《被測量的獲取》PPT課件.ppt

第三章,被測量的獲取,本章學(xué)習(xí)要求：,1.了解傳感器的基本知識 2.掌握常用傳感器測量原理 3.了解汽車常用傳感器測量原理,本章主要內(nèi)容,傳感器概述 電阻式傳感器 電容式傳感器 電感式傳感器 壓電式傳感器 磁電式傳感器 熱電式傳感器 光電式傳感器 霍爾式傳感器,1、傳感器定義：,傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。,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。,傳感器概述,2、傳感器的構(gòu)成：,傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量，并對信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。,傳感器概述,3、傳感器的分類：,1)按被測物理量分類,常見的被測物理量,機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度, 旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力, 壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速, 流量; 聲: 聲壓,噪聲. 磁: 磁通,磁場. 溫度: 溫度,熱量,比熱. 光： 亮度，色彩,傳感器概述,機(jī)械式,電氣式,光學(xué)式,流體式等.,2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:,傳感器概述,能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì). 能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部 供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.,傳感器概述,4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實(shí)現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計(jì). 結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實(shí)現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變. 例如:電容式和電感式傳感器.,傳感器概述,電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器, 按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式.,1、變阻器式傳感器,電阻式傳感器,（1）等效電路分析:,x,L,L-變阻器總長; x-電刷移動(dòng)量. R-總電阻; RL電刷電阻;,x=L*E1 / E,電阻式傳感器,電阻式傳感器,電阻式傳感器,(2) 變阻器式傳感器的性能參數(shù): 1)線性(或曲線的一致性); 4)移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)角度范圍; 2) 分辨率; 5)電阻溫度系數(shù); 3)整個(gè)電阻值的偏差; 6)壽命;,(3)變阻器式傳感器的分類,按測量類型：,單圈電位器,多圈電位器,直線滑動(dòng)式電位器,電阻式傳感器,按制作方式：,線繞電位器,電阻式傳感器,變阻器式傳感器產(chǎn)品,電阻式傳感器,案例：重量的自動(dòng)檢測-配料設(shè)備,原理：彈簧-力-位移 -電位器-電阻,電阻式傳感器,案例：儲量檢測,原理：鋼絲-收線圈數(shù) -電位器 -電阻,電阻式傳感器,案例：玩具機(jī)器人（廣州中鳴數(shù)碼 ）,原理：電機(jī)-轉(zhuǎn)角 -電位器 -電阻,電阻式傳感器,2 電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片,電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導(dǎo)體的應(yīng)變效應(yīng)，即金屬導(dǎo)體在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí)，其電阻值隨著所受機(jī)械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化。,電阻式傳感器,1) 工作原理,上述任何一個(gè)參數(shù)變換均會引起電阻變化,求導(dǎo)數(shù),金屬應(yīng)變片的電阻R為,代入,電阻式傳感器,有：,金屬絲：,金屬絲體積不變：,電阻式傳感器,有：,對金屬材料，導(dǎo)電率不變：,金屬絲應(yīng)變片：,電阻式傳感器,應(yīng)變計(jì),金屬應(yīng)變計(jì),電阻式傳感器,半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì),簡化為：,優(yōu)點(diǎn)：靈敏度大;體積小; 缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。,電阻式傳感器,3) 應(yīng)變片的主要參數(shù),4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）,1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用 bL表示。,2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。,3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。,電阻式傳感器,3) 應(yīng)變片測量電路,電阻式傳感器,令：,金屬絲應(yīng)變片：,V與應(yīng)變成線形關(guān)系，可以用電橋測量電壓測量應(yīng)變,電阻式傳感器,電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù),1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕.斷絲等 缺陷，有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。,2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大 小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值 相差不得大于0.5歐姆.,3.試件表面處理：貼片處置用細(xì)紗紙打磨干凈，用 酒精棉球反復(fù)擦洗貼處，直到棉球無黑跡為止。,4.應(yīng)變片粘貼:在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水， 輕輕涂抹均勻，立即放在應(yīng)變貼片位置。,電阻式傳感器,5.焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導(dǎo)引線上。,6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織，應(yīng) 大于500M歐。,7.應(yīng)變片保護(hù)：用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上，防止 受潮。,電阻式傳感器,電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用：測力,電阻式傳感器,標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品,電阻式傳感器,案例：電子稱,原理 將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。,電阻式傳感器,案例：沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過程監(jiān)測,電阻式傳感器,案例：機(jī)器人握力測量,電阻式傳感器,案例：振動(dòng)式地音入侵探測器,適合于金庫、倉庫、古建筑的防范，挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn)。,電阻式傳感器,電阻式傳感器,變換原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化,兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:,、A或發(fā)生變化時(shí)，都會引起電容的變化。,電容式傳感器,a)極距變化型,電容式傳感器,駐極體電容傳聲器,它采用聚四氟乙烯材料作為振動(dòng)膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后，表面永久地駐有極化電荷，取代了電容傳聲器極板，故名為駐極體電容傳聲器。特點(diǎn)是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。,電容式傳感器,b)面積變化型,電容式傳感器,平面線位移型,電容式傳感器,柱面線位移型.,電容式傳感器,產(chǎn)品.,陶瓷電容壓力傳感器,液體壓力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片產(chǎn)生 位移。,電容式傳感器,c) 介質(zhì)變化型,電容式傳感器,產(chǎn)品.,電容式液位傳感器（液位計(jì)/料位計(jì)）,電容式傳感器,電容式接近開關(guān),測量頭構(gòu)成電容器的一個(gè)極板，另一個(gè)極板是物體本身，當(dāng)物體移向接近開關(guān)時(shí)，物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化，使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測物體，并不限于金屬導(dǎo)體，也可以是絕緣的液體或粉狀物體。,電容式傳感器,電容式傳感器,3 測量電路,a)電橋電路,電容式傳感器,b) 諧振電路,電容式傳感器,d) 運(yùn)算放大器電路,電容式傳感器,電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。,分類:,電感式傳感器,電感式傳感器,1 自感型-可變磁阻式,原理:電磁感應(yīng),電感式傳感器,電感式接近傳感器（金屬）,電感式傳感器,教學(xué)用低成本四線制無二次儀表傳感器,電感式傳感器,2 渦流式,原理:渦流效應(yīng),電感式傳感器,原線圈的等效阻抗Z變化：,電感式傳感器,電感式傳感器,產(chǎn)品：,電感式傳感器,案例：連續(xù)油管的橢圓度測量,電感式傳感器,案例：無損探傷,原理 裂紋檢測，缺陷造成渦流變化。,火車輪檢測,油管檢測,電感式傳感器,2 互感型-差動(dòng)變壓器,電感式傳感器,電感式傳感器,差動(dòng)變壓器測量電路,電感式傳感器,差動(dòng)變壓器位移傳感器,電感式傳感器,案例：板的厚度測量,電感式傳感器,案例：張力測量,電感式傳感器,1.變換原理:壓電效應(yīng),某些物質(zhì)，如石英，受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會發(fā)生變化，而且內(nèi)部會被極化，表面產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。,壓電式傳感器,2、測量電路,壓電式傳感器輸出電信號很微弱，通常應(yīng)把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中，經(jīng)過阻抗變換后，方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。,壓電式傳感器,產(chǎn)品,壓力變送器,加速度計(jì),力傳感器,壓電式傳感器,案例：飛機(jī)模態(tài)分析,壓電式傳感器,案例：熱軋?jiān)O(shè)備診斷,壓電式傳感器,1.變換原理:,磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢的一種轉(zhuǎn)換器。,感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢e為,磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會改變感應(yīng)電動(dòng)勢。,磁電式傳感器,2 分類,磁電式傳感器,動(dòng)圈式傳感器,線速度型,磁電式傳感器,角速度型,測速電機(jī),磁電式傳感器,磁阻式傳感器,磁電式傳感器,案例：鼠籠電機(jī)轉(zhuǎn)子斷細(xì)條檢測,磁電式傳感器,霍爾式傳感器,霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成，如圖。,霍爾式傳感器,霍爾式傳感器,測轉(zhuǎn)角：,電流傳感器,當(dāng)電流流過導(dǎo)線時(shí)，將在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生磁場，磁場大小與流過導(dǎo)線的電流大小成正比，這一磁場可以通過軟磁材料來聚集，然后用霍爾器件進(jìn)行檢測。,鐵磁材料裂紋檢測,葉片和齒輪位置傳感器,應(yīng)用,案例：汽車速度測量:,1.雙金屬溫度計(jì),把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計(jì)，可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機(jī)械量變化。,優(yōu)點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)簡單 牢固 可靠 防爆,熱敏式傳感器,熒光燈啟輝器,零線,火線,當(dāng)電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導(dǎo)電（輝光放電），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。電路中電流突然中斷，使鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生一個(gè)比電源電壓高得多的感應(yīng)電動(dòng)勢，在強(qiáng)電場的作用下，引起管內(nèi)汞蒸氣電離而形成弧光放電.,熒光燈啟輝器,啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯(lián)而成輝光放電管內(nèi)有一個(gè)U形雙金屬片，一個(gè)固定靜止觸極電板，稱為靜觸板或靜觸極，玻璃管內(nèi)充有氖氣或氬氣，或氖氬混合的惰性氣體。當(dāng)電路接通，啟輝器兩端極片得電，擊穿惰性氣體而導(dǎo)電（輝光放電過程），雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。此時(shí)電流直接經(jīng)過雙金屬片與靜觸板流通，惰性氣體失去作用而不放電，雙金屬片開始冷卻，經(jīng)過18秒的時(shí)間，雙金屬片收縮回原來狀態(tài)，啟輝器停止工作。,2. 熱電溫度計(jì)(熱電偶),熱電效應(yīng),將兩種不同材料的導(dǎo)體A和B串接成一個(gè)閉合回路，當(dāng)兩個(gè)接點(diǎn)溫度不同時(shí)，在回路中就會產(chǎn)生熱電勢，形成電流，此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。,k玻耳茲曼常數(shù)， e電子電荷量， T接觸處的溫度 NA，NB分別為導(dǎo)體A和B的自由電子密度。,熱電偶測溫基本定律,1)均質(zhì)導(dǎo)體定律 由一種均質(zhì)導(dǎo)體組成的閉合回路，不論導(dǎo)體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動(dòng)勢。,2)中間導(dǎo)體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導(dǎo)體，只要其兩端的溫度相等，該導(dǎo)體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動(dòng)勢。,3)參考電極定律 兩種導(dǎo)體A,B分別與參考電極C組成熱電偶，如果他們所產(chǎn)生的熱電動(dòng)勢為已知，A和B兩極配對后的熱電動(dòng)勢可用下式求得：,由于鉑的物理化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。,3 熱敏電阻傳感器,半導(dǎo)體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導(dǎo)體，它具有負(fù)的電阻溫度系數(shù)，隨溫度上升而阻值下降。,產(chǎn)品,溫控器,應(yīng)用：,汽車發(fā)動(dòng)機(jī)傳感器,水溫感應(yīng)塞,還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計(jì)等,光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量，并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。,內(nèi)光電效應(yīng),半導(dǎo)體材料受到光照時(shí)會產(chǎn)生電子-空穴對,使其導(dǎo)電性能增強(qiáng),光線愈強(qiáng)，阻值愈低，這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為內(nèi)光電效應(yīng) 。,光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管,光電式傳感器,光電式傳感器,照相機(jī)自動(dòng)測光 光控?zé)?工業(yè)控制,光電式傳感器,光電池,光生伏特效應(yīng)指半導(dǎo)體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動(dòng)勢的效應(yīng)。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。,光電式傳感器,應(yīng)用,光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式。,光電式傳感器,光電式傳感器,光電式傳感器,光電式傳感器,案例：光電鼠標(biāo)就是利用LED與光敏晶體管組合來 測量位移。,光電式傳感器,光電式傳感器,相機(jī)測距反射式光電傳感器,光電式傳感器,光電式傳感器,CCD圖像傳感器又名電荷耦合器，英文名為Charge Coupled Device，簡稱CCD。 20世紀(jì)60年代美國貝爾電報(bào)電話公司的工程師發(fā)明 它由以陣列方式（線陣、面陣）排列在襯底材料上的金屬氧化物半導(dǎo)體（Metal Oxide Semiconductor，簡稱MOS）電容器件組成的。,CCD圖像傳感器,MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導(dǎo)體(P型硅)基片上形成一種氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉積一層金屬電極，以此形成一個(gè)金屬-氧化物-半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)元（像素）。,CCD圖像傳感器,在半導(dǎo)體硅片上按線陣或面陣排列MOS結(jié)構(gòu)元，如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像，則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強(qiáng)度相對應(yīng)的光生電荷圖像。,CCD圖像傳感器,功能：光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷 組成：CCD芯片和CCD驅(qū)動(dòng)器,CCD圖像傳感器,特點(diǎn): (1) 非接觸檢測； (2) 響應(yīng)快； (3) 可靠性高,為修簡便； (4) 測量精度高； (5) 體積小，重量輕，容易與計(jì)算機(jī)連接； (6) 對被測物體需要強(qiáng)光照射； (7) 受被測物體以外的光的影響。,CCD圖像傳感器,CCD圖像傳感器,應(yīng)用： 條碼閱讀器，可視電話，數(shù)碼攝像機(jī)，數(shù)碼照相機(jī)，傳真機(jī)，復(fù)印機(jī) 位移、位置、高度、速度、振動(dòng)等各類物理量的測量 工業(yè)領(lǐng)域的在線檢測，交通、指紋識別 復(fù)雜物體的三維掃描,寬度測量 外徑測量 主軸徑向跳動(dòng)測量.,GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114,數(shù)碼相機(jī),CCD圖像傳感器,傳感器一般指能夠感知某種物理量（如電、光、磁等）、化學(xué)量（如濃度、PH值等）、生物量（如細(xì)菌等）等的信息，并將該信息轉(zhuǎn)化為電信息的裝置。,智能傳感器是將傳感器與微型計(jì)算機(jī)集成在一塊芯片上，其主要特征是將敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合，使其除了具有感知的本能外，還具有認(rèn)知能力。,智能傳感器,嵌入式計(jì)算機(jī),智能傾角RS232傳感器,IC總線數(shù)字溫度傳感器,振動(dòng)網(wǎng)絡(luò)傳感器,智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器,GSM/SMS,選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)