第二章纺织常用传感器

第二章纺织常用传感器1第1页，课件共47页，创作于2023年2月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：第2页，课件共47页，创作于2023年2月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。X10Y1△YLmax实测曲线理论曲线第3页，课件共47页，创作于2023年2月还有一些指标，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光照第4页，课件共47页，创作于2023年2月+-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。第5页，课件共47页，创作于2023年2月（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第6页，课件共47页，创作于2023年2月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：mAV204060802015105功耗线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。第7页，课件共47页，创作于2023年2月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

µm。其中：0.4~0.7µm为可见光；>0.7µm为红外光；<0.4µm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。1.00.60.20.51.01.52.02.5波长电流硫化镉硫化铅硫化镉的峰值波长约0.7µm硫化铅的峰值波长约2.3µm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8页，课件共47页，创作于2023年2月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。0.10.2LX10050uA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。第9页，课件共47页，创作于2023年2月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第10页，课件共47页，创作于2023年2月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+VDDR1R2光R3VaVb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（）+VDDVbT工件1工件2传送带第11页，课件共47页，创作于2023年2月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。bceNPNec3DU51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第12页，课件共47页，创作于2023年2月2）工作原理：ce+-RIce+-RI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）。第13页，课件共47页，创作于2023年2月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。0.60.40.20.40.81.21.6波长电流0.8硅硅光敏三极管的光谱响应波长为0.4~1.3µm。硅光敏三极管的峰值波长为0.8~0.9µm。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14页，课件共47页，创作于2023年2月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。5001000LX21mA344）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第15页，课件共47页，创作于2023年2月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。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16页，课件共47页，创作于2023年2月b、光电开关：R1+-光挡片输出Vss+VDDVSCR1R2有光照，光敏管导通0V第17页，课件共47页，创作于2023年2月b、光电开关：R1+-光挡片输出Vss+VDDVSCR1R2无光照，光敏管截止+5V第18页，课件共47页，创作于2023年2月c、实际应用一例：邮政信函过签装置xR2><过签机构+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，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19页，课件共47页，创作于2023年2月c、实际应用一例：邮政信函过签装置xR2><过签机构+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，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20页，课件共47页，创作于2023年2月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：+-UHRZXYbacdA：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。第21页，课件共47页，创作于2023年2月IB：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+-UHRZXYbacd+-UHRZXYbacdI++++----BV第22页，课件共47页，创作于2023年2月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）第23页，课件共47页，创作于2023年2月2）集成式霍尔传感器的结构：a、符号：b、内部构成：abcHabcHVss+VDD输出Vca’b’c’HVssIC+VDDR内1R内2d输出VcSNR内3R外内部T1abcabcHVss+VDD输出VcR外第24页，课件共47页，创作于2023年2月a’b’c’HVssIC+VDDR内1R内2d输出VcSNR内3R外内部T1c、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=0VVCVicabc0V第25页，课件共47页，创作于2023年2月a’b’c’HVssIC+VDDR内1R内2d输出VcSNR内3R外内部T1c、工作过程：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26页，课件共47页，创作于2023年2月4）典型霍尔传感器型号：生产单位：南京半导体器件总厂第27页，课件共47页，创作于2023年2月5）应用举例：转速测量：Vss+VDDRaVcb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第28页，课件共47页，创作于2023年2月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。第29页，课件共47页，创作于2023年2月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：NSNS电极a电极bSSNNSN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：第30页，课件共47页，创作于2023年2月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<=102万次第31页，课件共47页，创作于2023年2月4）磁敏管的驱动形式：NSNS1、垂直动作2、侧面动作5、旋转动作NSNS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。NSNSNSNSNS触点接通2次，断开2次。

下一循环

第32页，课件共47页，创作于2023年2月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。第33页，课件共47页，创作于2023年2月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21第34页，课件共47页，创作于2023年2月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。第35页，课件共47页，创作于2023年2月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36页，课件共47页，创作于2023年2月LL’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。

AA’第37页，课件共47页，创作于2023年2月△△△（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：第38页，课件共47页，创作于2023年2月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第39页，课件共47页，创作于2023年2月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。第40页，课件共47页，创作于2023年2月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。+-EVoR1R4R2R3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-+R4R1R2R3V1V2Vo参考零电位第41页，课件共47页，创作于2023年2月VE-+R4R1R2R3V1V2VoIIaIbV2V1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第42页，课件共47页，创作于2023年2月上式中：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*