C4模拟量传感器解析.pptx

C4 模拟量传感器l 传感器作用及分类传感器作用及分类l 电阻式传感器电阻式传感器l 电感式传感器电感式传感器l 电容式传感器电容式传感器l 压电式传感器压电式传感器l 磁电式传感器磁电式传感器4.1 4.1 传感器的作用与分类传感器的作用与分类4.1.1 4.1.1 传感器的作用传感器的作用2.2.变换作用：将非电量变换成电量。变换作用：将非电量变换成电量。传感器是控制系统中的第一个环节，它具有两个作用：传感器是控制系统中的第一个环节，它具有两个作用：1.1.敏感作用：感受物理量的变化，以完成对被测信敏感作用：感受物理量的变化，以完成对被测信号的拾取。号的拾取。对应这两个作用，传感器一般由两部分组成，即对应这两个作用，传感器一般由两部分组成，即敏感元件与变换元件，二者有时很容易分开，有敏感元件与变换元件，二者有时很容易分开，有时合二为一。时合二为一。传感器是以一定的传感器是以一定的精度和规律精度和规律把被测量转换为与之把被测量转换为与之有确定关系的、便于应用的某种物理量的有确定关系的、便于应用的某种物理量的测量装置测量装置。传感器通常由三部分组成：传感器通常由三部分组成：敏感元件敏感元件：直接感受被测量直接感受被测量,输出与被测量成确定关输出与被测量成确定关系。系。转换元件转换元件：敏感元件的输出就是转换元件的输入敏感元件的输出就是转换元件的输入,它它把输入转换成电量参量把输入转换成电量参量 。转换电路转换电路：把转换元件输出的电量信号转换为便于处：把转换元件输出的电量信号转换为便于处理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。理、显示、记录或控制的有用的电信号的电路。4.1.2 4.1.2 传感器的分类传感器的分类1.1.按输出信号是模拟量还是数字量，可分成模拟传感器与数字按输出信号是模拟量还是数字量，可分成模拟传感器与数字传感器。传感器。（I(t)I(t)，V(t)V(t)，数字量，频率量数字量，频率量）。）。2.2.按变换原理，可分为参量型与发电型按变换原理，可分为参量型与发电型 参量型：被测量使传感器本身的电参量参量型：被测量使传感器本身的电参量R R、L L、C C改变，这改变，这种传感器工作时必须有外加电源，故又称为种传感器工作时必须有外加电源，故又称为无源型无源型，通常将其，通常将其接入电桥、谐振电路等信号调节器中，再变换成电压或电流量。接入电桥、谐振电路等信号调节器中，再变换成电压或电流量。发电型：被测量使传感器产生电动势、电流、电荷，可直发电型：被测量使传感器产生电动势、电流、电荷，可直接接入放大器或记录仪器，所以又称为接接入放大器或记录仪器，所以又称为有源型有源型，一般不需外加，一般不需外加电源，如热电偶、压电型传感器等。但由于能量有限，通常还电源，如热电偶、压电型传感器等。但由于能量有限，通常还要接放大器。要接放大器。发电型发电型参量型参量型测力计测力计 压力计压力计 4.1.3 4.1.3 传感器工作原理与标定传感器工作原理与标定 任何一种传感器其工作原理都是基于某一种物理现象或化学任何一种传感器其工作原理都是基于某一种物理现象或化学现象。这种现象抽象成若干个物理量（其中有一个电量）按一现象。这种现象抽象成若干个物理量（其中有一个电量）按一定规律相互影响，可用一个数学公式来表示（建立一个数学模定规律相互影响，可用一个数学公式来表示（建立一个数学模型），即：型），即：通常为通常为电量电量的的 y y=f(x=f(x1 1,x,x2 2,x,xn n)（通常为非电量）（通常为非电量）如：如：R=L/A R=L/A 就描述了四个物理量间的关系。就描述了四个物理量间的关系。传感器的制造：能够让被测量影响某一个参数，而通过另一传感器的制造：能够让被测量影响某一个参数，而通过另一个电参数的变化来反映被测量的大小，既传感器的设计、研制都个电参数的变化来反映被测量的大小，既传感器的设计、研制都要基于某种物理效应，在此基础上再设计出敏感部分的结构以及要基于某种物理效应，在此基础上再设计出敏感部分的结构以及变换部分的结构。变换部分的结构。传感器在使用之前一般要进行标定，即确定输入与输出的关传感器在使用之前一般要进行标定，即确定输入与输出的关系，通常由于制作误差和原理的理想化，使输入输出不能严格满系，通常由于制作误差和原理的理想化，使输入输出不能严格满足理想的物理公式。所以，只有给定已知输入，确定输入、输出足理想的物理公式。所以，只有给定已知输入，确定输入、输出二者间关系后才能使用。二者间关系后才能使用。4.2 4.2 电阻传感器电阻传感器 1 1、变阻器式传感器（电位器式传感器）变阻器式传感器（电位器式传感器）1 1）工作原理工作原理 电阻式传感器可分为电阻式传感器可分为电位计式和应变式电位计式和应变式。电位。电位计式传感器通常用电阻丝绕在框架上，改变电阻丝计式传感器通常用电阻丝绕在框架上，改变电阻丝的接入长度，引起输出电阻的改变。的接入长度，引起输出电阻的改变。位移变化转换为阻值的变化等效电路分析等效电路分析:L-L-变阻器总长变阻器总长;x-x-电刷移动量电刷移动量.C点与A点电阻：灵敏度：k kl l-单位长度电阻值单位长度电阻值传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系传感器的输出（电阻）与输入（位移）成线性关系xLACBEE1负载特性负载特性(其后接电路一般采用电阻分压电路其后接电路一般采用电阻分压电路)E ER RL LR Rx xR-RR-Rx xE1E1为减小后接电路的影响，一般为减小后接电路的影响，一般R RL LRR0 0L LE E分类分类单圈电位器单圈电位器（一般用于音量控制（一般用于音量控制)多圈电位器多圈电位器（精密调节电路中（精密调节电路中)直线滑动式电位器直线滑动式电位器(一般用于电视机、音响中作音一般用于电视机、音响中作音量控制或均衡控制量控制或均衡控制)优点优点 结构简单，价格低廉，且性能稳定；结构简单，价格低廉，且性能稳定；受环境温度影响小；受环境温度影响小；输出信号大，一般不需放大输出信号大，一般不需放大缺点缺点 电刷与线圈式电阻膜之间摩擦，需较大的输入电刷与线圈式电阻膜之间摩擦，需较大的输入能量；能量；磨损磨损与尘埃引起接触电阻变化，引入噪声与尘埃引起接触电阻变化，引入噪声,影响影响使用寿命，降低可靠性使用寿命，降低可靠性 精度低，动态响应差精度低，动态响应差应用：应用：主要用来测量位移、压力、加速度等主要用来测量位移、压力、加速度等2 2）电阻应变式传感器电阻应变式传感器-应变片应变片基于金属导体的基于金属导体的应变效应应变效应，即金属导体在，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形着所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发的变化而发生变化的现象。生变化的现象。金属电阻应变片金属电阻应变片半导体应变片半导体应变片工作原理工作原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R R为为工作时把应变片用特制胶水粘贴在弹性元件或需要测量变形的物体表面，外力作用下，电阻丝随同物体一起变形，其电阻值发生相应变化。（压力）代入代入有：有：金属丝截面积：金属丝截面积：金属丝体积不变：金属丝体积不变：有：有：单位应变所引起的电阻相对变化单位应变所引起的电阻相对变化对金属材料，导电率不变或很小，即对金属材料，导电率不变或很小，即金属丝应变片：金属丝应变片：表明电阻相对变化率与应变成正比，称比值表明电阻相对变化率与应变成正比，称比值S S为应变为应变系数或灵敏度，即：系数或灵敏度，即：（取值一般在（取值一般在1.71.73.63.6）优点：结构简单，性能稳定，价格低优点：结构简单，性能稳定，价格低;缺点：精度不高，灵敏度低缺点：精度不高，灵敏度低分丝式和箔式，有单轴，多轴（应变花），同轴多分丝式和箔式，有单轴，多轴（应变花），同轴多栅等多种类型栅等多种类型半导体应变片半导体应变片简化为：简化为：基于半导体材料的基于半导体材料的压阻效应压阻效应：半导体材料受到外力作用时，：半导体材料受到外力作用时，电阻率发生变化。（或者温度、光辐射）电阻率发生变化。（或者温度、光辐射）对半导体来说，对半导体来说，由几何尺寸引起，由几何尺寸引起，优点：灵敏度高优点：灵敏度高;体积小体积小;缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。灵敏度：灵敏度：金属丝电阻应变片金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化；利用导体形变引起电阻变化；半导体应变片半导体应变片利用半导体电阻率变化引起电阻变化。利用半导体电阻率变化引起电阻变化。（是金属丝灵敏度的5070倍）应变片的主要参数应变片的主要参数 （4 4）其它表示应变片性能的参数（）其它表示应变片性能的参数（工作温度、滞工作温度、滞后、疲劳寿命、横向灵敏度后、疲劳寿命、横向灵敏度等）。等）。（1 1）几何参数几何参数：表距：表距L L和丝栅宽度和丝栅宽度b b，常用，常用 bLbL表表示。示。（2 2）电阻值：电阻值：应变计的原始电阻值。应变计的原始电阻值。（3 3）灵敏系数：灵敏系数：表示应变片变换性能的重要参数。表示应变片变换性能的重要参数。电阻应变片应用电阻应变片应用应变式传感器应用的两种方式：应变式传感器应用的两种方式：弹性体弹性体把被测的物理量（力、扭矩、压力）转把被测的物理量（力、扭矩、压力）转化为弹性体的应变值化为弹性体的应变值应变片应变片作为传感元件，将应变转换为电阻值的作为传感元件，将应变转换为电阻值的变化变化 直接测力或应变直接测力或应变 为研究机械、桥梁等构件在工作为研究机械、桥梁等构件在工作状态下的受力变形情况，可利用不状态下的受力变形情况，可利用不同形状的应变片贴在构件的预定部同形状的应变片贴在构件的预定部位，测其拉、压应力、扭矩或弯矩，位，测其拉、压应力、扭矩或弯矩，为结构设计、应力校核或构件破坏为结构设计、应力校核或构件破坏预测提供实验数据。预测提供实验数据。应变片贴在弹性体上应变片贴在弹性体上可测力、位移、压力、可测力、位移、压力、加速度等加速度等梁的应变与质量块相对于基座的位移成正比梁的应变与质量块相对于基座的位移成正比应变片测量电路应变片测量电路VER1R2R4R3采用转换电路把电阻的变化转换为电压或电流的变采用转换电路把电阻的变化转换为电压或电流的变化，这种电路称为化，这种电路称为测量电路。测量电路。电桥电桥abcdI1I2R1R2R3R4UiUo组桥时，应变片的灵敏系数必须一致，初始零位表明各桥臂应变对电桥输出的影响相对桥臂应变值相加，相邻桥臂应变值相减全桥方式工作方式单臂双臂全桥应变片所在桥臂R1R1,R2R1,R2,R3,R4输出电压UoR1或R1,R3产生R,R2或R2,R4产生-R应变片电桥工作方式和输出电压温度补偿温度补偿概念：概念：作为测量应变的金属应变片，希望电阻值仅作为测量应变的金属应变片，希望电阻值仅随应变变化，而干扰因素主要是随应变变化，而干扰因素主要是温度变化温度变化。原因：原因：电阻温度效应：电阻温度效应：线膨胀系数不同产生的电阻变化：线膨胀系数不同产生的电阻变化：其中：其中：1 1-试件线膨胀系数试件线膨胀系数 2 2-电阻丝线膨胀系数电阻丝线膨胀系数 S -S -应变片灵敏度应变片灵敏度桥路补偿桥路补偿 利用电桥相邻的相等两臂同时产生大小相等、利用电桥相邻的相等两臂同时产生大小相等、符号相同的电阻增量（加减特性），从而不会破坏符号相同的电阻增量（加减特性），从而不会破坏电桥平衡的特性来达到补偿。电桥平衡的特性来达到补偿。abcdI1I2UiUoR1RRR4RRR3RRR2RR全桥补偿法全桥补偿法abcdR1R RR3R4UiUoR2R R半桥补偿法半桥补偿法R1-工作片R2-温度补偿R1、R2-工作片R3、R4-温度补偿案例：案例：电子称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。晶振输出晶振输出CPU时钟输出时钟输出电源电源+电源地电源地串行时钟输入串行时钟输入串行数据输出串行数据输出片选片选测试输出测试输出差分信号输入差分信号输入+差分信号输入差分信号输入-电压参考电压参考-电压参考电压参考+晶振输入晶振输入串行数据输入串行数据输入测试输出测试输出测试输出测试输出中断输出中断输出复位复位测试输出测试输出测试输出测试输出差分信号输入差分信号输入+差分信号输入差分信号输入-模拟电源模拟电源+模拟电源地模拟电源地CS5550CS5550管脚引线管脚引线4.3 4.3 电感式传感器电感式传感器1.1.自感式传感器自感式传感器 1)1)工作原理：线圈的自感与磁路的磁阻有关。工作原理：线圈的自感与磁路的磁阻有关。其中其中w w线圈匝数，线圈匝数，R Rm m磁路磁阻磁路磁阻 磁阻磁阻R Rm m与磁路各段的性质有关，磁路通常由铁芯及铁芯间的空与磁路各段的性质有关，磁路通常由铁芯及铁芯间的空气隙组成。气隙组成。i i,0 0分别为铁芯和空气隙的磁分别为铁芯和空气隙的磁导率。导率。A Ai i为各段铁芯及空气隙的截为各段铁芯及空气隙的截面积。面积。l li i和和i i分别为铁芯长度和分别为铁芯长度和空气隙厚度。空气隙厚度。基本原理：将被测量的变化转化位电感量的变化。基本原理：将被测量的变化转化位电感量的变化。在变压器中，铁芯为闭合回路，因此空气磁阻为在变压器中，铁芯为闭合回路，因此空气磁阻为0 0，而在传感器中，则利用空气磁阻，在磁阻的表达式中。而在传感器中，则利用空气磁阻，在磁阻的表达式中。0 0i i,即即R Rm m主要由空气的磁阻构成。主要由空气的磁阻构成。通常只要（设法）使空气隙的厚度通常只要（设法）使空气隙的厚度和截面积和截面积AiAi发生发生变化，便可以使自感发生变化，因此可构成下列三种变化，便可以使自感发生变化，因此可构成下列三种传感器。传感器。变气隙式变气隙式 工作原理及结构：工作原理及结构：灵敏度：灵敏度：呈非线性。呈非线性。变气隙截面式：变气隙截面式：输出为线性输出为线性 螺管式螺管式 在螺管线圈内插入在螺管线圈内插入铁芯，铁芯上下移动时，铁芯，铁芯上下移动时，磁阻发生变化，这种传磁阻发生变化，这种传感器制造简单，适用于感器制造简单，适用于较大位移测量（数毫米）较大位移测量（数毫米），但灵敏度较低。，但灵敏度较低。2 2）实用差动式自感传感器。）实用差动式自感传感器。一般实用的自感式传感器，通常是构成差动式的，一般实用的自感式传感器，通常是构成差动式的，其输出特性大有改善。以变气隙式为例：其输出特性大有改善。以变气隙式为例：在初始位置时，衔铁位于气隙的中间，两线圈的电感在初始位置时，衔铁位于气隙的中间，两线圈的电感值：值：L L1 1=L=L2 2=L=L总电感的变化量：总电感的变化量：dLdLS S=L=L1 1-L-L2 2=0=0。L L1 1=L+dL=L+dL，L L2 2=L-dL=L-dL 由于两个电感量一个增加，由于两个电感量一个增加，一个减小，因此称之为差一个减小，因此称之为差动式。总的电感变化量动式。总的电感变化量dLS=L1-L2=2dL dLS=L1-L2=2dL 当被测量使衔铁偏离中间位置时，两个磁路的磁阻由当被测量使衔铁偏离中间位置时，两个磁路的磁阻由于气隙厚度改变而发生变化，两个电感分别改变为：于气隙厚度改变而发生变化，两个电感分别改变为：灵敏度灵敏度 可见，不仅灵敏度提高，而可见，不仅灵敏度提高，而且线性范围也增加了。因此，且线性范围也增加了。因此，使用自感传感器多组成差动使用自感传感器多组成差动式，如差动变气隙，差动变式，如差动变气隙，差动变面积，差动螺管式。通常接面积，差动螺管式。通常接入电桥进行测量，用来测量入电桥进行测量，用来测量位移量。位移量。由此可见，差动式传感器比由此可见，差动式传感器比单边传感器的灵敏度提高一单边传感器的灵敏度提高一倍，其输出特性为倍，其输出特性为L L双螺管线圈差动型双螺管线圈差动型差动变面积型差动变面积型4.2.1 4.2.1 磁电式传感器磁电式传感器1.1.工作原理：工作原理：根据电磁感应定理，一个匝数为根据电磁感应定理，一个匝数为w w的线圈，当穿的线圈，当穿过该线圈的磁通过该线圈的磁通发生变化时，其感应电动势的大小为：发生变化时，其感应电动势的大小为：电动势电动势与与磁通变化量磁通变化量有关。导致磁通变化的原因有关。导致磁通变化的原因有多种，当线圈的有多种，当线圈的匝数匝数及及磁感应强度磁感应强度不变时，磁通的不变时，磁通的变化率与磁路的磁阻及线圈在磁场中的运动速度有关。变化率与磁路的磁阻及线圈在磁场中的运动速度有关。根据利用被测量改变线圈速度或磁阻的方式，可将电根据利用被测量改变线圈速度或磁阻的方式，可将电动式传感器分成动式传感器分成动圈式动圈式和和变磁阻式变磁阻式。动圈式工作原理动圈式工作原理 a.a.线圈在磁场中作直线运动线圈在磁场中作直线运动 其中，其中，w w线圈匝数，线圈匝数，B B磁磁感应强度，感应强度，l l单匝线圈有单匝线圈有效长度，效长度，v v线圈与磁场的线圈与磁场的相对速度。相对速度。b.b.线圈在磁场中作旋转运动线圈在磁场中作旋转运动 其中，其中，k k与结构有关的系与结构有关的系数（），数（），A A线圈的截线圈的截面积，面积，角速度。角速度。变磁阻式工作原理：变磁阻式工作原理：一般通过改变传感器到被测对象间的一般通过改变传感器到被测对象间的气气隙厚度隙厚度等方法来改变磁路磁阻等方法来改变磁路磁阻。2.2.电动式传感器的构成及其应用电动式传感器的构成及其应用 振动测量振动测量动圈式相对速度传感器：动圈式相对速度传感器：由两部分组成，一部分安装在被测物由两部分组成，一部分安装在被测物体上，通常是磁铁与壳体，另一部分是线圈，固定在参照物体体上，通常是磁铁与壳体，另一部分是线圈，固定在参照物体上；当两个物体产生相对运动时，便产生电压量输出。上；当两个物体产生相对运动时，便产生电压量输出。（P104 P104 图图5 54040）动圈式绝对速度传感器：动圈式绝对速度传感器：传感器壳体固定在被测振动物理上，传感器壳体固定在被测振动物理上，当壳体以大于某一频率点的频率振动时，线圈芯轴系统当壳体以大于某一频率点的频率振动时，线圈芯轴系统（质量（质量大，惯性力大）大，惯性力大）相对于大地是静止的，因此壳体磁钢与线圈之相对于大地是静止的，因此壳体磁钢与线圈之间的相对速度就是被测物体的绝对速度，线圈以这一速度切割间的相对速度就是被测物体的绝对速度，线圈以这一速度切割磁力线，产生的电动势的大小即反应了被测对象的运动速度。磁力线，产生的电动势的大小即反应了被测对象的运动速度。（P104 P104 图图5 54141）变磁阻式电动式传感器：变磁阻式电动式传感器：探头的磁极与振动物体间有一气隙，探头的磁极与振动物体间有一气隙，当振动物体振动时，气隙变化引起磁路磁阻改变，线圈磁通发当振动物体振动时，气隙变化引起磁路磁阻改变，线圈磁通发生变化，输出电动势与振幅成比例。生变化，输出电动势与振幅成比例。（P104 P104 图图5 54242）【演演示示】由于后续的量化过程需要一定的时间由于后续的量化过程需要一定的时间，对于随时间变化的模拟，对于随时间变化的模拟输入信号，要求瞬时采样值在时间输入信号，要求瞬时采样值在时间内保持不变，这样才能保证内保持不变，这样才能保证转换的正确性和转换精度，这个过程就是转换的正确性和转换精度，这个过程就是采样保持采样保持。正是有了采。正是有了采样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数样保持，实际上采样后的信号是阶梯形的连续函数。量量化化又又称称幅幅值值量量化化，把把采采样样信信号号x x(nTs)(nTs)经经过过舍舍入入或或截截尾尾的的方方法法变为只有有限个有效数字的数。变为只有有限个有效数字的数。