纺织常用传感器学习教案

1、会计学1纺织纺织(fngzh)常用传感器常用传感器第一页，共48页。2 对微小的输入量的变化，即有一定(ydng)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。X10Y1YLmax实测(sh c)曲线理论(lln)曲线第1页/共48页第二页，共48页。3 还有一些指标(zhbio)，诸如迟滞、过载能力、漂移、零

2、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(gngzu)原理：+-I+-I+空穴(kn xu)电子光敏电阻I光照第2页/共48页第三页，共48页。4+-I空穴(kn xu)电子(dinz)光敏电阻(un mn din z) 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。第3页/共48页第四页，共4

3、8页。5（2）当有光照时，材质(ci zh)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(ci zh)中的空穴中+-I+I光照(gungzho)和，而材质中积聚的电子流向电源的正极，在电路(dinl)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第4页/共48页第五页，共48页。62）光敏电阻的几个(j )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：mAV20 40 60 8020 1

4、5 10 5功耗(n ho)线500mw1000Lx100Lx10Lx（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(dinz)一样，光敏电阻(dinz)也有最大额定功率，超过额定功率，器件将损坏。第5页/共48页第六页，共48页。7b、光谱(gungp)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：0.40.7 m为可见光；0.7 m为红外光；0.4 m为紫外光。光谱(gungp)特性：光敏器件对不同波长光谱(gungp)响应的敏感程度。1.00.60.20.5 1.0 1.5 2.0 2.5

5、波长(bchng) 电流(dinli)硫化镉硫化铅硫化镉的峰值波长约0.7m硫化铅的峰值波长约2.3m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。第6页/共48页第七页，共48页。8c、光照特性：光敏器件外加电压(diny)不变，输出电流与光照之间的关系。0.1 0.2 LX10050uA 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(jin c)器件。 为此(wi c)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。第7页/共

6、48页第八页，共48页。9型号额定功率测试电压 亮阻暗阻 工作电压mwv千欧兆欧VmaxMG41-20A202=0.1MG41-100A10050=50MG42-5A52=0.120MG42-10A1010=10503）光敏电阻(un mn din z)型号举例：生产单位(dnwi)：北京554信箱 第718厂 北京华北第二无线电器材厂 第8页/共48页第九页，共48页。104）应用举例：在某流水线上，使用光敏电阻传感器对加工工件(gngjin)的数量进行检测。电路如下图：计数器Vss+VDDR1R2光R3VaVb工件(gngjin)光源(gungyun)1、有光照：R2光 Va T截止 Vb

7、=0（0V）2、无光照：R2光 Va T导通 Vb =1（ ）+VDD VbT工件1工件2传送带第9页/共48页第十页，共48页。112、光敏晶体(jngt)管（光敏管）：以光敏三极管为例；1）结构：与普通晶体(jngt)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(jngt)管。bceNPNec3DU51物理结构上，只引出(yn ch)c 极和 e 极， b 基极不引出(yn ch)（开路）基极(j j)发射极集电极光线第10页/共48页第十一页，共48页。122）工作(gngzu)原理：ce+-RIce+-RI无光照(gungzho)有

8、光照(gungzho)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）。第11页/共48页第十二页，共48页。133）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(wiji)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。0.60.40.20.4 0.8 1.2 1.6 波长(bchng) 电流(dinli)0.8硅硅光敏三极管的光谱响应波长为0.41.3 m。硅光敏三极管的峰值波长为0.80.9

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。第12页/共48页第十三页，共48页。14b、光照(gungzho)特性： 光敏三极管外加电压不变，输出(shch)电流与光照之间的关系。500 1000 LX21mA344）典型(dinxng)光敏晶体管型号：型号工作电压 暗电流光电流VmaxAmA3DU51=10= 0.53DU31=10= 2上表参数测试条件： 光照度：1000LX 光敏管 VCE：10V第13页/共48页第十四页，共48页。155）应用举例：a、光电耦合器：用于电路(dinl)中2个部分（输入/输出接口）之间的电气隔离。采用元件：光源

10、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(dinl)B电 光 电转换电路(dinl)A、B间无电气联接。1236544N2812454N28大量应用于工控机输入输出接口上，计算机亦使用。集成电路芯片第14页/共48页第十五页，共48页。16b、光电开关：R1+-光挡片输出(shch)Vss+VDDVSCR1R2有光照(gungzho)，光敏管导通0V第15页/共48页第十六页，共48页。17b、光电开关：R1+-光挡片输出(shch)Vss+VDDVSCR1R2无光照(gungzho)，光敏管截止+5V第16页/共48页第十七页，共48页。18c、实际应用一例：邮政

11、(yuzhng)信函过签装置xR2 过签机构(jgu)+VDDVssR1T2T1VcDTK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(b h)，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第18页/共48页第十九页，共48页。20第三节 磁敏传感器 检测(jin c)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：+-UHRZXYbacdA：结构 将半导体材料（砷化铟）制作成薄片，并在四个侧

12、面引出(yn ch)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。第19页/共48页第二十页，共48页。21IB：工作 若在 a、b端提供一工作电流，当在Z轴方向上外加(wiji)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+-UHRZXYbacd+-UHRZXYbacdI+ +- -BV第20页/共48页第二十一页，共48页。22UH=I * B* RH / d （矢量(shling)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

13、 元件厚度(hud)（m）；Sin a 外部磁场与基片的夹角；UH=（ I * B* RH * Sina） / d （数值(shz)式） 第21页/共48页第二十二页，共48页。232）集成式霍尔传感器的结构(jigu)：a、符号(fho)：b、内部(nib)构成：abcHa b cHVss+VDD输出VcabcHVssIC+VDDR内1R内2d输出VcS NR内3R外内 部T1abcabcHVss+VDD输出VcR外第22页/共48页第二十三页，共48页。24abcHVssIC+VDDR内1R内2d输出(shch)VcS NR内3R外内 部T1c、工作(gngzu)过程：磁铁(cti)移近霍

14、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=0VVCVicabc0V第23页/共48页第二十四页，共48页。25abcHVssIC+VDDR内1R内2d输出(shch)VcS NR内3R外内 部T1c、工作(gngzu)过程：VCVic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(dinl)IC输出端 Vic 为低电平；T1截止；输出端Vc为高电平，即Vc=+Vddcba0V+Vdd第24页/共48页第二十五页，共48页。264）典型(dinxng)霍尔传感器型号：型 号工 作 电 压输出电流（与R外

15、有关）VmA（高电平时）CS 30194.5 1615CS 30204.5 2415CS 68394.5 912生产(shngchn)单位：南京半导体器件总厂第25页/共48页第二十六页，共48页。275）应用举例：转速(zhun s)测量：Vss+VDDRaVcb无磁铁(cti)，Vc = 1,Vf = 0计数器不计数Vf有磁铁(cti)，Vc = 0,Vf = 1计数器计一个数转动轴磁铁第26页/共48页第二十七页，共48页。282、磁敏管（干簧管、簧式开关）：在外部磁场(cchng)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(dinj) a电极(

16、dinj) b玻壳密封件高顺磁率软铁（Ni 52% - 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。第27页/共48页第二十八页，共48页。292）磁敏管的工作原理：预备知识：在磁铁(cti)存在的空间，将形成磁力线，方向为 N S。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：N SN S电极(dinj) a电极(dinj) bSSNNS N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

17、。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：第28页/共48页第二十九页，共48页。303）磁敏管主要(zhyo)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(ch din)容量 24V、100mA，需视触点(ch din)面积 电 寿 命 =102万次 第29页/共48页第三十页，共48页。314）磁敏管的驱动(q dn)形式：N SN S1、垂直(chuzh)动作2、侧面(cmin)动作

18、5、旋转动作N SN S挡磁片3、遮断动作I4、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。N SN SN SN SN S触点接通 2 次，断开 2 次。 下一循环 第30页/共48页第三十一页，共48页。325）磁敏管应用(yngyng)举例：a、流水线产品计数(j sh)装置：计数器物品(wpn)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

19、球。第31页/共48页第三十二页，共48页。33b、转数测量(cling)（低速状态下）：N S二分(r fn)频电路输入二个脉冲(michng)，输出一个脉冲(michng)21第32页/共48页第三十三页，共48页。34第四节 电阻应变(yngbin)片式传感器 将被测非电量（物体的位移、应变(yngbin)（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(yngbin)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(chng h)应用较为广泛、本节即学习该内容。第33页/共48

20、页第三十四页，共48页。352、电阻应变片的基本(jbn)结构与工作原理：1）基本(jbn)结构：引线(ynxin)绝缘(juyun)基片bL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。LL第34页/共48页第三十五页，共48页。36LL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(yq)长度 L 成正比，与截面积 A 成反比。当电阻(dinz)的电阻(dinz)

21、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(l shn)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。 AA第35页/共48页第三十六页，共48页。37（R+ R） =（ + ）*（L+ L）/（A - A）若取应变片电阻的相对变化(binhu)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=

22、 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(binhu)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(dinz) R 变化为：第36页/共48页第三十七页，共48页。383、应变片典型(dinxng)型号与技术参数： 1）普通片型 号形 式电 阻 值灵敏系数尺 寸R（欧姆）K（lxb)mm2PZ-17圆角线栅（纸基）1200.21.952.117x2.8PJ-1201201.92.112x3PB-5箔式1200.52.02.25x32x1.5350.4%2.051.5x2箔

23、式应变(yngbin)片刻上敏感(mngn)栅第37页/共48页第三十八页，共48页。39型 号材 料电 阻 值灵敏系数尺 寸R（欧姆）K长x宽x高mmPBD7-1KP型单晶硅10001405%7x0.4x0.05PBD7-1201201205%7x0.4x0.082）半导体应变(yngbin)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(xwng)获取较大 R 输出的场合，应用半导体应变片是十分合适的。第38页/共48页第三十九页，共48页。404、应变片式传感器的典型测

24、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(yngl)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。+-EVoR1R4R2R3运放(yn fn)Vc直流电桥，其中(qzhng) R1=R2=R3=R4为方便分析，将该图改绘成：E-+R4R1R2R3V1V2Vo参考零电位第39页/共48页第四十页，共48页。41VE-+R4R1R2R3V1V2VoII aI bV2V1电路结构(jigu)特点：R1、R2构成串联电路R3、R4构成串联电路(R1与

25、R2),(R3与R4)二者构成并联电路现求全桥的输出电压(diny)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(diny) 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第40页/共48页第四十一页，共48页。42上式中：Ia = VE / （R1+R2）式4 Ib = VE / （R3+R4）式5将式4、式5分别(fnbi)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 / (