传感器技术ppt课件

第一章传感器技术概述1.传感器定义传感器——将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。.2.传感器的作用传感器——类似于人的感觉器官，是人类感官的延伸。作用：将被测量转换成电信号,传送给测试系统中的后续环节。.复杂测试系统(振动测量)简单测试系统(红外体温).3.传感器的构成（1）组成：振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻（2）原理：振膜—一次敏感元件电容器—敏感元件.4.分类： 分类法 型式 说明 按被测量种类 位移、温度、压力、流量 这种分类便于传感器的管理 按工作原理分类 应变式、电容式、电感式、压电式、光电式 以传感器对信号转换的原理命名 按被测量转换特征（构成原理） 结构型，如电容式，电阻应变片； 通过改变传感器元件的参数实现信号转换。 物性型，如压电式，水银温度计，双金属片 依靠敏感元件本身物理性质随被测量变化实现信号转换。 按能量传递方式 能量控制型，如RLC式 传感器输出能量由外部供给，但受被测量控制。 能量转换型，如热电偶温度计 传感器输出量直接由被测量能量转换而得。 按输出量 模拟式 输出量为模拟信号 数字式 输出量为数字信号.5.传感器选用原则1.灵敏度：传感器的灵敏度越高，可以感知越小的变化量，即被测量稍有微小变化时，传感器即有较大的输出。2.线性范围：线性范围愈宽，则 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 明传感器的工作量程愈大。3.响应特性：在所测频率范围内尽量保持不失真。4.稳定性：经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5.精确度:表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器精确度愈高，价格越昂贵，因此应从实际出发来选择。6.其它选用原则.6.传感器技术的应用1、日常生活在家电产品和办公自动化产品设计中，人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。.（1）产品质量测量在汽车、机床等设备，电机、发动机等零部件出厂时，必须对其性能质量进行测量和出厂检验。2、机械行业..（4）故障诊断.（5）其他应用.第二章传感器的基本特性1、理想定常线性系统输入输出关系：理想定常线性系统呈单调、线性比例的关系，即输入、输出关系是一条理想的直线，斜率为常数。.2、实际测试系统输入输出之间的关系实际测试系统是非理想定常线形系统，输入输出之间的关系是通过实验 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 测到的，通常是一条曲线——定度曲线。3、描述静态特性的参数（1）非线性度：定度曲线与拟合直线的接近程度。非线性度常用百分数表示.拟合直线的确定，常用的主要有两种：端基直线和独立直线。（1）端基直线是指通过测量范围的上下限点的直线。显然用端基直线来代替实际的输入、输出曲线，其求解过程比较简单，但是其非线性度较差。.（2）灵敏度☆作用：用来描述测试系统对输入信号变化的一种反应能力。1、对于定常线性系统，其灵敏度恒为常数。2、实际的测试系统，灵敏度为定度曲线上该点处切线的斜率。3、量纲：取决于输入和输出量的单位。.（3）分辨力：测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量。通常是以最小单位输出量所对应的输入量来表示。数字测试系统－－输出显示系统的最后一位模拟测试系统－－输出指示标尺最小分度值的一半.5.漂移：指测试系统在输入不变的条件下，输出随时间而变化的趋势。产生原因：仪器自身结构参数的变化；周围环境的变化（如温度、湿度等）对输出的影响。最常见的漂移是温漂，即由于周围的温度变化而引起输出的变化。进一步引起测试系统的灵敏度和零位发生漂移。零点漂移灵敏度漂移.二、传感器的动态特性传感器的动态特征是指在输入量随时间变化时,测试系统对输入信号的响应特性。1、动态特性的描述方法（1）时域微分方程.在初始条件为零的前提下，定义传递函数特点：.求法：对系统的微分方程作拉普拉斯变换求得。.在初始条件为零的前提下，定义频率响应函数求法：(3)用实验方法求得：在初始条件全为零的条件下，同时测得输入和输出，由其傅里叶变换求得。.物理意义：描述了系统的频率特性。.（4）脉冲响应函数拉普拉斯变换对傅里叶变换对.传递函数、频率响应函数、脉冲响应函数的关系：.二、环节的串联和并联任何高阶系统均可看成若干个一阶系统或二阶系统的串联或并联。1.环节的串联.若系统由n个环节串联而成，其传递函数为相应地，系统的频率响应为其幅频特性：相频特性：2.环节的并联.3.负载效应：某系统由于后接另一系统而产生的种种现象。.三、实现不失真测试的条件一、不失真传输.二、不失真测试条件测试系统不失真测试的条件。...电阻式传感器一、变阻式传感器1.结构：.2.测量电路：不考虑外接电路影响时：考虑外接电路影响时：.3.特点：(1)结构简单、使用简便、稳定性好。(2)分辨力低，受电阻丝直径的限制。适合大位移的测量。(3)噪声大。二、电阻应变式传感器1.结构：丝式、箔式、金属膜片2.工作原理：基于金属的电阻应变效应。.如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形，灵敏度：3.特点：金属应变片的灵敏度较低，但其温度稳定性好，可用于对精度 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 较高的测量。.三、压阻式传感器1.原理：压阻效应灵敏度：.两种应变片在工作原理上的区别：金属应变片－金属材料受力后几何变形→电阻的相对变化半导体应变片－半导体材料受力后电阻率变化→电阻的相对变化2.特点：优点：灵敏度高，分辨率高，横向效应，机械滞后小。缺点：温度稳定性差，在较大应变下，非线性误差大。3.类型：半导体应变式传感器、扩散型压阻式传感器.三、应变片的应用1.直接测定结构的应变或应力。2.作为传感器的测量参数。四、转换电路.4.4电感式传感器一、可变磁阻式传感器.线圈自感量为当气隙较小，且不考虑磁路的铁损时，总磁阻于是，1.变气隙式：灵敏度特点：灵敏度高，线性误差小，适于测小位移。.2.变面积式灵敏度特点：线性度好，量程大，但灵敏度较低。.3.螺管式当铁芯在线圈中运动时，将改变磁阻，使线圈自感发生变化。特点：灵敏度低，但测量范围大，适用于较大位移测量。.4.差动式5.测量电路:交流电路.二、电涡流式传感器原理：利用金属体在交变磁场中的涡流效应。1.高频反射式可以作为位移、振动测量，也可进行材质鉴别或探伤、测温度等。.2.低频透射式适于测量金属材料的厚度。.3.特点：结构简单，安装方便，灵敏度高，抗干扰能力强。4.应用电感式纸页厚度测量仪原理图.微软用户(微软中国)-图中的弹性元件为两个圆片状弹簧，被测力F使差动变压器铁心产生位移。微软用户(微软中国)-E形铁心上绕有线圈，构成一个电感测量头，衔铁实际上是一块钢质的平板。在工作过程中板状衔铁是固定不动的，被测纸张置于E形铁心与板状衔铁之间，磁力线从上部的E形铁心通过纸张而达到下部的衔铁。当被测纸张沿着板状衔铁移动时，压在纸张上的E形铁心将随着被测纸张的厚度变化而上下浮动，也即改变了铁心与衔铁之间的间隙，从而改变了磁路的磁阻。交流毫安表的读数与磁路的磁阻成比例，也即与纸张的厚度成比例。毫安表通常按微米刻度，这样就可以直接显示被测纸杂张的厚度了。如果将这种传感器安装在一个机械扫描装置上，使电感测量头沿纸张的横向进行扫描，则可用于自动记录仪表记录纸张横向的厚度，并可利用此检测信号在造纸生产线上自动调节纸张厚度。三、差动变压器式传感器原理：利用电磁感应中的互感现象。1.互感现象2.差动变压器式传感器.(2)原理(3)特点：精度高，线性范围大，稳定性好。.4.5电容式传感器一、工作原理.1.极距变化型灵敏度为使用时，减小初始极距来提高灵敏度。由于电容量C与极距δ呈非线性关系，将引起非线性误差。为了减小这一误差，通常规定测量范围实际应用中常采用差动形式，可使灵敏度提高一倍。特点：灵敏度高，有线性误差，适于小位移测量。.2.面积变化型(1)直线位移型则电容灵敏度.(2)角位移型则电容灵敏度.(3)圆柱体线位移型则电容灵敏度.(4)差动圆柱体线位移型动板上下移动时，上下两个电容量一增一减。特点：线性关系好，量程大；与极距变化型相比，灵敏度较低。适用于较大角位移及直线位移的测量。.3.介电常数变化型(2)测液面高度 (1)测厚度、位移.二、测量电路被测量→电容变化→电压、电流、频率变化1.交流电桥2.运算放大器电路：可解决极距变化型电容传感器的非线性问题。.三、电容传感器特点与应用1.优点:(1)输入能量小而灵敏度高。(2)信噪比大，稳定性好。(3)动态特性好，可用于动态测量。(4)能量损耗小。(5)结构简单，适应性好。2.缺点:(1)极距变化型，非线性大。(2)电缆分布电容影响大。解决办法：利用测量电路。解决办法：利用集成电路；采用屏蔽电缆。.3.应用举例(1)电容式测厚仪(2)电容式转速传感器.4.6压电式传感器工作原理是以某些物质的压电效应为基础。既可将机械能→电能，又可将电能→机械能。一、压电效应1.压电效应：2.逆压电效应（电致伸缩效应）：.二、压电材料及其特性具有压电效应的敏感功能材料叫压电材料。常用的压电材料：压电单晶体、压电陶瓷、新型压电材料.2.压电陶瓷钛酸钡、锆钛酸铅特点：压电常数大，灵敏度高，价格低廉。3.新型压电材料.在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀，形成金属膜，因此就构成一个电容器。其电容量为三、等效电路.电荷等效电路电压等效电路压电式传感器适合作动态测量。.四、压电元件常用的结构形式串联并联适合以电压作为输出的场合。适合测量缓变信号和以电荷量作为输出的场合。.五、应用压电式压力传感器.ly(l)-当被测力F(或压力P)通过外壳上的传力上盖作用在压电晶片上时，压电晶片受力，上下表面产生电荷，电荷量与作用力F成正比。电荷由导线引出接入测量电路(电荷放大器或电压放大器)。产品:.4.7磁电传感器包括磁电感应传感器、霍尔传感器。一、磁电感应传感器(感应式传感器、电动传感器)根据法拉第电磁感应定律，线圈在磁场中运动切割磁力线或线圈所在磁场的磁通变化时，线圈中会产生的感应电动势恒定磁通式变磁通式                      .1.恒定磁通式..2.变磁通式常用来测量旋转物体的角速度。.二、霍尔传感器霍尔效应：金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势。1.工作原理霍尔电势:利用霍尔元件基于霍尔效应将被测量转换成电动势输出。.2.霍尔元件目前最常用的霍尔元件材料有锗(Ge)、硅(Si)、锑化铟(InSb)、砷化铟(InAs)等半导体材料。.3.应用4.特点体积小，结构简单，使用方便，可用于非接触测量，但受温度影响较大。.4.8光电传感器－将光信号转换成电信号的光敏器件一、光电效应工作原理：基于半导体材料的光电效应。1.外光电效应－金属中的自由电子吸收光能而逸出金属表面的现象。如光电管，光电倍增管。光电导效应－光敏电阻、光敏二极管、三极管光生伏特效应－光电池可用于检测直接引起光强度变化的非电量，也可检测能转换成光量变化的其他非电量。.二、光电器件1.光敏电阻工作原理：光电导效应。.2.光电池工作原理：光生伏特效应。利用光电池检查零件表面的缺陷。.三、光敏晶体管光敏二极管：光敏三极管：特点：灵敏度高，响应快，有良好的温度稳定性和低工作电压的优点。.三、光电式传感器的形式模拟式光电传感器脉冲光电传感器吸收式反射式遮光式辐射式.