传感器原理及应用ppt课件

.,教材,传感器原理及应用黄贤武郑筱霞编箸电子科技大学出版社,.,参考书,传感器原理、设计与应用（第三版）刘迎春叶湘滨编箸国防科技大学出版社传感器原理与应用技术刘爱华，满宝元编著人民邮电出版社,2006年,.,.,第一章基本概念,1-1传感器的定义与组成1-2传感器的特性1-3传感器的误差及信噪比,.,第一章基本概念,1-1传感器的定义与组成1-2传感器的特性1-3传感器的误差及信噪比,.,1-1传感器的定义与组成,传感器的定义传感器的分类被测量与能量变换,.,一、传感器的定义1、定义,所谓传感器是来自“感觉”一词传感器技术属现代高新技术（电五官）根据GB7665-87，【传感器】（TransducerSensor）的定义为：能感受规定的被测量并按一定规律转换成可用信号输出的器件或装置，通常由敏感元件和转换元件组成。我国往往把“传感器”和“敏感元件”等同使用,.,传感器的定义2、传感器的组成,敏感元件（Sensingelement）直接感受或响应被测量的部分。有时也将敏感元件称为传感器。转换元件（Transductionelement）能将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。,.,传感器的定义3、传感器的特征参数,被测量传感器输入量，是传感器命名和分类的重要依据。输出量含有原始信号，且为便于接收与处理的信号形式。,.,传感器的定义4、传感器的应用,从被检测对象中获取原始信号（1）用于自动检测系统,.,传感器的定义4、传感器的应用续,（2）用于测控系统,.,自动检测与自动控制系统,在电力、冶金、石化、化工等流程工业中，生产线上设备运行状态关系到整个生产线流程。通常建立24小时在线监测系统。,.,石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测,.,.,.,.,在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂时，必须对其性能质量检测,图示为汽车出厂检验原理框图，测量参数包括润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机转速等。通过对抽样汽车的测试，工程师可以了解产品质量。,.,汽车扭距测量机床加工精度测量,.,汽车与传感器高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确的测量，一般需要30100种传感器。,.,传感器与家用电器自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭影院等。,.,传感器在机器人上的应用,机械手、机器人中的传感器：转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。,.,密歇根大学的机械手装配模型,.,机器人服务员,.,AGV自动送货车,香港理工AGV模型,.,传感器在生物医学上的应用,对人体的健康状况进行诊断需要进行多种生理参数的测量。国内已经成功地开发出了用于测量近红外组织血氧参数的检测仪器。人类基因组计划的研究也大大促进了对酶、免疫、微生物、细胞、DNA、RNA、蛋白质、嗅觉、味觉和体液组份以及血气、血压、血流量、脉搏等传感器的研究。,医学,.,.,传感器与航空及航天,飞行器：控制在预定轨道上陀螺仪、阳光传感器、星光传感器、地磁传感器,航天,.,传感器与环境保护,保护环境和生态平衡，实现可持续发展，必须进行大气监测和江河湖海水质检测，需要大量用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测量的传感器，这些传感器中大多数亟待开发。,.,烟尘浊度测量,.,传感器与遥感技术,红外接收传感器,.,二、传感器的分类1、按传感器输入量（用途）分类,生产厂家往往按输入量分类，以向户提供基本的使用信息。如：位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、压力传感器、流速传感器、温度传感器、光强传感器、湿度传感器、粘度传感器、浓度传感器、。,.,传感器的分类2、按传感器工作机理分类,此种分类方法能表示输入变量和输出变之间的关系。,.,传感器的分类2、按传感器工作机理分类续1,（1）物性型传感器是利用某些功能材料本身所具有的内在特性及效应把被测量直接转换为电量的传感器。如：各种压电晶体传感器。（2）结构型传感器是以结构（如形状、尺寸）为基础，利用某些物理规律实现把被测量转换为电量。如：气隙型电感式传感器。,.,传感器的分类2、按传感器工作机理分类续2,（3）化学传感器是利用化学反应的原理，把无机和有机化学物质的成分、浓度等转换为电信号的传感器。如：离子选择性电极。（4）生物传感器是一种利用生物活性物质选择性的识别和测定生物化学物质的传感器。近年来发展很快。,.,传感器的分类3、按信息能量变换方式分类,在传感器内部，信息的传递与变换伴随着能量的流动。（1）能量变换型：传感器从被测对象中获取能量，用于直接输出。如：热电偶、光电池、压电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。（2）能量控制型：传感器从被测对象中获取能量，用于控制激励源，故又称有源型传感器。如：电阻式、电感式、电容式、霍尔式、。,.,三、被测量与能量变换,1、示容变量和示强变量(1)示容变量或称为流通变量、扩展量(Extensive)示容变量是与空间分布成比例的量，表示能容纳多少的量。如：长度、面积、体积、质量、位移、速度、电荷、磁力线、电流、热流、熵、。,.,被测量与能量变换1、示容变量和示强变量,(2)示强变量或跨越变量,密集量(Intensive)示强变量是指在某种场合下，表示作用程度的量。如：力、压力、温度、温差、电压、磁通、光通、气体浓度、湿度。,.,被测量与能量变换1、示容变量和示强变量,示容量与示强量组合之积是与某种能量相对应的。如：力与位移之积是功、力与速度之积是功率、压力与体积之积是气体力学能量、温度与熵之积是热能、温差与热流之积是热功率、电压与电荷之积是电能、电压与电流之积是电功率。,.,被测量与能量变换2、传感器能量变换,传感器的工作过程可以视为是将示容量与示强量由一种组合变成另一种组合。,.,被测量与能量变换3、能量变换与误差,（1）传感器从被测物体拾取能量时对被测物体的状态产生了影响，从而导致了误差。如：热电偶测温时，输入的热流是被测物体传递的，若热电偶的热容量过大，将使被测物体的温度下降，从而产生误差。（2）传感器输出端的负载消耗传感器的能量时，亦对被测物体造成误差。传感器对被测物体的影响越小，负载对传感器输出的影响越小，测量精度就越高。,.,被测量与能量变换4、传感器信号变换,根据传感器输出信号是模拟量或是数字量，可将信号变换分为两大类。【模拟变换】输入为模拟量，输出为模拟量。【数字变换】输入为模拟量，输出为数字量。,.,被测量与能量变换5、传感器的输入与输出特性,（1）传感器的输入特性（负荷效应）传感器的输入特性是用来衡量传感器对被测对象的影响程度。其主要参数是广义输入阻抗Zi，定义为由于示强变量X与示容变量x的乘积为能量W（或功率），则有能量或功率：,.,被测量与能量变换5、传感器的输入与输出特性,可知：当被测量为示强变量时（如：被测量为力、压力、温度等），传感器广义输入阻抗越大，从被测对象吸收的能量就越小，误差也就越小。当被测量为示容变量时（如：位移、速度、加速度等），传感器广义输入阻抗则越小越好。当被测示容变量为0时（如：用力传感器测量静态力时），此时被测点处于力平衡状态，速度为0，此时输入特性应用静态刚度来表示静态刚度：，此时被测力的功：,.,被测量与能量变换5、传感器的输入与输出特性,（2）传感器的输出特性（阻抗匹配）传感器的输出特性是用来衡量传感器承受负载能力大小的重要参数。主要参数是广义输出阻抗Zo，定义为从提高负载能力出发，Zo越小越好，承载能力强；从获得最大功率出发，Zo等于负载阻抗。总的要求是：希望从被测对象处获取较小的能量，而输出大的有用信号。,.,四、传感器的发展趋势,发现新现象开发新材料采用微细加工技术集成化智能化仿生传感器,.,第一章基本概念,1-1传感器的定义与组成1-2传感器的特性1-3传感器的误差及信噪比,.,1-2传感器的特性,传感器的静态特性传感器的动态特性传感器的特性就是对输入输出关系的描述，理想的特性是在任何情况下输入与输出都是一一对应的。分静态特性和动态特性。,.,1-2传感器的特性一、传感器的静态特性,【静态特性】：输入不随时间变化时（在稳态信号作用下），传感器输出与输入之间的关系。、变换函数（静态特性的一般数学模型）变换函数反映传感器输入与输出间的关系式，y=f(x)其中x为输入量，y为输出量。几种典型的变换函数如下表,.,一、传感器的静态特性、变换函数,通常，要求传感器在静态情况下的输入与输出保持线性关系，实际上，如上表所示，很难满足理想的线性关系，一般用多项式表示只有当二阶以上的项为0时，才满足理想的线性关系。,.,一、传感器的静态特性2、灵敏度（静态灵敏度）,当输入变化为x时，有：其中k(x)称为灵敏度，是传感器在工作点上的微商（dydx），是静态特性的最主要指标。当k(x)为定值时，即y与x成比例，由测量值y便可直接求得x。灵敏度具有可比性。,.,一、传感器的静态特性3、精度,传感器的精度是指测量结果的可靠程度，它以给定的准确度表示重复某个读数的能力，其误差愈小，则精度愈高。定义为：传感器的精度表示传感器在规定条件下允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百分比，其中，A为测量范围内允许的最大绝对误差。在应用中，为了简化传感器的精度的表示方法，引用了精度等级的概念，分为：0.05、0.1、0.2、0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等级越小精度越高,.,一、传感器的静态特性4、线性度（非线性误差）,在规定条件下，传感器校准曲线与拟合直线间最大偏差与满量程（F.S）输出值的百分比称为线性度。线性度：拟合方法有基端线性拟合、最佳直线拟合和最小二乘法拟合。,.,一、传感器的静态特性5、最小检测量和分辨率,是指传感器能确切反映被测量的最低极限量x，小于这个量的区域称为死区。对于数字传感器，常用分辨率来表示。最小检测量(或感度)的影响因素二：(1)输入的变动量x在传感器内部被吸收如：带有螺纹或齿条传递的传感器，由于螺纹和螺母间、齿轮和齿条间存在间隙，当输入变量x小于这一间隙时，便被传感器内部吸收。,.,一、传感器的静态特性5、最小检测量和分辨率续1,(2)传感器输入、输出端均存在噪声干扰，x过小时，被外界噪声所淹没。最小检测量：其中，C为系数，一般取15，N为噪声电平，K为灵敏度。对于数字式传感器，则用输出数字指示值最后一位数字所代表的输入量来表示，称为分辨率。,.,一、传感器的静态特性6、滞后性,在输入量增加过程中测得的某一点输出值，与在输入减少过程测得的同一点值不一样，这种现象称为滞后。图中曲线称为滞环特性曲线。,.,一、传感器的静态特性6、滞后性续1,对滞后性的衡量，一般用滞环的最大偏差或最大偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示，称为滞环误差或如果传感器存在滞后性，则输入与输出就不能保持一一的对应关系，因此应尽量使之变小。产生滞后性的原因主要是材料的物理性质所造成的。,.,一、传感器的静态特性7、重复性,重复性是指在同一工作条件下，输入量按同一方向在全量程范围内连续变动多次所得特性曲线的不一致性。,.,一、传感器的静态特性7、重复性续1,不一致性一般用各测量值正、反行程标准偏差最大值的两位或三倍值与满量程输出值的百分比来表示（或称为回差）或其中，为标准偏差。,.,一、传感器的静态特性8、零点漂移,传感器无输入（或某一输入值不变）时，每隔一段时间进行读数，其输出偏离零值（或原指示值），即为零点飘移，用百分比表示：其中，y0为最大零点偏差（或相应偏差）。,.,一、传感器的静态特性9、温度漂移,温漂表示温度变化时，传感器输出值的偏离程度。一般以温度变化1时，输出最大偏差与满量程的百分比表示：其中，max为输出最大偏差，T为温度变化范围。,.,1-2传感器的特性二、传感器的动态特性,【传感器动态特性】传感器的响应特性。【传感器响应】当输入信号随时间变化时，输出信号随之变化的情况。,.,二、传感器的动态特性1、动态特性的一般数学模型,由于传感器在工作中，质量加速或减速需要时间，能量存取需要时间，信号在传输过程中克服阻力需要时间，所以输出信号总是要迟后输入信号，不可能同步变化。动态特性的一般数学模型为一常系数微分方程:式中，y(t)为输出信号，x(t)为输入信号，a0,a1,an及b0,b1,bm均为常数。,.,二、传感器的动态特性1、动态特性的一般数学模型续1,对上式两边进行拉氏变换，得则得系统的传递函数如下在一般情况下，上面的传递函数可以分解为分母为一次多项式和二次多项式的分式形式，用一次多项式作分母的系统称为传递函数的一阶系统（即惯性环节），用二次多项式作分母的系统称为传递函数的二阶系统（即振荡环节）。所以一阶和二阶系统的响应是最基本的响应。,.,传感器的动态特性2、零阶传感器的数学模型,零阶传感器的微分方程只有a0、b0两个系数，方程为:或其中k为静态灵敏度，所以零阶系统的动态特性即就是系统的静态特性。,.,传感器的动态特性2、零阶传感器的数学模型-续1,典型的零阶系统如线性电位器输出电压与电刷位移之间的关系：,.,传感器的动态特性3、一阶传感器的数学模型(惯性环节),一阶系统的方程式为或其中(a1/a0)，称为时间常数，(b0/a0)为静态灵敏度。一阶系统函数（传递函数）,.,传感器的动态特性3、一阶传感器的数学模型-续1,典型的一阶传感器如热电偶,.,传感器的动态特性3、一阶传感器的数学模型-续2,微分方程如下:其中:Rmc，为热电偶的时间常数，R为介质与热电偶之间的热阻，m热电偶质量，c为热电偶的比热，mc为热电偶的热容量。,.,传感器的动态特性4、二阶传感器的数学模型(振荡环节),二阶系统的微分方程为二阶系统函数（拉氏传递函数）,.,传感器的动态特性4、二阶传感器的数学模型-续1,式中，为静态刚度；，无阻尼固有频率；，阻尼比。上述三个量称为二阶传感器的特征量。典型的二阶传感器有光线示波器的振动子、铠装热电偶（即带保护套管的热电偶）。,.,传感器的动态特性5、传感器的动态特性,【时域方面】采用瞬态响应法（阶跃响应）【频域方面】采用频率响应法（正弦响应）,（1）单位阶跃响应函数为,.,传感器的动态特性5、传感器的动态特性阶跃响应1,（2）一阶传感器的阶跃响应其中，为时间常数。,.,传感器的动态特性5、传感器的动态特性阶跃响应2,（3）二阶传感器的阶跃响应二阶系统分欠阻尼系统（R时，有：其中，1，为工作臂Rx的电阻相对变化率。,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,2、直流电桥的特点及基本类型、结构：直流电桥是由连接成环形的四个电阻（桥臂电阻）所组成，由一直流电源提供能量，输出端与放大器相连。,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,、电桥平衡条件：此时，测量输出端的输出为零。,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,、桥路输出电压若输出端放大器的输入阻抗很高，则可视为输出端开路，即：RL，此时两支路中的电流分别为在R1和R3上的压降分别为,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,则桥路输出端的电压为,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,、电桥的电压灵敏度若R1为电阻式传感器，R2、R3、R4为固定桥臂，R10、R20、R30、R40为平衡时的初始阻值，此时输出为零，当RL，R1变化R时，则输出为,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,令，根据平衡条件：(桥臂比），则如果R1，略去分母中的R，则有则电压灵敏度为：,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,提高KU的途径：提高电源电压（受电源耗散功的限制）；选择合适的桥臂比n（n=1时最大：）。,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,3、电桥的结构形式（1）串联对称式：相等两桥臂同在一个支路中形成串联形式。即,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,在单臂工作时，R1=R10+R，取RL=，此时有令，根据平衡条件：，则略去分母中的R，近似有：,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,从上式中可看出：输出电压的大小只与R有关，且成正比；必须有高稳定性电源，以维持UE不变，否则会影响输出；只有当2R4时，上式才成立。,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,()并联对称式相等两桥臂分别接入不同支路的对称位置。即,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,在单臂工作时，R1=R10+R，取RL=，此时有令，则有,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,从上式中可看出:输出电压除与R和UE有关外，还与同一支路中桥臂比m有关，当m=1时，与串联对称式相同。,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,（3）等臂电桥组成桥路的四个臂，其阻值均相等。即平衡条件：，假设RL=，根据应变片的工作情况，分三种情况加以分析,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,单臂工作：电桥工作臂R1为电阻传感元件。输出电压,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,半桥线路（双臂工作）：电桥工作臂R1和R2为电阻传感元件。输出电压从公式中可以看出UO与R之间为线性关系；输出电压为单臂时的两倍。,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,全桥线路（四臂工作）：电桥的四个工作臂均为电阻传感元件。输出电压:从公式中可以看出UO与R之间为线性关系；输出电压为单臂时的倍；输出电压UO与电源电压UE的比值在数值上等于R。,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,、负载电阻为有限值的情况上述均假定RL=，当RL为有限值时，则负载RL上的压降为式中，RTh为等效内阻上式说明，在考虑负载后，输出电压缩小了倍。,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,、桥路的电阻平衡在桥路中，实际上很艰使桥臂电阻绝对相同，总会存在差异，因此，必须设计调零电路，以使初始状态达到平衡。调零电路一般由两个电阻（其中一个为可调电阻）组成星形连接电路。,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,带调零电路的电桥。可调平衡范围,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,6、非线性误差及其补偿方法从前述电桥的输出电压知：其中，说明桥的输出出电压与输入电压之间为非线性关系，只有在时，略去分母中的，才能满足线性关系，但测量的应变较大时，这种条件难于满足，因而会造成较大的误差，此时需要采取其它的补偿方法。,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,(1)提高桥臂比n提高桥臂比n可使的影响下降，可适当减少非线性误差，当n=1时，桥的输出电压最大。(2)采用差动电桥采用差动电桥是最佳方案，从前述串联对称式电桥知，当采用半桥差动结构时，其输出为,为线性关系。若采用全桥差动电路，则输出为亦为线性关系。,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,（3）采用恒流源供桥当供桥电源采用恒流源时，电桥输出为解得,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,则输出电压为对于等臂电桥R1=R2=R3=R4，在单臂工作时，其输出为而恒压供桥时为则输出电压为,.,金属电阻应变传感器五、测量电路,7、交流电桥平衡条件电桥的输出电压：,.,金属电阻应变传感器五、测量电路交流电桥,单臂交流电桥输出电压差动交流电桥（半桥线路）输出电压双差动交流电桥（全桥线路）输出电压,.,金属电阻应变传感器五、测量电路交流电桥,应变仪组成方框图,.,2-2金属电阻应变传感器,六、应变式传感器的应用用应变片制成的传感器应用很广，如力传感器、扭矩传感器、加速度传感器、压力传感器、称重传感受器等，量程从几克到几百吨。,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,（1）柱式传感器结构：、弹性敏感元件为实心或空心圆柱。、应变片将敏感元件的应变转换为电阻。分别在轴向和周向各布置4个应变片。,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,在弹性范围内，应力与应变成正比，则轴向和周向的应变片感受的应变为,轴向应变：周向应变：其中，S为弹性元件的截面积，F为作用力，E为弹性模量，为泊松比。,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,当采用全桥差动结构时，输出为与作用力在正比。,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,（2）梁式力传感器（等强度梁或等截面梁）等强度弹性元件是一特殊形式的悬臂梁。,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,沿梁的长度方向上的截面抗弯模量W的变化与弯矩M的变化成正比梁各点的应变值为(等强度各点相等)式中,bx为与x对应的梁宽；h为梁的厚度；F被测作用力。,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,若等臂结构，即:，电桥输出为,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,应变式加速度传感器是典型的梁式传感器，弹性元件为悬臂梁，加速度感受元件为一惯性质量块m,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,测量原理：惯性质量块在加速度的作用下，产生惯性力F=ma，梁在惯性力的作用下发生变形，应变片电阻发生变化，产生输出信号，输出信号大小与加速度成正比。,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,电阻应变式电子称-梁式传感器的另一个典型应用它是在一个S型双弯曲悬臂梁上贴四片应变片，组成桥路。双弯曲梁的应变为式中，b为梁厚,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,桥路输出为,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,(3)应变式压力传感器弹性元件为一薄壁圆板，应变片贴于圆板上。,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,当均布压力作用于薄板时圆板上各点的径向应力和切向应变分布,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,当均布压力作用于薄板时，圆板上各点的径向应力和切向应力可用以下两式表示径向应力：切向应力：其中，R和h分别为圆板的半径和厚度，x为离圆心的径向距离。,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,圆板边缘处（x=R）的应力为径向应力：切向应力：可见，圆板周边处的径向应力最大,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,圆板内任一点的应变值计算公式为在圆板中心处（x=0）的应变值为在圆板边缘处（x=R）的应变值为,.,金属电阻应变传感器六、应变式传感器的应用,贴片时径向应变片应避开r=0处，一般在圆片边缘处沿径向贴两片，在中间沿切向贴两片。应变片R1、R4和R2、R3接在桥路的相邻臂内，以提高灵敏度并进行温度补偿。,.,第二章电阻式传感器及检测电路,2-1线绕电位器式传感器2-2金属电阻应变传感器2-3压阻式传感器,.,2-3压阻式传感器,一、压阻式传感器的结构及工作原理压阻式传感器是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩散电阻，直接作为敏感元件而制成的传感器。优点：灵敏度高，横向效应小，滞后和蠕变小。缺点：温度稳定性差，非线性较大。,.,2-3压阻式传感器一、压阻式传感器的结构及原理,、压阻效应【压阻效应】沿半导体的某一轴向施加一定的载荷而产生应变时，其电阻率会发生变化，这种现象称为压阻效应。半导体材料的应变与电阻的相对变化之间的关系如下,.,一、压阻式传感器的结构及原理压阻效应,有：则灵敏度为：由于K值一般为70160，而（1+2）约为1.6，故可以略去，则:,.,一、压阻式传感器的结构及原理,、扩散硅压阻器件扩散硅压阻器件是一个由四个扩散电阻构成的惠斯登电桥。设计要求：、等臂电桥（四个桥臂电阻值相等）；、差动结构（电桥相邻两臂的压阻效应大小相等符号相反）；、四个桥臂的温度系数相同。,.,这样的电桥为理想压阻电桥，桥臂电阻是应变和温度t的函数:电桥电源既可用恒压电源也可用恒流电源。用恒压电源供电时，电桥输出为:用恒流电源供电时，电桥输出为:其中:，t为电阻温度系数，kt为灵敏度温度系数。,一、压阻式传感器的结构及原理扩散硅压阻器件,.,一、压阻式传感器的结构及原理,、压阻器件的特性、温度性能温度系数较大，当温度变化时，产生温漂，且压阻系数随温度而变化。、线性度在数百微应变范围内呈线性。,.,2-3压阻式传感器二、应用,压阻式压力传感器（固态压力传感器）其结构与应变式压力传感器类似，弹性元件为一块圆形硅膜片，在膜片上利用集成电路的工艺扩散四个阻值相等的硅电阻。压阻式加速度传感器其结构与应变式加速度传感器类似，弹性元件为一硅制悬臂梁，在梁的根部利用集成电路的工艺扩散四个阻值相等的硅电阻，梁的自由端装有一惯性质量块用来感受加速度。,.,2-3压阻式传感器,三、测量桥路及温度补偿、恒流供电电桥为了减少温度影响，压阻器件多采用恒流源供电。当采用等臂差动结构时，桥路输出为式中，为温度引起的阻值变化。可见，此时桥路输出与温度无关。,.,三、测量桥路及温度补偿,、零点温度补偿用串、并联电阻法进行补偿。,.,三、测量桥路及温度补偿零点温度补偿,串联电阻RS用于调零；并联电阻RP用于补偿；其值通过计算求得。在电源回路中串联一定数量的二极管可以对灵敏度温度补偿，因为二极管PN结的温度特性为负值，温度升高时，二极管正向压降减少，桥路输出电压增高。,.,第三章电容式传感器,3-1概述3-2电容式传感器的测量电路3-3电容式传感器的应用,.,第三章电容式传感器,【能量变换】属能量控制型传感器,.,第三章电容式传感器,【原理】由一个恒定的激励源在两金属导体之间建立一电场，被测对象通过某种方式改变或调制电场的某一参数，使电场能量发生变化，测出能量的变化就可获得所需的信号。【用途】检测位移、液位、湿度、含水量【类型】变面积（A）型，变介质介电常数()，变极板间距（d）型。【特点】测量范围大、灵敏度高、动态响应时间短、机械损失小、结构简单；寄生电容影响较大、线性度较差、受大气温度和湿度影响,.,第三章电容式传感器,3-1概述3-2电容式传感器的测量电路3-3电容式传感器的应用,.,3-1概述一、电容传感器的工作原理,平板电容器的电容量，在忽略边缘效应时，有:式中:A为两极板间的有效覆盖面积；d为两极板间的距离；为两极板间介质的介电常数；,.,概述一、电容传感器的工作原理,r为介质的相对介电常数；0为真空的介电常数从电容量表达式可看出：电容量与覆盖面积成正比，与相对介电常数成正比，与两极板间距成反比。因此，通过改变复盖面积或相对介电常数或极板间距，都可以引起电容量的相对变化，这是电容传感器的基本工作原理。,.,概述二、典型的电容传感器,、变面积（A）型改变两极板间的有效覆盖面积来获得电容量的变化。,.,二、典型的电容传感器1、变面积（A）型,、角位移式电容量与角位移成线性关系。灵敏度，增大初始电容C0可以提高灵敏度K。,.,二、典型的电容传感器1、变面积（A）型,、直线位移式灵敏度，增大初始电容C0可以提高灵敏度K。,.,二、典型的电容传感器1、变面积（A）型,（3）圆柱直线位移式灵敏度，增大初始电容C0可以提高灵敏度K。,.,概述二、典型的电容传感器,、变介质介电常数()平板式电容量为两个电容C0和C1的串联，其值为:,.,二、典型的电容传感器2、变介质介电常数（）,、圆筒式两个电容C0和C1并联，其值为,.,二、典型的电容传感器2、变介质介电常数（）,可见，传感器电容量与液位高度h1成线性关系。物质名称相对介电常数r物质名称相对介电常数r水80玻璃3.7甲醇37沥青2.7乙醇2025砂35盐6空气及其它气体11.2纸2,.,二、典型的电容传感器,、变极板间距（d）型,.,二、典型的电容传感器、变极板间距（d）型,当间距d0减少d时，电容量为其中，得相对变化值为,.,二、典型的电容传感器、变极板间距（d）型,当d1，传感器的总阻抗(等效电路总阻抗)为:电感相对变化为:可见，并联电容后，传感器的灵敏度提高了。因此，在测量中，如改变了电缆，则需重新标定。,.,三、测量电路2、测量电路,（1）交流电桥电感线圈一般接成差动式。电桥的平衡条件为电桥的输出电压幅值为：,.,三、测量电路2、测量电路,（2）变压器电桥电桥的两个平衡臂为变压器的两个副边。电桥的输出与前面交流电桥类似。,.,第四章电感式传感器,4-1自感式传感器4-2差动变压器式传感器4-3电涡流式传感器,.,4-2差动变压器,差动变压器大都采用螺管型，这是一种互感式电感传感器。,.,4-2差动变压器式传感器一、结构及工作原理,1、结构：差动变压器大都采用螺管型，较少采用气隙型。主要元件有：初级线圈、次级线圈、线圈框架和衔铁组成。,.,4-2差动变压器式传感器一、结构及工作原理,2、工作原理差动变压器与一般变压器基本相同，不同之点是：一般变压器是闭合磁路，而差动变压器是开磁路，且衔铁是运动的。差动变压器是工作在互感变化的基础上。,.,4-2差动变压器式传感器二、特性分析,、等效电路在忽略线圈寄生电容和衔铁损耗的情况下，差动变压器的等效电路为：,.,二、特性分析、等效电路,变压器初级线圈的复数电流为其中,为激励电压的角频率；L1、R1分别为初级线圈的电感和电阻。在次级中产生的感应电压为其中，M1、M2分别为初级与次级线圈1、2间的互感。,.,二、特性分析、等效电路,则，空载输出电压为电压的有效值为：其中，U20为磁芯处于中间位置时（）的输出电压。,.,二、特性分析、等效电路,输出阻抗为：,.,二、特性分析、等效电路,磁芯移动时的三种情况（1）磁芯在中间位置；（2）磁芯左行时；（3）磁芯右行时。,.,二、特性分析、等效电路,（1）磁芯在中间位置：（残余电压）（2）磁芯左行时：（3）磁芯右行时：,.,二、特性分析、等效电路,输出曲线,.,二、特性分析、特性分析,、灵敏度差动变压器有负载时，次级线圈输出总电压有效值为式中为灵敏度系数；，为非线性部分；,.,2、特性分析、灵敏度,，铁芯位移量；lA铁芯长度；b0、b1分别为次级线圈和初级线圈的长度d两线圈间的气隙厚度；r1、r0分别为线管的内、外径。上式说明，铁芯位移x和输出电压UO之间不是线性关系。,.,2、特性分析、灵敏度,灵敏度系数K1与线圈的结构尺寸、初级线圈匝数、激励电源的电压和频率等因素有关。灵敏度系数与激励电压关系：灵敏度系数与线圈匝数N的关系当原边线圈电阻R1L1时，有：，A为常数。所以，提高匝数比可以提高差动变压器的灵敏度。,.,2、特性分析、误差分析,影响误差的主要因素是零点残余电压。当变压器的铁芯处于中间位置时，在理想条件下，其输出电压应为零；但实际上，在使用桥式电路时，在零点仍然有一微小的电压值（从几mV到几十mV）存在，称为零点残留电压。产生的原因：差动变压器两个次级线圈不可能完全一样；磁性材料磁化曲线的非线性。消除和减少方法：提高工艺精度；选用好的测量电路；采用补偿电路（调相补偿电路、调零补偿电路、R或L补偿电路等）。,.,4-2差动变压器式传感器,三、测量电路差动应压器的输出电压为交流，与衔铁位移量成正比，用交流表测量其输出只能反映衔铁位移的大小，不能反映其移运方向，因此，差动变压器常采用整流电路和相敏检波电路来进行测量。,.,4-2差动变压器式传感器三、测量电路,、差动整流电路一般为二极管组成的全波整流电路。,.,三、测量电路、差动整流电路,电路波形图,.,三、测量电路、差动整流电路,电路输出：无论线圈的极性如何变化，电流总是：ab,cd。,.,三、测量电路、差动整流电路,输出波形:,.,三、测量电路,、相敏检波电路相敏检波电路由二极管组成，这种电路容易做到输出平衡，而且便于阻抗匹配。其直流输出的极性能反映铁芯位移的方向，即铁芯位置从零点向左、右移动，对应的电压信号为负极性或正极性。,.,三、测量电路、相敏检波电路,.,三、测量电路、相敏检波电路,UE经移相后得Ur，二者频率相同，相位相同（上行）或相反（下行）。（1）、铁芯在中间位置时：U2=0，只有Ur作用，此时，UGP、UPH大小相等，方向相反，UO=0。,.,三、测量电路、相敏检波电路,(2)、铁芯上移时：U20正半周：i1：A1D1D32DCBUO=UGP-UPH=U2，为正。,.,三、测量电路、相敏检波电路,(2)、铁芯上移时：U20负半周：i1：D2D2D41ABCUO=UGP-UPH=-U2，为正。可见，UO恒为正。,.,三、测量电路、相敏检波电路,（3）铁芯下移时，U20这时，U2与Ur反相，即U2为正半周时，Ur为负半周，故有正半周：,.,三、测量电路、相敏检波电路,负半周：（负电压）可见，UO恒为负。,.,第四章电感式传感器,4-1自感式传感器4-2差动变压器式传感器4-3电涡流式传感器,.,4-3电涡流式传感器,【涡流】当导体置于交流磁场或在磁场中运动时，导体上会引起感应电流，此电流要导体内闭合，形成涡流。,.,4-3电涡流式传感器概述,电涡流大小与导体电阻率、导磁率、产生交变磁场的线圈与被测物体之间的距离d、激励电源的频率f等有关，固定其中若干个参数不变，就能按涡流大小测量另外某一个参数，电涡流传感器就是按此原理构成的。,.,4-3电涡流式传感器概述,电涡流的大小常用其穿透深度h表示，式中：为导体电阻率(cm)；r为导体相对磁导率；f为交变磁场频率(Hz)。,.,4-3电涡流式传感器概述,【用途】检测位移、振动、应力、表面温度、流量和探伤等。【特点】灵敏度高、结构简单、抗干扰能力强、非接触测量、测量对象广。【类型】高频反射式和低频透射式。,.,4-3电涡流式传感器一、结构及工作原理,1、结构目前较常用的电涡流传感器是高频反射式电涡流传感器，主要由一个安置在框架上的扁平圆形线圈组成。,.,一、结构及工作原理2、工作原理,传感器线圈由高频信号激励，使之产生一个高频交变磁场i，当被测导体接近线圈时，在磁场作用范围的导体表层，产生了与磁场相交链的电涡流ie,而此电涡流又将产生一交变磁场e来阻碍磁场的变化。,.,一、结构及工作原理2、工作原理,从能量角度来看，在被测导体内存在着电涡流损耗(当频率较高时可以忽略磁损耗)。能量损耗使传感器的Q值和等效阻抗Z降低，因此当被测物体与传感器间的距离d改变时，传感器的Q值和等效阻抗Z、电感L均发生变化，于是把位移量转换成电量，这就是电涡流传感器的工作原理。,.,4-3电涡流式传感器二、等效电路,无论运用什么方式构成传感器，其最终特性都与涡流有关，故需研究涡流形成和分布规律。(1)涡流的径向分布涡流环路可看作以线圈(半径为R)轴线为中心的短路环，处于交变磁场下的金属板上有无穷多个这样的短路环，其中任一个环中涡流密度是环半径和磁感应分布的函数。,.,二、等效电路涡流分布规律,其分布随r/R的变化规律为式中：；J0为r=R()处的电流密度。涡流形成的范围约为(0.5251.39)R。,.,二、等效电路涡流分布规律,上式表明，涡流的分布规律(曲线形状)与线圈、金属板间的距离d无关、但d改变时，涡流密度J0和jr都将发生变化。设金属板中的等效电流为Ie,其与激励电流I有：,.,二、等效电路涡流分布规律,归一化曲线如图示：可见，Ie随d的增加而急剧下降，故利用涡流传感器测量位移时，只在很小的测量范围内得到较好的线性和较高的灵敏度。,.,二、等效电路涡流分布规律,(2)涡流的轴向分布涡流沿激励磁场轴向分布是不均匀的，有式中：x金属中某点与表面的距离h涡流渗透深度。,.,二、等效电路涡流分布规律,电流密度主要分布在表面附近(即趋肤效应)，故可用一个厚为x0的矩形来代替指数分布，使矩形面积与曲线面积相等。,.,二、等效电路,综上所述，涡流分布可视为一个平均半径为R0，厚度为x0的矩形截面圆环，即把金属看作一匝短路线圈，它与传感器存在磁耦合，于是，可得到等效电路。,.,二、等效电路,等效电路,.,二、等效电路,根据克希荷夫定律，可得如下电路方程解上述方程组可求得和,.,二、等效电路,由此求得线圈的等效阻抗Z和等效Q值等：,.,二、等效电路,这样，就可以将传感器与被测物体间的距离变换为传感器线圈的等效阻抗Z和等效电感L及等效Q值三个参数了。测量L、Z、Q就可获得距离d。,.,4-3电涡流式传感器三、测量电路,电涡流传感器的测量电路就是为了要测量传感器的等效阻抗Z和等效电感L及等效Q值三个参数。测量电路主要有三种：1、变频调幅式；2、恒定频率调幅式；3、调频式。,.,三、测量电路1、载波频率改变的调幅法和调频法,电路框图,.,三、测量电路1、载波频率改变的调幅法和调频法,这种形式的电路是一个电容三点式振荡器，把传感器线圈L接入振荡器回路中，在未测量前，回路谐振频率为fo，此时输出的电压为谐振电压Uo，当被测物体接近电感线圈时，振荡器的谐振频率发生变化，谐振曲线向两边移动且得平坦，此时由传感器回路组成的谐振器的输出电压的频率f和幅值U均发生变化。,.,三、测量电路1、载波频率改变的调幅法和调频法,谐振曲线,.,三、测量电路1、载波频率改变的调幅法和调频法,(1)如果取幅值U作为检测值，则称为变频调幅式，直接反映了Q值的变化，因此可以用于以Q值为输出的电涡流传感器。(2)如果取频率f的变化作为检测值，则为用来测量传感器的等效电感量L，这种方法称为调频法。,.,三、测量电路1、载波频率改变的调幅法和调频法,典型测量电路,.,三、测量电路2、恒定频率的载波调幅法,恒定频率的载波调幅法的工作原理是由频率稳定的振荡器(一般用石英振荡器)提供一个高频信号，激励传感器线圈和并联电容组成的并联回路,.,三、测量电路2、恒定频率的载波调幅法,当回路的固有频率与激励频率相等时，输出电压最大。在测量时，被测物体接近传感器，传感器等效阻抗发生变化回路失谐，振峰偏离谐振点，,输出电压发生变化，达到测量的目的，但此时激励频率并未变化，故称为恒定频率的载波调幅法。,.,4-3电涡流式传感器四、透射式电涡流传感器,工作原理,.,4-3电涡流式传感器四、透射式电涡流传感器,激励线圈L1和接收线圈L2分别位于材料M的上、下方，L1产生的磁力线切割金属板M，并在其中产生涡流i，涡流损耗了部分磁场能量，使达到L2的磁力线减少，从而使L2上的U下降，显然，随着厚度d的变化，损耗也变化，L2上的U变化，这样通过U的测量即可测量厚度d。,.,4-3电涡流式传感器五、应用,由于电涡流传感器测量范围大，灵敏度高，结构简单，抗干扰能力强，且为非接触式测量，故应用十分广泛。,.,4-3电涡流式传感器五、应用,.,第五章压电式传感器,5-1压电效应5-2压电式传感器的测量电路5-3压电式传感器的应用,.,第五章压电式传感器概述,【能量变换】压电式传感器是一种典型的有源传感器。,.,第五章压电式传感器概述,【原理】压电效应【用途】测量加速度、压力、流量等【类型】压电晶体式，压电陶瓷式【特点】响应频带：0.3Hz60kHz；灵敏度高：电压灵敏度达1000mV/ms-2；信噪比大，结构简单，重量轻，工作可靠。存在一定的老化现象。,.,第五章压电式传感器,5-1压电效应5-2压电式传感器的测量电路5-3压电式传感器的应用,.,5-1压电效应,一、压电效应【压电效应】某些晶体或陶瓷材料，当沿着一定方向对其施力而使之变形时，内部就产生极化现象，同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷，当外力消失后，又恢复到不带电状态。,【逆压电效应】将压电材料置于电场，会发生变形，即所谓电致伸缩效应。,.,5-1压电效应一、压电效应,主要的压电材料有：石英晶体（天然的）和压电陶瓷（人工制造的）。天然结构的石英晶体是一个六角形晶柱。,.,5-1压电效应一、压电效应,正六面体光轴纵向轴,Z-Z轴；电轴过正六面体棱线,并垂直于光轴,X-X轴；机械轴与光轴和电轴垂直的轴，Y-Y轴。,.,5-1压电效应一、压电效应,力沿光轴(Z轴)作用时，不产生压电效应；力沿电轴(X轴)作用时，产生的压电效应称纵向压电效应；力沿机械轴(Y轴)作用时，产生的压电效应称横向压电效应,.,一、压电效应,1、石英晶体压电效应的机理石英晶体的压电效应是由于石英晶体在外力作用下，晶格发生变化所造成的。石英晶体由硅离子Si4+和氧离子O2-组成，在Z平面的投影为,.,一、压电效应1、石英晶体压电效应的机理,设为三对电偶极矩，当没有外力作用时，它们互成120的夹角，所以有,.,一、压电效应1、石英晶体压电效应的机理,当晶体沿x方向受压时，有：此时在x轴方向出现正电荷。,.,一、压电效应1、石英晶体压电效应的机理,当晶体沿x方向受拉时，有:此时在x轴方向出现负电荷。,.,一、压电效应2、压电系数,石英晶体切片的方法一般有两种:(1)x切片两个端面与x轴垂直。切片的两个面镀有金属银，使之成为电极板。,.,一、压电效应2、压电系数,(2)y切片两个端面与y轴垂直。切片的两个面镀有金属银，使之成为电极板。,.,一、压电效应2、压电系数,对于x切片，当x方向受到压应力xx作用时，有式中Pxx极化强度，在数值上等于晶面上的电荷密度；d11压电系数，d11=2.310-12C/N；Fx沿x方向的压缩力；l、b晶体的长度和宽度。,.,一、压电效应2、压电系数,设晶片在垂直于x轴平面上的电荷为Qx，则即极间电压为其中,.,一、压电效应2、压电系数,【结论】传感器输出的电荷或电压与作用在传感器上的力成正比。由于作用力或力矩的方向不同，晶体的压电系数共有18个，方程为：,.,一、压电效应2、压电系数,由于z轴（光轴）方向不产生压电效应，实际上系数矩阵的元素值为,.,5-1压电效应,二、压电陶瓷的压电效应压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料，其原始的压电陶瓷材料（多晶铁电体）并不具有压电性。当将这关材料在一定温度下做极化处理后，才具有压电性。,.,5-1压电效应二、压电陶瓷的压电效应,极间电荷为:,.,5-1压电效应,三、压电材料主要的压电材料有：(1)压电晶体（如石英）；(2)压电陶瓷（如钛酸钡、锆钛酸铅）。对压电材料的要求、要求有较大的压电常数（转换性能）；、机械强度高、刚度大（机械性能），以获得宽的线性范围和高的固有频率；,.,5-1压电效应三、压电材料,、具有高电阻率和大的介电常数（电性能），以减少外部分布电容的影响并获得好的低频特性；、温度和湿度稳定性好（环境适应性）；、要求压电性能不随时间变化（时间稳定性）。,.,三、压电材料、石英晶体,石英晶体是一种具有良好压电特性压电晶体。其介电常数和压电系数的温度稳定性很好，在常温下这两个参数几乎不随温度变化。,.,三、压电材料、石英晶体,由图可见，在20200温度范围内，温度每升高1，压电系数仅减少0.016；但是当温度达到居里点（573）时，石英晶体便失去了压电特性。石英晶体的突出优点是性能非常稳定，机械强度高，绝缘性能好。石英材料价格相对昂贵，一般多用于标准仪器。,.,三、压电材料2、压电陶瓷,压电陶瓷最大的优点是具有很高的压电系数，因此在压电传感器中得到广泛应用。、钛酸钡压电陶瓷压电系数约为石英晶体的50倍，但居里温度只有120，温度