传感器技术教案.doc
第四章 传感器技术 传感器是测量系统的感受和变换的部件。一般将被测量装换成电信号，有利于远距离的监控，连续自动检测。（标定问题）按被测量分类有： 压力 温度 转矩 转速 流量 应变按工作原理： 电阻式 电感式 电容式 热电式 光电式 压电式按能量转换： 有源传感器（能将外界机械能转换为电能）磁，光，压，热 无源传感器（只改变电路中的电参量，需配有激励电源） 电阻式，电容式，电感式。§41 传感器基本形式和原理 一 压电传感器1. 压电效应有些晶体或半导体，当受到外力作用而发生变形时，表面上会产生电荷。称为压效应（顺压电效应），用于测定压力，振动等。反之，在压电材料上施加交变电场，材料会发生机械变形，称为逆压电效应。来作为超声波发生器。例：石英经过处理后，是六面体的棱柱体 x轴为电轴 y轴为机械轴 z轴为光轴特性：沿x轴作用力Fx，在垂直于x轴表面产生压电效应后为纵压效应，(+)沿y轴方向作用力Fy，在垂直于x轴的两面产生大小相等，符号相反的电荷。称横向压力效应(-)电荷场产生在垂直于x轴的表面上，其电荷为 (图2个) (K-压电系数，与材料有关) (灵敏)反之，在交变电场作用下，沿Y轴方向的机械变形最明显，称逆压电效应。2压电传感输出的电荷是与所施加的压力成正比。能测量力，压力，速度，振动等物理量。一般内二片以上压电元件组成，于有极性，有串联和并联联接方式串联(图) 特点：输出V大，C小，时间常数小，瞬态。并联(图) 特点：输出Q大，C大，大，缓变信号。压电晶片的绝缘电阻很高，置于两级之间含连接导线，可能为是电容器。压电传感器内阻抗非常高，输出信号位于微弱，需经电荷放大器放大，并可转换为电压信号。设单片 组合后为Q 、V、C压电传感的能量以电压或电荷两种电量形式输出的电压灵敏度 电荷 为提高压电晶体的灵敏度，可选用K值大的材料，C小的导线作为输出线。要求自振频率高，质量小，刚度大，装配的时加预紧力消除间隙。要求好的绝缘性能，用无水酒精擦洗，在120摄氏度烘和内烘3小时(一般用电吹风)。高温时要求外部冷却。3测量电路 测量电路采用电荷放大器，传感器，导线、电荷 放大器一同稳定 标定时：直流电压表,往复式压力针。二、电阻式传感器复杂构件用电算不能解决将零件变形参数(非电量)转换成电压(或电流)变化参数(电量)有变阻式(改变导体长度)、压阻式(改变内部接触电阻)、电阻应变式(改变内部应力)、热敏电阻式(由于温度变化引起电阻变化)测量位移、转角、力、应力、压力、温度等。1 工作原理如金属电阻丝电阻 当电阻丝受拉伸式压缩后，几何尺寸变化，电阻值也变化 ， 由材料力学可知：(纵向应变)，(横向应变)， (泊桑比) ： ， (体积变化率) 对于某一金属 电阻丝镍铬合金，康铜合金应变率灵敏系数半导体电阻丝以上 即 2 结构 (图) 丝式应变片易于粘贴耐热、耐湿性差制造简单，价格便宜半导体应变片灵敏度高对环境温度变化敏感箔式应变片(经光刻技术，腐蚀等工序制成厚度为0.0030.010)精度高，适应性好，广泛应用3 温度补偿从两个方面考虑： 电阻丝本身R=f(T) 电阻丝本身与试件或弹性元件的膨胀系数不同引起的 若 式中K电阻丝灵敏系数电阻丝电阻温度系数试件、电阻丝线膨胀系数电阻温度系数。4 测量电路直流电桥电路，将电阻信号变电压信号。三、电容式传感器电容式传感器具有可变参数的传感器，通常以空气为介质，二个多属平板作电极电容量： 式中：S极板间相互覆盖的工作面积。(4-1图) 两极板的距离介质介电常数1) 变间距式：S、不变，改变 呈反比为双曲线非线性能否用传感器？(图) 对于差动式线性度提高，工作范围扩大，灵敏度提高一倍。过小，易电容击穿，一般数量元母片(固体介质) 由于分线中增加了一项常数项，且初始间隙比减小，使线性得到一定改善(4-2图)2) 变面积式 直线位移() O 为线性灵敏度= (4-3图) 角位移 线性3) 变介电常数(P73)(5-2图)(5-1图)4)测量电路 常用位于调制与解调电路(介电常数与环境温度有关，需在测量电路中进行温度补偿)四、电感传感器电感传感器是将非电量的位移、转角、压力、振动等转换为电感的变化量接入电桥电路，再变为电压输出、1.自感式(线圈式)(5-3图) 式中人W线圈匝数；磁路的总磁阻(S) 铁芯衔铁的磁阻<<空气隙的磁阻 (空气的导磁系数) 同理： 可用差动式测量电路：调制和解调电路 电感 电压(P70图4-6)2.互感式(变压器式)差动式 将被测量转换为线圈的互感变化量，内两个铁芯和一个公用衔铁组成。 衔铁偏差中心位置，单个次级线圈的感应电压；衔铁处于中心位置，单个次级线圈珠互感电压；互感变化量。（P71图4-7）测量电路：差动整流电路。五、磁电式传感器用于测量转速、振幅、位移、加速度、转矩等物理量。1 线圈运动式 直线位移（P75图4-13a） 感应电势：式中：线圈运动方向与磁场方向的夹角；每匝导线线圈的长度；气隙处磁感应强度（高斯）；匝数；线圈运动的线速度。 施转运动（P75图4-13 b 用于测量转角、测速） D线圈直径2.铁芯运动式(P76 图4-14,用于测转角,测速)式中：z匝数n的r/mm气隙中最大磁通量 感应电势的频率正比于被测转速 如匝数为z=60 ,则 轴速表=频率计 为求系数，加速度接入须分，积分电路，求出 六、 霍尔效应传感器某半导体元件在垂直于共薄片上穿过磁力线B1-2通以控制电流 3-4输出电压霍尔常数元件厚度磁电感应强度霍尔效应灵敏系数结构简单，噪声小，频响宽，非接解式位移、力、压力、开关控制元件。 §.4-2 信号转换与传播 传感器输出的是电阻、电感、电气、信号。一般需转换为电压信号常用信号转换与传播的电有：电桥电路、谐振(频率调制)电路、阻抗匹配电路、运算电路。 §.4-3 信号处理 有源滤波器，绝对值检测电路，峰值保持电路§.4-4 测量电路噪声与抑制 P87 来源、抑制方式(屏蔽，接地，隔离，滤波电路)
