《纺织常用传感器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《纺织常用传感器.ppt（47页珍藏版）》请在三一办公上搜索。
1、1,纺织生产 微机控制,纺服学院数字纺织教研室,2006/1/31,2,第二章 常用传感器实用技术,第一节 传感器的基本要求1、准确性（精确度）：输出信号应准确地反映被测量的变化，输出与输入之间是单值函数关系。多次测量时重现性好。2、稳定性：在规定条件下，传感器输入/输出的单值函数关系不随时间和温度的变化而变化，以及抗外界干扰的能力强。3、灵敏性：,3,对微小的输入量的变化，即有一定的输出量的变化。检测时反映敏感，变化响应快。灵敏度：输出变化量与相应输入量的比值。K=输出变化量/输入变化量4、线性度：输出/输入之间所呈现的线性关系。指标，非线性误差 VL:VL=(YLmax/Ym)*100%;
2、VL-非线性误差；YLmax-最大非线性绝对误差；Ym-满量程输出值。,X1,0,Y1,YLmax,实测曲线,理论曲线,4,还有一些指标，诸如迟滞、过载能力、漂移、零点漂移等（暂不作讨论）。,第二节 光电传感器,感知光信号并能把光信号转换为电信号的器件。1、光敏电阻：1）工作原理：,+,-,I,+,-,I,+,空穴,电子,光敏电阻,I,光照,5,+,-,I,空穴,电子,光敏电阻,光敏电阻的材质为半导体材料（硫化镉Cds、硫化铅Pbs、硒化铅PbSe），其内部有大量的电子与空穴。电子带负电荷，空穴带正电荷。平时二者在结构上处于复合平衡状态，对外不呈电。,（1）依上连接成电路，当无光照时，光敏电阻
3、内部的电子、空穴保持复合稳定状态，电阻无穷大，电路中无电流流动。,6,（2）当有光照时，材质受光照激发，电子、空穴获得能量，开始活跃起来。在电场力的作用下，形成电子-空穴对。电源负极的电子源源不断地和材质中的空穴中,+,-,I,+,I,光照,和，而材质中积聚的电子流向电源的正极，在电路回路中形成流动的电流。光照-电流，即 R。形成光敏效应，光敏电阻的名称由此而来。,电子移动方向,电流流动方向,7,2）光敏电阻的几个主要特性a、电压/电流特性：在恒定光照条件下，光敏电阻二端所加电压和电流之间的关系特性（曲线）。以硫化镉为例：,mA,V,20 40 60 80,20 15 10 5,功耗线500m
4、w,1000Lx,100Lx,10Lx,（a）当光照不变时，二端电压增大，光电流增大。（b）当二端电压不变时，光照增大，光电流增大。（c）同普通电阻一样，光敏电阻也有最大额定功率，超过额定功率，器件将损坏。,8,b、光谱特性：预备知识：光是一种振动波，光波振动一次所经过的路程称波长。单位为 m。其中：0.40.7 m为可见光；0.7 m为红外光；0.4 m为紫外光。光谱特性：光敏器件对不同波长光谱响应的敏感程度。,1.0,0.6,0.2,0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 波长,电流,硫化镉,硫化铅,硫化镉的峰值波长约0.7m硫化铅的峰值波长约2.3m结论：为获得尽可能大的输出电流，要考虑
5、光源的光谱波长特征。即某种光敏器件采用某种波长的光源，以获取最佳输出效果。,9,c、光照特性：光敏器件外加电压不变，输出电流与光照之间的关系。,0.1 0.2 LX,100,50,uA,理想状态下应为一条直线，即具有线性关系，但实际上是非线性的，属非线性检测器件。,为此主要用作二值传感器（开关量检测：0、1。即有光照、无光照判断）。当然，在 LX 变化较小的区域内作检测，可视为线性器件。,10,3）光敏电阻型号举例：,生产单位：北京554信箱 第718厂 北京华北第二无线电器材厂,11,4）应用举例：在某流水线上，使用光敏电阻传感器对加工工件的数量进行检测。电路如下图：,计数器,Vss,+VD
6、D,R1,R2光,R3,Va,Vb,工件,光源,1、有光照：R2光 Va T截止 Vb=0（0V）2、无光照：R2光 Va T导通 Vb=1（）,+VDD,Vb,T,工件1,工件2,传送带,12,2、光敏晶体管（光敏管）：以光敏三极管为例；1）结构：与普通晶体三极管相似，有PNP与NPN型二种。但在管壳顶上有一天窗，允许光线射入。工程中常用的是NPN硅晶体管。,b,c,e,NPN,e,c,3DU51,物理结构上，只引出c 极和 e 极，b 基极不引出（开路）,基极,发射极,集电极,光线,13,2）工作原理：,c,e,+,-,R,I,c,e,+,-,R,I,无光照,有光照,A、平时无光照时，光敏
7、三极管处于截止状态，（相当于开关断开），电路回路中无电流流动。B、有光照时，光敏三极管导通，形成光电流，电路回路中有电流流动，且电流被放大B倍（B为三极管的电流放大系数）。,14,3）光敏三极管基本光学特性：a、光谱特性：光敏器件对不同波长光谱响应的敏感程度。具备地说：指外加电压与光照强度不变时，输出电流与入射光波波长之间关系。,0.6,0.4,0.2,0.4 0.8 1.2 1.6 波长,电流,0.8,硅,硅光敏三极管的光谱响应波长为0.41.3 m。硅光敏三极管的峰值波长为0.80.9 m。提示：为提高光电传感器的灵敏度与工作效率，对光敏管应采用相应的光波波长的光源。,15,b、光照特性：
8、,光敏三极管外加电压不变，输出电流与光照之间的关系。,500 1000 LX,2,1,mA,3,4,4）典型光敏晶体管型号：,上表参数测试条件：光照度：1000LX 光敏管 VCE：10V,16,5）应用举例：a、光电耦合器：用于电路中2个部分（输入/输出接口）之间的电气隔离。采用元件：光源 红外线发射管；接收管 硅光敏三极管，作为光信号的输出。,电 路 A,电路B,电 光 电转换电路A、B间无电气联接。,123,654,4N28,1,2,4,5,4N28大量应用于工控机输入输出接口上，计算机亦使用。,集成电路芯片,17,b、光电开关：,R1,+,-,光挡片,输出,Vss,+VDD,VSC,R
9、1,R2,有光照，光敏管导通,0V,18,b、光电开关：,R1,+,-,光挡片,输出,Vss,+VDD,VSC,R1,R2,无光照，光敏管截止,+5V,19,c、实际应用一例：邮政信函过签装置,x,R2,过签机构,+VDD,Vss,R1,T2,T1,Vc,DT,K,无信件：T1在光照下呈现导通，Vc=0.3V。T2基极b 相当于接地，T2截止。DT不得电。K不闭合，过签装置不动作。,有信件：信件挡光，T1截止。Vc电平升高，当Vb大于等于0.7V时，T2导通。DT得电。K闭合，过签装置动作，对信函打印。,Vb,20,c、实际应用一例：邮政信函过签装置,x,R2,过签机构,+VDD,Vss,R1
10、,T2,T1,Vc,DT,K,无信件：T1在光照下呈现导通，Vc=0.3V。T2基极b 相当于接地，T2截止。DT不得电。K不闭合，过签装置不动作。,有信件：信件挡光，T1截止。Vc电平升高，当Vb大于等于0.7V时，T2导通。DT得电。K闭合，过签装置动作，对信函打印。,Vb,21,第三节 磁敏传感器 检测外部磁信号并能将磁信号转换为电信号（或动作信号）的器件。1、霍尔磁敏传感器：1）霍尔元件工作原理：,+,-,UH,R,Z,X,Y,b,a,c,d,A：结构 将半导体材料（砷化铟）制作成薄片，并在四个侧面引出电极 a、b、c、d。其中a、b端经一限流电阻接电源；c、d端外接一电压表。,22,
11、I,B：工作 若在 a、b端提供一工作电流，当在Z轴方向上外加一磁感应强度为B的磁场，则c、d端将产生霍尔电势UH，称为霍尔效应。其关系表达式为：UH=I*B*RH/d,+,-,UH,R,Z,X,Y,b,a,c,d,+,-,UH,R,Z,X,Y,b,a,c,d,I,+,+,+,+,-,-,-,-,B,V,23,UH=I*B*RH/d（矢量式）,式中：I a、b两端输入电流（mA）；B 外部磁感应强度（T）；RH 霍尔常数（m3*c-1）；d 元件厚度（m）；Sin a 外部磁场与基片的夹角；,UH=（I*B*RH*Sina）/d（数值式）,24,2）集成式霍尔传感器的结构：,a、符号：,b、内
12、部构成：,a,b,c,H,a b c,H,Vss,+VDD,输出Vc,a,b,c,H,Vss,IC,+VDD,R内1,R内2,d,输出Vc,S N,R内3,R外,内 部,T1,a,b,c,a,b,c,H,Vss,+VDD,输出Vc,R外,25,a,b,c,H,Vss,IC,+VDD,R内1,R内2,d,输出Vc,S N,R内3,R外,内 部,T1,c、工作过程：,磁铁移近霍尔传感器：霍尔片C端的电平Vc 升高；集成运算放大器IC输出端 Vic 为高电平；T1导通；输出端Vc为低电平，即Vc=0V,VC,Vic,a,b,c,0V,26,a,b,c,H,Vss,IC,+VDD,R内1,R内2,d,
13、输出Vc,S N,R内3,R外,内 部,T1,c、工作过程：,VC,Vic,磁铁移离霍尔传感器：霍尔片C端的电平Vc=0V；集成放大电路IC输出端 Vic 为低电平；T1截止；输出端Vc为高电平，即Vc=+Vdd,c,b,a,0V,+Vdd,27,4）典型霍尔传感器型号：,生产单位：南京半导体器件总厂,28,5）应用举例：转速测量：,Vss,+VDD,R,a,Vc,b,无磁铁，Vc=1,Vf=0计数器不计数,Vf,有磁铁，Vc=0,Vf=1计数器计一个数,转动轴,磁铁,29,2、磁敏管（干簧管、簧式开关）：在外部磁场的作用下，磁敏管的簧片（触片）被磁化而作闭合动作；反之则反之。1）磁敏管的结构
14、：,电极 a,电极 b,玻壳密封件,高顺磁率软铁（Ni 52%-Fe合金）特点：易受磁、易去磁。,氮氢惰性气体（使簧片不易氧化，不产生电火花）,镀白金，使触点电阻极小，动作时亦不粘结。,常态下二触点断开状态，电极 a、b不通。,30,2）磁敏管的工作原理：预备知识：在磁铁存在的空间，将形成磁力线，方向为 N S。当有顺磁材料处于磁场作用范围内，则此材料将被磁化，磁化后的极性如下：,N S,N S,电极 a,电极 b,S,S,N,N,S N,当磁铁移近磁敏管时，磁铁产生的磁力线使簧片磁化，极性如上。此时触片分别构成 N-S极而相互吸合，触点闭合，电极a、b接通。当磁铁移离磁敏这时，簧片立即去磁，
15、触点恢复原态。,工作原理：,31,3）磁敏管主要技术参数：,动作距离=10mm（当簧片吸合时簧片与 磁铁的距离）重复精度 开启动作0.05mm;闭合动作0.15mm 响应时间 约等于1.7ms（以一次通断约为4ms，频率：1000ms/4ms=250次/1S）触点容量 24V、100mA，需视触点面积 电 寿 命=102万次,32,4）磁敏管的驱动形式：,N S,N S,1、垂直动作,2、侧面动作,5、旋转动作,N S,N S,挡磁片,3、遮断动作,I,4、螺旋管式,电-磁-动作,线圈通电，簧片吸合；反之则反之,动作特点：顺磁方向，触点闭合；转过 90度，非顺磁方向，触点断开。磁铁旋转 1 周
16、，磁敏管通断2 次。,N S,N S,N S,N S,N S,触点接通 2 次，断开 2 次。下一循环,33,5）磁敏管应用举例：,a、流水线产品计数装置：,计数器,物品箱,工作过程：球由传送带从左向右移动，球经磁铁操作杆时将磁铁压下，磁敏管簧片闭合，计数器计数一。当累计满一箱（例如5只）时，计数器自动发出一个信号，当前物品箱移走，空物品箱移入，继续装球。,34,b、转数测量（低速状态下）：,N S,二分频电路,输入二个脉冲，输出一个脉冲,2,1,35,第四节 电阻应变片式传感器 将被测非电量（物体的位移、应变（压力、张力等）的变化转换成导电材料电阻的变化的装置，称电阻式传感器。1、种类：电阻
17、应变式传感器 电阻器式传感器 热敏电阻传感器（光敏电阻传感器）（磁敏电阻传感器）等。,其中电阻应变片式传感器在某些场合应用较为广泛、本节即学习该内容。,36,2、电阻应变片的基本结构与工作原理：1）基本结构：,引线,绝缘基片,b,L,应变方向,电阻丝,2）工作原理：若应变片沿应变方向受拉伸力的作用产生伸长变形，则电阻丝沿长度方向（轴向）伸长，而直径变小（变细）。电阻值增大。反之受压缩力则电阻值减小。,这就是电阻应变片在外力作用下发生阻值变化的基本原理。,L,L,37,L,L,以上为定性分析，下面作定量分析：我们可以取电阻丝中的一小段 L，根据物理学原理，金属体电阻 R 的值与其长度 L 成正比
18、，与截面积 A 成反比。,当电阻的电阻率已知为，则：,R=*L/A 式中：L-m;A-m2;-.M当电阻丝 L 受外力拉伸产生轴向应变伸长为 L，截面积变为 A。则：伸长量L=L-L此时，截面积缩小了A，A=A-A，电阻率增加了，电阻变化值为R。,A,A,38,（R+R）=（+）*（L+L）/（A-A）若取应变片电阻的相对变化值与电阻丝长度的相对变形量，则可以写出表达式：R/R=K*L/L 式中：K为应变片的灵敏系数上式中：若令电阻丝长度的相对变形量 L/L=则上式可改写为：R/R=K*或：R=R*K*（K、无量纲）以上讨论说明：电阻应变片在外力作用下，电阻值的变化量 R 与电阻原值、灵敏系数
19、、电阻丝长度相对变形量成正比。原电阻值越大、灵敏系数越高、长度相对变形量越多，则R就越大。,则电阻 R 变化为：,39,3、应变片典型型号与技术参数：1）普通片,箔式应变片,刻上敏感栅,40,2）半导体应变片,半导体应变片特点：灵敏系数 K 高，电阻值 R 变化大。即应变片在外力作用下有一个较小的变形，其电阻值R 就会有一个较大的变化。这对于那些被测构件变形量很小，而希望获取较大 R 输出的场合，应用半导体应变片是十分合适的。,41,4、应变片式传感器的典型测量电路 全桥电路：在实际应用中，人们发现单片应变片的应力变量太小，即 R 的变化值太小，不足以提供给后续的电路使用。为便于测量，使输出的
20、 R 值能较大（亦即应变片输出的电压较大）。通常采用由 4 片应变片构成的全桥式应变片电桥作为输出。,+,-,E,Vo,R1,R4,R2,R3,运放,Vc,直流电桥，其中 R1=R2=R3=R4,为方便分析，将该图改绘成：,E,-,+,R4,R1,R2,R3,V1,V2,Vo,参考零电位,42,VE,-,+,R4,R1,R2,R3,V1,V2,Vo,I,I a,I b,V2,V1,电路结构特点：R1、R2构成串联电路R3、R4构成串联电路(R1与R2),(R3与R4)二者构成并联电路,现求全桥的输出电压Vo:设R2上的压降为V1，R3上的压降为V2；则：Vo=V1-V2 式1根据欧姆电路定律，
21、在一纯电阻电路里，流过电路的电流 I 与电压 V 成正比，与电阻 R 成反比。即：I=V/R 亦即 V=I*R为此：V1=Ia*R2 式2同理：V2=Ib*R3 式3,43,上式中：Ia=VE/（R1+R2）式4 Ib=VE/（R3+R4）式5将式4、式5分别代入式2、式3：V1=Ia*R2=VE*R2/(R1+R2)式6V2=Ib*R3=VE*R3/(R3+R4)式7将式6、式7代入式1，则：Vo=V1-V2=VE*R2/(R1+R2)-VE*R3/(R3+R4)=VE R2(R3+R4)-R3(R1+R2)/(R1+R2)(R3+R4)=VE(R2R3+R2R4-R1R3-R2R3)/(R
22、1+R2)(R3+R4)上式经化简后，全桥电路的输出表达式为：VE*(R2R4-R1R3)(R1+R2)(R3+R4),Vo=,44,4、应用举例：纺织纱线张力测量系统：1）应变片全桥测量电路,R2,R1,R3,R4,F,R2,R1,R3,R4,F,伸长+L,伸长+L,压缩-L,压缩-L,在纱线张力作用下，悬臂梁弯曲变形：R2、R4电阻丝轴向产生伸长变形，R2、R4R1、R3电阻丝轴向产生压缩变形，R1、R3,VE,-,+,R4,R1,R2,R3,V1,V2,Vo,45,VE,-,+,R4,R1,R2,R3,V1,V2,Vo,Vo=V1-V2若某全桥电路的供电电压Ve=+9V;R1R4=120欧;若各应变片拉伸（压缩）变形后的电阻值变化R=2.5欧姆.,Vo=,VE*(R2R4-R1R3)(R1+R2)(R3+R4),试求全桥电路的输出电压值Vo。根据公式：,9*(120+2.5)(120+2.5)-(120-2.5)(120-2.5)(120-2.5)+(120+2.5)(120-2.5)+(120+2.5),=,=0.19 V,46,2）纱线张力测量系统总成,试件悬臂梁,应变片,全桥电路,显示与记录,模/数转换,微机处理,数字显示,打印,外力F,形变,R,V,模拟量,F(N),0,N,t,V,t,CP,数字值或绘曲线,47,本章结束,
