第二章纺织常用传感器

1 纺织生产微机控制 纺服学院数字纺织教研室 2006 1 31 2 第二章常用传感器实用技术 第一节传感器的基本要求1 准确性 精确度 输出信号应准确地反映被测量的变化 输出与输入之间是单值函数关系 多次测量时重现性好 2 稳定性 在规定条件下 传感器输入 输出的单值函数关系不随时间和温度的变化而变化 以及抗外界干扰的能力强 3 灵敏性 3 对微小的输入量的变化 即有一定的输出量的变化 检测时反映敏感 变化响应快 灵敏度 输出变化量与相应输入量的比值 K 输出变化量 输入变化量4 线性度 输出 输入之间所呈现的线性关系 指标 非线性误差VL VL YLmax Ym 100 VL 非线性误差 YLmax 最大非线性绝对误差 Ym 满量程输出值 X1 0 Y1 YLmax 实测曲线 理论曲线 4 还有一些指标 诸如迟滞 过载能力 漂移 零点漂移等 暂不作讨论 第二节光电传感器 感知光信号并能把光信号转换为电信号的器件 1 光敏电阻 1 工作原理 I I 空穴 电子 光敏电阻 I 光照 5 I 空穴 电子 光敏电阻 光敏电阻的材质为半导体材料 硫化镉Cds 硫化铅Pbs 硒化铅PbSe 其内部有大量的电子与空穴 电子带负电荷 空穴带正电荷 平时二者在结构上处于复合平衡状态 对外不呈电 1 依上连接成电路 当无光照时 光敏电阻内部的电子 空穴保持复合稳定状态 电阻无穷大 电路中无电流流动 6 2 当有光照时 材质受光照激发 电子 空穴获得能量 开始活跃起来 在电场力的作用下 形成电子 空穴对 电源负极的电子源源不断地和材质中的空穴中 I I 光照 和 而材质中积聚的电子流向电源的正极 在电路回路中形成流动的电流 光照 电流 即R 形成光敏效应 光敏电阻的名称由此而来 电子移动方向 电流流动方向 7 2 光敏电阻的几个主要特性a 电压 电流特性 在恒定光照条件下 光敏电阻二端所加电压和电流之间的关系特性 曲线 以硫化镉为例 mA V 20406080 2015105 功耗线500mw 1000Lx 100Lx 10Lx a 当光照不变时 二端电压增大 光电流增大 b 当二端电压不变时 光照增大 光电流增大 c 同普通电阻一样 光敏电阻也有最大额定功率 超过额定功率 器件将损坏 8 b 光谱特性 预备知识 光是一种振动波 光波振动一次所经过的路程称波长 单位为 m 其中 0 4 0 7 m为可见光 0 7 m为红外光 0 4 m为紫外光 光谱特性 光敏器件对不同波长光谱响应的敏感程度 1 0 0 6 0 2 0 51 01 52 02 5波长 电流 硫化镉 硫化铅 硫化镉的峰值波长约0 7 m硫化铅的峰值波长约2 3 m结论 为获得尽可能大的输出电流 要考虑光源的光谱波长特征 即某种光敏器件采用某种波长的光源 以获取最佳输出效果 9 c 光照特性 光敏器件外加电压不变 输出电流与光照之间的关系 0 10 2LX 100 50 uA 理想状态下应为一条直线 即具有线性关系 但实际上是非线性的 属非线性检测器件 为此主要用作二值传感器 开关量检测 0 1 即有光照 无光照判断 当然 在LX变化较小的区域内作检测 可视为线性器件 10 3 光敏电阻型号举例 生产单位 北京554信箱第718厂北京华北第二无线电器材厂 11 4 应用举例 在某流水线上 使用光敏电阻传感器对加工工件的数量进行检测 电路如下图 计数器 Vss VDD R1 R2光 R3 Va Vb 工件 光源 1 有光照 R2光VaT截止Vb 0 0V 2 无光照 R2光VaT导通Vb 1 VDD Vb T 工件1 工件2 传送带 12 2 光敏晶体管 光敏管 以光敏三极管为例 1 结构 与普通晶体三极管相似 有PNP与NPN型二种 但在管壳顶上有一天窗 允许光线射入 工程中常用的是NPN硅晶体管 b c e NPN e c 3DU51 物理结构上 只引出c极和e极 b基极不引出 开路 基极 发射极 集电极 光线 13 2 工作原理 c e R I c e R I 无光照 有光照 A 平时无光照时 光敏三极管处于截止状态 相当于开关断开 电路回路中无电流流动 B 有光照时 光敏三极管导通 形成光电流 电路回路中有电流流动 且电流被放大B倍 B为三极管的电流放大系数 14 3 光敏三极管基本光学特性 a 光谱特性 光敏器件对不同波长光谱响应的敏感程度 具备地说 指外加电压与光照强度不变时 输出电流与入射光波波长之间关系 0 6 0 4 0 2 0 40 81 21 6波长 电流 0 8 硅 硅光敏三极管的光谱响应波长为0 4 1 3 m 硅光敏三极管的峰值波长为0 8 0 9 m 提示 为提高光电传感器的灵敏度与工作效率 对光敏管应采用相应的光波波长的光源 15 b 光照特性 光敏三极管外加电压不变 输出电流与光照之间的关系 5001000LX 2 1 mA 3 4 4 典型光敏晶体管型号 上表参数测试条件 光照度 1000LX光敏管VCE 10V 16 5 应用举例 a 光电耦合器 用于电路中2个部分 输入 输出接口 之间的电气隔离 采用元件 光源 红外线发射管 接收管 硅光敏三极管 作为光信号的输出 电路A 电路B 电光电转换电路A B间无电气联接 123 654 4N28 1 2 4 5 4N28大量应用于工控机输入输出接口上 计算机亦使用 集成电路芯片 17 b 光电开关 R1 光挡片 输出 Vss VDD VSC R1 R2 有光照 光敏管导通 0V 18 b 光电开关 R1 光挡片 输出 Vss VDD VSC R1 R2 无光照 光敏管截止 5V 19 c 实际应用一例 邮政信函过签装置 x R2 过签机构 VDD Vss R1 T2 T1 Vc DT K 无信件 T1在光照下呈现导通 Vc 0 3V T2基极b相当于接地 T2截止 DT不得电 K不闭合 过签装置不动作 有信件 信件挡光 T1截止 Vc电平升高 当Vb大于等于0 7V时 T2导通 DT得电 K闭合 过签装置动作 对信函打印 Vb 20 c 实际应用一例 邮政信函过签装置 x R2 过签机构 VDD Vss R1 T2 T1 Vc DT K 无信件 T1在光照下呈现导通 Vc 0 3V T2基极b相当于接地 T2截止 DT不得电 K不闭合 过签装置不动作 有信件 信件挡光 T1截止 Vc电平升高 当Vb大于等于0 7V时 T2导通 DT得电 K闭合 过签装置动作 对信函打印 Vb 21 第三节磁敏传感器检测外部磁信号并能将磁信号转换为电信号 或动作信号 的器件 1 霍尔磁敏传感器 1 霍尔元件工作原理 UH R Z X Y b a c d A 结构将半导体材料 砷化铟 制作成薄片 并在四个侧面引出电极a b c d 其中a b端经一限流电阻接电源 c d端外接一电压表 22 I B 工作若在a b端提供一工作电流 当在Z轴方向上外加一磁感应强度为B的磁场 则c d端将产生霍尔电势UH 称为霍尔效应 其关系表达式为 UH I B RH d UH R Z X Y b a c d UH R Z X Y b a c d I B V 23 UH I B RH d 矢量式 式中 I a b两端输入电流 mA B 外部磁感应强度 T RH 霍尔常数 m3 c 1 d 元件厚度 m Sina 外部磁场与基片的夹角 UH I B RH Sina d 数值式 24 2 集成式霍尔传感器的结构 a 符号 b 内部构成 a b c H abc H Vss VDD 输出Vc a b c H Vss IC VDD R内1 R内2 d 输出Vc SN R内3 R外 内部 T1 a b c a b c H Vss VDD 输出Vc R外 25 a b c H Vss IC VDD R内1 R内2 d 输出Vc SN R内3 R外 内部 T1 c 工作过程 磁铁移近霍尔传感器 霍尔片C端的电平Vc升高 集成运算放大器IC输出端Vic为高电平 T1导通 输出端Vc为低电平 即Vc 0V VC Vic a b c 0V 26 a b c H Vss IC VDD R内1 R内2 d 输出Vc SN R内3 R外 内部 T1 c 工作过程 VC Vic 磁铁移离霍尔传感器 霍尔片C端的电平Vc 0V 集成放大电路IC输出端Vic为低电平 T1截止 输出端Vc为高电平 即Vc Vdd c b a 0V Vdd 27 4 典型霍尔传感器型号 生产单位 南京半导体器件总厂 28 5 应用举例 转速测量 Vss VDD R a Vc b 无磁铁 Vc 1 Vf 0计数器不计数 Vf 有磁铁 Vc 0 Vf 1计数器计一个数 转动轴 磁铁 29 2 磁敏管 干簧管 簧式开关 在外部磁场的作用下 磁敏管的簧片 触片 被磁化而作闭合动作 反之则反之 1 磁敏管的结构 电极a 电极b 玻壳密封件 高顺磁率软铁 Ni52 Fe合金 特点 易受磁 易去磁 氮氢惰性气体 使簧片不易氧化 不产生电火花 镀白金 使触点电阻极小 动作时亦不粘结 常态下二触点断开状态 电极a b不通 30 2 磁敏管的工作原理 预备知识 在磁铁存在的空间 将形成磁力线 方向为NS 当有顺磁材料处于磁场作用范围内 则此材料将被磁化 磁化后的极性如下 NS NS 电极a 电极b S S N N SN 当磁铁移近磁敏管时 磁铁产生的磁力线使簧片磁化 极性如上 此时触片分别构成N S极而相互吸合 触点闭合 电极a b接通 当磁铁移离磁敏这时 簧片立即去磁 触点恢复原态 工作原理 31 3 磁敏管主要技术参数 动作距离 10mm 当簧片吸合时簧片与磁铁的距离 重复精度开启动作0 05mm 闭合动作0 15mm响应时间约等于1 7ms 以一次通断约为4ms 频率 1000ms 4ms 250次 1S 触点容量24V 100mA 需视触点面积电寿命 102万次 32 4 磁敏管的驱动形式 NS NS 1 垂直动作 2 侧面动作 5 旋转动作 NS NS 挡磁片 3 遮断动作 I 4 螺旋管式 电 磁 动作 线圈通电 簧片吸合 反之则反之 动作特点 顺磁方向 触点闭合 转过90度 非顺磁方向 触点断开 磁铁旋转1周 磁敏管通断2次 NS NS NS NS NS 触点接通2次 断开2次 下一循环 33 5 磁敏管应用举例 a 流水线产品计数装置 计数器 物品箱 工作过程 球由传送带从左向右移动 球经磁铁操作杆时将磁铁压下 磁敏管簧片闭合 计数器计数一 当累计满一箱 例如5只 时 计数器自动发出一个信号 当前物品箱移走 空物品箱移入 继续装球 34 b 转数测量 低速状态下 NS 二分频电路 输入二个脉冲 输出一个脉冲 2 1 35 第四节电阻应变片式传感器将被测非电量 物体的位移 应变 压力 张力等 的变化转换成导电材料电阻的变化的装置 称电阻式传感器 1 种类 电阻应变式传感器电阻器式传感器热敏电阻传感器 光敏电阻传感器 磁敏电阻传感器 等 其中电阻应变片式传感器在某些场合应用较为广泛 本节即学习该内容 36 2 电阻应变片的基本结构与工作原理 1 基本结构 引线 绝缘基片 b L 应变方向 电阻丝 2 工作原理 若应变片沿应变方向受拉伸力的作用产生伸长变形 则电阻丝沿长度方向 轴向 伸长 而直径变小 变细 电阻值增大 反之受压缩力则电阻值减小 这就是电阻应变片在外力作用下发生阻值变化的基本原理 L L 37 L L 以上为定性分析 下面作定量分析 我们可以取电阻丝中的一小段L 根据物理学原理 金属体电阻R的值与其长度L成正比 与截面积A成反比 当电阻的电阻率已知为 则 R L A式中 L m A m2 M当电阻丝L受外力拉伸产生轴向应变伸长为L 截面积变为A 则 伸长量 L L L此时 截面积缩小了 A A A A 电阻率增加了 电阻变化值为 R A A 38 R R L L A A 若取应变片电阻的相对变化值与电阻丝长度的相对变形量 则可以写出表达式 R R K L L式中 K为应变片的灵敏系数上式中 若令电阻丝长度的相对变形量 L L 则上式可改写为 R R K 或 R R K K 无量纲 以上讨论说明 电阻应变片在外力作用下 电阻值的变化量 R与电阻原值 灵敏系数 电阻丝长度相对变形量成正比 原电阻值越大 灵敏系数越高 长度相对变形量越多 则 R就越大 则电阻R变化为 39 3 应变片典型型号与技术参数 1 普通片 箔式应变片 刻上敏感栅 40 2 半导体应变片 半导体应变片特点 灵敏系数K高 电阻值 R变化大 即应变片在外力作用下有一个较小的变形 其电阻值 R就会有一个较大的变化 这对于那些被测构件变形量很小 而希望获取较大 R输出的场合 应用半导体应变片是十分合适的 41 4 应变片式传感器的典型测量电路 全桥电路 在实际应用中 人们发现单片应变片的应力变量太小 即 R的变化值太小 不足以提供给后续的电路使用 为便于测量 使输出的 R值能较大 亦即应变片输出的电压较大 通常采用由4片应变片构成的全桥式应变片电桥作为输出 E Vo R1 R4 R2 R3 运放 Vc 直流电桥 其中R1 R2 R3 R4 为方便分析 将该图改绘成 E R4 R1 R2 R3 V1 V2 Vo 参考零电位 42 VE R4 R1 R2 R3 V1 V2 Vo I Ia Ib V2 V1 电路结构特点 R1 R2构成串联电路R3 R4构成串联电路 R1与R2 R3与R4 二者构成并联电路 现求全桥的输出电压Vo 设R2上的压降为V1 R3上的压降为V2 则 Vo V1 V2 式1根据欧姆电路定律 在一纯电阻电路里 流过电路的电流I与电压V成正比 与电阻R成反比 即 I V R亦即V I R为此 V1 Ia R2 式2同理 V2 Ib R3 式3 43 上式中 Ia VE R1 R2 式4Ib VE R3 R4 式5将式4 式5分别代入式2 式3 V1 Ia R2 VE R2 R1 R2 式6V2 Ib R3 VE R3 R3 R