传感器原理与测量电路

Sensors1主要内容1.传感器概述2.电容式传感器3.电感式传感器4.压电式传感器5.磁电式传感器7.光栅式传感器8.光纤式传感器6.霍尔式传感器Sensors21.了解传感器的分类2.掌握常用传感器测量原理3.了解传感器测量电路本章学习要求Sensors3正在给主人敬送饮料的机器人6.1概述传感器技术——信息采集——“感官”通信技术———信息传输——“神经”计算机技术——信息处理——“大脑”Sensors4传感器按感官的归类6.1概述人的感觉人的感官信号形态转换相关器件物理现象视觉眼光→电流光→电阻光→电流光电池光敏电阻器光电晶体管光电动势光导效应听觉耳位移→电压位移→电阻位移→电压位移→电容压电器件应变计霍尔元件压变电容器压电效应压阻效应霍尔效应压力引起电容量变化温觉与触觉皮肤温度→电压温度→电阻压力→电阻压力→电容压力→电压压力→电压热电偶热敏电阻器应变计压变电容器压电传感器电感式传感器塞贝克效应温度引起载流子数的变化压阻效应压力引起电容量的变化压电效应嗅觉鼻气体→电阻气体→电流半导体气敏元件电化学气体传感器表面吸附现象电化学反应味觉舌化学变化→电离子电极酶传感器Sensors5传感器是将被测量转换成为与之有确定对应关系的、容易测量、传输或处理的另一种形式的量（大多为电量）的装置。6.1概述传感器定义物理量电量传感器电压、电流、频率、脉冲等尺寸、位移、温度、力等Sensors66.1概述传感器组成传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感元件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。Sensors7——按被测物理量分类6.1概述传感器分类机械量：长度，厚度，位移，速度，加速度，旋转角，转数，质量，重量，力，压力，真空度，力矩，风速，流速，流量；声：声压，噪声；磁:磁通，磁场；光：亮度，色彩；温度：温度，热量，比热。Sensors86.1概述——按传感原理分类传感器分类电容式传感器电阻式传感器压电式传感器磁电式传感器电感式传感器光电式传感器光纤式传感器光栅式传感器Sensors96.1概述——按信号变换特征传感器分类能量转换型：直接由被测对象输入能量使其工作。例如热电偶温度计,压电式加速度计。能量控制型：从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化。例如电阻应变片。Sensors106.1概述基本参数指标环境参数指标可靠性指标其它指标量程指标：量程范围、过载能力等灵敏度指标：灵敏度、分辨力、满量程输出、输入输出阻抗等精度有关指标：精度、误差、线性、滞后、重复性、灵敏度误差、稳定性动态性能指标：固有频率、阻尼比、时间常数、频率响应范围、频率特性、临界频率、临界速度、稳定时间等温度指标：工作温度范围、温度误差、温度漂移、温度系数、热滞后等抗冲振指标：容许各项抗冲振的频率、振幅及加速度、冲振所引入的误差其它环境参数：抗潮湿、抗介质腐蚀能力、抗电磁场干扰能力等工作寿命、平均无故障时间、保险期、疲劳性能、绝缘电阻、耐压及抗飞弧等使用有关指标：供电方式（直流、交流、频率及波形等）、功率、各项分布参数值、电压范围与稳定度等外形尺寸、重量、壳体材质、结构特点等安装方式、馈线电缆等Sensors116.1概述1.发展、利用新效应；2.开发新材料；3.提高传感器性能和检测范围；4.微型化与微功耗；5.集成化与多功能化；6.传感器的智能化；7.传感器的数字化和网络化。传感器的发展趋势Sensors126.2电容式传感器一、电容传感器概述、工作原理和类型；二、电容传感器输出特性；三、电容式传感器的特点；四、电容传感器测量电路；五、电容式传感器的应用举例。主要内容学习要求1.掌握电容式传感器工作原理；2.掌握电容式传感器的分类、及它们各自的特点；3.了解电容式传感器的测量电路。Sensors13电容式传感器是将被测物理量转换为电容量变化的装置，实质上是一个具有可变参数的电容器。6.2电容式传感器ACr0极板面积极板间距离相对介电常数　真空介电常数A0r介电常数变化型面积变化型极距变化型Sensors146.2电容式传感器极距变化型OΔδCδΔC—非线性—变化后电容：]1[112000000000000000CCCCCACC。通常取为近似线性。＝＝灵敏度时，当0.1S,000000CCCCSensors156.2电容式传感器讨论要提高传感器灵敏度S应减小初始极距,但极距也要受电容击穿电压限制。非线性随相对位移的增加而增加，为保证线性度应限制相对位移。初始极距与S，与线性度相矛盾，决定了极距变化型电容传感器只适合测小位移（在0.01微米至零点几毫米）。为提高灵敏度和改善非线性，一般采用差动结构。0000/Sensors16极距变化型电容传感器Δδδ0δ0C1C2差动式极距变化型Sensors17差动式极距变化型传感器灵敏度可提高一倍，而非线性可大大减小。])4()3()2()(1[110000000001CCACr])4()3()2()(1[110000000002CCACr])5()3()[(2000021CCCC002CCS极距变化型电容传感器Sensors18极距变化型电容式传感器的优点是动态响应快，灵敏度高，可进行非接触测量。但由于输出非线性特性、传感器杂散电容对灵敏度和测量精度的影响，以及与传感器配合使用的电子线路比较复杂等缺点，因此使用范围受到一定限制。差动式电容传感器比单个电容灵敏度提高一倍，非线性误差减小。特点1.主要用于小位移量测量，0.01μm到数百μm。2.分辨力可达0.1μm，灵敏度较高。极距变化型电容传感器Sensors19应用举例电容式传声器Sensors20面积变化型电容传感器的工作原理是在被测参数的作用下改变极板的有效面积。常用的有角位移型和线位移型两种。优点是输出与输入成线性关系。但与极距变化型相比，灵敏度较低。适用于较大角位移及直线位移的测量。面积变化型电容传感器Sensors21α定板动板覆盖面积电容量灵敏度22rA220rCr常数220rddCSr电容量灵敏度常数bdxdCSr0bxCr0面积变化型电容传感器Sensors22特点1.输出特性为线性，灵敏度S为常数，适合测量大位移。2.与极距变化型相比，灵敏度较低应用举例——检测齿轮转速面积变化型电容传感器Sensors23介电常数变化型电容传感器ACr0Sensors24介电常数变化型电容传感器rrrdAAdAAdACCCCC000002121非线性板材测厚Sensors25介电常数变化型电容传感器位移测量dbxdbldbxdxlbCCCrr)1()(000021线性Sensors26电容式传感器的等效电路Rs为引线,电容器支架和极板的电阻。Rp为并联损耗电阻，它代表极板间的泄漏电阻和极板间的介质损耗。通常在低频时较大。电感L由电容器本身的电感和外部引线的电感所组成。低频时很小，在很高的频率工作时需要加以考虑。电容传感器谐振频率通常为几十兆赫，通常工作点应在其谐振频率的1/21/3，且使用条件必须与标定条件相同。ABLCCCe21传感器等效电容：Sensors27电容式传感器的等效电路驱动电缆技术消除寄生电容的影响Sensors28电容式传感器的常用转换电路电桥电路02EUo21212CCCCEUo001ACr002ACr，Sensors29二极管双T型电路电容式传感器的常用转换电路)()()2(212ccfURRRRRRUELLLRLSensors30ACUCCUUrsxso000电容式传感器的常用转换电路运算放大器式电路C0CxUsUo-Kixi0ai=0Sensors31有一圆板电容传感器，直径，极板间距离,极板间介质为空气，试计算其电容之值。又若将此电容传感器接至振荡器的调谐回路(皮法，微亨)作为调频元件，为使测量时有较均匀的灵敏度，要求调频最大偏频在以内，求电容传感器的。mmD20mm2.000C90C10L%5.0C可移动极板0课堂练习Sensors32pFAc9.132.0101085.8212000pFccc9.103909.13001)2)dcfcdcccLdf000012112121'0021CLf%5.00fdfpFcdc04.1005.020课堂练习解法1Sensors33课堂练习%5.000fff%5.000fffpFc039.199.0005.12000ffcc020cffc01.1995.02000ffccpFc039.1解法2Sensors34电容式传感器的特点主要优点主要缺点1.温度稳定性好；2.结构简单，适应性强；3.动态响应好；4.可以实现非接触测量，具有平均效应。1.输出阻抗高，负载能力差；2.寄生电容影响大。Sensors35本讲要点总结1．电容传感器工作原理和类型2.电容传感器输出特性和测量电路3.电容式传感器的应用ACr0Sensors36电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类：电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型6.3电感式传感器Sensors376.3电感式传感器铁芯衔铁线圈变磁阻式电感传感器mRNL2N——线圈匝数；Rm——磁路的总磁阻；2202ANRNLmAAAlRm0022Sensors38变磁阻式电感传感器传感器类型可变导磁面积型可变气隙厚度型差动型Sensors39灵敏度与气隙厚度的平方成反比。为了减小非线性误差，提高灵敏度，通常使这种传感器在小气隙状态下工作，其测量范围在0.001mm与lmm之间。2202ANRNLm00LS变气隙型自感传感器非差动式Sensors40当衔铁位于中间位置(位移为零)时，两线圈自感相等，i1＝i2，△i=0，输出电压U＝0。当衔铁有位移时，一个线圈自感增加，另一个线圈自感减小，U的大小表示了衔铁位移量，极性表示了衔铁移动方向。若位移使i1增大，则必定使i2减小相同的值，于是灵敏度增加一倍。变气隙型自感传感器差动式002LSSensors41主要特点：具有较好的线性，测量范围也比较大，但它的灵敏度比不上改变气隙厚度的电感传感器。2202ANRNLm变面积型自感传感器Sensors42螺线管式电感传感器是一种开磁路电感传感器，其工作原理是基于线圈漏磁路径中的磁阻变化。由于空气通路长，使得磁路的磁阻比较高，因此这种传感器的灵敏度比较低，对于小位移测量意义不大。主要用于较大位移的测量，可达数毫米到数百毫米。可动铁芯螺管型自感传感器Sensors43这种传感器实际上是个变压器，初级线圈Wl通电后，次级线圈W2便感应出电压。被测量的变化使初、次级线圈间互感发生变化，感应电压也产生相应变化。由于这种传感器常制成差动的形式，故称差动变压器。dtdiMe11差动变压器式传感器x次级线圈W1初级线圈W次级线圈W2铁芯PSensors44x次级线圈W1初级线圈W次级线圈W2铁芯P前提：M1＝M2＝M1、铁芯位于中间e1=e2，eo=02、铁芯