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文檔簡介
第三章,被測量的獲取,本章學習要求:,1.了解傳感器的基本知識 2.掌握常用傳感器測量原理 3.了解汽車常用傳感器測量原理,本章主要內(nèi)容,傳感器概述 電阻式傳感器 電容式傳感器 電感式傳感器 壓電式傳感器 磁電式傳感器 熱電式傳感器 光電式傳感器 霍爾式傳感器,1、傳感器定義:,傳感器是借助檢測元件將一種形式的信息轉(zhuǎn)換成另一種信息的裝置。,目前,傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講,傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的裝置。,傳感器概述,2、傳感器的構(gòu)成:,傳感器由敏感器件與輔助器件組成。敏感器件的作用是感受被測物理量,并對信號進行轉(zhuǎn)換輸出。輔助器件則是對敏感器件輸出的電信號進行放大、阻抗匹配,以便于后續(xù)儀表接入。,傳感器概述,3、傳感器的分類:,1)按被測物理量分類,常見的被測物理量,機械量:長度,厚度,位移,速度,加速度, 旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),質(zhì)量,重量,力, 壓力,真空度,力矩,風速,流速, 流量; 聲: 聲壓,噪聲. 磁: 磁通,磁場. 溫度: 溫度,熱量,比熱. 光: 亮度,色彩,傳感器概述,機械式,電氣式,光學式,流體式等.,2)按工作的物理基礎(chǔ)分類:,傳感器概述,能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作. 例如:熱電偶溫度計,壓電式加速度計. 能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部 供給能量的變化.例如:電阻應(yīng)變片.,傳感器概述,4)按敏感元件與被測對象之間的能量關(guān)系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性質(zhì)的變化來實現(xiàn)信號變換.如:水銀溫度計. 結(jié)構(gòu)型:依靠傳感器結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化實現(xiàn)信號轉(zhuǎn)變. 例如:電容式和電感式傳感器.,傳感器概述,電阻式傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電阻變化的一種傳感器, 按工作的原理可分為:變阻器式、電阻應(yīng)變式、熱敏式、光敏式、電敏式.,1、變阻器式傳感器,電阻式傳感器,(1)等效電路分析:,x,L,L-變阻器總長; x-電刷移動量. R-總電阻; RL電刷電阻;,x=L*E1 / E,電阻式傳感器,電阻式傳感器,電阻式傳感器,(2) 變阻器式傳感器的性能參數(shù): 1)線性(或曲線的一致性); 4)移動或旋轉(zhuǎn)角度范圍; 2) 分辨率; 5)電阻溫度系數(shù); 3)整個電阻值的偏差; 6)壽命;,(3)變阻器式傳感器的分類,按測量類型:,單圈電位器,多圈電位器,直線滑動式電位器,電阻式傳感器,按制作方式:,線繞電位器,電阻式傳感器,變阻器式傳感器產(chǎn)品,電阻式傳感器,案例:重量的自動檢測-配料設(shè)備,原理:彈簧-力-位移 -電位器-電阻,電阻式傳感器,案例:儲量檢測,原理:鋼絲-收線圈數(shù) -電位器 -電阻,電阻式傳感器,案例:玩具機器人(廣州中鳴數(shù)碼 ),原理:電機-轉(zhuǎn)角 -電位器 -電阻,電阻式傳感器,2 電阻應(yīng)變式傳感器-應(yīng)變片,電阻應(yīng)變片工作原理是基于金屬導體的應(yīng)變效應(yīng),即金屬導體在外力作用下發(fā)生機械變形時,其電阻值隨著所受機械變形(伸長或縮短)的變化而發(fā)生變化。,電阻式傳感器,1) 工作原理,上述任何一個參數(shù)變換均會引起電阻變化,求導數(shù),金屬應(yīng)變片的電阻R為,代入,電阻式傳感器,有:,金屬絲:,金屬絲體積不變:,電阻式傳感器,有:,對金屬材料,導電率不變:,金屬絲應(yīng)變片:,電阻式傳感器,應(yīng)變計,金屬應(yīng)變計,電阻式傳感器,半導體應(yīng)變計,簡化為:,優(yōu)點:靈敏度大;體積小; 缺點:溫度穩(wěn)定性和可重復性不如金屬應(yīng)變片。,電阻式傳感器,3) 應(yīng)變片的主要參數(shù),4)其它表示應(yīng)變計性能的參數(shù)(工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等),1)幾何參數(shù):表距L和絲柵寬度b,制造廠常用 bL表示。,2)電阻值:應(yīng)變計的原始電阻值。,3)靈敏系數(shù):表示應(yīng)變計變換性能的重要參數(shù)。,電阻式傳感器,3) 應(yīng)變片測量電路,電阻式傳感器,令:,金屬絲應(yīng)變片:,V與應(yīng)變成線形關(guān)系,可以用電橋測量電壓測量應(yīng)變,電阻式傳感器,電阻應(yīng)變片的選擇、粘貼技術(shù),1.目測電阻應(yīng)變片有無折痕.斷絲等 缺陷,有缺陷的應(yīng)變片不能粘貼。,2.用數(shù)字萬用表測量應(yīng)變片電阻值大 小。同一電橋中各應(yīng)變片之間阻值 相差不得大于0.5歐姆.,3.試件表面處理:貼片處置用細紗紙打磨干凈,用 酒精棉球反復擦洗貼處,直到棉球無黑跡為止。,4.應(yīng)變片粘貼:在應(yīng)變片基底上擠一小滴502膠水, 輕輕涂抹均勻,立即放在應(yīng)變貼片位置。,電阻式傳感器,5.焊線:用電烙鐵將應(yīng)變片的引線焊接到導引線上。,6.用兆歐表檢查應(yīng)變片與試件之間的絕緣組織,應(yīng) 大于500M歐。,7.應(yīng)變片保護:用704硅橡膠覆于應(yīng)變片上,防止 受潮。,電阻式傳感器,電阻應(yīng)變式傳感器的應(yīng)用:測力,電阻式傳感器,標準產(chǎn)品,電阻式傳感器,案例:電子稱,原理 將物品重量通過懸臂梁轉(zhuǎn)化結(jié)構(gòu)變形再通過應(yīng)變片轉(zhuǎn)化為電量輸出。,電阻式傳感器,案例:沖床生產(chǎn)記數(shù) 和生產(chǎn)過程監(jiān)測,電阻式傳感器,案例:機器人握力測量,電阻式傳感器,案例:振動式地音入侵探測器,適合于金庫、倉庫、古建筑的防范,挖墻、打洞、爆破等破壞行為均可及時發(fā)現(xiàn)。,電阻式傳感器,電阻式傳感器,變換原理:將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化,兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:,、A或發(fā)生變化時,都會引起電容的變化。,電容式傳感器,a)極距變化型,電容式傳感器,駐極體電容傳聲器,它采用聚四氟乙烯材料作為振動膜片。這種材料經(jīng)特殊電處理后,表面永久地駐有極化電荷,取代了電容傳聲器極板,故名為駐極體電容傳聲器。特點是體積小、性能優(yōu)越、使用方便。,電容式傳感器,b)面積變化型,電容式傳感器,平面線位移型,電容式傳感器,柱面線位移型.,電容式傳感器,產(chǎn)品.,陶瓷電容壓力傳感器,液體壓力作用在陶瓷膜片的表面,使膜片產(chǎn)生 位移。,電容式傳感器,c) 介質(zhì)變化型,電容式傳感器,產(chǎn)品.,電容式液位傳感器(液位計/料位計),電容式傳感器,電容式接近開關(guān),測量頭構(gòu)成電容器的一個極板,另一個極板是物體本身,當物體移向接近開關(guān)時,物體和接近開關(guān)的介電常數(shù)發(fā)生變化,使得和測量頭相連的電路狀態(tài)也隨之發(fā)生變化.接近開關(guān)的檢測物體,并不限于金屬導體,也可以是絕緣的液體或粉狀物體。,電容式傳感器,電容式傳感器,3 測量電路,a)電橋電路,電容式傳感器,b) 諧振電路,電容式傳感器,d) 運算放大器電路,電容式傳感器,電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理,它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。,分類:,電感式傳感器,電感式傳感器,1 自感型-可變磁阻式,原理:電磁感應(yīng),電感式傳感器,電感式接近傳感器(金屬),電感式傳感器,教學用低成本四線制無二次儀表傳感器,電感式傳感器,2 渦流式,原理:渦流效應(yīng),電感式傳感器,原線圈的等效阻抗Z變化:,電感式傳感器,電感式傳感器,產(chǎn)品:,電感式傳感器,案例:連續(xù)油管的橢圓度測量,電感式傳感器,案例:無損探傷,原理 裂紋檢測,缺陷造成渦流變化。,火車輪檢測,油管檢測,電感式傳感器,2 互感型-差動變壓器,電感式傳感器,電感式傳感器,差動變壓器測量電路,電感式傳感器,差動變壓器位移傳感器,電感式傳感器,案例:板的厚度測量,電感式傳感器,案例:張力測量,電感式傳感器,1.變換原理:壓電效應(yīng),某些物質(zhì),如石英,受到外力作用時,不僅幾何尺寸會發(fā)生變化,而且內(nèi)部會被極化,表面產(chǎn)生電荷;當外力去掉時,又重新回到原來的狀態(tài),這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。,壓電式傳感器,2、測量電路,壓電式傳感器輸出電信號很微弱,通常應(yīng)把傳感器信號先輸入到高輸入阻抗的前置放大器中,經(jīng)過阻抗變換后,方可輸入到后續(xù)顯示儀表中。,壓電式傳感器,產(chǎn)品,壓力變送器,加速度計,力傳感器,壓電式傳感器,案例:飛機模態(tài)分析,壓電式傳感器,案例:熱軋設(shè)備診斷,壓電式傳感器,1.變換原理:,磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動勢的一種轉(zhuǎn)換器。,感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動勢e為,磁通變化率與磁場強度、磁阻、線圈運動速度有關(guān),改變其中一個因素,都會改變感應(yīng)電動勢。,磁電式傳感器,2 分類,磁電式傳感器,動圈式傳感器,線速度型,磁電式傳感器,角速度型,測速電機,磁電式傳感器,磁阻式傳感器,磁電式傳感器,案例:鼠籠電機轉(zhuǎn)子斷細條檢測,磁電式傳感器,霍爾式傳感器,霍爾元件由霍爾片、四根引線和殼體組成,如圖。,霍爾式傳感器,霍爾式傳感器,測轉(zhuǎn)角:,電流傳感器,當電流流過導線時,將在導線周圍產(chǎn)生磁場,磁場大小與流過導線的電流大小成正比,這一磁場可以通過軟磁材料來聚集,然后用霍爾器件進行檢測。,鐵磁材料裂紋檢測,葉片和齒輪位置傳感器,應(yīng)用,案例:汽車速度測量:,1.雙金屬溫度計,把兩種膨脹系數(shù)不同的金屬薄片焊接在一起制成的。它是一種固體膨脹溫度計,可將溫度變化轉(zhuǎn)換成機械量變化。,優(yōu)點: 結(jié)構(gòu)簡單 牢固 可靠 防爆,熱敏式傳感器,熒光燈啟輝器,零線,火線,當電路接通,啟輝器兩端極片得電,擊穿惰性氣體而導電(輝光放電),雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。電路中電流突然中斷,使鎮(zhèn)流器兩端產(chǎn)生一個比電源電壓高得多的感應(yīng)電動勢,在強電場的作用下,引起管內(nèi)汞蒸氣電離而形成弧光放電.,熒光燈啟輝器,啟輝器由玻璃管制成的輝光放電管與小電容器并聯(lián)而成輝光放電管內(nèi)有一個U形雙金屬片,一個固定靜止觸極電板,稱為靜觸板或靜觸極,玻璃管內(nèi)充有氖氣或氬氣,或氖氬混合的惰性氣體。當電路接通,啟輝器兩端極片得電,擊穿惰性氣體而導電(輝光放電過程),雙金屬片發(fā)熱彎曲而與靜觸板接通形成閉合電路。此時電流直接經(jīng)過雙金屬片與靜觸板流通,惰性氣體失去作用而不放電,雙金屬片開始冷卻,經(jīng)過18秒的時間,雙金屬片收縮回原來狀態(tài),啟輝器停止工作。,2. 熱電溫度計(熱電偶),熱電效應(yīng),將兩種不同材料的導體A和B串接成一個閉合回路,當兩個接點溫度不同時,在回路中就會產(chǎn)生熱電勢,形成電流,此現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。,k玻耳茲曼常數(shù), e電子電荷量, T接觸處的溫度 NA,NB分別為導體A和B的自由電子密度。,熱電偶測溫基本定律,1)均質(zhì)導體定律 由一種均質(zhì)導體組成的閉合回路,不論導體的橫截面積、長度以及溫度分布如何均不產(chǎn)生熱電動勢。,2)中間導體定律 在熱電偶回路中接入第三種材料的導體,只要其兩端的溫度相等,該導體的接入就不會影響熱電偶回路的總熱電動勢。,3)參考電極定律 兩種導體A,B分別與參考電極C組成熱電偶,如果他們所產(chǎn)生的熱電動勢為已知,A和B兩極配對后的熱電動勢可用下式求得:,由于鉑的物理化學性質(zhì)穩(wěn)定、人們多采用鉑作為參考電極。,3 熱敏電阻傳感器,半導體熱敏電阻的材料是一種由錳、鎳、銅、鉆、鐵等金屬氧化物按一定比例混合燒結(jié)而成的半導體,它具有負的電阻溫度系數(shù),隨溫度上升而阻值下降。,產(chǎn)品,溫控器,應(yīng)用:,汽車發(fā)動機傳感器,水溫感應(yīng)塞,還廣泛應(yīng)用于空調(diào)、暖氣、電子體溫計等,光電傳感器通常是指能敏感到由紫外線到紅外線光的光能量,并能將光能轉(zhuǎn)化成電信號的器件。其工作原理是基于一些物質(zhì)的光電效應(yīng)。,內(nèi)光電效應(yīng),半導體材料受到光照時會產(chǎn)生電子-空穴對,使其導電性能增強,光線愈強,阻值愈低,這種光照后電阻率發(fā)生變化的現(xiàn)象,稱為內(nèi)光電效應(yīng) 。,光敏電阻、光敏二極管和光敏三極管,光電式傳感器,光電式傳感器,照相機自動測光 光控燈 工業(yè)控制,光電式傳感器,光電池,光生伏特效應(yīng)指半導體材料P-N結(jié)受到光照后產(chǎn)生一定方向的電動勢的效應(yīng)。以可見光作光源的光電池是常用的光生伏特型器件。,光電式傳感器,應(yīng)用,光電傳感器在工業(yè)上的應(yīng)用可歸納為輻射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四種基本形式。,光電式傳感器,光電式傳感器,光電式傳感器,光電式傳感器,案例:光電鼠標就是利用LED與光敏晶體管組合來 測量位移。,光電式傳感器,光電式傳感器,相機測距反射式光電傳感器,光電式傳感器,光電式傳感器,CCD圖像傳感器又名電荷耦合器,英文名為Charge Coupled Device,簡稱CCD。 20世紀60年代美國貝爾電報電話公司的工程師發(fā)明 它由以陣列方式(線陣、面陣)排列在襯底材料上的金屬氧化物半導體(Metal Oxide Semiconductor,簡稱MOS)電容器件組成的。,CCD圖像傳感器,MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的結(jié)構(gòu)是在半導體(P型硅)基片上形成一種氧化物(如二氧化硅),在氧化物上再沉積一層金屬電極,以此形成一個金屬-氧化物-半導體結(jié)構(gòu)元(像素)。,CCD圖像傳感器,在半導體硅片上按線陣或面陣排列MOS結(jié)構(gòu)元,如果照射在這些光敏元上的是一幅明暗起伏的圖像,則這些光敏元上就會感生出一幅與光照強度相對應(yīng)的光生電荷圖像。,CCD圖像傳感器,功能:光生電荷、積蓄和轉(zhuǎn)移電荷 組成:CCD芯片和CCD驅(qū)動器,CCD圖像傳感器,特點: (1) 非接觸檢測; (2) 響應(yīng)快; (3) 可靠性高,為修簡便; (4) 測量精度高; (5) 體積小,重量輕,容易與計算機連接; (6) 對被測物體需要強光照射; (7) 受被測物體以外的光的影響。,CCD圖像傳感器,CCD圖像傳感器,應(yīng)用: 條碼閱讀器,可視電話,數(shù)碼攝像機,數(shù)碼照相機,傳真機,復印機 位移、位置、高度、速度、振動等各類物理量的測量 工業(yè)領(lǐng)域的在線檢測,交通、指紋識別 復雜物體的三維掃描,寬度測量 外徑測量 主軸徑向跳動測量.,GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114,數(shù)碼相機,CCD圖像傳感器,傳感器一般指能夠感知某種物理量(如電、光、磁等)、化學量(如濃度、PH值等)、生物量(如細菌等)等的信息,并將該信息轉(zhuǎn)化為電信息的裝置。,智能傳感器是將傳感器與微型計算機集成在一塊芯片上,其主要特征是將敏感技術(shù)和信息處理技術(shù)相結(jié)合,使其除了具有感知的本能外,還具有認知能力。,智能傳感器,嵌入式計算機,智能傾角RS232傳感器,IC總線數(shù)字溫度傳感器,振動網(wǎng)絡(luò)傳感器,智能壓力網(wǎng)絡(luò)傳感器,GSM/SMS,選擇傳感器主要考慮靈敏度、響應(yīng)特性、線性范圍、穩(wěn)
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