第4章：常用传感器原理及其测量电路.ppt

第四章常用传感器原理及其测量电路，本章的学习要求：1.理解传感器的分类2 .把握常用传感器的测量原理3 .理解传感器的测量电路，机械工程的测试技术和信号分析，4.1传感器的概要，1 .传感器的定义，传感器是通过检测元件将某种形式的信息转换为其他信息的装置。 另外，物理量、电量以及当前传感器转换后的信号大多是电信号。 因此，在狭义上，传感器是将从外部输入的非电信号转换为电信号的装置。 第四章常用的传感器原理及其测量电路，第二、传感器结构，传感器由传感器设备和辅助设备组成。 传感器设备的作用是感受测量的物理量，转换信号并输出。 所述辅助装置放大从所述传感器装置输出的电信号并执行阻抗匹配以促进后续计算存取。 4.1传感器的概要、三、传感器的分类、一、按被测物理量分类、常见的被测物理量、机械量：的长度、厚度、位移、速度、加速度、旋转角、转速、质量、重量、力、压力、真空度、转矩、风速、流量音：声压、噪声、磁性：磁通、磁场、温度：温度、热、 比热.光：亮度、色彩、4.1传感器概要、机械式、电气式、光学式、流体式等. 2、功能的物理基础类别：切削力计、4.1传感器概要、 能量转换型：直接从被测量对象输入能量来工作.例如：热电偶压电式加速度计.能量控制型：从外部供给能量，通过测量来控制从外部供给的能量的变化4 .传感器与被测定物体的能量关系：物性型：根据传感器材料自身的物理性质的变化，实现信号转换； 例如，水银温度计.结构型：可以通过传感器结构参数的改变来实现信号转换。 例如：静电电容式和感应式传感器.4.1传感器的概要、4.2传感器的常用测量电路、集成运算放大器的2桥电路的3个滤波器的4调制和解调，这些处理手段被称为信号调整，第4章的常用传感器原理及其测量电路、信号调整的目的是使信号的传输和处理变得容易。 此外，从传感器输出的电信号微弱，并且基本上不能直接发送至显示、记录和分析装置，而且需要进一步放大该信号以执行阻抗转换。 目的，第四章常用的传感器原理及其测量电路、集成运算放大器是具有高放大率、深度负反馈的直接耦合放大器，其输入网络和反馈网络由线性或非线性元件构成，可对输入信号进行多种数学运算和处理。综合运算放大器、1、参数(1)开环放大倍率A=； (2)输入阻抗ri=； 输出阻抗ro=0； (3)带宽BW=； (UP=UN，UO=0时(5)无温度漂移，4.2传感器常用测量电路，通用集成运算放大器高输入电阻型运算； 高速型运输； 低失步电压输送； 高精度运输； 斩波器稳定零输送； 大功率运输； 2、常见集成运算放大器、4.2传感器常用测量电路、信号放大器的分类、特征、4.2传感器常用测量电路、a直流放大电路、电压增益3360，1，1 )反相放大器、反馈电阻器RF值不能太大，否则会产生大噪声和漂移，一般而言r-1的取法远大于信号源Ui的内阻。 3、常见的放大电路，4.2传感器常用的测量电路，2 )同相放大器和同相放大器具有输入阻抗非常高以及输出阻抗非常低的特征，广泛应用于前置放大级。 同相放大器也是最基本的电路，闭环电压增益Av为：4.2传感器常用测量电路，b交流放大电路，R1通常采用几十千欧姆。 耦合电容C1、C3可由交流放大器下限频率fL决定。4.2传感器常用测量电路、(1)差动输入放大电路、(2)带平衡电阻的反向输入放大电路、(c )其他放大电路、4.2传感器常用测量电路、(3)运算电路、4.2传感器常用测量电路、(4)测量放大电路、4.2传感器常用测量电路、4.2传感器常用测量电路、1直流桥、平衡条件、2桥电路， 4.2传感器常用测量电路，指令：4.2传感器常用测量电路，容易获得所需的高稳定直流电源的桥式输出电压为直流，可用直流计测量的传感器到仪表的连接线较低，桥式平衡电路简单。 直流电桥的优点：直流放大器复杂，易受零漂移和接地电位的影响。 缺点为：桥接法：4.2传感器常用测量电路，双交流桥，电容器，电感，4.2传感器常用测量电路，两种常见交流桥： a、RC桥，b、RL桥，桥平衡条件，应用时：4.2传感器常用测量电路， 交流电桥的优点：能够调制输出电压的频率交流放大容易缺点：难以调整平衡容易受到分布参数的影响，从4.2传感器常用测量电路、4.2传感器常用测量电路、4电桥的应用、电桥输出可知，电桥臂的电阻(阻抗)的变化被赋予输出另外，加法特性的应用、减法特性的应用、第三滤波器、滤波器或一种频率选择装置可以使信号中的特定频率成分通过，从而使其它频率成分较大地衰减。4.2传感器常用测量电路、1滤波器分类(根据滤波器的频率选择作用分量)、低通、高通、4.2传感器常用测量电路、带通、带阻、4.2传感器常用测量电路、2滤波器串联/并联、低通滤波器和高通滤波器是两种最基本形式，其他滤波器是这两种滤波器此外，低通滤波器和高通滤波器的并联是带阻滤波器，而4.2传感器是经常使用测量电路、低通滤波器和高通滤波器的串联是带通滤波器，这种滤波器能够使阻带内的频率分量衰减零而不失真通带内的信号的振幅和相位。 此外，4.2传感器中常用的测量电路、理想滤波器的物理量无法实现，理想滤波器在时域中的脉冲响应函数h(t )是sinc函数。 冲激响应的波形沿着横轴向左、右无限地延伸。 当给理想滤波器提供脉冲激励时，在t=0时刻的单位脉冲输入滤波器之前，滤波器已经作出响应。 物理上不能实现。 此外，4.2传感器常用的测量电路、4个实际的滤波器、理想的滤波器不存在，实际的滤波器振幅特性在通带和阻带之间没有严格的边界，而是存在通带。0，f，a，4.2传感器常用测量电路，4.2传感器常用测量电路，5实际滤波器的技术指标，0，f，1 )与截止频率fc:0.707A0对应的频率，fc1-下截止频率fc2-上截止频率，0，f，4.2传感器常用测量电路， 2 )脉动宽度d :振幅频率特性平均A0脉动值，最大脉动指标：0，f，3 )带宽b :上下两截止频率之间的频率范围称为带宽。 4.2传感器常用测量电路，4 )倍频选择性w是上截止频率fc2和2f2之间的幅度特性的衰减值，即频率变化一个倍频时的衰减量。 倍频程衰减量用dB/oct表示(Octave，倍频程)。 衰减越快(即w值越大)，滤镜的选择性越好。 另外，4.2传感器常用的测量电路，或：0，f，5 )中心频率fn :上下两截止之间的频率fc1，fc2的集合平均值。 6 )固定带宽、固定带宽比滤波器、实际的滤波器频率通带等等可以被正常调节，并且可以根据实际的滤波器中心频率和带宽之间的数值关系而被分成两种类型。 b )固定带通滤波器、a )固定带通滤波器、4.2传感器常用测量电路、c )倍频程滤波器、倍频程滤波器是固定带比滤波器。另外，4.2传感器中经常使用的测量电路，fc2和fc1是带通滤波器的上下截止频率，当n=1时，由被称为倍频滤波器的关系式表示的n=1/3时，称为1/3倍频滤波器，0，f，8 )质量系数q :中心频率与带宽之比4.2传感器常用测量电路、6RC无源滤波器、测试系统常用RC滤波器。 因为在这个领域信号的频率相对不高。 RC滤波器电路简单，抗干扰性高，频率性能低，选择标准电阻元件。 1 )一次RC低通滤波器、4.2传感器常用测量电路、4.2传感器常用测量电路、2 )一次RC高通滤波器、4.2传感器常用测量电路、3)RC带通滤波器、4.2传感器常用测量电路在高、低通路两级串联连接的情况下，应消除二级耦合时的相互影响实际上，发射极输出器经常在两级之间使用，或者由运算放大器隔离。 因此，实际的带通滤波器总是有效的。 有源滤波器由RC调谐网络和运算放大器组成。 运算放大器可以充当级之间的隔离和信号幅度的放大两者。 当将放大器：连接到7有源滤波器、低通滤波器之后时，不管时间常数RC如何，都确定该增益。 以下，通过导出其传递函数. Y1至Y5的值与阻抗类型的组合，可以得到二阶低、高、带通、带阻滤波器，以二阶低通为例，产品、lineda : LTC 1564 maxim : max 74 xx、4 4.2传感器常用测量电路，8滤波器的应用，外壳：观光电缆检测，4.2传感器常用测量电路，从外壳中提取的典型实验：钢管无损探伤，消除信号中的零漂和低频晃动，方便阈值报警，4.2传感器常用测量电路，外壳：机械加工常用电动轮廓仪测量工件表面粗糙度在测量期间，当感应传感器的触针沿着被检测面滑动时，从传感器输出的电压信号包含(1)表面梯度信号x1(t)f1(2)表面粗糙度信号x2(t)f2(3)高频电干扰信号x3(t)f3。在f1xm(t )的情况下，二极管的开/关全部由载波信号y(t )决定。 幅度调制波：，3 )相位敏感检测，操作原理：幅度调制载波和载波y(t )同相载波电压为正，载波电压为负，3 ， 鉴于四频率调制，频率调制是利用信号x(t )的幅度调制载波频率的，或者频率调制波是稀疏密度根据信号x(t )的电压幅度变化的不同的等幅度波。4.2传感器常用测量电路，4.2传感器常用测量电路，波形特征为(1) 频率调制波幅度变化规律与载波频率一致(2)频率调制波频率(即，变化速度)与调制信号波形变化一致的鉴别力：4.2传感器常用测量电路，优点：抗噪性强。 调频波形通常需要较宽的频带，并且调幅系统比调幅系统复杂得多，这些调频系统达到调幅所需的带宽的20倍。该调频系统对于非线性调制是足够的。由于调频信号所具有的信息包含在频率变化中，因此干扰波的干扰作用主要出现在振幅中而不是出现在振幅中。 缺点：占用带宽大、复杂度高、4.2传感器常用测量电路、谐振电路频率调制、情况：旋转机械转矩测量1)xo(t )中包含的各成分的频率及振幅2 )，根据调制信号(基带信号)和振幅调制波的光谱、振幅调制波的光谱：f、100、750、50、150、调制信号x(t )的频谱：100 50cos300t 20cos1500t， 电阻式传感器电阻式传感器是被转换为测量的电阻变化的传感器，根据工作原理分为：变阻式电阻应变式感热式传感器4.3常用传感器第4章常用传感器原理及其测量电路1电阻应变式传感器应变仪， 电阻应变仪的工作原理基于金属导体的应变效应，当金属导体在外力作用下机械变形时，其电阻值会机械变形(伸缩)而变化。 4.3常用传感器，(1)转换原理，上述参数转换引起电阻变化，求导数，代入，4.3常用传感器，金属应变仪的电阻r为：电线：电线体积不变：4.3常用传感器，有：4.3常用传感器，电导率不变，纵向应变不变，电导率变化，金属电导率不变：1 )线应变仪：金属应变仪，4.3常用传感器，2 )半导体应变仪，优点：灵敏度大体积小缺点：温度稳定性和重现性不如金属应变仪。4.3常用传感器、(2)应变计的主要参数、d )其他表示应变计性能的参数(工作温度、滞后、蠕变、零漂移及疲劳寿命、横向灵敏度等)。 a )几何参数：规距l和线栅宽度b，制造工厂常用的bL表示。 b )电阻值：应变计的原始电阻值。 c )灵敏度系数：显示应变仪转换性能的重要参数。 4.3常用传感器，(3)应变仪测量电路，4.3常用传感器，指令：应与线应变仪：v成为线性关系，可通过电桥的测量电压测量应变，目视4.3常用传感器，电阻应变仪的选择，粘贴技术，a .电阻应变仪的折痕的有无，断线等缺陷b .用数字万用表测量应变仪电阻值的大小。 同一桥内各应变片间的电阻值差不得超过0.5欧姆。 c .试验片表面处理：补片处理用纺纱纸刷干净，用酒精棉球多次擦拭，直至棉球没有黑色痕迹。 d .在应变计粘贴：应变计的基础上按压粘结剂502滴，轻轻均匀涂抹，立即放置在应变计的位置。 4.3常用传感器、e .键合线：用焊锡将应变计的导线键合到导线上。 f .用美夹检查应变片与试验片之间的绝缘组织，必须在500M欧元以上。 g .应变计保护： 704用硅橡胶压在应变计上，防止湿气。 4.3常用传感器，电阻应变式传感器的应用：力测量，4.3常用传感器，标准产品，4.3常用传感器，外壳：桥梁固有频率测量，4.3常用传感器，外壳：外壳：电子对称，原理是使物品重量在悬臂梁的变换结构中变形，用应变计转换为功率输出。 4.3常用传感器，案例：压力机生产数量和生产过程监测，4.3常用传感器，案例：振动式地声侵入传感器适用于金库、仓库、旧建筑物的防盗，挖墙、开洞、爆破等破坏行为可及时发现。4.3常用传感器、4.3常用传感器、2压敏电阻式传感器、4.3常用传感器、(1)等效电路分析：x，l，3.2电阻式传感器、l压敏电阻全长； x-电刷移动量. R-总电阻RL电刷电阻，R=K*L，x=L*E1/E，3.2电阻式传感器，3.2电阻式传感器，(2)可变电阻式传感器的性能参数：1