傳感器習(xí)題課課件

1、傳感器原理及應(yīng)用西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院(學(xué)分: 2 學(xué)時(shí): 32)主講教師:華澤璽電話:68146639感器習(xí)題課一、第一次作業(yè)二、第二次作業(yè)三、第三次作業(yè)一、第一次作業(yè)寫出傳感器的定義；傳感器是指那些對(duì)被測(cè)量對(duì)象的某一確定的信息具有感受（或響應(yīng)）與檢出功能，并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成與之對(duì)應(yīng)的有用輸出信號(hào)的元器件或裝置。 (補(bǔ)充)傳感器（Transducer或sensor)有時(shí)亦被稱為換能器、變換器、變送器或探測(cè)器。 何為傳感器的靜態(tài)特性？靜態(tài)特性的主要技術(shù)指標(biāo)有哪些？是指當(dāng)被測(cè)量的各個(gè)值處于穩(wěn)定狀態(tài)(靜態(tài)測(cè)量傳感器的線性度是怎樣確定的？擬合直線的確定有哪幾種常用方法？

2、線性度也稱為非線性誤差，表示傳感器實(shí)際的輸入輸出關(guān)系曲線偏離擬合直線（一般選取與實(shí)際曲線誤差最小的直線）的程度。 表達(dá)式 E 非線性誤差（線性度） max 校準(zhǔn)曲線與擬合 直線間的最大差值 YFS 滿量程輸出值一階傳感器怎樣確定輸入信號(hào)頻率范圍？對(duì)數(shù)幅頻特性曲線通頻帶其中，0dB水平線是理想的零階系統(tǒng)的幅頻特性在工程上，常將3dB所對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)范圍作頻率響應(yīng)范圍，又稱通頻帶，它等于上截止頻率 與下截止頻率 的差值。 是衡量傳感器動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性的重要指標(biāo)之一。什么是動(dòng)態(tài)誤差？描述一下傳感器的差動(dòng)技術(shù)。 在動(dòng)態(tài)的輸入信號(hào)情況下，輸出信號(hào)一般來(lái)說不會(huì)與輸入信號(hào)具有完全相同類型的時(shí)間函數(shù)，這種輸出與輸

3、入間的差異就是所謂的動(dòng)態(tài)誤差。差動(dòng)技術(shù)是基于傳感器非線性的目的考慮的。傳感器的靜態(tài)特性可用一個(gè)代數(shù)多項(xiàng)式表示為nnxaxaxaay+=.2210由于其動(dòng)態(tài)曲線可看出，其線性通常很差，我們注意到只存在奇次項(xiàng)，即.55331+=xaxaxay則其特性曲線對(duì)稱原點(diǎn)，并且在原點(diǎn)附近很寬的范圍內(nèi)存在近似線性段。差動(dòng)技術(shù)正是利用奇次多項(xiàng)式的這一特點(diǎn)，設(shè)法使傳感器的輸出特性中不含偶次非線性項(xiàng)，達(dá)到減小非線性的目的。 設(shè)一傳感器輸出為用另一相同傳感器，使其輸入量符號(hào)相反，則輸出為nnxaxaxaay1+=.2210nnxaxaxaay2+-+-=.2210用最小二乘法求擬合直線方法,得出k和b的所有推導(dǎo)過程,

4、要求有中間過程。設(shè)擬合直線為 ，如果實(shí)際校準(zhǔn)測(cè)試點(diǎn)有 n個(gè)，則：由 式分別對(duì) k 和 b 求一階偏導(dǎo)數(shù)并令其等于零，得：)(iikxbyi+-=D2112)(=+-=Dniiinikxbyi按最小二乘法原理， 應(yīng)最小。=Dnii12一臺(tái)精度等級(jí)為05級(jí)、量程范圍6001 200的溫度傳感器，它最大允許絕對(duì)誤差是多少?檢驗(yàn)時(shí)某點(diǎn)最大絕對(duì)誤差是4，問此表是否合格? 解：根據(jù)精度定義表達(dá)式A=100，并由題意已知：A=05，YFS=(1200-600)，得最大允許絕對(duì)誤差 A=A YFS =0.5 (1200-600)=3 此溫度傳感器最大允許絕對(duì)誤差為3。檢驗(yàn)?zāi)滁c(diǎn)的最大絕對(duì)誤差為4，大于3，故此傳

5、感器不合格。解:最小二乘法求擬合刻度直線。根據(jù)計(jì)算公式測(cè)量范圍分成6等分，取n=6,列表如下： X 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 Y 1 1.221 1.492 1.822 2.226 2.718 X2 0 0.04 0.16 0.36 0.64 1 XY 0 0.2442 0.597 1.093 1.781 2.718 分別計(jì)算得X=3, Y=10.479 , XY=6.433, X2=2.2=-=niniiinininiiiiniiixxnyxxyxb121211112)(=0.894得最小二乘法擬合直線方程為Y=0.894+1.705X=-=niniiinininiiiii

6、xxnyxyxnk1212111)(=1.705某玻璃水銀溫度計(jì)微分方程式為式中，Qo為水銀柱高度(m)；Qi為被測(cè)溫度()。試確定該溫度計(jì)的時(shí)間常數(shù)和靜態(tài)靈敏度系數(shù)。解：該溫度計(jì)為一階傳感器,其微分方程基本形式為此式與已知微分方程比較可得時(shí)間常數(shù)與靜態(tài)靈敏度系數(shù)，即一階系統(tǒng)微分方程（1）頻率響應(yīng)特性分析時(shí)間常數(shù)靜態(tài)靈敏度拉氏變換傳遞函數(shù)由一階微分方程推導(dǎo)一階系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。頻率響應(yīng)函數(shù)幅頻特性相頻特性討論： 越小，頻率響應(yīng)特性越好。二、第二次作業(yè)電阻式傳感器有哪些主要類型？電阻式傳感器主要分為兩大類:電位計(jì)(器)式電阻傳感器以及應(yīng)變式電阻傳感器。前者分為線繞式和非線繞式；后者分為金

7、屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片。什么是金屬材料的應(yīng)變效應(yīng)？什么是半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)？導(dǎo)體或半導(dǎo)體材料在受到外界力(拉力或壓力)作用時(shí),產(chǎn)生機(jī)械變形,機(jī)械變形導(dǎo)致其阻值變化,這種因形變而使其阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為“應(yīng)變效應(yīng)”金屬應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。金屬的電阻隨著它所承受的機(jī)械變形（拉伸或壓縮）的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)。所謂壓阻效應(yīng)就是半導(dǎo)體材料，當(dāng)某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。比較金屬應(yīng)變片和半導(dǎo)體應(yīng)變片相同點(diǎn)與不同點(diǎn)？在外力作用下，被測(cè)對(duì)象產(chǎn)生微小機(jī)械變形，應(yīng)變片隨著發(fā)生相同的變化， 同時(shí)應(yīng)

8、變片電阻值也發(fā)生相應(yīng)變化。半導(dǎo)體應(yīng)變片的靈敏系數(shù)比金屬絲式高5080倍， 但半導(dǎo)體材料的溫度系數(shù)大，應(yīng)變時(shí)非線性比較嚴(yán)重， 使它的應(yīng)用范圍受到一定的限制。 采用應(yīng)變片進(jìn)行測(cè)量時(shí)為什么要進(jìn)行溫度補(bǔ)償？常用溫補(bǔ)的方法有哪些？粘貼在試件上的應(yīng)變片，當(dāng)環(huán)境溫度發(fā)生變化時(shí)，其阻值也將隨之發(fā)生變化，在有些情況下，這個(gè)數(shù)值甚至要大于如果將100電阻應(yīng)變片貼在彈性試件上，若試件受力橫截面積S=0.510-4m2，彈性模量正E=21011Nm2，若有F=5104N的拉力引起應(yīng)變電阻變化為1。試求該應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)? 解：由題意得應(yīng)變片電阻相對(duì)變化量根據(jù)材料力學(xué)理論可知：應(yīng)變 (為試件所受應(yīng)力， ）故應(yīng)變應(yīng)變片

9、靈敏度系數(shù)電容式傳感器有哪些優(yōu)點(diǎn)與缺點(diǎn)？和電阻式、電感式傳感器相比具有以下優(yōu)點(diǎn)：a、測(cè)量范圍大。b、靈敏度高。c、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短。d、機(jī)械損失小。e、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，適應(yīng)性強(qiáng)。有如下不足之處：a、寄生電容影響較大。b、當(dāng)電容傳感器用于變間隙原理進(jìn)行測(cè)量時(shí)具有非線性輸出。 、S、d三個(gè)參數(shù)中，保持其中兩個(gè)不變，改變另一個(gè)參數(shù)就可以使電容量C改變。這就是電容式傳感器的基本原理。推導(dǎo)差動(dòng)變間隙型電容傳感器的靈敏度和非線性誤差，并與單一型傳感器比較？動(dòng)極板上移初始位置時(shí)將上式按級(jí)數(shù)展開和非差動(dòng)相比，靈敏度提高一倍。和非差動(dòng)相比，誤差減小了。略去高次項(xiàng)：差動(dòng)脈沖寬度調(diào)制電路的用于電容傳感器測(cè)量電路，具有什么特

10、點(diǎn)？畫出電容C1C2情況下A、B、C、D各點(diǎn)和輸出U0的電壓波形（可參看教案），并給出變間隙型差動(dòng)電容傳感器電壓U0 輸出公式及所有推導(dǎo)過程。雙穩(wěn)觸發(fā)器濾波器解:無(wú)論是變間隙型或變面積型傳感器,它們的輸出都只與電容間隙和面積的關(guān)系如下:由此可見,對(duì)于差動(dòng)脈沖調(diào)寬電路,不論是改變平板電容器的極板間距離或極板間面積,其變化量與輸出量都成線性關(guān)系。除此之外，調(diào)寬線路還具有如下一些特點(diǎn)：（1）不像調(diào)幅線路那樣，需對(duì)元件提出線性玩耍求；（2）效率高，信號(hào)只要經(jīng)過低通濾波器就有較大的直流輸出；（3）不需要解調(diào)器；（4）由于低通濾波器作用，對(duì)輸出矩形波純度要求不高。這些特點(diǎn)都是其他電容測(cè)量給路無(wú)法比擬的。跳

11、變觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)跳變觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)變間隙型差動(dòng)電容傳感器工作原理上述五圖為電容C1C2情況下A、B、C、D各點(diǎn)和輸出U0的電壓波形。變間隙型差動(dòng)電容傳感器變面積型差動(dòng)電容傳感器變間隙型差動(dòng)電容傳感器電壓U0 輸出公式及所有推導(dǎo)過程。（P49）已知平板電容傳感器極板間質(zhì)介為空氣，極板面積S=aa=(22)cm2,間隙0=0.1mm。試求傳感器的電容值；若由于裝配關(guān)系，兩極板間不平行，一側(cè)間隙為0，而另一側(cè)間隙為0+b(b=0.01mm)。求此時(shí)的傳感器電容值。解：初始電容值式中兩極板不平行時(shí)求電容值變間距（）型平板電容傳感器，當(dāng)0=1mm時(shí)，若要求測(cè)量線性度為0.1%時(shí)，求允許間距測(cè)量最大變化量是多少？

12、解：當(dāng)變間距平板電容器的d/d1時(shí)，其線性度表達(dá)式為由題意故得0.1=(d/1)100，即測(cè)量允許變化d=0.001mm。三、第三次作業(yè)何為電感式傳感器?電感式傳感器分哪幾類?各有何特點(diǎn)?電感式傳感器是利用電磁感應(yīng)把被測(cè)的物理量如位移、壓力、流量、振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈的自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化，再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出，實(shí)現(xiàn)非電量 到電量的轉(zhuǎn)換。電感式傳感器種類很多，主要有自感式、互感式、渦流式三種傳感器。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，傳感器無(wú)活動(dòng)電觸點(diǎn)，因此工作可靠壽命長(zhǎng)；靈敏度和分辨率高，能測(cè)出0.01m的位移變化。傳感器的輸出信號(hào)，電壓靈敏度一般每毫米的位移可達(dá)數(shù)百毫伏的輸出；線性度和

13、重復(fù)性都比較好；缺點(diǎn)：頻率響應(yīng)較低，不宜快速動(dòng)態(tài)測(cè)控。另外,在自感式傳感器中變間隙式電感傳感器要應(yīng)用廣泛（P59）?；ジ惺絺鞲衅骶哂袦y(cè)量精度高、靈敏度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能可靠等優(yōu)點(diǎn)，因此也被廣泛應(yīng)用于非電量測(cè)量（P59） 。渦流傳感器最大的特點(diǎn)是能對(duì)位移、厚度、表面溫度、電解質(zhì)濃度、速度、應(yīng)力、材料損傷等進(jìn)行非接觸式連續(xù)測(cè)量，另外還具有體積小、靈敏度高、頻率響應(yīng)很寬等特點(diǎn)，所以應(yīng)用極其廣泛。給出差動(dòng)自感傳感器的結(jié)構(gòu)，并推導(dǎo)差動(dòng)自感傳感器的輸出特性和靈敏度。銜鐵下移（P61) 忽略高次項(xiàng) 提高一倍 分析差動(dòng)整流電路的工作原理以及銜鐵在不同位置時(shí)的電路波形圖。電壓輸出型全波整流電路正半周 負(fù)半周 當(dāng)

14、銜鐵在中間位置時(shí) 當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí) 當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)互感式傳感器的等效電路及工作原理。當(dāng)銜鐵在中間位置時(shí)當(dāng)銜鐵向上移動(dòng)時(shí)當(dāng)銜鐵向下移動(dòng)時(shí)工作原理等效電路（1）銜鐵位于中間位置時(shí)（3）當(dāng)銜鐵下移時(shí)（2）當(dāng)銜鐵上移時(shí) 如圖所示氣隙型電感傳感器，銜鐵斷面積S=44mm2，氣隙總長(zhǎng)度l=0.8mm，銜鐵最大位移l=0 . 08mm， 激勵(lì)線圈匝數(shù)N=2500匝，導(dǎo)線直徑d=0.06mm,電阻率=1.7510-6cm。當(dāng)激勵(lì)電源頻率f=4000Hz時(shí)，忽略漏磁及鐵損。要求計(jì)算：鐵芯線圈銜鐵線圈的電感值; (2)電感的最大變化量;(3)當(dāng)線圈外斷面積為1111mm2時(shí)求其直流電阻值；(4)線圈的品質(zhì)因數(shù)；

15、(5)當(dāng)線圈存在200pF分布電容與之并聯(lián)后其等效電感值變化多大?解：(1)由氣隙型電感計(jì)算公式為(2)當(dāng)銜鐵最大位移l=0 . 08mm時(shí)，分別計(jì)算l=+0 . 08mm電感值L1為l=-0 . 08mm電感值L2為所以當(dāng)銜鐵最大位移變化0 . 08mm時(shí)相應(yīng)電感變化量L=L2-L1=196-131=65mH (3)線圈直流電阻(4)線圈品質(zhì)因數(shù)式中線圈平均每匝長(zhǎng)度。根據(jù)鐵心截面44mm2及線圈外斷面1111mm2取平均值，按斷面為7.57.5mm2計(jì)算每匝總長(zhǎng) =47.5mm以上結(jié)果說明分布電容存在使等效電感LP值增大。(4)當(dāng)線圈存在分布電容C=200pF時(shí)引起電感變化可按下式計(jì)算何謂壓

16、電效應(yīng)?正壓電效應(yīng)傳感器能否測(cè)靜態(tài)信號(hào)?為什么?某些物質(zhì)沿其一定的方向施加壓力或拉力時(shí)，隨著形變的產(chǎn)生，會(huì)在其某兩個(gè)相對(duì)的表面產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷（表面電荷的極性與拉、壓有關(guān)），當(dāng)外力去掉形變消失后，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)” 機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔埽环粗?，在極化方向上（產(chǎn)生電荷的兩個(gè)表面）施加電場(chǎng)，它又會(huì)產(chǎn)生機(jī)械形變，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”電能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能。具有壓電效應(yīng)的物質(zhì)（電介質(zhì)）稱為壓電材料。適合測(cè)量高頻交變力。前置放大器輸入端電壓幅值：時(shí)間常數(shù)輸入電壓與作用力間的相位差：時(shí)間常數(shù)討論：適合測(cè)量高頻交變力石英晶體的壓電效應(yīng)有何特點(diǎn)?畫圖說明什么叫縱向壓電效應(yīng)?什么叫

17、橫向壓電效應(yīng)?石英晶體化學(xué)式為SiO2，是單晶體結(jié)構(gòu)。天然結(jié)構(gòu)的石英晶體外形，它是一個(gè)正六面體。石英晶體各個(gè)方向的特性是不同的。 其中縱向軸z稱為光軸，經(jīng)過六面體棱線并垂直于光軸的x稱為電軸，與x和z軸同時(shí)垂直的軸y稱為機(jī)械軸。 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“縱向壓電效應(yīng)”， 而把沿機(jī)械軸y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為“橫向壓電效應(yīng)”。 而沿光軸z方向的力作用時(shí)不產(chǎn)生壓電效應(yīng)。 石英晶體(a) 晶體外形； (b) 切割方向； (c) 晶片 石英晶體：如圖示，晶體內(nèi)部正負(fù)離子的偶極矩在外力的作用下由于晶體的形變而被破壞，導(dǎo)致使晶體的電中性被破壞，從而使其在一些特定的

18、方向上的圖 5-3 晶片上電荷極性與受力方向的關(guān)系(a )(b )(c )(d )晶體表面出現(xiàn)剩余電電荷而產(chǎn)生的。由于壓電常數(shù)矩陣中只有d11、d12、d14、d25、d26不為零，并且d14、d25、d26需要切向應(yīng)力作用往往不便利用，所以通常只利用d11、d12 =- d11兩個(gè)相關(guān)的應(yīng)力方向和這兩個(gè)壓電常數(shù)。不受力圖 5-2 石英晶體壓電模型壓電式傳感器的前置放大器作用是什么?比較電壓式和電荷式前置放大器各有何特點(diǎn)?一是放大傳感器輸出的微弱信號(hào)，二是將它的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出（P81）。電壓式和電荷式前置放大器各有何特點(diǎn)：電壓式：1、當(dāng)作用于壓電元件上的力為靜態(tài)力時(shí)，則前置放大器的輸入電壓等于0。因?yàn)殡姾蓵?huì)通過放大器輸入電阻和傳感器本身的漏電阻漏掉，所以壓電傳感器不能用于靜態(tài)測(cè)量（P82） 。 2、它具有很高的輸入阻抗和很低的輸出阻抗，因此使用該阻抗變換器可將高內(nèi)阻的壓電傳感器與一般放大器匹配（P83） 。電荷式：電荷放大器是一個(gè)有反饋電容Cf的高增益運(yùn)算放大器。由于運(yùn)算放大器具有極高的輸入阻抗，因此放大器的輸入端幾乎沒有分