测试.ppt

第四章常用传感器原理与参数测试 1概述2电阻式传感器3电容式传感器4热电式传感器5光电式传感器6半导体磁效应传感器霍尔传感器 1概述 传感器定义 传感器是一种能将特定的被测信息 物理量 化学量 生物量等 按一定规律转换成某种可用输出信号的器件 智能传感器 传感器与微处理器相结合所形成的不仅具有信号检测功能 而且具有信息处理功能的传感器系统分类 按输入量 温度 压力 流量 位移等按输出量 电压 电流 电荷 电阻 电感 电容等考虑传感器的输入 输出对应关系 静态特性 静态输入信号动态特性 动态输入信号 传感器静态特性 1 灵敏度与信噪比灵敏度 传感器输出量的变化值与相应被测量 输入量 的变化值之比描述传感器的输出量 一般为电学量 对输入量 一般为非电学量 敏感程度传感器校准曲线的斜率即为灵敏度 对线性传感器来说 灵敏度是一个常数 非线性传感器的灵敏度则随输入量变化灵敏度高的传感器不一定是最好的传感器 这是因为它易受噪声的影响 S N小 信号与噪声就难以分清 2 线性度传感器的输出 输入校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏差与传感器满量程输出之比 也称 非线性误差 非线性度 通常用相对误差表示其大小 非线性误差大小是以一拟合直线或理想直线作为基准直线计算出来的 基准直线不同 所得出的线性度就不一样 最常用的是最小二乘法线性度 最小二乘法原理 设拟和的直线为 第j个测量点的输出与拟和直线上的相应值的偏差为 最小二乘法拟和直线的原则就是使N个点的均方差为最小值 即一阶偏导等于零可得到b和k的值 3 灵敏度界限 阈值 输入变小 输出也变小 但一般来说 输入小到某种程度 输出就不再变化了 这时的输入叫做灵敏度界限 4 迟滞差输入逐渐增加到某一值 与输入逐渐减小到同一输入值时的输出值不相等 叫迟滞现象 迟滞差表示这种不相等的程度 其值以满量程的输出的百分数表示 5 稳定性稳定性表示传感器在一个较长的时间内保持其性能参数的能力 传感器的动态特性研究传感器动态特性的方法是 当输入信号是阶跃函数时 用瞬态响应法 即用时域范围内 响应曲线的上升时间 响应时间 过调量等参数作为评定指标 当输入信号是正弦函数时 用频率响应法 其重要指标是频带宽度 带宽 2电阻式传感器 电阻式传感器是一种将非电量参数 如压力 拉力 扭力 位移等 的变化转变为电阻值变化的传感器 按工作原理可分为电位器式电阻传感器 应变式电阻传感器 热敏电阻传感器和气敏电阻传感器 应变式电阻传感器 是一种能将机械构件上应变的变化转换为电阻变化的传感元件 电阻应变片的工作原理基于金属的应变效应 金属应变效应是指金属导体的电阻随着它所受机械变形 伸长或缩短 的大小而发生变化的现象 令为电阻丝轴向相对伸长 即轴向应变 而则为电阻丝径向相对伸长 即径向应变 两者的比例系数即为泊松系数 且力的方向相反 以负号表示 即 金属线材的电阻相对变化与轴向应变成正比 应变式电阻传感器的种类及选用 1 电阻丝式应变片 增大阻值制成栅状 2 箔式应变片 光刻 腐蚀等工艺制成 很薄厚度0 003 0 01mm之间 面积大 散热好允许通过较大电流 应力与实际接近 3 半导体式应变片 单晶硅施加一定载荷其电阻率变化 灵敏度高 金属式的50倍 温度系数大 灵敏系数非线性严重 电阻应变片主要参数 1 电阻值 未安装 不受外力 室温时测的电阻值标准化 60 120 350 600 1000 2 绝缘电阻 敏感栅与基地间的电阻值 3 灵敏系数k 轴线方向施加应力 阻值相对变化与应变之比 关键参数 尽量大且稳定 4 允许工作电流 不影响测量准确度的最大工作电流 25mA 5 应变极限 一定温度时指示应变与实际应变值之差不超过允许值 如10 时的最大真实应变数值 6 机械滞后 温度一定 增加和减小机械应变过程中同一应变量指示应变最大差值 7 零点漂移 温度一定 无应变时 指示应变随时间的变化 8 蠕变 温度一定 承受一定的应变时指示应变随时间的变化 选择和使用应变片的注意事项 1 应变片适合阻值变化较小的场合 灵敏度高 阻值较大时刻选用电位器式电阻传感器 2 尽量选用灵敏度大的应变片 且k尽量为常数 3 温度系数小 4 黏合剂的选择和粘贴技术 处理表面 打磨 酒精擦洗 502 焊接引线 检查绝缘 704保护 5 温度补偿 电容式传感器 工作原理 将被测量的变化转化为电容量变化变间隙式 测量微小的线性位移变面积式 般用来测角位移 一度至几十度 或较大的线位移 变介电常数式 常用于固体或液体的物位测量 也用于测定各种介质的温度 密度等状态参数 后两者呈正比 第一个是非线性关系 容抗 容抗与成正比 电容式传感器的特点 1 需要的动作能量或力极小 在移动过程中 没有摩擦和几乎没有反作用力 特别适宜用来解决输入能量低的条件下的测量问题 2 有良好的动态响应特性 作用能量极小 有较小的可动质量 有较高的固有频率 能在几兆赫的频率下工作 有良好的动态响应能力 3 灵敏度高 分辨力强 能感受或分辨0 01微米甚至更小的位移 4 零点漂移很小 本身几乎不存在发热问题 不存在由本身发热而引起的零点漂移 5 能实现无接触测量 变磁阻式传感器 磁电式传感器 压电式传感器某些物质 如石英 受到外力作用时 不仅几何尺寸会发生变化 而且内部会被极化 表面产生电荷 当外力去掉时 又重新回到原来的状态 这种现象称为压电效应 压力变送器 而产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存 即需要测量回路具有无限大的输入阻抗 但在实际线路中 电荷将会逐渐泄漏 因此 压电传感器不能用于静态测量 故压电传感器应在动态测量中使用 热电式传感器工作原理 基于热电效应将两种材料不同的导体的两个端点焊接在一起 构成一个闭合回路 如果两连接点1和2温度不同 回路中就会有一个电动势 并在闭合回路中产生电流 这个电势和电流与两种导体的性质和两个接点间的温度差有关 这种现象就称为热电效应或塞贝克效应 T1 T2 接点1称热端或称工作端 接点2称冷端 热电势是由接触电势 又称珀尔帖电势 和单一导体的温差电势 又称汤姆逊电势 组成 接触电势产生的原理 不同的导体具有不同的自由电子浓度 当两种不同导体接触后 自由电子便从浓度高的一方向浓度低的一方扩散 结果在界面附近一方失去电子 带正电 另一方得到电子带负电 在两导体的接触面上形成电位差 达到动平衡时形成接触电势 温差电势 同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电势 由于两端温度不同 导体内自由电子的运动速度不同 高温端的电子运动速度比低温端的电子运动速度要大 因此 电子将从速度大的区域向速度小的区域扩散 结果高端失去电子而带正电 低端得到电子而带负电 从而在导体的两端形成温差电势 在和两个导体组成的热电偶回路中 总的热电势为 中间金属定律 在由A和B两种导体组成的热电偶回路中 不管从何处接入第三导体 只要保证接入导体两端的温度相同 则接入导体时将不影响原来回路中的热电势 可见 要测量热电偶回路中的热电势 只要保证接入的仪表两接点温度相同 就能准确测量出原热电偶回路中的热电势 查特性分度表得到室温的热电势 补偿导线的使用 热电偶传感器长度通常在1m左右 需要稳定的温度 冷端恒温法 计算机修正法 需辅助手段测量冷端温度 中间温度定律 两节点温度为T1和T2时热电势为E T1 T2 当节点温度为T2和T3时 热电势为E T2 T3 则当节点温度为E T1 T3 时为 热电偶 Thermocouple范围宽 响应快 不需要激励 便宜 冷端温度补偿CJC ColdJunctioncompensation 非线性 电压低 易受干扰 温度敏感度比较小 需要精密测量电路 典型精度为1 冷端温度补偿 必要性 热电偶的热电势是两节点温度差的函数 作为参比端的冷端温度必须恒定才有利于测量的规范化 即需要冷端温度补偿 方法 1 0 恒温法 将热电偶的冷端置于0 恒温器内 此时工作状态与分度表一致 测出热电势后查分度表直接得到热端温度 如冰水混合物 2 补偿导线 当热电偶用于高温测量时 其冷端温度受热端温度影响很大 并随热端温度变化而波动 补偿导线法就是采用一种专用补偿导线来延长热电偶 使冷端移到不受热端温度影响的远处 从而得到一个不为0 但温度较为稳定的冷端温度 要满足由必须补偿导线的材料通常与A B导体材料一样计算机实时修正 半导体热敏电阻 将温度信号转变为电阻值变化的一种传感器 温度系数 负温度系数热敏电阻的温度系数为负 且与电阻温度的平方成反比 随温度降低而迅速增大 具有很高的灵敏度 应用较广热敏电阻特性 灵敏度高 可分辨0 02度 阻值范围大 适合不同电路的需要 可以远距离传输 热惯性小 快速测量 体积小 重量轻 结构简单 查表线性修正 光电式传感器 将光能转换为电能的一种传感 1 半导体光电效应传感器 光电导效应 当光投射在半导体上时 光子的能量在半导体中激发出非平衡载流子而使载流子浓度加大 引起半导体电导率增加 这种现象称为光电导效应 光敏电阻就是利用这一效应制成的光电器件 光敏电阻没有极性 纯粹是电阻器件 使用时可加直流电压 也可加交流电压 光生伏特效应 在光线作用下使物体产生 定方向电动势的现象叫光生伏特效应 光敏二极管 光生伏特效应 光敏三极管 光电耦合器原理 光电编码器由码盘与光电读出装置两部分组成 码盘转动一周光电读出装置就输出16种