纺织常用传感器.pptx

1 对微小的输入量的变化，即有一定的输出量的变化。检测时反映敏感，变化响应快。灵敏度：输出变化量与相应输入量的比值。K=输出变化量/输入变化量4、线性度：输出/输入之间所呈现的线性关系。指标，非线性误差 VL:VL=(YLmax /Ym)*100%;VL-非线性误差；YLmax-最大非线性绝对误差；Ym-满量程输出值。X10Y1YLmax实测曲线理论曲线第1页/共48页2 还有一些指标，诸如迟滞、过载能力、漂移、零点漂移等（暂不作讨论）。第二节 光电传感器 感知光信号并能把光信号转换为电信号的器件。1、光敏电阻：1）工作原理：+-I+-I+空穴电子光敏电阻I光照第2页/共48页3+-I空穴电子光敏电阻 光敏电阻的材质为半导体材料（硫化镉Cds、硫化铅Pbs、硒化铅PbSe），其内部有大量的电子与空穴。电子带负电荷，空穴带正电荷。平时二者在结构上处于复合平衡状态，对外不呈电。（1）依上连接成电路，当无光照时，光敏电阻内部的电子、空穴保持复合稳定状态，电阻无穷大，电路中无电流流动。第3页/共48页4（2）当有光照时，材质受光照激发，电子、空穴获得能量，开始活跃起来。在电场力的作用下，形成电子-空穴对。电源负极的电子源源不断地和材质中的空穴中+-I+I光照和，而材质中积聚的电子流向电源的正极，在电路回路中形成流动的电流。光照 -电流 ，即 R 。形成光敏效应，光敏电阻的名称由此而来。电子移动方向电流流动方向第4页/共48页52）光敏电阻的几个主要特性a、电压/电流特性：在恒定光照条件下，光敏电阻二端所加电压和电流之间的关系特性（曲线）。以硫化镉为例：mAV20 40 60 8020 15 10 5功耗线500mw1000Lx100Lx10Lx（a）当光照不变时，二端电压增大，光电流增大。（b）当二端电压不变时，光照增大，光电流增大。（c）同普通电阻一样，光敏电阻也有最大额定功率，超过额定功率，器件将损坏。第5页/共48页6b、光谱特性：预备知识：光是一种振动波，光波振动一次所经过的路程称波长。单位为 m。其中：0.40.7 m为可见光；0.7 m为红外光；过签机构+VDDVssR1T2T1VcDTK无信件：T1在光照下呈现导通，Vc=0.3V。T2基极b 相当于接地，T2截止。DT不得电。K不闭合，过签装置不动作。有信件：信件挡光，T1截止。Vc电平升高，当Vb大于等于0.7V时，T2导通。DT得电。K闭合，过签装置动作，对信函打印。Vb第18页/共48页19第三节 磁敏传感器 检测外部磁信号并能将磁信号转换为电信号（或动作信号）的器件。1、霍尔磁敏传感器：1）霍尔元件工作原理：+-UHRZXYbacdA：结构 将半导体材料（砷化铟）制作成薄片，并在四个侧面引出电极 a、b、c、d。其中a、b端经一限流电阻接电源；c、d端外接一电压表。第19页/共48页20IB：工作 若在 a、b端提供一工作电流，当在Z轴方向上外加一磁感应强度为B的磁场，则c、d端将产生霍尔电势UH，称为霍尔效应。其关系表达式为：UH=I*B*RH/d+-UHRZXYbacd+-UHRZXYbacdI+-BV第20页/共48页21UH=I*B*RH/d （矢量式）式中：I a、b两端输入电流（mA）；B 外部磁感应强度（T）；RH 霍尔常数（m3 *c-1）；d 元件厚度（m）；Sin a 外部磁场与基片的夹角；UH=（I*B*RH*Sina）/d（数值式）第21页/共48页222）集成式霍尔传感器的结构：a、符号：b、内部构成：abcHa b cHVss+VDD输出VcabcHVssIC+VDDR内1R内2d输出VcS NR内3R外内 部T1abcabcHVss+VDD输出VcR外第22页/共48页23abcHVssIC+VDDR内1R内2d输出VcS NR内3R外内 部T1c、工作过程：磁铁移近霍尔传感器：霍尔片C端的电平Vc 升高；集成运算放大器IC输出端 Vic 为高电平；T1导通；输出端Vc为低电平，即Vc=0VVCVicabc0V第23页/共48页24abcHVssIC+VDDR内1R内2d输出VcS NR内3R外内 部T1c、工作过程：VCVic磁铁移离霍尔传感器：霍尔片C端的电平Vc =0V；集成放大电路IC输出端 Vic 为低电平；T1截止；输出端Vc为高电平，即Vc=+Vddcba0V+Vdd第24页/共48页254）典型霍尔传感器型号：生产单位：南京半导体器件总厂第25页/共48页265）应用举例：转速测量：Vss+VDDRaVcb无磁铁，Vc=1,Vf=0计数器不计数Vf有磁铁，Vc=0,Vf=1计数器计一个数转动轴磁铁第26页/共48页272、磁敏管（干簧管、簧式开关）：在外部磁场的作用下，磁敏管的簧片（触片）被磁化而作闭合动作；反之则反之。1）磁敏管的结构：电极 a电极 b玻壳密封件高顺磁率软铁（Ni 52%-Fe合金）特点：易受磁、易去磁。氮氢惰性气体（使簧片不易氧化，不产生电火花）镀白金，使触点电阻极小，动作时亦不粘结。常态下二触点断开状态，电极 a、b不通。第27页/共48页282）磁敏管的工作原理：预备知识：在磁铁存在的空间，将形成磁力线，方向为 N S。当有顺磁材料处于磁场作用范围内，则此材料将被磁化，磁化后的极性如下：N SN S电极 a电极 bSSNNS N当磁铁移近磁敏管时，磁铁产生的磁力线使簧片磁化，极性如上。此时触片分别构成 N-S极而相互吸合，触点闭合，电极a、b接通。当磁铁移离磁敏这时，簧片立即去磁，触点恢复原态。工作原理：第28页/共48页293）磁敏管主要技术参数：动作距离 =10mm（当簧片吸合时簧片与 磁铁的距离）重复精度 开启动作0.05mm;闭合动作0.15mm 响应时间 约等于1.7ms（以一次通断约为4ms，频率：1000ms/4ms=250次/1S）触点容量 24V、100mA，需视触点面积 电 寿 命 =102万次 第29页/共48页304）磁敏管的驱动形式：N SN S1、垂直动作2、侧面动作5、旋转动作N SN S挡磁片3、遮断动作I4、螺旋管式电-磁-动作线圈通电，簧片吸合；反之则反之动作特点：顺磁方向，触点闭合；转过 90度，非顺磁方向，触点断开。磁铁旋转 1 周，磁敏管通断2 次。N SN SN SN SN S触点接通 2 次，断开 2 次。下一循环 第30页/共48页315）磁敏管应用举例：a、流水线产品计数装置：计数器物品箱工作过程：球由传送带从左向右移动，球经磁铁操作杆时将磁铁压下，磁敏管簧片闭合，计数器计数一。当累计满一箱（例如5只）时，计数器自动发出一个信号，当前物品箱移走，空物品箱移入，继续装球。第31页/共48页32b、转数测量（低速状态下）：N S二分频电路输入二个脉冲，输出一个脉冲21第32页/共48页33第四节 电阻应变片式传感器 将被测非电量（物体的位移、应变（压力、张力等）的变化转换成导电材料电阻的变化的装置，称电阻式传感器。1、种类：电阻应变式传感器 电阻器式传感器 热敏电阻传感器 （光敏电阻传感器）（磁敏电阻传感器）等。其中电阻应变片式传感器在某些场合应用较为广泛、本节即学习该内容。第33页/共48页342、电阻应变片的基本结构与工作原理：1）基本结构：引线绝缘基片bL应变方向电阻丝2）工作原理：若应变片沿应变方向受拉伸力的作用产生伸长变形，则电阻丝沿长度方向（轴向）伸长，而直径变小（变细）。电阻值增大。反之受压缩力则电阻值减小。这就是电阻应变片在外力作用下发生阻值变化的基本原理。LL第34页/共48页35LL以上为定性分析，下面作定量分析：我们可以取电阻丝中的一小段 L，根据物理学原理，金属体电阻 R 的值与其长度 L 成正比，与截面积 A 成反比。当电阻的电阻率已知为 ，则：R=*L/A 式中：L-m;A-m2;-.M当电阻丝 L 受外力拉伸产生轴向应变伸长为 L，截面积变为 A。则：伸长量L=L-L此时，截面积缩小了A，A=A-A，电阻率增加了 ，电阻变化值为R。AA第35页/共48页36（R+R）=（+）*（L+L）/（A-A）若取应变片电阻的相对变化值与电阻丝长度的相对变形量，则可以写出表达式：R/R=K*L/L 式中：K为应变片的灵敏系数上式中：若令电阻丝长度的相对变形量 L/L=则上式可改写为：R/R=K*或：R=R*K*（K、无量纲）以上讨论说明：电阻应变片在外力作用下，电阻值的变化量 R 与电阻原值、灵敏系数、电阻丝长度相对变形量成正比。原电阻值越大、灵敏系数越高、长度相对变形量越多，则R就越大。则电阻 R 变化为：第36页/共48页373、应变片典型型号与技术参数：1）普通片箔式应变片刻上敏感栅第37页/共48页382）半导体应变片半导体应变片特点：灵敏系数 K 高，电阻值 R 变化大。即应变片在外力作用下有一个较小的变形，其电阻值R 就会有一个较大的变化。这对于那些被测构件变形量很小，而希望获取较大 R 输出的场合，应用半导体应变片是十分合适的。第38页/共48页394、应变片式传感器的典型测量电路 全桥电路：在实际应用中，人们发现单片应变片的应力变量太小，即 R 的变化值太小，不足以提供给后续的电路使用。为便于测量，使输出的 R 值能较大（亦即应变片输出的电压较大）。通常采用由 4 片应变片构成的全桥式应变片电桥作为输出。+-EVoR1R4R2R3运放Vc直流电桥，其中 R1=R2=R3=R4为方便分析，将该图改绘成：E-+R4R1R2R3V1V2Vo参考零电位第39页/共48页40VE-+R4R1R2R3V1V2VoII aI bV2V1电路结构特点：R1、R2构成串联电路R3、R4构成串联电路(R1与R2),(R3与R4)二者构成并联电路现求全桥的输出电压Vo:设R2上的压降为V1，R3上的压降为V2；则：Vo=V1-V2 式1根据欧姆电路定律，在一纯电阻电路里，流过电路的电流 I 与电压 V 成正比，与电阻 R 成反比。即：I=V/R 亦即 V=I*R为此：V1=Ia*R2 式2同理：V2=Ib*R3 式3第40页/共48页41上式中：Ia=VE /（R1+R2）式4 Ib=VE /（R3+R4）式5将式4、式5分别代入式2、式3：V1=Ia*R2=VE*R2/(R1+R2)式6V2=Ib*R3=VE*R3/(R3+R4)式7将式6、式7代入式1，则：Vo=V1-V2=VE*R2/(R1+R2)-VE*R3/(R3+R4)=VE R2(R3+R4)-R3(R1+R2)/(R1+R2)(R3+R4)=VE(R2R3+R2R4-R1R3-R2R3)/(R1+R2)(R3+R4)上式经化简后，全桥电路的输出表达式为：VE*(R2R4-R1R3)(R1+R2)(R3+R4)Vo=第41页/共48页424、应用举例：纺织纱线张力测量系统：1）应变片全桥测量电路R2R1R3R4FR2R1R3R4F伸长+L伸长+L压缩-L压缩-L在纱线张力作用下，悬臂梁弯曲变形：R2、R4电阻丝轴向产生伸长变形，R2 、R4R1、R3电阻丝轴向产生压缩变形，R1 、R3VE-+R4R1R2R3V1V2Vo第42页/共48页43VE-+R4R1R2R3V1V2VoVo=V1 -V2若某全桥电路的供电电压Ve=+9V;R1R4=120欧;若各应变片拉伸（压缩）变形后的电阻值变化R=2.5欧姆.Vo=VE*(R2R4-R1R3)(R1+R2)(R3+R4)试求全桥电路的输出电压值Vo。根据公式：9*(120+2.5)(120+2.5)-(120-2.5)(120-2.5)(120-2.5)+(120+2.5)(120-2.5)+(120+2.5)=0.19 V 第43页/共48页442）纱线张力测量系统总成试件悬臂梁应变片全桥电路显示与记录模/数转换微机处理数字显示打印外力F形变RV模拟量F(N)0NtVtCP数字值或绘曲线第44页/共48页45精品课件！第45页/共48页46精品课件！第46页/共48页47本章结束第47页/共48页48感谢您的观看！第48页/共48页