傳感器技術概述 ppt課件

1、第一章第一章 傳感器技術概述傳感器技術概述1. 1. 傳感器定義傳感器定義傳感器傳感器將被測量按一定規(guī)律轉換成便于應用的某種物將被測量按一定規(guī)律轉換成便于應用的某種物 理量的裝置。理量的裝置。被測量被測量電量電量 目前，傳感器轉換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉換成電信號的裝置。2.2.傳感器的作用傳感器的作用傳感器類似于人的感覺器官，是人類感官的延伸。作用：將被測量轉換成電信號,傳送給測試系統(tǒng)中的后續(xù)環(huán)節(jié)。人體系統(tǒng)與機器系統(tǒng)的對應關系激勵裝置傳感器被測對象信號調理反響、控制顯示紀錄信號處置觀察者復雜測試系統(tǒng)(振動測量) 簡單測試系統(tǒng)(紅外體溫) 3. 3.

2、 傳感器的構成傳感器的構成（1組成：振動膜片、剛性極板、電源和負載電阻 （2原理 ：振膜一次敏感元件電容器敏感元件分類法分類法型式型式說明說明按被測量按被測量種類種類位移、溫度、壓力、流量這種分類便于傳感器的管理按工作原按工作原理分類理分類應變式、電容式、電感式、壓電式、光電式以傳感器對信號轉換的原理命名按被測量按被測量轉換特征轉換特征（構成原（構成原理）理）結構型，如電容式，電阻應變片；通過改變傳感器元件的參數(shù)實現(xiàn)信號轉換。物性型，如壓電式，水銀溫度計，雙金屬片依靠敏感元件本身物理性質隨被測量變化實現(xiàn)信號轉換。按能量傳按能量傳遞方式遞方式能量控制型，如RLC式傳感器輸出能量由外部供給，但受被

3、測量控制。能量轉換型，如熱電偶溫度計傳感器輸出量直接由被測量能量轉換而得。按輸出量按輸出量模擬式輸出量為模擬信號數(shù)字式輸出量為數(shù)字信號4.分類分類 ：5 .傳感器選用原則傳感器選用原則 1.靈敏度：傳感器的靈敏度越高，可以感知越小的變化量， 即被測量稍有微小變化時，傳感器即有較大的輸出。 2.線性范圍：線性范圍愈寬，則表明傳感器的工作量程愈大。 3.響應特性：在所測頻率范圍內盡量保持不失真。 4.穩(wěn)定性：經(jīng)過長期使用以后，其輸出特性不發(fā)生變化的性能。 影響傳感器穩(wěn)定性的因素是時間與環(huán)境。5.精確度:表示傳感器的輸出與被測量的對應程度。 傳感器精確度愈高，價格越昂貴，因此應從實際出發(fā)來選擇。 6

4、.其它選用原則 6. 傳感器技術的應用 1、日常生活 在家電產(chǎn)品和辦公自動化產(chǎn)品設計中，人們大量的應用在家電產(chǎn)品和辦公自動化產(chǎn)品設計中，人們大量的應用了傳感器和測試技術來提高產(chǎn)品性能和質量。了傳感器和測試技術來提高產(chǎn)品性能和質量。全自動洗衣機中的傳感器：全自動洗衣機中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質傳衣物重量傳感器，衣質傳感器，水溫傳感器，水質感器，水溫傳感器，水質傳感器，洗凈度傳感器傳感器，洗凈度傳感器, 液位傳感器，電阻傳感器液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測衣物烘干檢測)。指紋傳感器指紋傳感器溫濕度傳感器溫濕度傳感器溫度傳感器溫度傳感器透光率傳感器透光率傳感器（1產(chǎn)品質量測量 在汽車、機

5、床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其在汽車、機床等設備，電機、發(fā)動機等零部件出廠時，必須對其性能質量進行測量和出廠檢驗。性能質量進行測量和出廠檢驗。 2 2、機械行業(yè)、機械行業(yè) 機床加工精度測量機床加工精度測量汽車扭距測量汽車扭距測量（2新產(chǎn)品開發(fā)廣州中鳴數(shù)碼的機器狗廣州中鳴數(shù)碼的機器狗轉動轉動/移動位置傳感器、力傳感器、移動位置傳感器、力傳感器、視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距視覺傳感器、聽覺傳感器、接近距離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感離傳感器、觸覺傳感器、熱覺傳感器、嗅覺傳感器。器、嗅覺傳感器。（3自動控制香港理工香港理工AGV自動送貨車模型自動送貨車模型石化企業(yè)輸石化企業(yè)輸油管道

6、、儲油管道、儲油罐等壓力油罐等壓力容器的破損容器的破損和泄露檢測。和泄露檢測。（4故障診斷（5其他應用其他應用航天航天農(nóng)業(yè)農(nóng)業(yè)交通交通醫(yī)療醫(yī)療第二章第二章 傳感器的基本特性傳感器的基本特性1、理想定常線性系統(tǒng)輸入輸出關系：)()(.)()()()(.)()(0111101111txbdttdxbdttxdbdttxdbtyadttdyadttydadttydammmmmmnnnnnn在靜態(tài)測量時，Sxxaby00理想定常線性系統(tǒng)呈單調、線性比例的關系，即輸入、輸出關系是一條理想的直線，斜率為常數(shù)。一、靜態(tài)特性：在靜態(tài)測量情況下描述實際測試系統(tǒng)與理想定一、靜態(tài)特性：在靜態(tài)測量情況下描述實際測試系

7、統(tǒng)與理想定常線性系統(tǒng)的接近程度 。2、實際測試系統(tǒng)輸入輸出之間的關系 實際測試系統(tǒng)是非理想定常線形系統(tǒng)，輸入輸出之間的關系是通過實驗方法測到的，通常是一條曲線定度曲線。3、描述靜態(tài)特性的參數(shù)（1非線性度：定度曲線與擬合直線的接近程度。非線性度常用百分數(shù)表示%100AB擬合直線的確定，常用的主要有兩種：端基直線和獨立直線。 （1端基直線是指通過測量范圍的上下限點的直線。顯然用端基直線來代替實際的輸入、輸出曲線，其求解過程比較簡單，但是其非線性度較差。 （2獨立直線是指使輸入與輸出曲線上各點的線性誤差 最小的直線。2iB（2靈敏度 xyS作用：用來描述測試系統(tǒng)對輸入信號變化的一種反應能力。 1、對

8、于定常線性系統(tǒng)，其靈敏度恒為常數(shù)。 2、實際的測試系統(tǒng)，靈敏度為定度曲線上該點處切線的斜率。3、量綱：取決于輸入和輸出量的單位。（3分辨力：測試系統(tǒng)所能檢測出來的輸入量的最小變化量。 通常是以最小單位輸出量所對應的輸入量來表示。數(shù)字測試系統(tǒng)輸出顯示系統(tǒng)的最后一位模擬測試系統(tǒng)輸出指示標尺最小分度值的一半即回程誤差%100maxAhi（4回程誤差：同一輸入量的兩條定度曲線之差的最大值 與標稱的輸出范圍A之比。maxih5.漂移：指測試系統(tǒng)在輸入不變的條件下，輸出隨時間而變化 的趨勢。 產(chǎn)生原因：儀器自身結構參數(shù)的變化； 周圍環(huán)境的變化如溫度、濕度等對輸出的影響。最常見的漂移是溫漂，即由于周圍的溫度

9、變化而引起輸出的變化。 進一步引起測試系統(tǒng)的靈敏度和零位發(fā)生漂移。 零點漂移靈敏度漂移0yyx0yx0二、傳感器的動態(tài)特性 傳感器的動態(tài)特征是指在輸入量隨時間變化時,測試系統(tǒng)對輸入信號的響應特性。1、動態(tài)特性的描述方法（1時域微分方程) t (xbdt) t (dxb.dt) t (xdbdt) t (xdb) t (yadt) t (dya.dt) t (ydadt) t (yda011m1m1mmmm011n1n1nnnn在初始條件為零的前提下，定義傳遞函數(shù)其中s為復變量，sj特點：特點：（2傳遞函數(shù)( )Hs 只反映系統(tǒng)本身的輸出特性,與輸入和初始狀態(tài)無關。 只反映系統(tǒng)的傳輸特性,與系統(tǒng)

10、具體的物理結構無關。 分母中的最高次冪n代表系統(tǒng)微分方程的階數(shù)。( )H s( )H s( )H s011n1nnn011m1mmmasasasabsbsbsb) s (X) s (Y) s (H求法：對系統(tǒng)的微分方程作拉普拉斯變換求得。求法：對系統(tǒng)的微分方程作拉普拉斯變換求得。例1：求一階系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，系統(tǒng)微分方程為( )( )( )dy ty tx tdt例2：求振動系統(tǒng)的傳遞函數(shù)。22( )( )( )( )d y tdy tmcky tx tdtdt（3頻率響應函數(shù)()H在初始條件為零的前提下，定義頻率響應函數(shù)( )( )( )YHX求法：求法： 即得sj(1)若已知 ,則在 中，令

11、 sj，將其代入( )H( )H s( )H s(2)若已知微分方程，作傅里葉變換，那么()()()YHX(3)用實驗方法求得：在初始條件全為零的條件下，同時測得輸入和輸出，由其傅里葉變換求得。物理意義：描述了系統(tǒng)的頻率特性。)()()()()()()()()()(jjjjeAeXYeXeYXYHxyxy)(A系統(tǒng)的幅頻特性)(系統(tǒng)的相頻特性 描述系統(tǒng)的簡諧輸入和其穩(wěn)態(tài)輸出的關系，不包含瞬態(tài)響應信息。)(H例1:已知系統(tǒng)的頻率響應函數(shù) ，求其幅頻特性和相頻特性及作圖。jH11)(例：設 ， ，txtx00cos)(jH11)(求系統(tǒng)的穩(wěn)定輸出。（4脈沖響應函數(shù)系統(tǒng)的輸入為單位脈沖函數(shù),即 時，

12、系統(tǒng)的輸出即為脈沖響應函數(shù) 。)()(ttx)(th它是對測試系統(tǒng)動態(tài)特性的時域描述。系統(tǒng)的動態(tài)系統(tǒng)的動態(tài)特性描述特性描述頻域頻率響應函數(shù))(H復數(shù)域傳遞函數(shù))(sH時域脈沖響應函數(shù))(th拉普拉斯變換對傅里葉變換對h(t)H(s)H()傅里葉變換拉普拉斯變換s=j傳遞函數(shù)、頻率響應函數(shù)、脈沖響應函數(shù)的關系：二、環(huán)節(jié)的串聯(lián)和并聯(lián)任何高階系統(tǒng)均可看成若干個一階系統(tǒng)或二階系統(tǒng)的串聯(lián)或并聯(lián)。1.環(huán)節(jié)的串聯(lián)兩個傳遞函數(shù)分別為 和 的環(huán)節(jié)串聯(lián)，假設它們之間沒有能量交換，在初始條件為零的情況下，串聯(lián)后的系統(tǒng)傳遞函)(1sH)(2sH數(shù)為：)()()()()()()()()(21sHsHsZsYsXsZsX

13、sYsH若系統(tǒng)由n個環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，其傳遞函數(shù)為niisHsH1)()(相應地，系統(tǒng)的頻率響應為niiHH1)()(其幅頻特性：相頻特性：niiAA1)()(nii1)()(2.環(huán)節(jié)的并聯(lián)系統(tǒng)總輸出為)()()()()()()()(2121sHsHsXsYsYsXsYsH若系統(tǒng)由n個環(huán)節(jié)并聯(lián)而成，其傳遞函數(shù)為niisHsH1)()(系統(tǒng)的頻率響應為niiHH1)()(3.負載效應：實際情況下各環(huán)節(jié)相聯(lián)時，后環(huán)節(jié)總是成為前環(huán)節(jié)的負載，環(huán)節(jié)間總是存在著能量交換和相互影響，以致系統(tǒng)的傳遞函數(shù)不再是各組成環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)的疊加或相乘。某系統(tǒng)由于后接另一系統(tǒng)而產(chǎn)生的種種現(xiàn)象。VER1R2Rm三、 實現(xiàn)不失真測

14、試的條件 一、不失真?zhèn)鬏敎y試系統(tǒng))(tx)(ty)(tx)(ty0t)()(00ttxAty當輸出信號為 時，系統(tǒng)就實現(xiàn)了不失真?zhèn)鬏?。二、不失真測試條件)(tx輸入為)()(00ttxAty，輸出為傅里葉變換可得：0)()(0tjeXAY系統(tǒng)的頻率響應為00)()()(tjeAXYH幅頻特性：0)(AA相頻特性：0)(t測試系統(tǒng)不失真測試的條件。0)(A0A0t)(0思考題：若系統(tǒng)問此系統(tǒng)是否滿足不失真測試條件？0)(AA0)(例1:已知系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性如圖，對于輸入，求輸出 ，判斷是否失真。)(tytttx21coscos)(10)(A0t)(02101t02t10)(A)(04例2

15、:已知系統(tǒng)的輸入tttx21coscos)(，判斷是否失真。例3:已知系統(tǒng)的輸入ttx0cos)(，判斷是否失真。電阻式傳感器電阻式傳感器一、變阻式傳感器一、變阻式傳感器 lRAlRk xldRSkdxRkdRSkd1.構造：2.測量電路：不考慮外接電路影響時：考慮外接電路影響時：00yxppUUURxRx01(1)ypppUUxRxxRx3.特點：(1)結構簡單、使用簡便、穩(wěn)定性好。 (2)分辨力低，受電阻絲直徑的限制。適合大位移的測量。 (3)噪聲大。 二、電阻應變式傳感器二、電阻應變式傳感器 1.構造：絲式、箔式、金屬膜片2.工作原理：基于金屬的電阻應變效應。若金屬絲的長度為L，截面積為

16、S，電阻率為，其未受力時的電阻為R，那么:lRA如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形， dRdLdAdRLA(12)(12)dRdR靈敏度：0/(12)dRRS3.特點：金屬應變片的靈敏度較低，但其溫度穩(wěn)定性好，可用于對精度要求較高的測量。三、壓阻式傳感器三、壓阻式傳感器 (12)dRddR 1.原理：壓阻效應原理：壓阻效應LLdE 靈敏度：靈敏度：0/LdRRSE兩種應變片在工作原理上的區(qū)別：兩種應變片在工作原理上的區(qū)別：金屬應變片金屬材料受力后幾何變形電阻的相對變化半導體應變片半導體材料受力后電阻率變化電阻的相對變化2.特點：特點：優(yōu)點：靈敏度高，分辨率高，橫向效應，機械滯后小。缺點：溫度穩(wěn)定

17、性差，在較大應變下，非線性誤差大。3.類型：半導體應變式傳感器、擴散型壓阻式傳感器類型：半導體應變式傳感器、擴散型壓阻式傳感器三、應變片的應用三、應變片的應用1.直接測定結構的應變或應力。2.作為傳感器的測量參數(shù)。四、轉換電路四、轉換電路 應變 電壓或電流的變化RR4.4 4.4 電感式傳感器電感式傳感器 一、可變磁阻式傳感器一、可變磁阻式傳感器 按結構型式變氣隙式螺管式變面積式線圈自感量為2mNLR當氣隙較小，且不考慮磁路的鐵損時，總磁阻311100330022mllRAAAA于是，2002NAL1.變氣隙式：變氣隙式：靈敏度20022NAS 常數(shù)特點：靈敏度高，線性誤差小，適于測小位移。2

18、.變面積式變面積式靈敏度202NS常數(shù)特點：線性度好，量程大，但靈敏度較低。3.螺管式螺管式當鐵芯在線圈中運動時，將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。 特點：靈敏度低，但測量范圍大，適用于較大位移測量。 4.差動式差動式x2L1L5.測量電路測量電路:交流電路交流電路二、電渦流式傳感器二、電渦流式傳感器原理：利用金屬體在交變磁場中的渦流效應。按電渦流在導體 內的貫穿情況高頻反射式低頻透射式1.高頻反射式高頻反射式可以作為位移、振動測量，也可進行材質鑒別或探傷、測溫度等。2.低頻透射式低頻透射式適于測量金屬材料的厚度。3.特點：結構簡單，安裝方便，靈敏度高，抗干擾能力強。特點：結構簡單，安裝方便，靈

19、敏度高，抗干擾能力強。4.應用應用電感式紙頁厚度測量儀原理圖 三、差動變壓器式傳感器三、差動變壓器式傳感器原理：利用電磁感應中的互感現(xiàn)象。1.互感現(xiàn)象互感現(xiàn)象dtdiMe1122.差動變壓器式傳感器差動變壓器式傳感器(1)構造變氣隙式變面積式螺管式1i1W12e2W(2)原理原理(3)特點：精度高，線性范圍大，穩(wěn)定性好。特點：精度高，線性范圍大，穩(wěn)定性好。0u2W1W21eeey2e1e4.5 電容式傳感器電容式傳感器一、工作原理一、工作原理AAC00為真空介電常數(shù)，mF /10854. 8120分類變 面積變化型A變 介質變化型變 極距變化型1.極距變化型極距變化型C0C與 成反比關系。02

20、AdCCKd 常數(shù)靈敏度為 使用時，減小初始極距來提高靈敏度。由于電容量C與極距呈非線性關系，將引起非線性誤差。為了減小這一誤差，通常規(guī)定測量范圍實際應用中常采用差動形式，可使靈敏度提高一倍。特點：靈敏度高，有線性誤差，適于小位移測量。2.面積變化型面積變化型(1)直線位移型直線位移型若兩極板間相互覆蓋長為 ，寬為 ，覆蓋面積為 xbbxAbxC0則電容靈敏度0bS 常數(shù)(2) 角位移型角位移型 若覆蓋面積對應的中心角為 ，極板半徑為r ，覆蓋面積為 220rC 則電容靈敏度202rS 常數(shù)22rA (3)圓柱體線位移型圓柱體線位移型 動板左右移動時， ， xdDA22dD)/ln(21/)

21、1/(2/ )(2000dDxdDxdDdDxdDC則電容靈敏度02ln(/ )SD d 常數(shù)(4)差動圓柱體線位移型差動圓柱體線位移型 動板上下移動時，上下兩個電容量一增一減。特點：線性關系好，量程大；與極距變化型相比，靈敏度 較低。適用于較大角位移及直線位移的測量。 3.介電常數(shù)變化型介電常數(shù)變化型 (1)測厚度、位移介質層的溫度、濕度、厚度變化時， 變化，從而引起 變。 C(2)測液面高度二、測量電路被測量電容變化電壓、電流、頻率變化1.交流電橋2.運算放大器電路：可解決極距變化型電容傳感器的非線性 問題。ACx0AuCuCCuxy00000三、電容傳感器特點與應用三、電容傳感器特點與應

22、用 1.優(yōu)點:(1) 輸入能量小而靈敏度高。(2)信噪比大，穩(wěn)定性好。(3) 動態(tài)特性好，可用于動態(tài)測量。(4) 能量損耗小。(5)結構簡單，適應性好。2.缺點:(1)極距變化型，非線性大。 (2)電纜分布電容影響大。 解決辦法：利用測量電路。 解決辦法：利用集成電路；采用屏蔽電纜。3.應用舉例(1)電容式測厚儀 (2)電容式轉速傳感器 4.6 壓電式傳感器壓電式傳感器 工作原理是以某些物質的壓電效應為基礎。既可將機械能電能，又可將電能機械能。一、壓電效應一、壓電效應 1.壓電效應：2.逆壓電效應電致伸縮效應）：逆壓電效應電致伸縮效應）：施加電場，這些物質就在一定方向上產(chǎn)生機械變形或機械應力，

23、當外電場撤去時，這些變形或應力也隨之消失。 如果在這些物質的極化方向時，在表面上將產(chǎn)生電荷；當外力去掉后，又重新回到不帶電狀態(tài)的現(xiàn)象。某些材料，當沿著一定方向對其加力而使其變形二、壓電材料及其特性二、壓電材料及其特性具有壓電效應的敏感功能材料叫壓電材料。 常用的壓電材料：壓電單晶體、壓電陶瓷、新型壓電材料1.壓電單晶體石英壓電單晶體石英( ) 、鈮酸鋰、鈮酸鋰( ) 2SiO3LiNbO2.壓電陶瓷壓電陶瓷鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛特點：壓電常數(shù)大，靈敏度高，價格低廉。3.新型壓電材料新型壓電材料 在壓電晶片的兩個工作面上進行金屬蒸鍍，形成金屬膜，因此就構成一個電容器。其電容量為三、等效電路三、等效電路 0aAC 電荷等效電路電壓等效電路壓電式傳感器適合作動態(tài)測量。四、壓電元件常用的結構形式四、壓電元件常用的結構形式串聯(lián) 并聯(lián)適合以電壓作為輸出的場合。適合測量緩變信號和以電荷量作為輸出的場合。五、應用五、應用壓電式壓力傳感器 壓力變送器壓力變送器加速度計加速度計力傳感器力傳感器 產(chǎn)品產(chǎn)品:壓電材料換能器壓電材料換能器4.7 4.7 磁電傳感器磁電傳感器 包括磁電感應傳感器、霍爾傳感器。 一、磁電感應傳感器一、磁電感應傳感器(感應式傳感器、電動傳感器感應式傳感器、電動傳感器) 根據(jù)法拉第電磁感應定律，線圈在磁場中運動切割磁力線或線圈所在磁場的磁通變化時，線圈中會產(chǎn)生的感應電動勢 deNdt