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1、第三章,被测量的获取,本章学习要求：,1.了解传感器的基本知识 2.掌握常用传感器测量原理 3.了解汽车常用传感器测量原理,本章主要内容,传感器概述 电阻式传感器 电容式传感器 电感式传感器 压电式传感器 磁电式传感器 热电式传感器 光电式传感器 霍尔式传感器,1、传感器定义：,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,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。,传感器概述,2、传感器的构成：,传感器由敏感器件与辅助器件组成。敏感器件的作用是感受被测物理量，并对信号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进
2、行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。,传感器概述,3、传感器的分类：,1)按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度, 旋转角,转数,质量,重量,力, 压力,真空度,力矩,风速,流速, 流量; 声: 声压,噪声. 磁: 磁通,磁场. 温度: 温度,热量,比热. 光： 亮度，色彩,传感器概述,机械式,电气式,光学式,流体式等.,2)按工作的物理基础分类:,传感器概述,能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作. 例如:热电偶温度计,压电式加速度计. 能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部 供给能量的变化.例如:电阻应变片.,传感器概述,4)按敏感元件与被测
3、对象之间的能量关系:,物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.如:水银温度计. 结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变. 例如:电容式和电感式传感器.,传感器概述,电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器, 按工作的原理可分为:变阻器式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式.,1、变阻器式传感器,电阻式传感器,（1）等效电路分析:,x,L,L-变阻器总长; x-电刷移动量. R-总电阻; RL电刷电阻;,x=L*E1 / E,电阻式传感器,电阻式传感器,电阻式传感器,(2) 变阻器式传感器的性能参数: 1)线性(或曲线的一致性); 4)移动或旋转角度范围; 2)
4、分辨率; 5)电阻温度系数; 3)整个电阻值的偏差; 6)寿命;,(3)变阻器式传感器的分类,按测量类型：,单圈电位器,多圈电位器,直线滑动式电位器,电阻式传感器,按制作方式：,线绕电位器,电阻式传感器,变阻器式传感器产品,电阻式传感器,案例：重量的自动检测-配料设备,原理：弹簧-力-位移 -电位器-电阻,电阻式传感器,案例：储量检测,原理：钢丝-收线圈数 -电位器 -电阻,电阻式传感器,案例：玩具机器人（广州中鸣数码 ）,原理：电机-转角 -电位器 -电阻,电阻式传感器,2 电阻应变式传感器-应变片,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随
5、着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化。,电阻式传感器,1) 工作原理,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,金属应变片的电阻R为,代入,电阻式传感器,有：,金属丝：,金属丝体积不变：,电阻式传感器,有：,对金属材料，导电率不变：,金属丝应变片：,电阻式传感器,应变计,金属应变计,电阻式传感器,半导体应变计,简化为：,优点：灵敏度大;体积小; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,电阻式传感器,3) 应变片的主要参数,4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。,2）电阻值：应
6、变计的原始电阻值。,3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。,电阻式传感器,3) 应变片测量电路,电阻式传感器,令：,金属丝应变片：,V与应变成线形关系，可以用电桥测量电压测量应变,电阻式传感器,电阻应变片的选择、粘贴技术,1.目测电阻应变片有无折痕.断丝等 缺陷，有缺陷的应变片不能粘贴。,2.用数字万用表测量应变片电阻值大 小。同一电桥中各应变片之间阻值 相差不得大于0.5欧姆.,3.试件表面处理：贴片处置用细纱纸打磨干净，用 酒精棉球反复擦洗贴处，直到棉球无黑迹为止。,4.应变片粘贴:在应变片基底上挤一小滴502胶水， 轻轻涂抹均匀，立即放在应变贴片位置。,电阻式传感器,5.焊线:用电
7、烙铁将应变片的引线焊接到导引线上。,6.用兆欧表检查应变片与试件之间的绝缘组织，应 大于500M欧。,7.应变片保护：用704硅橡胶覆于应变片上，防止 受潮。,电阻式传感器,电阻应变式传感器的应用：测力,电阻式传感器,标准产品,电阻式传感器,案例：电子称,原理 将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,电阻式传感器,案例：冲床生产记数 和生产过程监测,电阻式传感器,案例：机器人握力测量,电阻式传感器,案例：振动式地音入侵探测器,适合于金库、仓库、古建筑的防范，挖墙、打洞、爆破等破坏行为均可及时发现。,电阻式传感器,电阻式传感器,变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,两平
8、行极板组成的电容器,它的电容量为:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,电容式传感器,a)极距变化型,电容式传感器,驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,电容式传感器,b)面积变化型,电容式传感器,平面线位移型,电容式传感器,柱面线位移型.,电容式传感器,产品.,陶瓷电容压力传感器,液体压力作用在陶瓷膜片的表面，使膜片产生 位移。,电容式传感器,c) 介质变化型,电容式传感器,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,电容式传感器,电容式接近开关
9、,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,电容式传感器,电容式传感器,3 测量电路,a)电桥电路,电容式传感器,b) 谐振电路,电容式传感器,d) 运算放大器电路,电容式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,分类:,电感式传感器,电感式传感器,1 自感型-可变磁阻式,原理:电磁感应,电感式传感器,电感式接近传感器（金属）,电感式传感器,教学用低成本四线制无二次仪表传感器,电感式传
10、感器,2 涡流式,原理:涡流效应,电感式传感器,原线圈的等效阻抗Z变化：,电感式传感器,电感式传感器,产品：,电感式传感器,案例：连续油管的椭圆度测量,电感式传感器,案例：无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,电感式传感器,2 互感型-差动变压器,电感式传感器,电感式传感器,差动变压器测量电路,电感式传感器,差动变压器位移传感器,电感式传感器,案例：板的厚度测量,电感式传感器,案例：张力测量,电感式传感器,1.变换原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称
11、为压电效应。,压电式传感器,2、测量电路,压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。,压电式传感器,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,压电式传感器,案例：飞机模态分析,压电式传感器,案例：热轧设备诊断,压电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,磁电式传感器,2 分类,磁电式传感器,动圈式传感器,线速度型,磁电式传感器,角速度型,测速电机,磁电式传感器
12、,磁阻式传感器,磁电式传感器,案例：鼠笼电机转子断细条检测,磁电式传感器,霍尔式传感器,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图。,霍尔式传感器,霍尔式传感器,测转角：,电流传感器,当电流流过导线时，将在导线周围产生磁场，磁场大小与流过导线的电流大小成正比，这一磁场可以通过软磁材料来聚集，然后用霍尔器件进行检测。,铁磁材料裂纹检测,叶片和齿轮位置传感器,应用,案例：汽车速度测量:,1.双金属温度计,把两种膨胀系数不同的金属薄片焊接在一起制成的。它是一种固体膨胀温度计，可将温度变化转换成机械量变化。,优点： 结构简单 牢固 可靠 防爆,热敏式传感器,荧光灯启辉器,零线,火线,当电路接通，启辉器
13、两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电），双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。电路中电流突然中断，使镇流器两端产生一个比电源电压高得多的感应电动势，在强电场的作用下，引起管内汞蒸气电离而形成弧光放电.,荧光灯启辉器,启辉器由玻璃管制成的辉光放电管与小电容器并联而成辉光放电管内有一个U形双金属片，一个固定静止触极电板，称为静触板或静触极，玻璃管内充有氖气或氩气，或氖氩混合的惰性气体。当电路接通，启辉器两端极片得电，击穿惰性气体而导电（辉光放电过程），双金属片发热弯曲而与静触板接通形成闭合电路。此时电流直接经过双金属片与静触板流通，惰性气体失去作用而不放电，双金属片开始冷却，经过18秒
14、的时间，双金属片收缩回原来状态，启辉器停止工作。,2. 热电温度计(热电偶),热电效应,将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路，当两个接点温度不同时，在回路中就会产生热电势，形成电流，此现象称为热电效应。,k玻耳兹曼常数， e电子电荷量， T接触处的温度 NA，NB分别为导体A和B的自由电子密度。,热电偶测温基本定律,1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,3)参考电极定律 两种导体A,B分别与参考
15、电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：,由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。,3 热敏电阻传感器,半导体热敏电阻的材料是一种由锰、镍、铜、钻、铁等金属氧化物按一定比例混合烧结而成的半导体，它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。,产品,温控器,应用：,汽车发动机传感器,水温感应塞,还广泛应用于空调、暖气、电子体温计等,光电传感器通常是指能敏感到由紫外线到红外线光的光能量，并能将光能转化成电信号的器件。其工作原理是基于一些物质的光电效应。,内光电效应,半导体材料受到光照时会产生电子-空穴对,使其导电性能增强,光线愈强，阻值
16、愈低，这种光照后电阻率发生变化的现象,称为内光电效应 。,光敏电阻、光敏二极管和光敏三极管,光电式传感器,光电式传感器,照相机自动测光 光控灯 工业控制,光电式传感器,光电池,光生伏特效应指半导体材料P-N结受到光照后产生一定方向的电动势的效应。以可见光作光源的光电池是常用的光生伏特型器件。,光电式传感器,应用,光电传感器在工业上的应用可归纳为辐射式(直射式)、吸收式、遮光式、反射式、四种基本形式。,光电式传感器,光电式传感器,光电式传感器,光电式传感器,案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来 测量位移。,光电式传感器,光电式传感器,相机测距反射式光电传感器,光电式传感器,光电式传感器
17、,CCD图像传感器又名电荷耦合器，英文名为Charge Coupled Device，简称CCD。 20世纪60年代美国贝尔电报电话公司的工程师发明 它由以阵列方式（线阵、面阵）排列在衬底材料上的金属氧化物半导体（Metal Oxide Semiconductor，简称MOS）电容器件组成的。,CCD图像传感器,MOS(Metal Oxide Semiconductor)光敏元的结构是在半导体(P型硅)基片上形成一种氧化物(如二氧化硅)，在氧化物上再沉积一层金属电极，以此形成一个金属-氧化物-半导体结构元（像素）。,CCD图像传感器,在半导体硅片上按线阵或面阵排列MOS结构元，如果照射在这些光
18、敏元上的是一幅明暗起伏的图像，则这些光敏元上就会感生出一幅与光照强度相对应的光生电荷图像。,CCD图像传感器,功能：光生电荷、积蓄和转移电荷 组成：CCD芯片和CCD驱动器,CCD图像传感器,特点: (1) 非接触检测； (2) 响应快； (3) 可靠性高,为修简便； (4) 测量精度高； (5) 体积小，重量轻，容易与计算机连接； (6) 对被测物体需要强光照射； (7) 受被测物体以外的光的影响。,CCD图像传感器,CCD图像传感器,应用： 条码阅读器，可视电话，数码摄像机，数码照相机，传真机，复印机 位移、位置、高度、速度、振动等各类物理量的测量 工业领域的在线检测，交通、指纹识别 复杂
19、物体的三维扫描,宽度测量 外径测量 主轴径向跳动测量.,GREY = RED*0.299 + GREEG*0.587 + BLUE*0.114,数码相机,CCD图像传感器,传感器一般指能够感知某种物理量（如电、光、磁等）、化学量（如浓度、PH值等）、生物量（如细菌等）等的信息，并将该信息转化为电信息的装置。,智能传感器是将传感器与微型计算机集成在一块芯片上，其主要特征是将敏感技术和信息处理技术相结合，使其除了具有感知的本能外，还具有认知能力。,智能传感器,嵌入式计算机,智能倾角RS232传感器,IC总线数字温度传感器,振动网络传感器,智能压力网络传感器,GSM/SMS,选择传感器主要考虑灵敏度
20、、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。,1、灵敏度,一般说来，传感器灵敏度越高越好，但，在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。 a)灵敏度过高引起的干扰问题； b)量程范围。 c)交叉灵敏度问题。,传感器选用原则,2 响应特性,传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。 实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。,3 线性范围,任何传感器都有一定线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。,传感器选用原则,4 稳定性,稳定性是表示
21、传感器经过长期使用以后，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,传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。,6 测量方式,传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。,传感器选用原则,汽车用传感器实例,节气门位置传感器,汽车用传感器实例,空气流量传感器,曲轴位置传感器 1、电磁感应式曲轴位置传感器,汽车用传感器实例,汽车用传感器实例,曲轴位置传感器 2、光电式曲轴位置传感器,曲轴位置传感器 3、霍尔式曲轴位置传感器,汽车用传感器实例,汽车用传感器实例,水温传感器,汽车用传感器实例,氧传感器传感器,汽车用传感器实例,爆震传感器,汽车用传感器实例,进气歧管绝对压力传感器,