第二章--传感器.优秀PPT.ppt
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1、其次章其次章 传感器传感器第一节第一节 传感器概述传感器概述一、传感器特性 传感器是指能感受规定的物理量,并按确定规律转换成可用输入信号的器件或装置。简洁地说,传感器是把非电量转换成电量的装置。传感器通常由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。1)敏感元件是指能干脆感受(或响应)被测量的部分,即将被测量通过传感器的敏感元件转换成与被测量有确定关系的非电量或其它量。2)转换元件则将上述非电量转换成电参量。3)测量电路的作用是将转换元件输入的电参量经过处理转换成电压、电流或频率等可测电量,以便进行显示、记录、限制和处理的部分。传感器的静态特性参数指标传感器的静态特性参数指标1灵敏度灵敏度是指稳态
2、时传感器输出量和输入量之比,或输出量的增量和输入量的增量之比,用表示为YX2辨别力传感器在规定的测量范围内能够检测出的被测量的最小变更量称为辨别力。3测量范围和量程在允许误差限内,被测量值的下限到上限之间的范围称为测量范围。4线性度(非线性误差)在规定条件下,传感器校准曲线与拟合直线间的最大偏差与满量程输出值的百分比称为线性度或非线性误差。5迟滞迟滞是指在相同的工作条件下,传感器的正行程特性与反行程特性的不一样程度。6重复性重复性是指在同一工作条件下,输入量按同一方向在全测量范围内连续变更多次所得特性曲线的不一样性。7零漂和温漂传感器在无输入或输入为另一值时,每隔确定时间,其输入值偏离原示值的
3、最大偏差与满量程的百分比为零漂。而温度每上升1,传感器输出值的最大偏差与满量程的百分比,称为温漂。发动机常用传感器如下发动机常用传感器如下二、发动机常用传感器工作机理二、发动机常用传感器工作机理二、发动机常用传感器工作机理二、发动机常用传感器工作机理(一)磁电式传感器(一)磁电式传感器1磁电效应磁电效应 依据法拉第电磁感应定律,依据法拉第电磁感应定律,N匝线圈在磁场中运动,切割磁力线匝线圈在磁场中运动,切割磁力线(或线圈所在磁场的磁通变更)时,线圈中所产生的感应电动势的(或线圈所在磁场的磁通变更)时,线圈中所产生的感应电动势的大小取决于穿过线圈的磁通的变更率大小取决于穿过线圈的磁通的变更率 2
4、.2.直线移动式磁电传感器直线移动式磁电传感器直线移动式磁电传感器由永久磁铁、线圈和传感器壳体等组成当壳体随被测振动体一起振动且在振动频率远大于传感器的固有频率时,由于弹簧较软,运动件质量相对较大,运动件来不及随振动体一起振动(静止不动)。此时,磁铁与线圈之间的相对运动速度接近振动体的振动速度。3.3.转动式磁电传感器转动式磁电传感器软铁、线圈和永久磁铁固定不动。由导磁材料制成的测量齿轮安装在被测旋转体上,每转过一个齿,测量齿轮与软铁之间构成的磁路磁阻变更一次,磁通也变更一次。线圈中感应电动势的变更频率(脉冲数)等于测量齿轮上的齿数和转速的乘积。(二)霍耳式传感器(二)霍耳式传感器 1霍耳效应
5、霍耳效应半导体或金属薄片置于磁场中,当有电流(与磁场垂直的薄片平面方向)流过时,在垂直于磁场和电流的方向上产生电动势,这种现象称为霍耳效应。2霍耳元件霍耳元件 目前常用的霍耳材料锗(目前常用的霍耳材料锗(Ge)、硅()、硅(Si)、锑化铟()、锑化铟(InSb)、砷化)、砷化铟(铟(InAs)等)等。N型锗简洁加工制造,霍耳系数、温度性能、线性型锗简洁加工制造,霍耳系数、温度性能、线性度较好;度较好;P型硅的线性度最好,霍耳系数、温度性能同型硅的线性度最好,霍耳系数、温度性能同N型锗,但电型锗,但电子迁移率较低,带负载实力较差,通常不作单个霍耳元件。子迁移率较低,带负载实力较差,通常不作单个霍
6、耳元件。霍尔效应式传感器霍尔效应式传感器永久磁铁永久磁铁霍尔元件霍尔元件触发轮触发轮 当触发叶轮上的叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间当触发叶轮上的叶片进入永久磁铁与霍尔元件之间时,磁场被叶片旁路,不产生霍尔电压;当缺口部分进时,磁场被叶片旁路,不产生霍尔电压;当缺口部分进入磁铁与霍尔元件之间时,磁力线进入霍尔元件,传感入磁铁与霍尔元件之间时,磁力线进入霍尔元件,传感器输出电压信号。器输出电压信号。(三)压电式传感器1 1压电效应压电效应对某些电介质沿着确定方向加力而使其变形时,在确定表面上产生对某些电介质沿着确定方向加力而使其变形时,在确定表面上产生电荷,当外力撤除后,又复原到不带电状态,这种现
7、象称为正压电电荷,当外力撤除后,又复原到不带电状态,这种现象称为正压电效应。在电介质的极化方向施加电场,电介质会在确定方向上产朝效应。在电介质的极化方向施加电场,电介质会在确定方向上产朝气械变形或机械压力,当外电场去除后,变形或应力随之消逝,此气械变形或机械压力,当外电场去除后,变形或应力随之消逝,此现象称为逆压电效应。现象称为逆压电效应。2 2压电元件压电元件压电式传感器是物性型的、发电式传感器。常用的压电材料有石英晶体(SiO2)和人工合成的压电陶瓷。压电陶瓷的压电常数是石英晶体的几倍,灵敏度较高。(四)光电式传感器(四)光电式传感器 1光电效应当光线照射物体时,可看作一串具有能量E的光子
8、轰击物体,假如光子的能量足够大,物质内部电子吸取光子能量后,摆脱内部力的约束,发生相应电效应的物理现象,称为光电效应。1)在光线作用下,电子逸出物体表面的现象,称为外光电效应,如光电管、光电倍增管等。2)在光线作用下,物体的电阻率变更的现象,称为内光电效应,如光敏电阻、光敏二极管、光敏三极管、光敏晶闸管等。3)在光线作用下,物体产生确定方向电动势的现象,称为光生伏特现象,如光电池(属于对感光面入射光点位置敏感的器件)等。2 2光敏电阻光敏电阻 光光敏敏电电阻阻受受到到光光线线照照射射时时,电电子子迁迁移移,产产生生电电子子空空穴穴对对,使使电电阻阻率率变变小小。光光照照越越强强,阻阻值值越越低
9、低。入入射射光光线线消消逝逝,电电子子空空穴穴对对复原,电阻值渐渐复原原值。复原,电阻值渐渐复原原值。3 3光敏管光敏管 光光敏敏管管(光光敏敏二二极极管管、光光敏敏三三极极管管、光光敏敏晶晶闸闸管管等等)属属于于半半导导体器件。体器件。4电致发光电致发光 固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。电致发固体发光材料在电场激发下产生的发光现象称为电致发光。电致发光是将电能干脆转换成光能的过程。发光二极管光是将电能干脆转换成光能的过程。发光二极管(LED)是以特殊材是以特殊材料掺杂制成的半导体电致发光器件。当其料掺杂制成的半导体电致发光器件。当其PN结正向偏置时,由于电结正向偏置时,由
10、于电子子空穴复合时产生过剩能量,该能量以光子形式放出而发光。空穴复合时产生过剩能量,该能量以光子形式放出而发光。信号盘随分电器轴转动,产生透光和遮光交替变更。信号盘随分电器轴转动,产生透光和遮光交替变更。当发光二极管的光束照到光敏二极管时,光敏二极管产生当发光二极管的光束照到光敏二极管时,光敏二极管产生低电压;当发光二极管光束被拦住时,光敏二极管输出高低电压;当发光二极管光束被拦住时,光敏二极管输出高电压。电压。光电式传感器光电式传感器发光管发光管分火头分火头密封盖密封盖信号盘信号盘电路电路 光敏二极管光敏二极管输出信号输出信号光敏二极管光敏二极管发光二极管发光二极管遮光盘遮光盘(五)热电式传
11、感器五)热电式传感器1 1热电效应热电效应 将将两两种种不不同同性性质质的的金金属属导导体体A A、B B接接成成一一个个闭闭合合回回路路,假假如如两两接接合合点点温温度度不不相相等等(T0TT0T),则则在在两两导导体体间间产产生生电电动动势势,并并且且回回路路中有确定大小的电流存在,此现象称为热电效应。中有确定大小的电流存在,此现象称为热电效应。2热电阻传感器热电阻传感器热电阻材料通常为纯金属,广泛运用的是铂、铜、镍、铁等热电阻材料通常为纯金属,广泛运用的是铂、铜、镍、铁等3热敏电阻传感器热敏电阻传感器 热敏电阻用半导体制成,与金属热电阻相比有以下特点:热敏电阻用半导体制成,与金属热电阻相
12、比有以下特点:1)电阻温度系数大,灵敏度高;)电阻温度系数大,灵敏度高;2)结构简洁,体积小,易于点测量;)结构简洁,体积小,易于点测量;3)电阻率高,且适合动态测量;)电阻率高,且适合动态测量;4)阻值与温度变更的关系是非线性的;)阻值与温度变更的关系是非线性的;5)稳定性较差。)稳定性较差。其次节其次节 空气流量计空气流量计 一、叶片式空气流量计一、叶片式空气流量计 叶片式空气流量计安装在空气过滤器和节气门之间,其作用是检测吸入空气量的多少,并把检测结果转换成电信号。叶片式空气流量计的结构简洁,牢靠性高;但进气阻力大,响应较慢且体积较大 补偿挡板补偿挡板缓冲室缓冲室弹簧弹簧测量板测量板空气
13、滤清空气滤清器器旁通气道旁通气道封口封口调节调节螺钉螺钉电位计电位计 测量板打开的角度测量板打开的角度随进气量大小而变更随进气量大小而变更二、卡门旋涡式空气流量计二、卡门旋涡式空气流量计1 1)卡门旋涡的定义卡门旋涡的定义 所谓卡门旋涡,是指在流体中放置一个圆柱状或三角状物体时,在这一物体的下游就会产生两列旋转方向相反,并交替出现的旋涡。而空气流量与卡门旋涡的频率成正比,即qv=kf。(式2-16)/P342 2)光学式卡门旋涡空气流量计)光学式卡门旋涡空气流量计工工作作原原理理:在在产产生生卡卡门门旋旋涡涡的的过过程程中中,旋旋涡涡发发生生器器6 6两两侧侧的的空空气气压压力力会会发发生生变
14、变更更,通通过过导导孔孔作作用用在在金金属属箔箔(由由簧簧片片4 4固固定定)上上,从从而而使使其其振振动动,LEDLED的的光光照照射射在在振振动动的的金金属属箔箔上上时时,光光敏敏三三极极管管3 3接接收收到到的的金金属属箔箔上上的的反反射射光光将将是是被被旋旋涡涡调调制制的的光光,其其输输出出经经解解调调可可得得到到代代表空气流量的频率信号。表空气流量的频率信号。3 3)超声波式卡门旋涡空气流量计)超声波式卡门旋涡空气流量计 工作原理:在卡门涡流发生器下游管路两侧相对安装超声波放射探头和接收探头。因卡门涡流对空气密度的影响,就会使超声波从放射探头到接收探头的时间较无旋涡变晚而产生相位差。
15、对此相位信号进行处理,就可得到旋涡脉冲信号,即代表体积流量的电信号输出。原理:把通电加热的铂丝置于空气流中,使铂丝温度原理:把通电加热的铂丝置于空气流中,使铂丝温度 和吸入空气温度差保持确定。铂丝成为惠斯顿电桥中和吸入空气温度差保持确定。铂丝成为惠斯顿电桥中的一个臂。的一个臂。控制电路控制电路热膜热膜温度传感器温度传感器防护网防护网A A:集成电路;:集成电路;R RH H:热线电阻:热线电阻R RK K:温度补偿电阻:温度补偿电阻R RA A:精密电阻:精密电阻 R RB B:电桥电阻:电桥电阻三、热线式空气流量计三、热线式空气流量计工作原理 当无空气流淌时,电桥处于平衡状态,限制电路输出某
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