模拟量传感器解析ppt课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,C4 模拟量传感器,传感器作用及分类,电阻式传感器,电感式传感器,电容式传感器,压电式传感器,磁电式传感器,C4 模拟量传感器 传感器作用及分类,1,4.1 传感器的作用与分类,4.1.1 传感器的作用,2.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：,敏感作用：感受物理量的变化，以完成对被测信号的拾取。,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，有时合二为一。,4.1 传感器的作用与分类4.1.1 传感器的作用2.变换作,2,传感器是以一定的,精度和规律,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,测量装置,。,传感器通常由三部分组成：,敏感元件,：直接感受被测量,输出与被测量成确定关系。,转换元件,：敏感元件的输出就是转换元件的输入,它把输入转换成电量参量。,转换电路,：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。,传感器是以一定的精度和规律把被测量转换为与之有确定关系的、便,3,4.1.2 传感器的分类,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。,（I(t)，V(t)，,数字量，频率量,）。,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R、L、C改变，这种传感器工作时必须有外加电源，故又称为,无源型,，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。,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,有源型,，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，通常还要接放大器。,发电型,参量型,4.1.2 传感器的分类按输出信号是模拟量还是数字量，可分成,4,测力计,压力计,测力计 压力计,5,4.1.3 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（建立一个数学模型），即：,通常为,电量,的,y,=f(x,1,x,2,x,n,),（通常为非电量）,如：R=L/A 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、输出二者间关系后才能使用。,4.1.3 传感器工作原理与标定 任何一种传感器其工作原,6,4.2 电阻传感器,1、,变阻器式传感器（电位器式传感器）,1）工作原理,电阻式传感器可分为,电位计式和应变式,。电位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。,位移变化转换为阻值的变化,4.2 电阻传感器 1、变阻器式传感器（电位器式传感器）位移,7,等效电路分析:,L-变阻器总长;,x-电刷移动量.,C点与A点电阻：,灵敏度：,k,l,-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,x,L,A,C,B,等效电路分析:L-变阻器总长;C点与A点电阻：灵敏度：kl-,8,E,E1,EE1,9,负载特性,(其后接电路一般采用电阻分压电路),E,R,L,R,x,R-R,x,E1,为减小后接电路的影响，一般R,L,R,0,L,E,负载特性(其后接电路一般采用电阻分压电路)ERLRxR-Rx,10,分类,单圈电位器,（一般用于音量控制),多圈电位器,（精密调节电路中),直线滑动式电位器,(一般用于电视机、音响中作音量控制或均衡控制),分类单圈电位器（一般用于音量控制)多圈电位器（精密调节电路中,11,优点,结构简单，价格低廉，且性能稳定；,受环境温度影响小；,输出信号大，一般不需放大,缺点,电刷与线圈式电阻膜之间摩擦，需较大的输入能量；,磨损,与尘埃引起接触电阻变化，引入噪声,影响使用寿命，降低可靠性,精度低，动态响应差,应用：,主要用来测量位移、压力、加速度等,优点应用：主要用来测量位移、压力、加速度等,12,2）电阻应变式传感器-应变片,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，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,金属电阻应变片,半导体应变片,2）电阻应变式传感器-应变片基于金属导体的应变效应，即金,13,模拟量传感器解析ppt课件,14,工作原理,金属应变片的电阻R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）,工作原理金属应变片的电阻R为工作时把应变片用特制胶水粘贴在,15,代入,有：,金属丝截面积：,代入有：金属丝截面积：,16,金属丝体积不变：,有：,单位应变所引起的电阻相对变化,金属丝体积不变：有：单位应变所引起的电阻相对变化,17,对金属材料，导电率不变或很小，即,金属丝应变片：,表明电阻相对变化率与应变成正比，称比值S为应变系数或灵敏度，即：,（取值一般在1.73.6）,对金属材料，导电率不变或很小，即金属丝应变片：表明电阻相对变,18,优点：结构简单，性能稳定，价格低;,缺点：精度不高，灵敏度低,分丝式和箔式，有单轴，多轴（应变花），同轴多栅等多种类型,优点：结构简单，性能稳定，价格低;分丝式和箔式，有单轴，多轴,19,半导体应变片,简化为：,基于半导体材料的,压阻效应,：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）,对半导体来说，由几何尺寸引起，,半导体应变片简化为：基于半导体材料的压阻效应：半导体材料受到,20,优点：灵敏度高;体积小;,缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,灵敏度：,金属丝电阻应变片利用导体形变引起电阻变化；,半导体应变片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）,优点：灵敏度高;体积小;灵敏度：金属丝电阻应变片利用导体,21,应变片的主要参数,（4）其它表示应变片性能的参数（,工作温度、滞后、疲劳寿命、横向灵敏度,等）。,（1）,几何参数,：表距L和丝栅宽度b，常用 bL表示。,（2）,电阻值：,应变计的原始电阻值。,（3）,灵敏系数：,表示应变片变换性能的重要参数。,应变片的主要参数 （4）其它表示应变片性能的参数（工作,22,电阻应变片应用,应变式传感器应用的两种方式：,弹性体,把被测的物理量（力、扭矩、压力）转化为弹性体的应变值,应变片,作为传感元件，将应变转换为电阻值的变化,电阻应变片应用应变式传感器应用的两种方式：,23,直接测力或应变,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，为结构设计、应力校核或构件破坏预测提供实验数据。,直接测力或应变 为研究机械、桥梁等构件在工作状态下的,24,应变片贴在弹性体上,可测力、位移、压力、加速度等,梁的应变与质量块相对于基座的位移成正比,应变片贴在弹性体上可测力、位移、压力、加速度等梁的应变与质量,25,应变片测量电路,V,E,R1,R2,R4,R3,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,测量电路。,电桥,应变片测量电路VER1R2R4R3采用转换电路把电阻的变化,26,a,b,c,d,I,1,I,2,R,1,R,2,R,3,R,4,Ui,U,o,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,abcdI1I2R1R2R3R4UiUo组桥时，应变片的灵敏,27,工作方式,单臂,双臂,全桥,应变片所在桥臂,R,1,R,1,R,2,R,1,R,2,R,3,R,4,输出电压Uo,R1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,工作方式单臂双臂全桥应变片所在桥臂R1R1,R2R1,R2,28,温度补偿,概念：,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,温度变化,。,原因：,电阻温度效应：,线膨胀系数不同产生的电阻变化：,其中：,1,-试件线膨胀系数,2,-电阻丝线膨胀系数,S -应变片灵敏度,温度补偿概念：作为测量应变的金属应变片，希望电阻值仅随应变变,29,桥路补偿,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），从而不会破坏电桥平衡的特性来达到补偿。,a,b,c,d,I,1,I,2,Ui,Uo,R,1,R,R,4,R,R,3,R,R,2,R,全桥补偿法,a,b,c,d,R,1,R,R,3,R,4,Ui,Uo,R,2,R,半桥补偿法,R,1,-工作片,R,2,-温度补偿,R,1、,R,2,-工作片,R,3、,R,4,-温度补偿,桥路补偿abcdI1I2UiUoR1RR4RR3,30,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。,案例：电子称原理,31,模拟量传感器解析ppt课件,32,模拟量传感器解析ppt课件,33,晶振输出,CPU时钟输出,电源+,电源地,串行时钟输入,串行数据输出,片选,测试输出,差分信号输入+,差分信号输入-,电压参考,-,电压参考,+,晶振输入,串行数据输入,测试输出,测试输出,中断输出,复位,测试输出,测试输出,差分信号输入+,差分信号输入-,模拟电源+,模拟电源地,CS5550管脚引线,晶振输出晶振输入CS5550管脚引线,34,4.3 电感式传感器,1.自感式传感器,1)工作原理：线圈的自感与磁路的磁阻有关。,其中,w,线圈匝数，R,m,磁路磁阻,磁阻R,m,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。,i,0,分别为铁芯和空气隙的磁导率。,A,i,为各段铁芯及空气隙的截面积。,l,i,和,i,分别为铁芯长度和空气隙厚度。,基本原理：将被测量的变化转化位电感量的变化。,4.3 电感式传感器1.自感式传感器 1)工作原理：线圈的,35,在变压器中，铁芯为闭合回路，因此空气磁阻为0，而在传感器中，则利用空气磁阻，在磁阻的表达式中。,0,i,即,R,m,主要由空气的磁阻构成。,通常只要（设法）使空气隙的厚度和截面积Ai发生变化，便可以使自感发生变化，因此可构成下列三种传感器。,变气隙式,工作原理及结构：,在变压器中，铁芯为闭合回路，因此空气磁阻为0，而在传感器中，,36,灵敏度：,呈非线性。,灵敏度：呈非线性。,37,变气隙截面式：,输出为线性,变气隙截面式：输出为线性,38,螺管式,在螺管线圈内插入铁芯，铁芯上下移动时，磁阻发生变化，这种传感器制造简单，适用于较大位移测量（数毫米），但灵敏度较低。,2）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，其输出特性大有改善。以变气隙式为例：,螺管式2）实用差动式自感传感器。一般实用的自感式传,39,在初始位置时，衔铁位于气隙的中间，两线圈的电感值：L,1,=L,2,=L,总电感的变化量：dL,S,=L,1,-L,2,=0。,L,1,=L+dL，L,2,=L-dL,由于两个电感量一个增加，一个减小，因此称之为差动式。总的电感变化量,dLS=L1-L2=2dL,当被测量使衔铁偏离中间位置时，两个磁路的磁阻由于气隙厚度改变而发生变化，两个电感分别改变为：,在初始位置时，衔铁位于气隙的中间，两线圈的电感值：L1=L2,40,灵敏度,可见，不仅灵敏度提高，而且线性范围也增加了。因此，使用自感传感器多组成差动式，如差动变气隙，差动变面积，差动螺管式。通常接入电桥进行测量，用来测量位移量。,由此可见，差动式传感器比单边传感器的灵敏度提高一倍，其输出特性为,L,灵敏