傳感器技術(shù)課件.ppt

1、2020/6/30,感謝下載,1,第一章 傳感器技術(shù)概述,1. 傳感器定義,傳感器將被測量按一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成便于應(yīng)用的某種物 理量的裝置。,目前，傳感器轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換成電信號的裝置。,2020/6/30,感謝下載,2,2.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(zhuǎn)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(jī)器系統(tǒng)的對應(yīng)關(guān)系,2020/6/30,感謝下載,3,復(fù)雜測試系統(tǒng)(振動(dòng)測量),簡單測試系統(tǒng)(紅外體溫),2020/6/30,感謝下載,4,3. 傳感器的構(gòu)成,（1）組成：振動(dòng)膜片、剛性極板、

2、電源和負(fù)載電阻,（2）原理 ：,振膜一次敏感元件 電容器敏感元件,2020/6/30,感謝下載,5,4.分類 ：,2020/6/30,感謝下載,6,5 .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(shí)，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(yīng)特性：在所測頻率范圍內(nèi)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(shí)間與環(huán)境。,5.精確度:表示傳感器的輸出與被測量的對應(yīng)程度。 傳感器精確度愈高，價(jià)格越昂貴，因此應(yīng)從實(shí)際出發(fā)來選擇。,6.其它選用原則

3、,感謝下載,7,6. 傳感器技術(shù)的應(yīng)用,1、日常生活,在家電產(chǎn)品和辦公自動(dòng)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，人們大量的應(yīng)用了傳感器和測試技術(shù)來提高產(chǎn)品性能和質(zhì)量。,全自動(dòng)洗衣機(jī)中的傳感器：衣物重量傳感器，衣質(zhì)傳感器，水溫傳感器，水質(zhì)傳感器，洗凈度傳感器, 液位傳感器，電阻傳感器(衣物烘干檢測)。,指紋傳感器,透光率傳感器,感謝下載,8,（1）產(chǎn)品質(zhì)量測量,在汽車、機(jī)床等設(shè)備，電機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)等零部件出廠時(shí)，必須對其性能質(zhì)量進(jìn)行測量和出廠檢驗(yàn)。,2、機(jī)械行業(yè),感謝下載,9,感謝下載,10,（4）故障診斷,感謝下載,11,（5）其他應(yīng)用,航天,農(nóng)業(yè),交通,醫(yī)療,2020/6/30,感謝下載,12,第二章 傳感器的基本特性

4、,1、理想定常線性系統(tǒng)輸入輸出關(guān)系：,在靜態(tài)測量時(shí)，,理想定常線性系統(tǒng)呈單調(diào)、線性比例的關(guān)系，即輸入、輸出 關(guān)系是一條理想的直線，斜率為常數(shù)。,2020/6/30,感謝下載,13,2、實(shí)際測試系統(tǒng)輸入輸出之間的關(guān)系,實(shí)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(guān)系 是通過實(shí)驗(yàn)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?jǐn)?shù)表示,2020/6/30,感謝下載,14,擬合直線的確定，常用的主要有兩種：端基直線和獨(dú)立直線。,（1）端基直線是指通過測量范圍的上下限點(diǎn)的直線。 顯然用端基直線來代替實(shí)際的輸入、輸出曲線，

5、其求解過程 比較簡單，但是其非線性度較差。,2020/6/30,感謝下載,15,（2）靈敏度 ,作用：用來描述測試系統(tǒng)對輸入信號變化的一種反應(yīng)能力。,1、對于定常線性系統(tǒng)，其靈敏度恒為常數(shù)。,2、實(shí)際的測試系統(tǒng)，靈敏度為定度曲線上該點(diǎn)處切線的斜率。,3、量綱：取決于輸入和輸出量的單位。,2020/6/30,感謝下載,16,（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(yīng)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(biāo)尺最小分度值的一半,2020/6/30,感謝下載,17,5.漂移：指測試系統(tǒng)在輸入不變的條件下，輸出隨時(shí)間而變化

6、的趨勢。,產(chǎn)生原因：儀器自身結(jié)構(gòu)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，即由于周圍的溫度變化而引起輸出的變化。,進(jìn)一步引起測試系統(tǒng)的靈敏度和零位發(fā)生漂移。,零點(diǎn)漂移,靈敏度漂移,2020/6/30,感謝下載,18,二、傳感器的動(dòng)態(tài)特性,傳感器的動(dòng)態(tài)特征是指在輸入量隨時(shí)間變化時(shí),測試系統(tǒng)對輸入信號的響應(yīng)特性。,1、動(dòng)態(tài)特性的描述方法,（1）時(shí)域微分方程,2020/6/30,感謝下載,19,在初始條件為零的前提下，定義傳遞函數(shù),其中s為復(fù)變量，,特點(diǎn)：,（2）傳遞函數(shù),只反映系統(tǒng)本身的輸出特性,與輸入和初始狀態(tài)無關(guān)。 只反映系統(tǒng)的傳輸特性,與系統(tǒng)具體的物理

7、結(jié)構(gòu)無關(guān)。 分母中的最高次冪n代表系統(tǒng)微分方程的階數(shù)。,2020/6/30,感謝下載,20,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,2020/6/30,感謝下載,21,（3）頻率響應(yīng)函數(shù),在初始條件為零的前提下，定義頻率響應(yīng)函數(shù),求法：,(2)若已知微分方程，作傅里葉變換，則,(3)用實(shí)驗(yàn)方法求得：在初始條件全為零的條件下，同時(shí)測得輸入和輸出，由其傅里葉變換求得。,2020/6/30,感謝下載,22,物理意義：描述了系統(tǒng)的頻率特性。,描述系統(tǒng)的簡諧輸入和其穩(wěn)態(tài)輸出的關(guān)系，不包含瞬態(tài)響應(yīng)信息。,例1:已知系統(tǒng)的頻率響應(yīng)函數(shù) ，求其幅頻 特性和相頻特

8、性及作圖。,2020/6/30,感謝下載,23,（4）脈沖響應(yīng)函數(shù),頻域頻率響應(yīng)函數(shù),復(fù)數(shù)域傳遞函數(shù),時(shí)域脈沖響應(yīng)函數(shù),拉普拉斯變換對,傅里葉變換對,2020/6/30,感謝下載,24,傳遞函數(shù)、頻率響應(yīng)函數(shù)、脈沖響應(yīng)函數(shù)的關(guān)系：,2020/6/30,感謝下載,25,二、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(gè)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),2020/6/30,感謝下載,26,若系統(tǒng)由n個(gè)環(huán)節(jié)串聯(lián)而成，其傳遞函數(shù)為,相應(yīng)地，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為,其幅頻特性：,相頻特性：,2.環(huán)節(jié)的并聯(lián),系統(tǒng)總輸出為,若系統(tǒng)由n個(gè)環(huán)節(jié)并聯(lián)而成，其傳遞函數(shù)為,系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為,2020/6/30

9、,感謝下載,27,3.負(fù)載效應(yīng)：,某系統(tǒng)由于后接另一系統(tǒng)而產(chǎn)生的種種現(xiàn)象。,2020/6/30,感謝下載,28,三、 實(shí)現(xiàn)不失真測試的條件,一、不失真?zhèn)鬏?當(dāng)輸出信號為 時(shí)，系統(tǒng)就實(shí)現(xiàn)了不失真?zhèn)鬏敗?2020/6/30,感謝下載,29,二、不失真測試條件,傅里葉變換可得：,系統(tǒng)的頻率響應(yīng)為,幅頻特性：,相頻特性：,測試系統(tǒng)不失真測試的條件。,2020/6/30,感謝下載,30,2020/6/30,感謝下載,31,2020/6/30,感謝下載,32,電阻式傳感器,一、變阻式傳感器,1.結(jié)構(gòu)：,2020/6/30,感謝下載,33,2.測量電路：,不考慮外接電路影響時(shí)：,考慮外接電路影響時(shí)：,202

10、0/6/30,感謝下載,34,3.特點(diǎn)：,(1)結(jié)構(gòu)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(yīng)變式傳感器,1.結(jié)構(gòu)：絲式、箔式、金屬膜片,2.工作原理：基于金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。,2020/6/30,感謝下載,35,如果金屬絲沿軸向方向受拉力而變形，,靈敏度：,3.特點(diǎn)：,金屬應(yīng)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。,2020/6/30,感謝下載,36,三、壓阻式傳感器,1.原理：壓阻效應(yīng),靈敏度：,2020/6/30,感謝下載,37,兩種應(yīng)變片在工作原理上的區(qū)別：,金屬應(yīng)變片金屬材料受力后幾何變形電阻

11、的相對變化,半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體材料受力后電阻率變化電阻的相對變化,2.特點(diǎn)：,優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高，分辨率高，橫向效應(yīng)，機(jī)械滯后小。,缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性差，在較大應(yīng)變下，非線性誤差大。,3.類型：半導(dǎo)體應(yīng)變式傳感器、擴(kuò)散型壓阻式傳感器,2020/6/30,感謝下載,38,三、應(yīng)變片的應(yīng)用,1.直接測定結(jié)構(gòu)的應(yīng)變或應(yīng)力。,2.作為傳感器的測量參數(shù)。,四、轉(zhuǎn)換電路,應(yīng)變 電壓或電流的變化,2020/6/30,感謝下載,39,4.4 電感式傳感器,一、可變磁阻式傳感器,2020/6/30,感謝下載,40,線圈自感量為,當(dāng)氣隙較小，且不考慮磁路的鐵損時(shí)，總磁阻,于是，,1.變氣隙式：,靈敏度,特點(diǎn)：靈敏度高，

12、線性誤差小，適于測小位移。,2020/6/30,感謝下載,41,2.變面積式,靈敏度,特點(diǎn)：線性度好，量程大，但靈敏度較低。,2020/6/30,感謝下載,42,3.螺管式,當(dāng)鐵芯在線圈中運(yùn)動(dòng)時(shí)，將改變磁阻，使線圈自感發(fā)生變化。,特點(diǎn)：靈敏度低，但測量范圍大，適用于較大位移測量。,2020/6/30,感謝下載,43,4.差動(dòng)式,5.測量電路:交流電路,2020/6/30,感謝下載,44,二、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(yīng)。,1.高頻反射式,可以作為位移、振動(dòng)測量， 也可進(jìn)行材質(zhì)鑒別或探傷、 測溫度等。,2020/6/30,感謝下載,45,2.低頻透射式,適于測量金屬材料

13、的厚度。,2020/6/30,感謝下載,46,3.特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，靈敏度高，抗干擾能力強(qiáng)。,4.應(yīng)用,電感式紙頁厚度測量儀原理圖,2020/6/30,感謝下載,47,三、差動(dòng)變壓器式傳感器,原理：利用電磁感應(yīng)中的互感現(xiàn)象。,1.互感現(xiàn)象,2.差動(dòng)變壓器式傳感器,2020/6/30,感謝下載,48,(2)原理,(3)特點(diǎn)：精度高，線性范圍大，穩(wěn)定性好。,2020/6/30,感謝下載,49,4.5 電容式傳感器,一、工作原理,為真空介電常數(shù)，,2020/6/30,感謝下載,50,1.極距變化型,C與 成反比關(guān)系。,靈敏度為,使用時(shí)，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(guān)系

14、，,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(shí)際應(yīng)用中常采用差動(dòng)形式，可使靈敏度提高一倍。,特點(diǎn)：靈敏度高，有線性誤差，適于小位移測量。,2020/6/30,感謝下載,51,2.面積變化型,(1)直線位移型,若兩極板間相互覆蓋長為 ，寬為 ，覆蓋面積為,則電容,靈敏度,2020/6/30,感謝下載,52,(2) 角位移型,若覆蓋面積對應(yīng)的中心角為 ，極板半徑為r ，覆蓋面積為,則電容,靈敏度,2020/6/30,感謝下載,53,(3)圓柱體線位移型,動(dòng)板左右移動(dòng)時(shí)， ，,則電容,靈敏度,2020/6/30,感謝下載,54,(4)差動(dòng)圓柱體線位移型,動(dòng)板上下移動(dòng)時(shí)，上下兩個(gè)電容量一

15、增一減。,特點(diǎn)：線性關(guān)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。,2020/6/30,感謝下載,55,3.介電常數(shù)變化型,介質(zhì)層的溫度、濕度、厚度變化時(shí)， 變化，從而引起 變。,(2)測液面高度,2020/6/30,感謝下載,56,二、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(yùn)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。,2020/6/30,感謝下載,57,三、電容傳感器特點(diǎn)與應(yīng)用,1.優(yōu)點(diǎn):,(1) 輸入能量小而靈敏度高。,(2)信噪比大，穩(wěn)定性好。,(3) 動(dòng)態(tài)特性好，可用于動(dòng)態(tài)測量。,(4) 能量損耗小。,(5)結(jié)

16、構(gòu)簡單，適應(yīng)性好。,2.缺點(diǎn):,(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。,2020/6/30,感謝下載,58,3.應(yīng)用舉例,(1)電容式測厚儀,(2)電容式轉(zhuǎn)速傳感器,2020/6/30,感謝下載,59,4.6 壓電式傳感器,工作原理是以某些物質(zhì)的壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)。既可將機(jī) 械能電能，又可將電能機(jī)械能。,一、壓電效應(yīng),1.壓電效應(yīng)：,2.逆壓電效應(yīng)（電致伸縮效應(yīng)）：,2020/6/30,感謝下載,60,二、壓電材料及其特性,具有壓電效應(yīng)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

17、,1.壓電單晶體石英( ) 、鈮酸鋰( ),2020/6/30,感謝下載,61,2.壓電陶瓷,鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛,特點(diǎn)：壓電常數(shù)大，靈敏度高，價(jià)格低廉。,3.新型壓電材料,2020/6/30,感謝下載,62,在壓電晶片的兩個(gè)工作面上進(jìn)行金屬蒸鍍，形成金屬膜， 因此就構(gòu)成一個(gè)電容器。其電容量為,三、等效電路,2020/6/30,感謝下載,63,電荷等效電路,電壓等效電路,壓電式傳感器適合作動(dòng)態(tài)測量。,2020/6/30,感謝下載,64,四、壓電元件常用的結(jié)構(gòu)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。,2020/6/30,感謝下載,65,五、應(yīng)用,壓電式

18、壓力傳感器,2020/6/30,感謝下載,66,壓力變送器,加速度計(jì),力傳感器,產(chǎn)品:,壓電材料換能器,2020/6/30,感謝下載,67,4.7 磁電傳感器,包括磁電感應(yīng)傳感器、霍爾傳感器。,一、磁電感應(yīng)傳感器(感應(yīng)式傳感器、電動(dòng)傳感器),根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，線圈在磁場中運(yùn)動(dòng)切割磁力線 或線圈所在磁場的磁通變化時(shí)，線圈中會(huì)產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢,恒定磁通式,變磁通式,根據(jù)改變參 數(shù)的不同,2020/6/30,感謝下載,68,1.恒定磁通式,2020/6/30,感謝下載,69,2020/6/30,感謝下載,70,2.變磁通式,常用來測量旋轉(zhuǎn)物體的角速度。,2020/6/30,感謝下載,71,二、霍爾傳感器,霍爾效應(yīng)：金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場中，當(dāng)有電流流過時(shí)，在垂直于電流和磁場的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢。,