传感器内容

1传感器的基本特性重点传感器的概念以及传感器的基本特性是本章重点。授课方式讲授1.1传感器的定义关于传感器的定义，至今尚无一个比较全面的定义。不过，对以下提法，学者们似乎不持异议。国际电工委员会的定义为：“传感器是测量系统中的一种前置部件，它将输入变量转换成可供测量的信号”。根据中华人民共和国国家标准（GB7665——87），传感器（Transducer/Sensor)的定义是：能感受规定的被测量并按照一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置。所谓传感器，是指那些能够取代甚至超出人的“五官”，具有视觉、听觉、触发、嗅觉和味觉等功能的元器件或装置。1.2传感器的组成传感器是由敏感元件、转换元件及信号调节电路三部分组成的。敏感元件是指传感器中能直接感受(或响应)与检出被测对象的待测信息(非电量)的部分，转换元件是指传感器中能将敏感元件所感受(或响应)出的信息直接转换成电信号的部分。信号调节转换电路是能把转换元件输出的电信号转换为电压、电流或频率量便于显示、记录、处理和控制的有用电信号的电路。辅助电路通常包括电源，即交、直流供电系统。1.3传感器的分类可以用不同的观点对传感器进行分类：它们的转换原理；它们的用途；它们的输出信号类型以及制作它们的材料和工艺等。传感器种类繁多按被测量分类按测量原理分类按输出型式分类按电源型式分类目前常用的分类有两种：一种是以被测量来分，另一种是以传感器的原理来分。1.4传感器的技术特点传感器技术包括传感器的研究、设计、试制、生产、检测与应用。它已逐渐形成了一门相对独立的专门学科。与其他学科相比，它具有如下技术特点：1.内容范围广且离散2.知识密集程度高、边缘学科色彩浓3.制造技术复杂、工艺要求高4.功能优良、精度高、可靠性好5.现代传感器品种繁多、应用广泛1.5传感器的数学模型概述1.系统概论无论系统复杂度如何，把测量装置作为一个系统来看待。问题简化为处理输入量x(t)、系统传输特性h(t)和输出y(t)三者之间的关系。2.静态模型静态模型是指在静态信号(输入信号不随时间变化的量)情况下，描述传感器输出与输入量间的一种函数关系。如果不考虑蠕动效应和迟滞特性，传感器的静态模型一般可用多项式来表示：y=a0+a1x+a2x2+···+anxn3.动态模型动态模型是指传感器在准动态信号或动态信号(输入信号随时间而变化的量)作用下，描述其输出和输人信号的一种数学关系。动态模型通常采用微分方程和传递函数等来描述。1.6传感器的基本特性1.静态特性1)灵敏度2)重复性3)分辨力：6)稳定性2动态响应特性1）阶跃响应2）频率响应特性2电阻式、电位器和应变式传感器重点弹性元件以及应变式传感器的应用应变式传感器的测量电路直流电桥授课方式讲授2.1电位器式电阻传感器电位器是人们常用到的一种电子元件，它作为传感器可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为具有一定函数关系的电阻值的变化，从而引起输出电压的变化。所以它是一个机电传感元件。1.变阻器式传感器的分类2变阻器式传感器的性能参数:3.非线绕电位器式传感器1).合成膜电位器2).金属膜电位器3).导电塑料电位器4).光电电位器式传感器2.2电位器式电阻传感器的应用2.3电阻应变式传感器1.应变效应导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。下面我们以金属丝应变片为例分析这种效应。2．半导体应变片3.应变片的工艺及材料4.应变片粘贴5.常用应变片的型号与参数2.4电阻应变片的测量电路1.直流电桥平衡条件2．.交流电桥的调平方法2.5电阻式传感器应用举例根据不同的要求，应变电桥有不同的工作方式。下面我们讨论几种较为典型的工作方式：1.测量转换电路1).全桥工作方式:2)双臂半桥工作方式3)单臂半桥工作方式2.应用举例1).单臂半桥测量2).全桥电路测量3).应变式力传感器4)．应变式荷重传感器例采用4片相同的金属丝应变片（K=2)，将其贴在实心圆柱形测力弹性元件上。如图所示，力F=1000kgf，圆柱断面半径r=1cm，弹性膜量E=2*107N/cm2,泊松比μ=0.3。求①画出应变片在圆柱上粘贴位置及相应测量桥路原理图；②各应变片的应变ε=？电阻相对变化量ΔR/R；③若供电桥压U=6V，求桥路输出电压U0=?;④此种测量方式能否补偿环境温度对测量的影响？解：①采用4个相同的应变片，粘贴位置如图。其中R1、R3沿轴向粘贴，产生正应变，R2、R4沿圆周方向粘贴产生负应变。测量电桥如图。②ε1=ε3=F/AE=1000*9.8/(3.14*12*2*107)=156μεε2=ε4=-μF/AE=-0.3*1000*9.8/(3.14*12*2*107)=-47μεΔR1/R1=ΔR3/R3=kε1=3.12*10-4ΔR2/R2=ΔR4/R4=-kε2=-0.94*10-4③U0=(ΔR1/R1+ΔR3/R3-ΔR2/R2-ΔR4/R4)U/4=1.22mv④可以补偿环境温度的影响。4个相同的应变片在同一个环境中，感受温度变化产生电阻相对变化量相同，在全桥电路中不影响输出值。ΔR1t/R1=ΔR3t/R3=ΔR2t/R2=ΔR4t/R4=ΔRt/RΔUt=(ΔR1t/R1+ΔR3t/R3-ΔR2t/R2-ΔR4t/R4)U/4=05).汽车衡称重系统6)．应变式加速度传感器3电容式传感器重点难点电容传感器的工作原理以及测量电路测量电路中的脉冲调制电路是难点授课方式讲授3.1电容式传感器的工作原理和结构2.变极距式电容传感器空气介质变极距式电容传感器的工作原理一个电极板固定不变，称为固定极板，另一极板间距离d响应变化，从而引起电容量的变化。因此，只要测出电容量的变化量⊿C，便可测得极板间距变化量，即动极板的位移量⊿d。3.变极板面积型电容式传感器被测量通过动极板移动，引起两极板有效覆盖面积A改变，从而得到电容的变化。图是一个角位移式传感器的结构,设两极板完全遮盖时，遮盖角度θo=π，初始电容C。=εAo／d。，极板2的轴由被测物体带动而旋转一个角位移θ度时，两极板的遮盖面积A就减小,因而电容量也随之减小.4.变介质型电容传感器因为各种介质的相对介电常数不同，所以在电容器两极板间插入不同介质时，电容器的电容量也就不同，利用这种原理制作的电容传感器称为变介电常数式电容传感器.此类传感器可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、气体、液体、木材或煤等非导电固体物质的湿度。5.电容式传感器的特点1).优点：Ⅰ.温度稳定性好Ⅱ.结构简单Ⅲ.动态响应好2).缺点Ⅰ.输出阻抗高，负载能力差Ⅱ.寄生电容影响大6.电容式传感器的等效电路3.2电容式传感器的测量转换电路脉冲宽度调制电路桥式电路3.3电容式传感器应用举例电容器的容量受三个因素影响，即：极距d、相对面积A和极间介电常数ε。固定其中两个变量，电容量C就是另一个变量的一元函数。只要想办法使被测非电量转换成极距或者面积、介电常数的变化，就可以通过测量电容量这个电参数来达到非电量电测的目的。1.电容测厚仪2.电容加速度传感器3、电容式接近开关（1）电容式接近开关的结构(2)工作原理4.电容式湿敏传感器5.电容式油量表4电感式传感器重点难点电感传感器的工作原理以及测量电路是本章的重点，其中测量电路中的相敏检波是难点。授课方式讲授电感式传感器是利用电磁感应把被测的物理量如位移、压力、流量、振动等转换成线圈的自感系数L或互感系数M的变化，再由测量电路转换为电压或电流的变化量输出，实现非电量到电量的转换。它具有分辨力及测量精度高等一系列优点，因此在工业自动化测量技术中得到广泛的应用。它的主要缺点是响应较慢，不宜于快速动态测量，而且传感器的分辨力与测量范围有关。测量范围大，分辨力低，反之则高。电感式传感器种类很多，可分为自感式、互感式和涡流式三大类。4.1自感式传感器1.自感型--可变磁阻式的类型1.变隙式电感传感器1).结构和工作原理2).电感传感器输出特性2.差动电感传感器(2).以差动整流为例的测量电路（p67图4-11）4.3电涡流式传感器电涡流式传感器是利用电涡流效应进行工作的。1.电涡流式传感器的工作原理1).电涡流效应及集肤效应电涡流传感器的基本工作原理是基于电涡流效应。根据法拉弟电磁感应定律，金属导体置于变化的磁场中时，导体表面就会有感应电流产生。这种电流的流线在金属体内自行闭合，这种由电磁感应原理产生的旋涡状感应电流称为电涡流，这种现象称为电涡流效应，电涡流传感器就是利用电涡流效应来检测导电物体的各种物理参数的。2).等效阻抗分析3.电涡流式传感器的结构2.电涡流式传感器的测量转换电路1).调频法电路所谓调频法就是将探头线圈的电感量L与微调电容Co构成LC振荡器，以振荡器的频率f作为输出量，此频率可以通过f／V转换器(又称为鉴频器)转换成电压，由表头显示。也可以直接将频率信号(TTL电平)送到计算机的计数定时器，测量出频率。调频法的测量转换电路原理框图如图所示。其并联谐振回路的谐振频率为2).调幅法电路4.4电涡流传感器的应用电涡流探头线圈的阻抗受诸多因素影响，例如金属材料的厚度、尺寸、形状、电导率、磁导率、表面因素等。只要固定其他因素就可以用电涡流传感器来测量剩下的一个因素。因此电涡流传感器的应用领域十分广泛。但也同时带来许多不确定因素，一个或几个因素的微小变化就足以影响测量结果。所以电涡流传感器多用于定性测量。即使要用作定量测量，也必须采用前面述及的逐点标定、计算机线性纠正法。下面就几个主要应用方面作简单的介绍。1转速测量2.电涡流式通道安全检查门3.电涡流表面探伤利用电涡流传感器可以检查金属表面(已涂防锈漆)的裂纹以及焊接处的缺陷等。在探伤中，传感器应与被测导体保持距离不变。检测过程中，由于缺陷将引起导体电导率、磁导率的变化,使电涡流I2变小,从而引起输出电压突变。而达到线性化的目的。测量封口机工作间隙测量金属薄膜、板材厚度电涡流测厚仪测量冷轧板厚度偏心和振动检测电动机转速测量5热电式传感器重点难点本章的重点是热电效应、热电偶的三个基本定律以及冷端补偿授课方式讲授5.1温度测量的基本概念1.温度的基本概念2.温标1).温度的数值表示方法称为温标。它规定了温度的读数的起点（即零点）以及温度的单位。各类温度计的刻度均由温标确定。2).国际上规定的温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标等。几种温标的对比5.2温度测量及传感器分类温度传感器按照用途可分为基准温度计和工业温度计；按照测量方法又可分为接触式和非接触式；按工作原理又可分为膨胀式、电阻式、热电式、辐射式等等；按输出方式分，有自发电型、非电测型等。5.3热电偶传感器热电偶测温的主要优点1).它属于自发电型传感器：测量时可以不需外加电源，可直接驱动动圈式仪表；2).测温范围广：下限可达-270C，上限可达1800C以上；3).各温区中的热电势均符合国际计量委员会的标准。1.热电效应(从实验到理论)：有关热电偶热电势的讨论EAB（T，T0）=eAB（T）-eAB（T0）1)如果热电偶两结点温度相同，则回路总的热电动势必然等于零。两结点温差越大，热电动势越大。2)如果热电偶两电极材料相同，即使两端温度不同，(T≠To)，但总输出热电动势仍为零。因此必需由两种不同材料才能构成热电偶。3)上式中未包含热与热电偶的尺寸形状有关的参数，所以热电动势的大小只与材料和结点温度有关，而热电偶的内阻与其长短、粗细、形状有关。热电偶越细，内阻越大。3.热电偶有关定律(1)中间导体定律(2)．中间温度定律(3)．参考电极定律八种国际通用热电偶：B:铂铑30—铂铑6、R:铂铑13—铂、S:铂铑10—铂、K:镍铬—镍硅、N:镍铬硅—镍硅、E:镍铬—铜镍、J:铁—铜镍、T:铜—铜镍4.热电偶实用测量电路1).测量某点温度2).测量两点温度的和与差3).平均温度的测量5.4热电偶的应用5.5热电阻传感器1.热电阻(1)热电阻的工作原理及结构(2).热电阻的测量转换电路1).单臂电桥测量电路2).为了消除和减小引线电阻的