常见传感器原理及应用-ppt课件.ppt
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1、第第三三章章 传感检测系统传感检测系统3.3 常见传感器原理及应用常见传感器原理及应用电电阻阻式式传传感感器器光电式传感器光电式传感器压压电电式式传传感感器器电感式传感器电感式传感器电容式传感器电容式传感器半半导导体体式式传传感感器器热电偶式传感器热电偶式传感器3.3.1 电阻式传感器电阻式传感器Resistive transducer被测量被测量电阻变化电阻变化将被测量变化转换成电阻变化的传感器。将被测量变化转换成电阻变化的传感器。位移、力、压力、加速度、扭矩等位移、力、压力、加速度、扭矩等3.3.1.1 电位器电位器式式传感器传感器Potentiometric transducer 利用加
2、激励的电阻体上可动触点位置的变化,利用加激励的电阻体上可动触点位置的变化,将被测量变化转换成电压比变化的传感器。将被测量变化转换成电压比变化的传感器。由由电阻元件、电刷、骨架电阻元件、电刷、骨架等组成。等组成。绕线式电位器绕线式电位器线性线绕式电位器示意图线性线绕式电位器示意图 Ui为工作电压,为工作电压,U0为为RL两端的输出电压,两端的输出电压,x为线绕式电为线绕式电位器电刷移动长度,位器电刷移动长度,L为其总长度,对应于电刷移动量为其总长度,对应于电刷移动量x的阻的阻值为值为Rx。 R b c a b x 绕线式电位器的结构绕线式电位器的结构线绕式电位器线绕式电位器电位器式传感器的应用电
3、位器式传感器的应用航空飞行高度传感器航空飞行高度传感器 在测量在测量比较小比较小的位移的位移时,可将时,可将线线位移变换成角位移位移变换成角位移。测小位移传感器示意图测小位移传感器示意图电位器式传感器的应用电位器式传感器的应用测小位移测小位移电位器式传感器的应用电位器式传感器的应用测加速度测加速度 惯性质量块在被测加速度的作用下,使片状弹簧产生正惯性质量块在被测加速度的作用下,使片状弹簧产生正比于被测加速度的位移,从而引起电刷在电位器的电阻元件比于被测加速度的位移,从而引起电刷在电位器的电阻元件上滑动,输出一与加速度成比例的电压信号。上滑动,输出一与加速度成比例的电压信号。电位器式加速度传感器
4、示意图电位器式加速度传感器示意图基于电位器的线性基于电位器的线性/角位移传感器模型角位移传感器模型若若 ,则传感器可线性化则传感器可线性化; 其中:其中: 是线性位移。是线性位移。将上式中将上式中的 和和 换成角度值后,可以用于角度测量。换成角度值后,可以用于角度测量。LpRRmax()LLLVxVy yVyymaxy3.3.1.2 应变式传感器应变式传感器被测量被测量电阻变化电阻变化 电阻应变传感器是一种利用电阻应变传感器是一种利用电阻应变片电阻应变片将将应变应变转换为转换为电阻变化电阻变化的传感器。的传感器。任何非电量能转化为任何非电量能转化为应变量应变量应变片应变片当受到外力时,导体变长
5、变细,电阻增加,当受到外力时,导体变长变细,电阻增加,R-R+R应变式传感器应变式传感器 电阻应变传感器由电阻应变传感器由弹性敏感元件、电阻应变片弹性敏感元件、电阻应变片和测量电路和测量电路组成组成。 传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件传感器由在弹性元件上粘贴电阻应变敏感元件构成。当被测量物理量作用在弹性元件上时,构成。当被测量物理量作用在弹性元件上时,弹性弹性元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化元件的变形引起应变敏感元件的阻值变化,通过转,通过转换电路将其转变成换电路将其转变成电量输出电量输出,电量变化的大小反映,电量变化的大小反映了被测物理量的大小。了被测物理量的大小。常见电阻常见电
6、阻 应变片应变片(a)金属线金属线(b)金属箔金属箔(c)半导体半导体 电阻应变片是应变测量的关键元件,为适应各种领域测量电阻应变片是应变测量的关键元件,为适应各种领域测量的需要,可供选择的电阻应变片的种类很多,常用的有的需要,可供选择的电阻应变片的种类很多,常用的有丝式、丝式、箔式和半导体式。箔式和半导体式。应变式电阻传感器的应用应变式电阻传感器的应用1. 应变式力传感器应变式力传感器 FF应变式电阻传感器的应用应变式电阻传感器的应用 电子天平的精度可达电子天平的精度可达十万分之一。十万分之一。2. 电子天平电子天平吊钩秤吊钩秤 3.3.2 电容式传感器电容式传感器Capacitive tr
7、ansducer 将将被测量变化被测量变化转换成转换成电容量变化电容量变化的传感器。它的传感器。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的敏感部分就是具有可变参数的电容器。其最常用的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的形式是由两个平行电极组成、极间以空气为介质的电容器。的电容器。 可以应用于可以应用于位移、振动、角度、加速度位移、振动、角度、加速度等参数等参数的测量中。的测量中。电容传感器的理想公式为电容传感器的理想公式为极板间距离;极板间距离;极板面积;极板面积;电容极板间介质的介电常数电容极板间介质的介电常数 相对介电常数相对介电常数 电容式传感器工作原理及结构形式电容式传感
8、器工作原理及结构形式 ,真空的介电常数。,真空的介电常数。128.845 10F m0rdA1变极距式电容传感器变极距式电容传感器变极距式电容传感器原理动画演示变极距式电容传感器原理动画演示 设设和和A不变,初始状极距为不变,初始状极距为d0时,电容器容量为时,电容器容量为C0。若动极板有。若动极板有位移,使极板间距离减小位移,使极板间距离减小x,则电容,则电容则增大到则增大到 cx。2变面积式电容式传感器变面积式电容式传感器3变介电常数电容式传感器变介电常数电容式传感器变介电常数电容式传感器原理动画演示变介电常数电容式传感器原理动画演示电容传感器的应用电容传感器的应用 电容传感器声波测量动画
9、演示电容传感器声波测量动画演示1声波测量声波测量电容式压力传感器结构图电容式压力传感器结构图2压力测量压力测量高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子线电子线路位置路位置内部内部不锈不锈钢膜钢膜片的片的位置位置电容式差压变送器外形图电容式差压变送器外形图3数字无损耗信号传输数字无损耗信号传输 利用利用单晶硅谐振传感器,单晶硅谐振传感器,采用采用微电子表面加工技术,微电子表面加工技术,保保证证0.2%的测量精度,可实现抵制的测量精度,可实现抵制静压、温飘静压、温飘对其影响。对其影响。电容传感器加速度测量动画演示电容传感器加速度测量动画演示4加速度测量加速度测量硅微加工电容加速度传感器
10、硅微加工电容加速度传感器 电容式硅微加速度传感器电容式硅微加速度传感器是一种重要的惯性传是一种重要的惯性传感器,是惯性测量组合系统的基础元件之一。它与感器,是惯性测量组合系统的基础元件之一。它与传统的加速度计相比具有传统的加速度计相比具有重量轻重量轻, ,成本低成本低, ,功耗小功耗小, ,体体积小积小等诸多优点。等诸多优点。5电容式指纹传感器电容式指纹传感器3.3.3 接近开关接近开关 接近开关又称接近开关又称无无触点行程开关。触点行程开关。它能在它能在一定的距离(几毫米至几十毫米)内检测有一定的距离(几毫米至几十毫米)内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时,无物体靠近。当物体与其接
11、近到设定距离时,就可以发出就可以发出“动作动作”信号。信号。 接近开关的核心部分是接近开关的核心部分是“感辨头感辨头”,它,它对正在接近的物体有很高的感辨能力。对正在接近的物体有很高的感辨能力。 接近开关外形接近开关外形 接近开关外形(续)接近开关外形(续) 接近开关接近开关分类分类只对导只对导磁物体磁物体起作用起作用对接地对接地的金属的金属起作用起作用只对导电只对导电良好的金良好的金属起作用属起作用对磁性对磁性物体起物体起作用作用接近开关的特点接近开关的特点 接近开关与被测物不接触、不会产生机接近开关与被测物不接触、不会产生机械磨损和疲劳损伤、工作寿命长、响应快、械磨损和疲劳损伤、工作寿命长
12、、响应快、无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防无触点、无火花、无噪声、防潮、防尘、防爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、爆性能较好、输出信号负载能力强、体积小、安装、调整方便。安装、调整方便。 缺点是缺点是触点容量较小、输出短路时易烧触点容量较小、输出短路时易烧毁毁。 3.3.4 差动变压器差动变压器 线圈和磁芯完全线性完全线性便宜便宜耐用耐用有有“中心位置中心位置” 用于执行器 通常嵌入使用通常嵌入使用低非线性低非线性大位移大位移LVDTLVDT结构示意图和电原理图结构示意图和电原理图LVDTLVDT 是线性可变差动变压器是线性可变差动变压器(Linear Variable Diffe
13、rential Transformer)。LVDT 位移传感器的工作原理简单地说是位移传感器的工作原理简单地说是铁芯铁芯 可动变压器。可动变压器。 次级线圈1 初级线圈 次级线圈2 铁芯( 有色 金属棒)两个次级线圈间的输出电压输入初级线圈的恒定交流电压从中心位置移动1.1.结构简单,工作可靠,寿命长,线性度好,重复性好,性能价格比高。结构简单,工作可靠,寿命长,线性度好,重复性好,性能价格比高。2.2.精度:最高精度可达精度:最高精度可达0.05%,一般为,一般为0.25%、0.5%。3.3.绝对误差:最高可达绝对误差:最高可达0.1m0.1m。4.4.重复性:好,最高可达重复性:好,最高可
14、达0.1m。5.5.灵敏度:高,一般每灵敏度:高,一般每mmmm位移输出为数百位移输出为数百mv, mv, 最高可达几伏。最高可达几伏。6.6.分辨率:高,一般为分辨率:高,一般为0.1m,最高可达最高可达10-4m。7.7.测量范围:宽,测量范围:宽,0.1mm500mm甚至更大甚至更大。8.8.工作温度范围:大,一般为工作温度范围:大,一般为-55+150可扩展到可扩展到+300,传传感器或变送器分为三级:感器或变送器分为三级: 商业级:商业级:0+70 工业级:工业级:-40+85 军军 级:级:-55+125 9.9.时间常数小,动态特性好,频带宽一般为时间常数小,动态特性好,频带宽一
15、般为200HZ200HZ(5ms5ms)最高可最高可 500HZ500HZ(2ms2ms)。5. 体积小,价格低,性能价格比高。体积小,价格低,性能价格比高。1. 动态特性好,可用于高速在线检测,进行自动测量,自动态特性好,可用于高速在线检测,进行自动测量,自 动控制。光栅、磁栅等测量速度一般为动控制。光栅、磁栅等测量速度一般为1.5m/s以内,以内,只只能用于静态测量能用于静态测量。LVDT与光栅、磁栅等高精度测长仪器与光栅、磁栅等高精度测长仪器相比有以下几个相比有以下几个优点:优点:3. 可以做成在特殊条件下工作的传感器,如耐高压,高温,可以做成在特殊条件下工作的传感器,如耐高压,高温,耐
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