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1、第四章、传感器测量原理,本章学习要求：,1.了解传感器的分类 2.掌握常用传感器测量原理及应用3.了解传感器后续处理电路,4.1 概述,1.传感器的基本概念,定义：,传感器是一种把特定的被测信息量按照一定规律转换成为可用信号输出的器件或装置。,被测量：位移、（角）速度、加速度、力（压力）、高度、扭矩,例：热敏电阻：温度变化-电阻变化,传感器：传-传递信息；感-感受被测量；器-器件,可用信号：便于处理和传输的非噪声信号（电信号、光信号）,1-弹簧管 2-电位器,图4-1 传感器 组成框图,2、传感器的构成型式 举例：测量压力的电位器式压力传感器,是传感器的核心,弹性敏感元件（弹簧管）,敏感元件在
2、传感器中直接感受被测量，并转换成与被测量有确定关系、更易于转换的非电量。,弹性敏感元件（弹簧管）,在下图中，弹簧管将压力转换为角位移,弹簧管放大图,当被测压力p增大时，弹簧管撑直，通过齿条带动齿轮转动，从而带动电位器的电刷产生角位移。,被测量通过敏感元件转换后，再经传感元件转换成电参量,在右图中，电位器为传感元件，它将角位移转换为电参量-电阻的变化（R）,3、分类汽车上使用的传感器的种类很多，一般可按以下几种方法分类：1）根据输入物理量可分为：位移传感器压力传感器速度传感器,温度传感器扭矩传感器等。2）根据工作原理可分为：电阻式传感器电感式传感器电容式传感器电动势式传感器等。,3）根据输出信号
3、的性质可分为：模拟式传感器数字式传感器4）根据能量转换原理可分为：有源传感器、等。无源传感器。、等。,4.2 电阻式传感器,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:电位器式（电位计式）、电阻应变式.,一、电位器式传感器,等效电路分析:,x,L,4.2 电阻式传感器,L-变阻器总长;x-电刷移动量.R-总电阻;Rx电刷电阻;,E1=E/L*x,4.2 电阻式传感器,E1=E/L*x,如何获得电压呢？,4.2 电阻式传感器,m:电压表的内阻（输入电阻）,E1=(Rx/Rm)(R-Rx+(Rx/Rm)*E,考虑负载效应情况下：,4.2 电阻式传感器,怎么减小负载效应的影
4、响呢？,希望Rm越大越好！（电压表的输入阻抗）,应用：,1、线位移、角位移的测量。比如：加速踏板位置传感器、夜面高度比如：油量表。,特点,一般实现较大物理量的测量，价格便宜但精度不高。,二、电阻应变片式传感器1、电阻应变片的变换原理结构：变换原理:金属电阻丝在外力作用下产生机械变形时，其电阻率、长度l和截面积A都将发生相应的变化，从而引起电阻值发生变化，这种现象称为电阻应变效应。,1-引出线 2,4 基底 3-电阻丝,上述任何一个参数变换均会引起电阻变化,求导数,代入,4.2 电阻式传感器,有：,当敏感元件为金属丝时：,金属丝体积不变：,4.2 电阻式传感器,对金属材料，导电率不变：,电阻丝纵
5、向应变，dl/l,当敏感元件为半导体时：,4.2 电阻式传感器,简化为：,为与材料有关的压阻系数；E为电阻材料的弹性模量。半导体应变片一般比金属丝电阻应变片的灵敏度大几十倍，表示由于材料电阻率的变化而引起电阻的相对变化量。,应变片的种类和结构（1）金属丝电阻应变片 金属丝电阻应变片是将直径0.0120.05mm的电阻丝绕制或焊接成栅形，粘结在绝缘基底上并覆盖保护层而制成的。,金属丝电阻应变片制作简单，价格便宜。,（2）金属箔式电阻应变片,如图 c)，利用现代照相制版，光刻腐蚀技术在绝缘基底上将厚0.0010.01mm的金属箔片制成各种需要的形状，就得到各种金属箔式电阻应变片。与金属电阻丝应变片
6、相比较，箔式应变片线条均匀，电阻值偏差小，能通过较大的电流，并且便于大量生产。,如图 e)，直接用单晶硅、单晶锗等半导体材料切割、光刻成的单条状敏感栅。也可以在半导体材料上扩散杂质而获得扩散型敏感栅。其主要优点是灵敏度高，机械滞后和横向效应小。其缺点是灵敏度易受外载荷的影响，因而离散度大温度稳定性也较差。,3）半导体应变片,4.2 电阻式传感器,、应变片测量电路,电桥,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。,4.2 电阻式传感器,4、电阻应变式传感器的应用：,测力,电阻应变式传感器主要由电阻应变片及测量转换电路等组成。,应变式力传感器,F,F,
7、F,F,荷重传感器原理演示,荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形。轴向变短，径向变长。,电子秤,磅秤,超市打印秤,远距离显示,电子天平,电子天平的精度可达十万分之一,人体秤,吊钩秤,便携式,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。,4.2 电阻式传感器,悬臂梁式、柱式方式测量力的特点：,悬臂梁式测量灵敏度高、但只适合较小力的测量。柱式测量灵敏度较低，但可测量很大的力。比如：地秤。,弯矩由于弯矩测得弯矩后，也就知道力的大小。,应变式数显扭矩扳手,可用于汽车、摩托车、飞机、内燃机、机械制造和家用电器等领域，准确控制紧固螺纹的装配扭矩。量程2500N.m，耗
8、电量10mA，有公制/英制单位转换、峰值保持、自动断电等功能。,4.2 电阻式传感器,测扭矩,比如：制动扭矩传感器、转向力矩传感器。,最大剪应力,测量液体或气体压力,测量加速度,惯性力ma,应用在：空气气囊、安全带中采用应变式加速度传感器。,电阻应变式传感器在汽车测试上的应用：1、测量汽车制动时的制动扭矩传感器。2、汽车轴、梁所受的载荷大小（测力）。例如在汽车转向试验台上测量汽车转向所受的转向阻力大小。3、主油缸压力传感器。,4、进气压力传感器。5、汽车转向扭矩传感器。6、加速度传感器（用在空气气囊、安全带中）,第三章、传感器测量原理,4.3 电容式传感器,1、变换原理:将被测量的变化转化为电
9、容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,+,A:相对面积,:介电常数,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,4.3 电容式传感器,a)极距变化型,变极距式电容传感器的特性曲线,从图中可以看到，为了提高灵敏度，应使当d0小些还是大些？当变极距式电容传感器的初始极距d0较小时，它的测量范围变大还是变小？,a）结构示意图 b）电容量与极板距离的关系1定极板 2动极板,b)面积变化型,4.3 电容式传感器,平面线位移型,4.3 电容式传感器,柱面线位移型.,4.3 电容式传感器,c)介质变化型,4.3 电容式传感器,2、测量电路,a)电桥电路（调幅）,4.3 电容式传感器,b)谐振电路（调
10、频）,4.3 电容式传感器,c)运算放大器电路,4.3 电容式传感器,可见这时电压输出与间隙成线性关系。,3、应用：测量力、位移、夜面高度、振动、加速度等等。,在汽车上的应用：1、静电电容式燃油性质传感器 汽油成分变化时，介电常数变化很小，而甲醇成分变化时，介电常数变化很大。2、测量汽车油箱的油面高度。3、碰撞加速度传感器,第三章、传感器测量原理,4.4 电感式传感器,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,变隙式 变截面式 螺线管式,1 自感型-可变磁阻式,1-线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-底座 6、7-工件,基本工作原理,则,自
11、感系数L与气隙成反比，与气隙导磁面积A0成正比。若固定A0，改变，这就是常用的变气隙电感式传感器。为减少非线性，这种传感器一般只适用于0.0011mm范围的小位移测试。常采用差动式连接，其输出灵敏度可提高一倍，且可改善其非线性特性。一般只适合用于低频测量。,差动电感传感器的特点,曲线1、2为L1、L2 的特性，3为差动特性（曲线1-曲线2）,在变隙式差动电感传感器中，当衔铁随被测量移动而偏离中间位置时，两个线圈的电感量一个增加，一个减小，形成差动形式。,1-差动线圈 2-铁心 3-衔铁 4-测杆 5-工件,差动变隙式 差动螺线管式,差动式电感传感器的特点,从曲线图可以看出，差动式电感传感器的线
12、性较好，且输出曲线较陡，灵敏度约为非差动式电感传感器的两倍。,从结构图可以看出，差动式电感传感器对外界影响，如温度的变化、电源频率的变化等基本上可以互相抵消，衔铁承受的电磁吸力也较小，从而减小了测量误差。,2 电涡流式,原理:涡流效应。,4.4 电感式传感器,当线圈中流过高频交变电流i，并且让 线圈靠近金属导体时，线圈中产生交变磁通，此交变磁通使邻近的金属板表面产生感应电流i1。这种感应电流在金属体内是闭合的，故称“涡电流”。涡电流也将产生交变磁通1，并与线圈磁通相互作用，从而使线圈的等效阻抗Z发生变化。,4.4 电感式传感器,4.4 电感式传感器,干净、高效的 电磁炉,电磁炉内部的励磁线圈,
13、电磁炉的工作原理,高频电流通过励磁线圈，产生交变磁场，在铁质锅底会产生无数的电涡流，使锅底自行发热，烧开锅 内 的 食 物。,大直径电涡流探雷器,油管探伤,测量电路 调幅电路,石英振荡器产生稳频、稳幅高频振荡电压(100kHz1MHz）用于激励电涡流线圈。金属材料在高频磁场中产生电涡流，引起电涡流线圈端电压的衰减，再经高放、检波、低放电路，最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响（例如两者之间的距离等参数）。,2）调频（FM）式电路(100kHz1MHz）,当电涡流线圈与被测体的距离x 改变时，电涡流线圈的电感量L 也随之改变，引起LC 振荡器的输出频率变化，此频率可直接用计算机测
14、量。如果要用模拟仪表进行显示或记录时，必须使用鉴频器，将f转换为电压Uo。,3 互感型-差动变压器,4.4 电感式传感器,差动变压器测量电路,4.4 电感式传感器,4.5 磁电式传感器,1.变换原理:,基于电磁感应原理，将被测的非电量转换为感应电动势。,当线圈在磁场中运动会产生感应电动势e:,B-磁场强度,Rm-磁阻、v-线圈运动速度,N-线圈的匝数。,2 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,动圈式传感器 线速度型,线速度型,测速电机,动圈式传感器 角速度型,磁阻式传感器,可以用来测量转速,如何测量转速：,磁电式转速传感器输出波形：,3、应用 可测量线速度、角速度（转速）、扭矩等
15、。,磁电式扭矩传感器：,4.6 压电式传感器,1.变换原理:压电效应,+,某些物质，如石英晶体、压电陶瓷或高分子压电材料，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，这种现象称为压电效应。,+,串联(输出为电压）,+,并联(输出为电荷）,4.6压电式传感器,2、测量处理电路,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，方可接后续装置。,前置放大器有：电压放大器 高输入阻抗的比例放大器，其电路比较简单，输出与输入成正比，但还受到连接电缆对地电容的影响，现已很少使用。适用于串联式压
16、电传感器。电荷放大器 目前常采用，可以不考虑电缆电容的影响。适用于并联式压电传感器。,3、应用,压力变送器,力传感器,4.6压电式传感器,可用来测量力、加速度等。,加速度计,压电式脚踏报警器,压电式跳舞毯,玻璃打碎报警装置 将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,将高分子压电电缆埋在公路上，可以获取车型分类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。,交通监测,高分子压电电缆的应用演示,将两根高分子压电电缆相距若干米，平行埋设于柏油公路
17、的路面下约5cm，可以用来测量车速及汽车的载重量，并根据存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。,4.7 霍尔传感器,金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,1、变换原理:霍尔效应,霍尔元件由霍尔片、四根引线和壳体组成，如图示。,霍尔转速传感器输出波形,2、应用 测量位移、力、加速度、转速等等。,当齿对准霍尔元件时，磁力线集中穿过霍尔元件，可产生较大的霍尔电动势，放大、整形后输出高电平；反之，当齿轮的空挡对准霍尔元件时，输出为低电平。,霍尔式无触点汽车电子点火装置,无磨损、点火时间准确、高速时动力足。,桑塔纳汽车霍尔式
18、分电器示意图,1-触发器叶片 2-槽口 3-分电器转轴 4-永久磁铁 5-霍尔集成电路（PNP型霍尔IC）,a）带缺口的触发器叶片 b）触发器叶片与永久磁铁及霍尔集成电路之间的安装关系 c）叶片位置与点火正时的关系,UGN350lT 是一种开关型霍尔元件集成电路芯片，可检测黑色金属的有无。,4.8 温度传感器,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,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
19、现象称为热电效应。,U（T1-T0),3 半导体热敏电阻传感器,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，一般它具有负的电阻温度系数，随温度上升而阻值下降。,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,4、金属热电阻,温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，我们称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。,易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻,汽车用水温传感器及水温表,铜热电阻,4.传感器原理,4.9 光电传感器
20、P53,光电传感器是指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。,1 类型,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,光敏电阻,当光敏电阻受到光照时，阻值减小。,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,光敏二极管,将光敏二极管的PN 结设置在透明管壳顶部的正下方，光照射到光敏二极管的PN结时，电子-空穴对数量增加，光电流与照度成正比。,光敏三极管,光敏三极管有两个PN结。与普通三极管相似，有电流增
21、益，灵敏度比光敏二极管高。多数光敏三极管的基极没有引出线，只有正负（c、e）两个引脚，所以其外型与光敏二极管相似，从外观上很难区别。,光敏三极管外形,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。,2 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。,测亮度.,P54 图4-45 烟尘浊度检测仪.,测转速、位置检测等，光电开关。图4-47（a),遮断式光电开关原理,遮断式光电开关由相互分离且相对安装的光发射器和光接受器组成。当被检测物体位于发射器和接受器之间时，光线被阻断
22、，接受器接受不到红外线而产生开关信号。,被检测物体,光发射器,光接收器,宽度 测量,长度 测量,高度 测量,图4-47（b),案例：光电鼠标就是利用LED与光敏晶体管组合来 测量位移。,齿盘每转过一个齿，光电断续器就输出一个脉冲。通过脉冲频率的测量或脉冲计数，即可获得齿盘转速和角位移。,光电断续器,n,4.10 超声波传感器,第三章、传感器测量原理,一、超声波及其特点频率高于20kHz的机械振动波称为超声波。它的指向性很好，能量集中，因此穿透本领大，能穿透几米厚的钢板，而能量损失不大。在遇到两种介质的分界面（例如钢板与空气的交界面）时，能产生明显的反射和折射现象，超声波的频率越高，其声场指向性
23、就愈好。,4.11 超声波传感器,二、超声波探头 又称超声波换能器。超声波换能器的工作原理有压电式、电磁式等数种。,压电式超声波探头工作原理,将数百伏的超声电脉冲加到压电晶片上，利用逆压电效应，使晶片发射出持续时间很短的超声振动波。当超声波经被测物反射回到压电晶片时，利用压电效应，将机械振动波转换成同频率的交变电荷和电压。,接触式直探头原理,超声脉冲电压输入端,接地端,空气超声探头,a）超声发射器 b）超声接收器 1外壳 2金属丝网罩 3锥形共振盘 4压电晶片 5引脚 6阻抗匹配器 7超声波束,空气超声探头（续）,三、超声波传感器的应用,当超声发射器与接收器分别置于被测物两侧时，这种类型称为透
24、射型。透射型可用于遥控器、防盗报警器、接近开关等。超声发射器与接收器置于同侧的属于反射型，反射型可用于接近开关、测距、测液位或物位、金属探伤以及测厚等。,超声波传感器应用举例,超声波传感器应用举例（续）,超声波传感器应用举例（续）,质量检查,紧固件的安装错误检测,叠放高度测量,超声波传感器应用举例（续）,超声波传感器应用举例（续）,物件放置错误检测,超声波传感器应用举例（续）,透明塑料张力控制,机械手定位,超声波传感器应用举例（续）,纸卷直径检测,超声波传感器应用举例（续）,平整度测量,超声波传感器应用举例（续）,超长距离检测,超声波传感器应用举例（续）,流水线计数,超声波传感器应用举例（续）
25、,超声波多普勒测量车速,多普勒效应,前进方向的频率升高,如果波源和观察者之间有相对运动，那么观察者接收到的频率和波源的频率就不相同了，这种现象叫做多普勒效应。测出f 就可得到运动速度。,超声波多普勒测量风速,风,风引起超声波的频率变大或变小,超声波测距,空气超声探头发射超声脉冲，到达被测物时，被反射回来，并被另一只空气超声探头所接收。测出从发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以空气的声速（340m/s），就是超声脉冲在被测距离所经历的路程，除以2就得到距离。,超声波测厚,双晶直探头中的压电晶片发射超声振动脉冲，超声脉冲到达试件底面时，被反射回来，并被另一只压电晶片所接收。只要测出从
26、发射超声波脉冲到接收超声波脉冲所需的时间t，再乘以被测体的声速常数c，就是超声脉冲在被测件中所经历的来回距离，再除以2，就得到厚度：,超声波测厚,石料测厚,超声波手持式测厚,混凝土测厚,木材测厚,小提琴 木料测厚,双晶超声波测厚探头（续）,超声波测量液位和物位原理,在液罐上方安装空气传导型超声发射器和接收器，根据超声波的往返时间，就可测得液体的液面。,超声波液位计原理,1液面 2直管 3空气超声探头 4反射小板 5电子开关,超声防盗报警器,图中的上半部分为发射电路，下面为接收电路。发射器发射出频率 f=40kHz左右的超声波。如果有人进入信号的有效区域，相对速度为 v，从人体反射回接收器的超声
27、波将由于多普勒效应，而发生频率偏移f。,便携式超声波探鱼器,超声波在医学检查中的应用,胎儿的 B超影像,超声波清洗原理及清洗器,超声换能器,气泡,波浪,清洗物,4.11 传感器选用原则,选择传感器主要考虑灵敏度、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。,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
28、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。,第三章、传感器测量原理,4 稳定性,稳定性是表示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。,第三章、传感器测量原理,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。,第三章、传感器测量原理,结束,相位差传感方式来检测扭矩的扭矩传感器的结构和测量原理图，这种传感器具有高精度，高重复性
29、的特点。其测量原理为：在受扭轴的两端各安上一个齿轮，对着齿面再各装一个电磁传感器，从传感器上就能感应出两个与动力轴非接触的交流信号。取出其信号的相位差，在这两个相位差之间，插入由晶体震荡器产生的高精度，高稳定的时钟信号。以这个时钟信号为基准，巧妙运用数字信号处理技术就能精确地测出所承受的扭矩。,应变片的性能参数：电阻值 60欧、120欧、350欧、600欧和1000欧等，其中120欧姆用得最多灵敏度允许电流应变极限等。,变隙式 变截面式 螺线管式,1 自感型-可变磁阻式,当叶片遮挡在霍尔IC面前时，PNP型霍尔IC的输出为低电平，经反相后晶体管功率开关处于导通状态，点火线圈低压侧有较大电流通过
30、，并以磁场能量的形式储存在点火线圈的铁心中。,汽车电子点火电路及波形,1点火开关 2达林顿晶体管功率开关 3点火线圈低压侧 4点火线圈铁心 5点火线圈高压侧 6分火头 7火花塞,a）电路 b）霍尔IC及点火线圈高压侧输出波形,当叶片槽口转到霍尔IC面前时，霍尔IC输出跳变为高电平，经反相变为低电平，达林顿管截止，切断点火线圈的低压侧电流。由于没有续流元件，所以存储在点火线圈铁心中的磁场能量在高压侧感应出3050kV的高电压。,4.9 气敏电阻传感器,气敏电阻品种繁多，主要有可测量还原性气体和测量氧气浓度的两大类。,把某种气体的成分、浓度等参数转换成电阻变化量，再转换为电流、电压信号。,一、还原性气体传感器 所谓还原性气体就是在化学反应中能给出电子，化学价升高的气体。还原性气体多数属于可燃性气体，例如石油蒸气、酒精蒸气、甲烷、乙烷、煤气、天然气、氢气等。,烟雾报警器,酒精传感器,二氧化碳传感器,酒精测试仪,呼气管,酒精传感器的选择性,气敏半导体的灵敏度特性曲线,二、氧浓度传感器,半导体材料二氧化钛（TiO2）属于N型半导体，对氧气十分敏感。其电阻值的大小取决于周围环境的氧气浓度。当周围氧气浓度较大时，氧原子进入二氧化钛晶格，改变了半导体的电阻率，使其电阻值增大。,汽车尾气分析,
