傳感器課件哈工大版

傳感器課件哈工大版2024-01-31目錄CONTENTS傳感器概述與基本原理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光電式傳感器其他類型傳感器簡介01傳感器概述與基本原理CHAPTER傳感器定義傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并能將感受到的信息，按一定規(guī)律變換成為電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息的傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。傳感器作用傳感器是實現(xiàn)自動檢測和自動控制的首要環(huán)節(jié)，其性能好壞直接影響到整個系統(tǒng)的性能。傳感器定義及作用按被測物理量分類，可分為熱工量傳感器、機械量傳感器、物性傳感器等；按工作原理分類，可分為電阻式、電容式、電感式、壓電式、光電式等。傳感器分類傳感器具有微型化、數(shù)字化、智能化、多功能化、系統(tǒng)化、網(wǎng)絡化等特點。傳感器特點傳感器分類與特點傳感器的工作原理是通過敏感元件感受被測量的變化，然后通過轉(zhuǎn)換元件將敏感元件感受到的被測量變化轉(zhuǎn)換成電信號或其他形式的信號輸出。傳感器輸出的信號一般比較微弱，需要經(jīng)過放大、濾波、線性化等處理后才能滿足后續(xù)電路的要求。工作原理簡述信號處理工作原理應用領域傳感器廣泛應用于工業(yè)自動化、農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化、航空航天、環(huán)境監(jiān)測、智能家居等領域。發(fā)展趨勢隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的不斷發(fā)展，傳感器正朝著更高精度、更高可靠性、更低功耗、更小體積等方向發(fā)展，同時，無線傳感器網(wǎng)絡、智能傳感器等也成為研究的熱點。應用領域及發(fā)展趨勢02電阻式傳感器CHAPTER電阻應變片結(jié)構(gòu)電阻應變片主要由敏感柵、基底、引線、覆蓋層等部分組成。其中，敏感柵是應變片的核心部分，它能夠感知外界應變并轉(zhuǎn)換為電阻值的變化。電阻應變效應當導體或半導體材料在外界作用下產(chǎn)生機械變形時，其電阻值將發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為電阻應變效應。電阻應變片種類根據(jù)敏感柵材料的不同，電阻應變片可分為金屬電阻應變片和半導體電阻應變片兩大類。電阻應變片原理及結(jié)構(gòu)

電阻應變片測量電路直流電橋直流電橋是一種常用的電阻應變片測量電路，它通過比較應變片電阻與固定電阻的電壓差來測量應變值。交流電橋交流電橋與直流電橋類似，但使用交流電源和相應的選頻放大器，可以消除溫度對測量的影響。放大電路由于電阻應變片的輸出信號通常很微弱，因此需要通過放大電路進行放大處理，以便于后續(xù)的信號處理和分析。溫度誤差由于電阻應變片的敏感柵材料具有溫度系數(shù)，因此溫度變化會引起電阻值的變化，從而產(chǎn)生測量誤差。溫度補償方法為了減小溫度誤差，可以采取溫度補償措施，如采用自補償應變片、橋路補償法、熱敏電阻補償法等。溫度補償電路溫度補償電路是一種常用的溫度補償方法，它通過引入與溫度變化相關的電信號來抵消溫度對應變片測量的影響。電阻應變片溫度誤差及補償扭矩測量在扭矩測量中，電阻應變片通常粘貼在扭矩傳感器上，當傳感器受到扭矩作用時，應變片會產(chǎn)生相應的應變并輸出電信號進行測量。壓力測量電阻應變片廣泛應用于各種壓力測量場合，如液壓、氣壓、重力等。通過合理設計應變片的結(jié)構(gòu)和測量電路，可以實現(xiàn)高精度的壓力測量。加速度測量在加速度測量中，電阻應變片通常粘貼在質(zhì)量塊上，當質(zhì)量塊受到加速度作用時，應變片會產(chǎn)生相應的應變并輸出電信號進行測量。位移測量電阻應變片也可以用于位移測量，通過將應變片粘貼在位移傳感器上，可以測量物體的位移量。典型應用案例分析03電容式傳感器CHAPTER電容式傳感器工作原理基于電容效應電容式傳感器利用被測物理量（如位移、壓力等）的變化引起電容量的變化，通過測量電容量來實現(xiàn)對被測物理量的檢測。工作原理分類電容式傳感器可分為變極距型、變面積型和變介質(zhì)型三種，分別通過改變兩極板間的距離、相對覆蓋面積和介質(zhì)介電常數(shù)來引起電容量的變化。電橋電路是電容式傳感器常用的測量電路之一，通過將傳感器作為電橋的一個臂，利用電橋的平衡條件來測量電容量的變化。電橋電路調(diào)頻電路將電容式傳感器與振蕩器相連，利用被測物理量引起的電容量變化來改變振蕩器的頻率，通過測量頻率來實現(xiàn)對被測物理量的檢測。調(diào)頻電路運算放大器電路可將電容式傳感器的微弱信號進行放大和處理，提高測量精度和靈敏度。運算放大器電路電容式傳感器測量電路電容式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、動態(tài)響應快、分辨率高、溫度穩(wěn)定性好等優(yōu)點；但同時也存在輸出阻抗高、寄生電容影響大等缺點。特點電容式傳感器廣泛應用于位移、壓力、加速度、液位等物理量的測量，如汽車燃油油位傳感器、電子秤重量傳感器等。應用電容式傳感器特點及應用位移傳感器01電容式位移傳感器通過測量兩極板間距離的變化來實現(xiàn)對位移的檢測，具有高精度、高穩(wěn)定性等特點，廣泛應用于機械加工、航空航天等領域。壓力傳感器02電容式壓力傳感器利用被測壓力作用在彈性元件上引起電容量的變化來實現(xiàn)對壓力的檢測，具有靈敏度高、響應速度快等優(yōu)點，常用于汽車輪胎壓力監(jiān)測、工業(yè)過程控制等場合。液位傳感器03電容式液位傳感器通過測量液體與電極之間的電容量來實現(xiàn)對液位的檢測，具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高等特點，廣泛應用于石油化工、水處理等行業(yè)。典型應用案例分析04電感式傳感器CHAPTERVS電感式傳感器基于電磁感應定律進行工作，通過測量線圈自感或互感的變化來檢測物理量。工作原理分類根據(jù)工作原理不同，電感式傳感器可分為自感式、互感式和渦流式三種類型。電磁感應定律電感式傳感器工作原理123交流電橋是電感式傳感器常用的測量電路之一，通過調(diào)節(jié)電橋平衡來測量電感或電阻的變化。交流電橋諧振電路利用電感線圈與電容組成的振蕩回路，在諧振狀態(tài)下測量電感或頻率的變化。諧振電路相位差測量電路通過測量電感式傳感器輸出信號與參考信號之間的相位差來檢測物理量。相位差測量電路電感式傳感器測量電路特點電感式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、測量范圍寬、抗干擾能力強等特點。應用領域電感式傳感器廣泛應用于位移、振動、壓力、流量等物理量的測量，適用于工業(yè)自動化、航空航天、汽車制造等領域。電感式傳感器特點及應用位移測量壓力測量流量測量轉(zhuǎn)速測量典型應用案例分析利用電感式傳感器測量物體的位移，如機床主軸的位移、汽車懸掛系統(tǒng)的振動位移等。通過測量流體在管道中流動時引起的電感量變化來檢測流量，如渦街流量計中的電感式傳感器。將壓力變化轉(zhuǎn)換為電感量的變化進行測量，如液壓系統(tǒng)中的壓力傳感器。利用電感式傳感器測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速，如電機轉(zhuǎn)速的測量。05壓電式傳感器CHAPTER03壓電材料特性介紹壓電材料的物理特性、化學特性以及機電耦合系數(shù)等參數(shù)，這些特性決定了壓電式傳感器的性能和應用范圍。01壓電效應指某些晶體在受到機械應力作用時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在晶體兩端產(chǎn)生異號電荷的特性。02壓電材料具有壓電效應的材料，如石英、陶瓷、壓電晶體等。這些材料在受到外力作用時，能夠產(chǎn)生電荷或電壓輸出。壓電效應及壓電材料壓電式傳感器基于壓電效應，通過測量壓電材料產(chǎn)生的電荷或電壓來檢測外部力或壓力的變化。工作原理概述介紹壓電式傳感器的結(jié)構(gòu)組成，包括壓電元件、質(zhì)量塊、支撐結(jié)構(gòu)等部分，以及各部分之間的相互作用。傳感器結(jié)構(gòu)闡述壓電式傳感器如何將機械信號轉(zhuǎn)換為電信號，并通過信號放大電路進行放大處理，以便于后續(xù)測量和記錄。信號轉(zhuǎn)換與放大壓電式傳感器工作原理測量電路組成介紹壓電式傳感器測量電路的主要組成部分，如電荷放大器、電壓放大器、濾波器等，以及各部分的功能和作用。電路調(diào)試與校準闡述壓電式傳感器測量電路的調(diào)試方法和校準步驟，以確保測量結(jié)果的準確性和可靠性。等效電路模型建立壓電式傳感器的等效電路模型，包括壓電元件的等效電容、等效電阻以及外部電路的連接方式等。壓電式傳感器測量電路典型應用案例分析案例分析一案例分析四案例分析二案例分析三介紹壓電式傳感器在力學量測量方面的應用，如壓力、加速度、振動等物理量的測量方法和案例分析。闡述壓電式傳感器在聲學領域的應用，如聲波檢測、語音識別等方面的應用案例和技術(shù)原理。探討壓電式傳感器在生物醫(yī)學領域的應用，如血壓監(jiān)測、心臟起搏器等方面的應用案例和技術(shù)進展。分析壓電式傳感器在工業(yè)自動化領域的應用，如機器人觸覺感知、設備狀態(tài)監(jiān)測等方面的應用案例和解決方案。06磁電式傳感器CHAPTER磁場是由磁體產(chǎn)生的，具有方向性和強弱性，可以用磁感線描述。磁場基本概念磁電效應霍爾效應指磁場與導體或半導體材料相互作用，產(chǎn)生電動勢或電阻變化的現(xiàn)象。當導體在磁場中作垂直方向運動時，會在導體兩端產(chǎn)生電勢差，即霍爾電勢。030201磁場與磁電效應基礎磁電感應原理利用磁場與線圈之間的相對運動，產(chǎn)生感應電動勢進行測量?；魻栐ぷ髟砘诨魻栃瑢⒋鸥袘獜姸绒D(zhuǎn)換為電壓信號進行測量。磁阻效應原理利用磁場對鐵磁材料的磁化作用，改變材料的電阻率進行測量。磁電式傳感器工作原理信號調(diào)理電路對傳感器輸出的微弱信號進行放大、濾波等處理，提高測量精度。接口電路將傳感器信號轉(zhuǎn)換為適合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)處理的信號形式。磁電式傳感器等效電路包括內(nèi)阻、感應電動勢等參數(shù)，用于分析傳感器的工作特性。磁電式傳感器測量電路利用磁電式傳感器測量旋轉(zhuǎn)物體的轉(zhuǎn)速，如汽車輪速傳感器等。轉(zhuǎn)速測量通過測量磁場變化來推算物體的位移量，如線性位移傳感器等。位移測量利用磁場與電流之間的相互作用，測量導體中的電流強度。電流測量將力轉(zhuǎn)換為磁場變化進行測量，如磁力計等。力測量典型應用案例分析07光電式傳感器CHAPTER光電效應光照在物質(zhì)上，引起電子從束縛狀態(tài)進入自由狀態(tài)，從而產(chǎn)生電流的物理現(xiàn)象。光電元件基于光電效應原理，將光信號轉(zhuǎn)換為電信號的器件，如光敏電阻、光電二極管、光電三極管等。光電元件特性包括光譜響應、靈敏度、暗電流、響應時間等參數(shù)，決定了元件的性能和應用范圍。光電效應及光電元件工作原理光電式傳感器利用光電元件將光信號轉(zhuǎn)換為電信號進行傳輸和處理。根據(jù)測量對象和測量環(huán)境的不同，可選擇不同的光電元件和測量電路。測量方式根據(jù)被測物體的不同特性，光電式傳感器可采用透射式、反射式、遮擋式等不同的測量方式。信號處理傳感器輸出的電信號通常需要進行放大、濾波、整形等處理，以便于后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和分析。光電式傳感器工作原理光電式傳感器測量電路測量電路組成光電式傳感器的測量電路通常由光源、光電元件、信號處理電路和輸出電路等部分組成。光源選擇根據(jù)被測物體的特性和測量環(huán)境的要求，選擇合適的光源，如發(fā)光二極管、激光器等。信號處理電路包括放大電路、濾波電路、整形電路等，用于對光電元件輸出的微弱電信號進行放大和處理，提高信號的穩(wěn)定性和可靠性。輸出電路將處理后的電信號轉(zhuǎn)換為標準信號輸出，便于后續(xù)的數(shù)據(jù)采集和分析。光電式傳感器在工業(yè)自動化中的應用如光電開關、光電計數(shù)器、光電編碼器等，用于實現(xiàn)物體的檢測、定位、計數(shù)等功能。如光電煙霧報警器、光電濁度計等，用于對環(huán)境中的煙霧、濁度等參數(shù)進行監(jiān)測和報警。如光電血氧儀、光電心率監(jiān)測儀等，用于對人體生理參數(shù)進行監(jiān)測和診斷。如光電光譜儀、光電干涉儀等，用于對物質(zhì)的光學性質(zhì)進行研究和分析。光電式傳感器在環(huán)境監(jiān)測中的應用光電式傳感器在醫(yī)療領域的應用光電式傳感器在科學研究中的應用典型應用案例分析08其他類型傳感器簡介CHAPTER類型與特點熱電偶傳感器具有結(jié)構(gòu)簡單、測量范圍廣、精度高等特點，常用于高溫測量。應用領域熱電偶傳感器廣泛應用于冶金、化工、陶瓷等行業(yè)的溫度測量與控制。工作原理熱電偶傳感器基于熱電效應原理工作，通過測量兩種不同導體組成的閉合回路中的溫差電動勢來測量溫度。熱電偶傳感器超聲波傳感器工作原理超聲波傳感器利用超聲波在介質(zhì)中的傳播特性，通過測量超聲波的發(fā)射與接收時間差來計算距離或檢測物體。類型與特點超聲波傳感器具有非接觸式測量、響應速度快、抗干擾能力強等特點。應用領域超聲波傳感器廣泛應用于距離測量、液位檢測、無損檢測等領域。輻射式傳感器通過測量物體發(fā)射或反射的輻射能量來檢測物體的溫度或成分等參數(shù)。工作原理輻射式傳感器具有非接觸式測量、響應速度快、適用于高溫環(huán)境等特點。類型與特點輻射式傳感器廣泛應用于鋼鐵、陶瓷、玻璃等行業(yè)的溫度測量與控