传感器技术课件

第一章传感器技术概述 1 传感器定义 传感器 将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置 目前 传感器转换后的信号大多为电信号 因而从狭义上讲 传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置 2 传感器的作用 传感器 类似于人的感觉器官 是人类感官的延伸 作用 将被测量转换成电信号 传送给测试系统中的后续环节 人体系统与机器系统的对应关系 复杂测试系统 振动测量 简单测试系统 红外体温 3 传感器的构成 1 组成 振动膜片 刚性极板 电源和负载电阻 2 原理 振膜 一次敏感元件电容器 敏感元件 4 分类 5 传感器选用原则 1 灵敏度 传感器的灵敏度越高 可以感知越小的变化量 即被测量稍有微小变化时 传感器即有较大的输出 2 线性范围 线性范围愈宽 则表明传感器的工作量程愈大 3 响应特性 在所测频率范围内尽量保持不失真 4 稳定性 经过长期使用以后 其输出特性不发生变化的性能 影响传感器稳定性的因素是时间与环境 5 精确度 表示传感器的输出与被测量的对应程度 传感器精确度愈高 价格越昂贵 因此应从实际出发来选择 6 其它选用原则 6 传感器技术的应用 1 日常生活 在家电产品和办公自动化产品设计中 人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量 全自动洗衣机中的传感器 衣物重量传感器 衣质传感器 水温传感器 水质传感器 洗净度传感器 液位传感器 电阻传感器 衣物烘干检测 指纹传感器 透光率传感器 1 产品质量测量 在汽车 机床等设备 电机 发动机等零部件出厂时 必须对其性能质量进行测量和出厂检验 2 机械行业 4 故障诊断 5 其他应用 航天 农业 交通 医疗 第二章传感器的基本特性 1 理想定常线性系统输入输出关系 在静态测量时 理想定常线性系统呈单调 线性比例的关系 即输入 输出关系是一条理想的直线 斜率为常数 2 实际测试系统输入输出之间的关系 实际测试系统是非理想定常线形系统 输入输出之间的关系是通过实验方法测到的 通常是一条曲线 定度曲线 3 描述静态特性的参数 1 非线性度 定度曲线与拟合直线的接近程度 非线性度 常用百分数表示 拟合直线的确定 常用的主要有两种 端基直线和独立直线 1 端基直线是指通过测量范围的上下限点的直线 显然用端基直线来代替实际的输入 输出曲线 其求解过程比较简单 但是其非线性度较差 2 灵敏度 作用 用来描述测试系统对输入信号变化的一种反应能力 1 对于定常线性系统 其灵敏度恒为常数 2 实际的测试系统 灵敏度为定度曲线上该点处切线的斜率 3 量纲 取决于输入和输出量的单位 3 分辨力 测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量 通常是以最小单位输出量所对应的输入量来表示 数字测试系统 输出显示系统的最后一位 模拟测试系统 输出指示标尺最小分度值的一半 5 漂移 指测试系统在输入不变的条件下 输出随时间而变化的趋势 产生原因 仪器自身结构参数的变化 周围环境的变化 如温度 湿度等 对输出的影响 最常见的漂移是温漂 即由于周围的温度变化而引起输出的变化 进一步引起测试系统的灵敏度和零位发生漂移 零点漂移 灵敏度漂移 二 传感器的动态特性 传感器的动态特征是指在输入量随时间变化时 测试系统对输入信号的响应特性 1 动态特性的描述方法 1 时域微分方程 在初始条件为零的前提下 定义传递函数 其中s为复变量 特点 2 传递函数 只反映系统本身的输出特性 与输入和初始状态无关 只反映系统的传输特性 与系统具体的物理结构无关 分母中的最高次幂n代表系统微分方程的阶数 求法 对系统的微分方程作拉普拉斯变换求得 例1 求一阶系统的传递函数 系统微分方程为 3 频率响应函数 在初始条件为零的前提下 定义频率响应函数 求法 2 若已知微分方程 作傅里叶变换 则 3 用实验方法求得 在初始条件全为零的条件下 同时测得输入和输出 由其傅里叶变换求得 物理意义 描述了系统的频率特性 描述系统的简谐输入和其稳态输出的关系 不包含瞬态响应信息 例1 已知系统的频率响应函数 求其幅频特性和相频特性及作图 4 脉冲响应函数 频域 频率响应函数 复数域 传递函数 时域 脉冲响应函数 拉普拉斯变换对 傅里叶变换对 传递函数 频率响应函数 脉冲响应函数的关系 二 环节的串联和并联 任何高阶系统均可看成若干个一阶系统或二阶系统的串联或并联 1 环节的串联 若系统由n个环节串联而成 其传递函数为 相应地 系统的频率响应为 其幅频特性 相频特性 2 环节的并联 系统总输出为 若系统由n个环节并联而成 其传递函数为 系统的频率响应为 3 负载效应 某系统由于后接另一系统而产生的种种现象 三 实现不失真测试的条件 一 不失真传输 当输出信号为时 系统就实现了不失真传输 二 不失真测试条件 傅里叶变换可得 系统的频率响应为 幅频特性 相频特性 测试系统不失真测试的条件 电阻式传感器 一 变阻式传感器 1 结构 2 测量电路 不考虑外接电路影响时 考虑外接电路影响时 3 特点 1 结构简单 使用简便 稳定性好 2 分辨力低 受电阻丝直径的限制 适合大位移的测量 3 噪声大 二 电阻应变式传感器 1 结构 丝式 箔式 金属膜片 2 工作原理 基于金属的电阻应变效应 如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形 灵敏度 3 特点 金属应变片的灵敏度较低 但其温度稳定性好 可用于对精度要求较高的测量 三 压阻式传感器 1 原理 压阻效应 灵敏度 两种应变片在工作原理上的区别 金属应变片 金属材料受力后几何变形 电阻的相对变化 半导体应变片 半导体材料受力后电阻率变化 电阻的相对变化 2 特点 优点 灵敏度高 分辨率高 横向效应 机械滞后小 缺点 温度稳定性差 在较大应变下 非线性误差大 3 类型 半导体应变式传感器 扩散型压阻式传感器 三 应变片的应用 1 直接测定结构的应变或应力 2 作为传感器的测量参数 四 转换电路 应变电压或电流的变化 4 4电感式传感器 一 可变磁阻式传感器 线圈自感量为 当气隙较小 且不考虑磁路的铁损时 总磁阻 于是 1 变气隙式 灵敏度 特点 灵敏度高 线性误差小 适于测小位移 2 变面积式 灵敏度 特点 线性度好 量程大 但灵敏度较低 3 螺管式 当铁芯在线圈中运动时 将改变磁阻 使线圈自感发生变化 特点 灵敏度低 但测量范围大 适用于较大位移测量 4 差动式 5 测量电路 交流电路 二 电涡流式传感器 原理 利用金属体在交变磁场中的涡流效应 1 高频反射式 可以作为位移 振动测量 也可进行材质鉴别或探伤 测温度等 2 低频透射式 适于测量金属材料的厚度 3 特点 结构简单 安装方便 灵敏度高 抗干扰能力强 4 应用 电感式纸页厚度测量仪原理图 三 差动变压器式传感器 原理 利用电磁感应中的互感现象 1 互感现象 2 差动变压器式传感器 2 原理 3 特点 精度高 线性范围大 稳定性好 4 5电容式传感器 一 工作原理 为真空介电常数 1 极距变化型 C与成反比关系 灵敏度为 使用时 减小初始极距来提高灵敏度 由于电容量C与极距 呈非线性关系 将引起非线性误差 为了减小这一误差 通常规定测量范围实际应用中常采用差动形式 可使灵敏度提高一倍 特点 灵敏度高 有线性误差 适于小位移测量 2 面积变化型 1 直线位移型 若两极板间相互覆盖长为 宽为 覆盖面积为 则电容 灵敏度 2 角位移型 若覆盖面积对应的中心角为 极板半径为r 覆盖面积为 则电容 灵敏度 3 圆柱体线位移型 动板左右移动时 则电容 灵敏度 4 差动圆柱体线位移型 动板上下移动时 上下两个电容量一增一减 特点 线性关系好 量程大 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 3 介电常数变化型 介质层的温度 湿度 厚度变化时 变化 从而引起变 2 测液面高度 二 测量电路 被测量 电容变化 电压 电流 频率变化 1 交流电桥 2 运算放大器电路 可解决极距变化型电容传感器的非线性问题 三 电容传感器特点与应用 1 优点 1 输入能量小而灵敏度高 2 信噪比大 稳定性好 3 动态特性好 可用于动态测量 4 能量损耗小 5 结构简单 适应性好 2 缺点 1 极距变化型 非线性大 2 电缆分布电容影响大 解决办法 利用测量电路 解决办法 利用集成电路 采用屏蔽电缆 3 应用举例 1 电容式测厚仪 2 电容式转速传感器 4 6压电式传感器 工作原理是以某些物质的压电效应为基础 既可将机械能 电能 又可将电能 机械能 一 压电效应 1 压电效应 2 逆压电效应 电致伸缩效应 二 压电材料及其特性 具有压电效应的敏感功能材料叫压电材料 常用的压电材料 压电单晶体 压电陶瓷 新型压电材料 1 压电单晶体 石英 铌酸锂 2 压电陶瓷 钛酸钡 锆钛酸铅 特点 压电常数大 灵敏度高 价格低廉 3 新型压电材料 在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀 形成金属膜 因此就构成一个电容器 其电容量为 三 等效电路 电荷等效电路 电压等效电路 压电式传感器适合作动态测量 四 压电元件常用的结构形式 串联并联 适合以电压作为输出的场合 适合测量缓变信号和以电荷量作为输出的场合 五 应用 压电式压力传感器 压力变送器 加速度计 力传感器 产品 压电材料换能器 4 7磁电传感器 包括磁电感应传感器 霍尔传感器 一 磁电感应传感器 感应式传感器 电动传感器 根据法拉第电磁感应定律 线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时 线圈中会产生的感应电动势 恒定磁通式 变磁通式 根据改变参数的不同 1 恒定磁通式 2 变磁通式 常用来测量旋转物体的角速度 二 霍尔传感器 霍尔效应 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 1 工作原理 霍尔电势 利用霍尔元件基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出 2 霍尔元件 目前最常用的霍尔元件材料有锗 Ge 硅 Si 锑化铟 InSb 砷化铟 InAs 等半导体材料 3 应用 4 特点 体积小 结构简单 使用方便 可用于非接触测量 但受温度影响较大 4 8光电传感器 将光信号转换成电信号的光敏器件 一 光电效应 工作原理 基于半导体材料的光电效应 1 外光电效应 金属中的自由电子吸收光能而逸出金属表面的现象 如光电管 光电倍增管 2 内光电效应 光电导效应