第二章纺织常用传感器.ppt

1,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：,2,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,3,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,4,+,-,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。,5,（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,6,2）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。,7,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：0.40.7m为可见光；0.7m为红外光；,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,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。,21,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,22,UH=I*B*RH/d（矢量式）,式中：Ia、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）,23,2）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,24,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,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：,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,26,4）典型霍尔传感器型号：,生产单位：南京半导体器件总厂,27,5）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,28,2、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。,29,2）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：,30,3）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,31,4）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,32,5）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。,33,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,2,1,34,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。,35,2、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,36,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,37,（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：,38,3、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,39,2）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。,40,4、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,41,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3,42,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+R4)式7将式6、式7代入式1，则：Vo=V1-V2=VE*R2/(R1+R2)-VE*R3/(R3+R4)=VER2(R3+R4)-R3(R1+R2)/(R1+R2)(R3+R4)=VE(R2R3+R2R4-R1R3-R2R3)/(R1+R2)(R3+R4)上式经化简后，全桥电路的输出表达式为：VE*(R2R4-R1R3)(R1+R2)(R3+R4),Vo=,43,4、应用举例：纺织纱线张力测量系统：1）应变片全桥测量电路,R2,R1,R3,R4,F,R2,R1,R3,R4,F,伸长+L,伸长+L,压缩-L,压缩-L,在纱线张力作用下，悬臂梁弯曲变形：R2、R4电阻丝轴向产生伸长变形，R2、R4R1、R3电阻丝轴向产生压缩变形，R1、R3,VE,-,+,R4,R1,R2,R3,V1,V2,Vo,44,VE,-,+,R4,R1,R2,R3,V1,V2,Vo,Vo=V1-V2若某全桥电路的供电电压Ve=+9V;R1R4=120欧;若各应变片拉伸（压缩）变形后的电阻值变化R=2.5欧姆.,Vo=,VE*(