第6章 傳感器原理與測(cè)量電路1

1、第第六六章章 SensorsSensors2主要內(nèi)容主要內(nèi)容SensorsSensors31.1.了解傳感器的分類2.2.掌握常用傳感器測(cè)量原理3.3.了解傳感器測(cè)量電路本章學(xué)習(xí)要求本章學(xué)習(xí)要求SensorsSensors4正在給主人敬送飲料的機(jī)器人6.1 概 述傳感器技術(shù)信息采集“感官”通信技術(shù)信息傳輸“神經(jīng)”計(jì)算機(jī)技術(shù)信息處理“大腦”SensorsSensors5傳感器按感官的歸類6.1 概 述人的感覺(jué)人的感官信號(hào)形態(tài)轉(zhuǎn)換相關(guān)器件物理現(xiàn)象視覺(jué)眼光電流光電阻光電流光電池光敏電阻器光電晶體管光電動(dòng)勢(shì)光導(dǎo)效應(yīng)聽覺(jué)耳位移電壓位移電阻位移電壓位移電容壓電器件應(yīng)變計(jì)霍爾元件壓變電容器壓電效應(yīng)壓阻效應(yīng)霍

2、爾效應(yīng)壓力引起電容量變化溫覺(jué)與觸覺(jué)皮膚溫度電壓溫度電阻壓力電阻壓力電容壓力電壓壓力電壓熱電偶熱敏電阻器應(yīng)變計(jì)壓變電容器壓電傳感器電感式傳感器塞貝克效應(yīng)溫度引起載流子數(shù)的變化壓阻效應(yīng)壓力引起電容量的變化壓電效應(yīng)嗅覺(jué)鼻氣體電阻氣體電流半導(dǎo)體氣敏元件電化學(xué)氣體傳感器表面吸附現(xiàn)象電化學(xué)反應(yīng)味覺(jué)舌化學(xué)變化電離子電極酶?jìng)鞲衅鱏ensorsSensors6 傳感器是將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成為與之有確定對(duì)應(yīng)關(guān)系的、容易測(cè)量、傳輸或處理的另一種形式的量（大多為電量）的裝置。6.1 概 述傳感器定義物理量電量傳感器電壓、電流、頻率、脈沖等尺寸、位移、溫度、力等SensorsSensors76.1 概 述傳感器組成 傳感器由

3、敏感器件與輔助器件組成。敏感元件的作用是感受被測(cè)物理量，并對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對(duì)敏感器件輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大、阻抗匹配，以便于后續(xù)儀表接入。SensorsSensors8按被測(cè)物理量分類6.1 概 述傳感器分類機(jī)械量：長(zhǎng)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(chǎng)；光：亮度，色彩；溫度：溫度，熱量，比熱。SensorsSensors96.1 概 述按傳感原理分類傳感器分類電容式傳感器電阻式傳感器壓電式傳感器磁電式傳感器電感式傳感器光電式傳感器光纖式傳感器光柵式傳感器SensorsSensors10

4、6.1 概 述按信號(hào)變換特征傳感器分類能量轉(zhuǎn)換型：直接由被測(cè)對(duì)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(cè)量控制外部供給能量的變化。例如電阻應(yīng)變片。SensorsSensors116.1 概 述基本參數(shù)指標(biāo)環(huán)境參數(shù)指標(biāo)可靠性指標(biāo)其它指標(biāo)量程指標(biāo)：量程范圍、過(guò)載能力等靈敏度指標(biāo)：靈敏度、分辨力、滿量程輸出、輸入輸出阻抗等精度有關(guān)指標(biāo)：精度、誤差、線性、滯后、重復(fù)性、靈敏度誤差、穩(wěn)定性動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：固有頻率、阻尼比、時(shí)間常數(shù)、頻率響應(yīng)范圍、頻率特性、臨界頻率、臨界速度、穩(wěn)定時(shí)間等溫度指標(biāo)：工作溫度范圍、溫度誤差、溫度漂移、溫度系數(shù)、熱滯后等抗沖振指標(biāo)：容

5、許各項(xiàng)抗沖振的頻率、振幅及加速度、沖振所引入的誤差其它環(huán)境參數(shù)：抗潮濕、抗介質(zhì)腐蝕能力、抗電磁場(chǎng)干擾能力等工作壽命、平均無(wú)故障時(shí)間、保險(xiǎn)期、疲勞性能、絕緣電阻、耐壓及抗飛弧等使用有關(guān)指標(biāo)：供電方式 （直流、交流、頻率及波形等）、功率、各項(xiàng)分布參數(shù)值、電壓范圍與穩(wěn)定度等外形尺寸、重量、殼體材質(zhì)、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等安裝方式、饋線電纜等SensorsSensors126.1 概 述1. 發(fā)展、利用新效應(yīng)； 2. 開發(fā)新材料；3. 提高傳感器性能和檢測(cè)范圍；4. 微型化與微功耗；5. 集成化與多功能化；6. 傳感器的智能化；7. 傳感器的數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化。傳感器的發(fā)展趨勢(shì)SensorsSensors136.2

6、6.2 電容式傳感器電容式傳感器一、電容傳感器概述、工作原理和類型；二、電容傳感器輸出特性；三、電容式傳感器的特點(diǎn)；四、電容傳感器測(cè)量電路；五、電容式傳感器的應(yīng)用舉例。主要內(nèi)容學(xué)習(xí)要求1.掌握電容式傳感器工作原理； 2.掌握電容式傳感器的分類、及它們各自的特點(diǎn)；3.了解電容式傳感器的測(cè)量電路。 SensorsSensors14電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置，實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器。 6.2 6.2 電容式傳感器電容式傳感器ACr0極板面積極板間距離相對(duì)介電常數(shù)真空介電常數(shù)A0r介電常數(shù)變化型面積變化型極距變化型SensorsSensors156.2 6.2 電容式傳

7、感器電容式傳感器極距變化型OCC非線性變化后電容：1 112000000000000000 CCCCCACC。通常取為近似線性。靈敏度時(shí)，當(dāng)0.1S,000000CCCCSensorsSensors166.2 6.2 電容式傳感器電容式傳感器討 論要提高傳感器靈敏度S應(yīng)減小初始極距 ,但極距也要受電容擊穿電壓限制。非線性隨相對(duì)位移 的增加而增加，為保證線性度應(yīng)限制相對(duì)位移。 初始極距 與S， 與線性度相矛盾，決定了極距變化型電容傳感器只適合測(cè)小位移（ 在0.01微米至零點(diǎn)幾毫米）。 為提高靈敏度和改善非線性，一般采用差動(dòng)結(jié)構(gòu)。 0000/SensorsSensors17極距變化型電容傳感器 0

8、0C1C2 差動(dòng)式極距變化型SensorsSensors18 差動(dòng)式極距變化型傳感器靈敏度可提高一倍，而非線性可大大減小。)4()3()2()(1 110000000001 CCACr)4()3()2()(1 110000000002 CCACr)5()3()(2000021 CCCC002CCS極距變化型電容傳感器SensorsSensors19v 極距變化型電容式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，靈敏度高，可進(jìn)行非接觸測(cè)量。但由于輸出非線性特性、傳感器雜散電容對(duì)靈敏度和測(cè)量精度的影響，以及與傳感器配合使用的電子線路比較復(fù)雜等缺點(diǎn)，因此使用范圍受到一定限制。差動(dòng)式電容傳感器比單個(gè)電容靈敏度提高一倍，

9、非線性誤差減小。特點(diǎn)1.主要用于小位移量測(cè)量，0.01m到數(shù)百m。2.分辨力可達(dá)0.1m，靈敏度較高。極距變化型電容傳感器SensorsSensors20應(yīng)用舉例電容式傳聲器SensorsSensors21 面積變化型電容傳感器的工作原理是在被測(cè)參數(shù)的作用下改變極板的有效面積。常用的有角位移型和線位移型兩種。優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系。但與極距變化型相比，靈敏度較低。適用于較大角位移及直線位移的測(cè)量。面積變化型電容傳感器SensorsSensors22定板動(dòng)板覆蓋面積電容量靈敏度22rA220rCr常數(shù)220rddCSr電容量靈敏度常數(shù)bdxdCSr0bxCr0面積變化型電容傳感器Sensor

10、sSensors23特特點(diǎn)點(diǎn) 輸出特性為線性，靈敏度S為常數(shù)，適合測(cè)量大位移。 2.與極距變化型相比，靈敏度較低v 應(yīng)用舉例 檢測(cè)齒輪轉(zhuǎn)速面積變化型電容傳感器SensorsSensors24介電常數(shù)變化型電容傳感器ACr0SensorsSensors25介電常數(shù)變化型電容傳感器rrrdAAdAAdACCCCC000002121非線性 板材測(cè)厚SensorsSensors26介電常數(shù)變化型電容傳感器位移測(cè)量dbxdbldbxdxlbCCCrr)1()(000021線 性SensorsSensors27電容式傳感器的等效電路Rs 為引線,電容器支架和極板的電阻。Rp 為并聯(lián)損耗電阻，它代表極板間的

11、泄漏電阻和極板間的介質(zhì)損耗。通常在低頻時(shí)較大。電感L由電容器本身的電感和外部引線的電感所組成。低頻時(shí)很小，在很高的頻率工作時(shí)需要加以考慮。電容傳感器諧振頻率通常為幾十兆赫，通常工作點(diǎn)應(yīng)在其諧振頻率的 1/21/3 ，且使用條件必須與標(biāo)定條件相同。ABLCCCe21傳感器等效電容：SensorsSensors28電容式傳感器的等效電路驅(qū)動(dòng)電纜技術(shù)消除寄生電容的影響SensorsSensors29電容式傳感器的常用轉(zhuǎn)換電路電橋電路02EUo21212CCCCEUo001ACr002ACr， SensorsSensors30二極管雙T型電路電容式傳感器的常用轉(zhuǎn)換電路)()()2(212ccfURRR

12、RRRUELLLRLSensorsSensors31ACUCCUUrsxso000電容式傳感器的常用轉(zhuǎn)換電路運(yùn)算放大器式電路C0CxUsUo-Kixi0ai=0SensorsSensors32 有一圓板電容傳感器，直徑 ，極板間距離 , 極板間介質(zhì)為空氣，試計(jì)算其電容 之值。又若將此電容傳感器接至振蕩器的調(diào)諧回路( 皮法， 微亨)作為調(diào)頻元件，為使測(cè)量時(shí)有較均勻的靈敏度，要求調(diào)頻最大偏頻在 以內(nèi)，求電容傳感器的 。mmD20mm2.000C90C10L%5 . 0C可移動(dòng)極板0課堂練習(xí)課堂練習(xí)SensorsSensors33pFAc9.132.0101085.8212000pFccc9 .10

13、3909 .13001)2)dcfcdcccLdf0000121121210021CLf%5 .00fdfpFcdc04.1005.020課堂練習(xí)課堂練習(xí)解法1SensorsSensors34課堂練習(xí)課堂練習(xí)%5 .000fff%5 .000fffpFc039.199.0005.12000ffcc020cffc01.1995.02000ffccpFc039. 1解法2SensorsSensors35電容式傳感器的特點(diǎn)主要優(yōu)點(diǎn)主要缺點(diǎn)1. 溫度穩(wěn)定性好；2. 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)；3. 動(dòng)態(tài)響應(yīng)好；4. 可以實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量，具有平均效應(yīng)。 輸出阻抗高，負(fù)載能力差；2. 寄生電容影響大。Sensor

14、sSensors36本講要點(diǎn)總結(jié)v1電容傳感器工作原理和類型v2. 電容傳感器輸出特性和測(cè)量電路 v3. 電容式傳感器的應(yīng)用ACr0SensorsSensors37 電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類：電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型6.3 電感式傳感器SensorsSensors386.3 電感式傳感器鐵芯銜鐵線圈變磁阻式電感傳感器mRNL2N線圈匝數(shù)；Rm磁路的總磁阻；2202ANRNLmAAAlRm0022SensorsSensors39變磁阻式電感傳感器傳感器類型可變導(dǎo)磁面積型可變氣隙厚度型差動(dòng)型SensorsSensors40 靈敏度與氣

15、隙厚度的平方成反比。為了減小非線性誤差，提高靈敏度，通常使這種傳感器在小氣隙狀態(tài)下工作，其測(cè)量范圍在 0.001mm 與 lmm 之間。2202ANRNLm00LS 變氣隙型自感傳感器非差動(dòng)式SensorsSensors41 當(dāng)銜鐵位于中間位置(位移為零)時(shí)，兩線圈自感相等，i1i2，i=0，輸出電壓U0。當(dāng)銜鐵有位移時(shí)，一個(gè)線圈自感增加，另一個(gè)線圈自感減小，U的大小表示了銜鐵位移量，極性表示了銜鐵移動(dòng)方向。若位移使i1增大，則必定使i2減小相同的值，于是靈敏度增加一倍。變氣隙型自感傳感器差動(dòng)式002LS SensorsSensors42主要特點(diǎn)：主要特點(diǎn)：具有較好的線性，測(cè)量范圍也比較大，但

16、它的靈敏度比不上改變氣隙厚度的電感傳感器。2202ANRNLm變面積型自感傳感器SensorsSensors43 螺線管式電感傳感器是一種開磁路電感傳感器，其工作原理是基于線圈漏磁路徑中的磁阻變化。由于空氣通路長(zhǎng)，使得磁路的磁阻比較高，因此這種傳感器的靈敏度比較低，對(duì)于小位移測(cè)量意義不大。主要用于較大位移的測(cè)量，可達(dá)數(shù)毫米到數(shù)百毫米?？蓜?dòng)鐵芯螺管型自感傳感器SensorsSensors44這種傳感器實(shí)際上是個(gè)變壓器，初級(jí)線圈Wl通電后，次級(jí)線圈W2便感應(yīng)出電壓。被測(cè)量的變化使初、次級(jí)線圈間互感發(fā)生變化，感應(yīng)電壓也產(chǎn)生相應(yīng)變化。由于這種傳感器常制成差動(dòng)的形式，故稱差動(dòng)變壓器。dtdiMe11差動(dòng)

17、變壓器式傳感器x次級(jí)線圈次級(jí)線圈W1初級(jí)線圈初級(jí)線圈W次級(jí)線圈次級(jí)線圈W2鐵芯鐵芯PSensorsSensors45x次級(jí)線圈次級(jí)線圈W1初級(jí)線圈初級(jí)線圈W次級(jí)線圈次級(jí)線圈W2鐵芯鐵芯P前提：M1M2M1、鐵芯位于中間e1=e2，eo=02、鐵芯上移，e1e2,eo與e1同相3、鐵芯下移，e2e1,eo與e2同相螺線管式差動(dòng)變壓器式傳感器SensorsSensors46測(cè)量轉(zhuǎn)換電路 交流電橋交流電橋等效電路交流電橋式SensorsSensors47測(cè)量轉(zhuǎn)換電路諧振式調(diào)幅電路諧振式調(diào)頻電路諧振式SensorsSensors48電渦流式傳感器原理:渦流效應(yīng)),(hfZ SensorsSensors

18、49 高頻(1MHz以上)激勵(lì)電流i施加于鄰近金屬板一側(cè)的線圈，由線圈產(chǎn)生的高頻電磁場(chǎng)作用于金屬板的表面。金屬板表面感應(yīng)的渦流產(chǎn)生的電磁場(chǎng)又反作用于線圈上，改變了電感的大小。當(dāng)線圈與金屬板的距離發(fā)生變化時(shí)，導(dǎo)致耦合系數(shù)k、線圈自感L、線圈阻抗ZL的相應(yīng)變化。高頻反射式渦流傳感器SensorsSensors50 多用于測(cè)定材料厚度。當(dāng)激勵(lì)低頻電壓e1加到發(fā)射線圈W1上后，在被測(cè)材料中產(chǎn)生渦流i而損耗部分能量，導(dǎo)致接收線圈W2上產(chǎn)生的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)e2減小。其減小量與材料的厚度和材料性質(zhì)有關(guān)，對(duì)一定的材料，e2隨厚度呈指數(shù)規(guī)律減小。低頻透射式渦流傳感器SensorsSensors51不同頻率下的e=f

19、(h)曲線SensorsSensors52應(yīng)用舉例高頻反射式渦流傳感器如何測(cè)厚？SensorsSensors53應(yīng)用舉例高頻反射式渦流測(cè)厚系統(tǒng)示意圖SensorsSensors54CCD應(yīng)用舉例SensorsSensors55連續(xù)油管的橢圓度測(cè)量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle應(yīng)用舉例SensorsSensors56電渦流傳感器振動(dòng)測(cè)量示意圖應(yīng)用舉例SensorsSensors57火車輪檢測(cè)火車輪檢測(cè)油管檢測(cè)油管檢測(cè)應(yīng)用舉例SensorsSensors58結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠，沒(méi)有觸點(diǎn)摩擦，靈敏度、分辨率都比較高，輸出功率也比較大，測(cè)量準(zhǔn)確度也比較高。對(duì)激

20、磁電源的頻率和振幅的穩(wěn)定性要求比較高。6.3 電感式傳感器 利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)量（位移、壓力等）轉(zhuǎn)換為線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換成電壓或電流的變化量輸出，這種將被測(cè)非電量轉(zhuǎn)換為電感變化的裝置稱為電感式傳感器。SensorsSensors596.5 壓電式傳感器v 壓電效應(yīng)壓電效應(yīng) 某些物質(zhì)在沿一定方向上施加外力使之變形時(shí)，其內(nèi)部電荷分布將發(fā)生變化，使得表面的金屬電極產(chǎn)生電荷。在外力除去后，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)。這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。 相反，如果把這些物質(zhì)置于電場(chǎng)中，其幾何尺寸也將發(fā)生變化，這種由于外電場(chǎng)作用導(dǎo)致物質(zhì)的機(jī)械變形的現(xiàn)象，稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致

21、伸縮效應(yīng)。SensorsSensors60壓電材料天然晶體 (如天然石英晶體) 性能穩(wěn)定，機(jī)械性能好，廣泛應(yīng)用于振蕩器、諧振器等元件材料。人造晶體(如鈦酸鋇、鋯鈦酸鋇等)靈敏度較高，性能存在缺陷，已逐漸被取代。壓電陶瓷（鋯鈦酸鉛、氧化鋅等）現(xiàn)今大多采用的材料。壓電高聚物薄膜（聚偏二氟乙烯）壓電性強(qiáng)、柔性好，已得到應(yīng)用。v具有這種壓電效應(yīng)的物質(zhì)稱為壓電材料或壓電元件。SensorsSensors61Oxyz縱向軸z稱為光軸經(jīng)過(guò)六面體棱線并垂直于光軸的x軸稱為電軸與z和x抽同時(shí)垂直的軸y稱為機(jī)械軸壓電材料SensorsSensors62 通常把沿電軸x方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電

22、效應(yīng)”，而把沿機(jī)械軸y方向的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。而沿光抽z方向受力時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 壓電效應(yīng)SensorsSensors63 不受力時(shí)：不受力時(shí)： 大小大小相等，相互夾角相等，相互夾角 ，因此，因此， 。321,ppp01200321ppp石英晶體極化效應(yīng)SensorsSensors64 把沿電軸把沿電軸x方向方向的力作用下產(chǎn)生電的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為荷的壓電效應(yīng)稱為“縱向壓電效應(yīng)縱向壓電效應(yīng)”?？v向壓電效應(yīng)SensorsSensors65 把沿機(jī)械軸把沿機(jī)械軸y方向方向的作用下產(chǎn)生電荷的的作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)稱為“橫向橫向壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)

23、”。橫向壓電效應(yīng)SensorsSensors66 作用力越大，產(chǎn)生的電偶極矩越大，極板上出現(xiàn)的電荷越多。壓電片變形量。壓電片剛度；壓電常數(shù)；電荷量；式中：KDqDKDFq石英晶體極化效應(yīng)SensorsSensors67單個(gè)晶片的等效電路單個(gè)晶片的等效電路Ca 壓電元件兩電極間的石英晶體或壓電陶瓷為絕壓電元件兩電極間的石英晶體或壓電陶瓷為絕緣體，因此就構(gòu)成一個(gè)電容器緣體，因此就構(gòu)成一個(gè)電容器 。壓電元。壓電元件的開路電壓：件的開路電壓：ACa0aaaCDFCqeSensorsSensors68+ + + + + + + + +FF晶片并接CaRaqea靈敏度：靈敏度：DdFdqSq特特點(diǎn)點(diǎn)1.

24、電荷得到放大。2. 適用于測(cè)量緩變信號(hào)和以電荷為輸出量的場(chǎng)合。SensorsSensors69晶片串接+ + + + + + + + +FFCaRaea靈敏度：靈敏度：aaeCDdFdeS特特點(diǎn)點(diǎn)1. 電壓得到放大。2. 適用于以電壓為輸出量、測(cè)量電路有高輸入 阻抗的場(chǎng)合。 SensorsSensors70測(cè)量電路電壓放大器U-A傳感器電纜電壓放大器RaRiCaCcCiUiUo222)(1)(icamimCCCRRFDUSensorsSensors71qAUoCaCcCiCfUi傳感器電纜電荷放大器foCqU測(cè)量電路電荷放大器ffioACCCAqAUU開環(huán)增益足夠大時(shí)，即 ，可簡(jiǎn)化為: ffCCKCSensorsSensors72 壓電式傳感器是一種典型的自發(fā)電式傳感器，常用來(lái)測(cè)量力、壓力、振動(dòng)加速度，也用于聲學(xué)(包括超聲)、聲發(fā)射及幾何量等的測(cè)量。壓電式傳感器SensorsSensors73壓電式加速度傳感器SensorsSensors746.7 6.7 霍爾傳感器霍爾傳感器v 金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流和磁場(chǎng)的方向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，這種物理現(xiàn)象稱為霍爾效應(yīng)。 BIKUCHHcosBIKUCHHSensorsSensors756.7 霍爾傳感器v霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成。SensorsS