传感器技术课件.ppt

1、a、1、第一章传感器技术概要、1 .传感器的定义、传感器按照一定的规律被转换成容易应用的物理量的装置。 现在，传感器转换后的信号大部分是电信号。 因此，在狭义上，传感器是将从外部输入的非电信号转换成电信号的装置。 a，2，2 .传感器的作用，传感器与人的感觉器官相似，是人的感觉的延长。 作用：将测得的电信号转换成电信号，送到测试系统的后续部分。 人体系统与机械系统的对应关系，a，3，复杂的测试系统(振动测量)，简单的测试系统(红外体温)，a，4，3 .传感器的构成，(1)构成：振动板，刚性极板，电源和负载电阻，(2)原理： 振动板一次传感器传感器传感器传感器，a，5，4 .分类：a，6，5 .

2、传感器的选定原则，1 .灵敏度：传感器的灵敏度越高，越能感知小的变化量，即所测定的微小变化量2 .线性范围：线性范围越大，传感器的动作范围越大。 3 .响应特性：在测量的频率范围内尽可能不失真。 4 .稳定性：长期使用后其输出特性不变的性能。 影响传感器稳定性的因素是时间和环境。 5 .精度：表示传感器的输出和测量的对应程度。 传感器的精度越高，价格就越高，必须进行实际选择。 在其他的选择原则，a，7，6 .传感器技术的应用，1，日常生活，家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量应用了传感器和测试技术提高了产品的性能和质量。 全自动洗衣机的传感器：衣服重量传感器、衣服品质传感器、水温传感器、水

3、质传感器、清洗度传感器、液位传感器、电阻传感器(衣服干燥检测)。 指纹传感器、透光率传感器、a、8、(1)产品质量检测、汽车、机床等设备、电机、发动机等部件出厂时，需要对其性能质量进行检测和出厂检查。 2，机械行业，a，9，a，10，(4)故障诊断，a，11，(5)其他应用，宇宙，农业，交通，医疗，a，12，第二章传感器的基本特性，1，理想稳态线性系统输入输出关系：静态测量时，理想稳态线性系统为单调，线性比例的关系，即输入输出a，13，2，实际测试系统的输入输出之间的关系，实际测试系统不是理想的稳态线性系统，输入输出之间的关系通过实验方法测量，通常是曲线的定性曲线。 3、描述静态特性的参数，(

4、1)非线性度：定性曲线和拟合直线的接近程度。 非线性度、常用百分比表示、a、14、拟合直线的确定、常用的主要两种是末端直线和独立直线。 (1)端基直线是指通过测量范围上下限点的直线。 很明显用末端的直线代替实际的输入输出曲线，计算过程比较简单，但非线性度差。 (2)灵敏度、作用：描述测试系统对输入信号变化的反应能力。 1、对于稳态线性系统，其灵敏度是一定的。 2、实际测试系统的灵敏度是测度曲线上这一点的切线斜率。 3、测量纲：根据输入和输出量的单位。 (a、16、(3)分辨率：测试系统能检测的输入量的最小变化量。 通常以与最小单位的输出量对应的输入量来表示。 数字测试系统的输出表示系统的最后一

5、位，模拟测试系统的输出表示尺度的最小分压值的一半，a，17，5 .漂移：测试系统显示在输入不变的条件下，随时间变化的倾向。 原因：机器本身结构参数的变化周围环境的变化(温度、湿度等)对输出的影响。 最常见的漂移是温度漂移，即由周围的温度变化引起的输出的变化。 进一步引起测试系统的灵敏度和零位移。、零点漂移、灵敏度漂移、a、18、2、传感器的动态特性、传感器的动态特性是指当输入量随时间变化时系统对输入信号的响应特性。 (1)动态特性的描述方法，(1)时域微分方程，a，19，在初始条件为零的前提下定义传递函数，其中s为复变量，特征：(2)传递函数仅反映系统自身的输出特性，而与输入和初始状态无关。

6、只反映系统的传输特性，与系统的具体物理结构无关。 分母的最高幂n表示系统微分方程的阶数。 a，20，求法：对系统微分方程进行拉普拉斯变换求。 例1 :求出一次系统传递函数的系统微分方程式是在a，21，(3)频率响应函数，初始条件为0的前提下定义频率响应函数，求出方法：(2)知道微分方程式并进行傅立叶变换后，(3)在初始条件都为0的条件下同时测定输入输出，通过其傅立叶变换求出。a、22、物理意义：描述了系统的频率特性。 描述系统的简易输入及其稳态输出的关系，不包含瞬态响应信息。 另外，实例1:已知系统的频率响应函数确定其振幅频率特性、相位频率特性和图线。a，23，(4)冲激响应函数，频域频率响应

7、函数，复域传递函数，时域冲激响应函数，拉普拉斯变换对，傅立叶变换对，a，24，传递函数，频率响应函数，冲激响应函数的关系：a，25，2，链路的串联和1 .环节的串联，a，26，如果系统在n个环节中串联，则该传递函数，相应地，系统的频率响应，其振幅频率特性：相位频率特性：2 .环节的并联，系统总输出，如果系统在n个环节中并联，则该传递函数，系统的频率响应，是、a、28、3、实现无失真测试的条件、一、无失真传输、输出信号为时，系统实现了无失真传输。a、29、二、无失真测试条件、傅立叶变换：系统的频率响应、振幅频率特性：相位频率特性：测试系统的无失真测试条件。a、30、a、31、a、32、电阻式传感

8、器、一、电阻式传感器、1 .构造：a、33、2 .测量电路：不考虑外部电路的影响时：a、34、3 .特征：(1)构造简单、容易使用、稳定性好。 (2)分辨率低，受电阻线的直径限制。 适用于大位移的测量。 (3)噪音很大。 二、电阻应变式传感器，1 .结构：线式、箔式、金属隔膜，2 .工作原理：金属引起的电阻应变效应。 如果a、35、钢丝受到轴向拉伸力变形，灵敏度：3 .特征：金属应变片灵敏度低，但温度稳定性好，可用于精度要求高的测定。a，36，三，压阻式传感器，1 .原理：压阻效应，灵敏度：a，37，两个应变片在工作原理上的差异：金属应变片金属材料受到力后的几何应变电阻的相对变化，半导体应变片

9、半导体材料受到力后的电阻率变化电阻的相对变化，2 .特征缺点：温度稳定性差，应变大，非线性误差大。 3 .类型：半导体应变式传感器，扩散型压阻式传感器，a、38、三，应变片的应用，1 .直接测量结构应变和应力。 2 .作为传感器的测量参数。 四、变换电路、应变电压或电流的变化、a、39、4.4感应式传感器、一、可变磁阻式传感器、a、40、线圈的自电感量，气隙小，在不考虑磁路的铁损的情况下，是总磁阻，所以，1 .可变气隙式： a、41、2 .变面积式、灵敏度、特征：线性好，范围大，但灵敏度低。 a、42、3 .螺旋管式、铁心在线圈中运动时，磁阻发生变化，线圈的自感发生变化。 特征：灵敏度低，但测

10、量范围宽，适合大位移测量。a，43，4 .差动式，5 .测定电路：交流电路，a，44，二，涡流式传感器，原理：利用金属体的交变磁场中的涡流效应。 1 .高频反射式可以作为位移、振动进行测定，也可以进行材质鉴别、探伤、温度测定等。 a、45、2 .低频透过式，适合测量金属材料的厚度。 a、46、3 .特点：结构简单，安装容易，灵敏度高，抗干扰性强。 4、应用、感应式纸厚测量仪的原理图、a、47、三、差动变压器式传感器、原理：利用电磁感应中的互感现象。 1 .互感现象，2 .差动变压器式传感器，a，48，(2)原理，(3)特征：高精度，线性范围宽，稳定性好。a、49、4.5静电电容式传感器，一、工

11、作原理、真空介电常数、a、50、1 .极间距变化型，与c成反比的关系。 灵敏度在使用时减小初始极间距，提高灵敏度。 因为电容c和极间距离处于非线性关系，所以引起非线性误差。 为了减小该误差，通常规定测量范围，通过实际采用差动形式，可以使灵敏度加倍。 特征：灵敏度高，有线性误差，适合小位移测量。 a，51，2 .面积变化型，(1)直线位移型，两极板间相互被复长度，宽度，被复面积，容量，灵敏度，a，52，(2)角位移型，与被复面积对应的中心角，极板半径为r，被复面积，容量，灵敏度，a，53，(3)圆柱体线位移型，可动板左右(4)差动圆柱体线位移型、可动板上下移动时，上下2个容量增加的特征：线性关系

12、好，与范围大的极间距变化型相比灵敏度低。 适用于大角位移和直线位移的测量。 a，55，3 .介电常数变化型，(2)液面高度，a，56，二，测量电路，被测量电容变化电压，电流，频率变化，1 .交流桥，2 .运算放大器电路：能解决极间距离变化型电容器的非线性问题。 a、57、3、电容传感器的特征和应用，1 .优点：(1)输入能量小灵敏度高。 (2)信噪比大，稳定性好。 (3)动态特性好，可用于动态测量。 (4)能量损失小。 (5)结构简单，适应性好。 2、缺点：(1)极距离变化型，非线性大。 (2)电缆分布容量的影响很大。 解决办法：利用测量电路。 解决方案：采用利用集成电路的屏蔽电缆。a、58、

13、3 .应用例、(1)静电电容式厚度计、(2)静电电容式转速传感器、a、59、4.6压电式传感器，工作原理基于某种物质的压电效应。 机械能和电能两者都可以成为机械能.的。 1、压电效应、1 .压电效应：2 .逆压电效应(电致伸缩效应):a、60、2、压电材料及其特性、具有压电效应的敏感功能材料称为压电材料。 常用压电材料：压电单晶，压电陶瓷，新型压电材料，1 .压电单晶石英() ，铌酸锂()，a，61，2 .压电陶瓷，钛酸钡，锆钛酸铅，特征：压电常数大，灵敏度高，廉价。 3 .新型压电材料，a，62，通过在压电晶片的两面进行金属蒸镀，形成金属膜，构成一个电容器。 其电容适用于三、等效电路、a、6

14、3、电荷等效电路、电压等效电路、压电式传感器的动态测量。 适用于输出a、64、4、压电元件常用的结构形式、串联并联、电压的情况。 适用于测量缓慢的信号、输出电荷量的情况。 包括a、65、5、应用、压电式压力传感器、a、66、压力变送器、加速度计、力传感器、产品：压电材料转换器、a、67、4.7磁电传感器、磁电感应传感器、霍尔传感器。另一方面，磁电感应传感器(感应式传感器、电动传感器)根据法拉第的电磁感应定律，当线圈在磁场中运动，磁力线和线圈放置的磁场的磁通发生变化时，根据线圈产生的感应电动势、稳态磁通式、变磁通式、变化参数的差异，进行a、6 、a、71、2、霍尔传感器、霍尔效应：金属或半导体片

15、放置在磁场中，电流流过后，在与电流和磁场垂直的方向上产生电动势。 1、工作原理，霍尔电位：利用霍尔元件，根据霍尔效应将测量结果转换成电动势输出。 a、72、2 .霍尔元件，目前最常用的霍尔元件材料是锗(Ge )、硅(Si )、锑化铟(InSb )、砷化铟(InAs )等半导体材料。 a，73，3 .应用，4 .特点，体积小，结构简单，易于使用，可用于非接触测量，但温度影响很大。 a、74、4.8光电传感器是将光信号转换为电信号的受光元件，一、光电效应、工作原理：半导体材料的光电效应。 1、外光电效应金属中的自由电子吸收光能而脱离金属表面的现象。 光电管、光电倍增管等。 2 .内光电效应、光导效应受光电阻、光电二极管、晶体