第八章传感器概述课件.ppt

传感器篇,第2章 位置传感器 第3章 力与惯性传感器第4章 环境参数传感器 第5章 特殊传感器 第6章 测速发电机,传感器篇第2章 位置传感器,第2章 位置传感器,2.1 电阻式位置传感器 2.2 电容式位置传感器2.3 感应式位置传感器 2.4 磁敏式位置传感器 2.5 光电式位置传感器,第2章 位置传感器2.1 电阻式位置传感器,2.1 电阻式位置传感器,2.1.1 线性电位器,骨架截面积处处相等。,k为比例系数，实际就是传感器的灵敏度。,放大电路采用高输入阻抗，消除负载效应。,X,2.1 电阻式位置传感器 2.1.1 线性电位器,2.1 电阻式位置传感器,老式飞机上使用电位器来测量油量。,浮子-杠杆-电位器电刷-电阻值,第2章 位置传感器,2.1 电阻式位置传感器 老式飞机上使用电位器来测量油量。,2.1 电阻式位置传感器,2.1.2 函数电位器,电位器骨架截面积按一定的函数规律变化。,老式飞机上使用电位器来测量油量。,浮子-杠杆-电位器电刷-电阻值,输出值与电刷位移量呈一定的函数关系。,第2章 位置传感器,2.1 电阻式位置传感器 2.1.2 函数电位器,2.1 电阻式位置传感器,2.1.3 环形电位器,第2章 位置传感器,2.1 电阻式位置传感器 2.1.3 环形电位器,2.1 电阻式位置传感器,2.1.3 环形电位器,第2章 位置传感器,2.1 电阻式位置传感器 2.1.3 环形电位器,2.1 电阻式位置传感器,精密直线电位器,环形（弧形）电位器,第2章 位置传感器,2.1 电阻式位置传感器 精密直线电位器环形（弧形）,2.2 电容式位置传感器,2.2.1 电容式位置传感器的原理及应用,变间隙式,变面积式,变介电常数式,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器 2.2.1 电容式位置传,2.2 电容式位置传感器,2.2.2 电容值的读取,1 运算放大器法,可将变间隙式电容传感器的输出变成线性关系,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器 2.2.2 电容值的读取,2.2 电容式位置传感器,2.2.2 电容值的读取,2 二极管双T型交流电桥,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器 2.2.2 电容值的读取,2.2 电容式位置传感器,2.2.2 电容值的读取,3 振荡频率检测法,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器 2.2.2 电容值的读取,2.2 电容式位置传感器,2.2.2 电容值的读取,4 差动脉冲调宽法,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器 2.2.2 电容值的读取,2.2 电容式位置传感器,2.2.3 差动测量法,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器 2.2.3 差动测量法第,2.2 电容式位置传感器,电容式油量表传感器,第2章 位置传感器,2.2 电容式位置传感器 电容式油量表第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器,2.3.1 自整角机,1 基本工作原理,转子绕组通交流电，在空间产生脉振磁场，三相绕组输出电压幅值的比值与定、转子相对转角存在一一对应的关系。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.1 自整角机 1,2.3.1 自整角机,2 自整角机对的工作原理,发送机转子绕组通交流电，接收机定子合成脉振磁场与发送机转子磁场方向相同；接收机转子绕组不处在协调位置时，输出的感应电势就反映了误差角。,第2章 位置传感器,2.3.1 自整角机 2 自整角机对的工作原理,2.3.1 自整角机,3 力矩式自整角机,接收机转子绕组通上与发送机转子绕组相同的交流电，在接收机定子合成磁场作用下，接收机转子绕组转到协调位置。,输出力矩有限,第2章 位置传感器,2.3.1 自整角机 3 力矩式自整角机 接,2.3.1 自整角机,4 差动自整角发送机,差动自整角发送机转子也由三相绕组构成。用来把发送机指令角，变为发送机指令角和差动发送机转角的差值。（1-1-2）。,第2章 位置传感器,2.3.1 自整角机 4 差动自整角发送机,2.3.1 自整角机,角位置数字转换模块,与自整角发送机配套使用，其输入信号为转子励磁电压（参考电压）和三相定子绕组电压，输出为角位置。,第2章 位置传感器,2.3.1 自整角机 角位置数字转换模块,2.3 感应式位置传感器,2.3.2 旋转变压器,1、组成和基本原理,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.2 旋转变压器,2.3.2 旋转变压器,2、负载效应及其误差补偿,负载效应：输出绕组接负载后，绕组电流形成 的磁场使输出特性曲线发生畸变。,交轴分量使工作磁场偏离励磁绕组轴线方向，是引起输出特性曲线畸变的主要因素。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器2、负载效应及其误差补偿 负载效应：,2.3.2 旋转变压器,2、负载效应及其误差补偿,原边补偿：定子交轴绕组短接，感应电流产生 的磁场抵消转子交轴磁场。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器2、负载效应及其误差补偿 原边补偿：,2.3.2 旋转变压器,2、负载效应及其误差补偿,副边补偿：另一输出绕组接等值负载，其交轴 磁场抵消工作输出绕组交轴磁场。,工作负载变化时，无法完全补偿。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器2、负载效应及其误差补偿 副边补偿：,2.3.2 旋转变压器,3、线性旋转变压器,Uo,EZ,ED,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器3、线性旋转变压器 UoEZED原边,2.3.2 旋转变压器,3、线性旋转变压器,当ku取0.560.59之间时，定转子夹角在60范围内，线性误差可小于0.1%.,不同的接线方法，可以使得传感器的测量公式和输出特性不同。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器3、线性旋转变压器 当ku取0,2.3.2 旋转变压器,4、多极和双通道旋转变压器,转子转动一周，输出信号变化p个周期。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器4、多极和双通道旋转变压器,2.3.2 旋转变压器,4、多极和双通道旋转变压器,极对数为p的多极旋变转子转动一周时，输出信号有2p个零位，有p个位置对应一个输出电压值（信号不为零时）。,双通道旋转变压器由一个两极旋变和一个多极旋变组合而成，两极旋变用来确定粗略的角度值（即确定被测角度的范围），多极旋变则用来进行角度值的精确测量。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器4、多极和双通道旋转变压器 极对数为,2.3.2 旋转变压器,5、旋转变压器的应用,角位置测量：使用方法与自整角机相同，但一般精度较低且要补偿负载效应。,三角函数模拟计算：变比ku为1,调节信号电压：变比可调变压器，但允许通过的电流较小。,定子和转子匝数相等；或在输出绕组后面增加放大倍数为1/ku的放大器。,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器5、旋转变压器的应用 角位置测量：,2.3.2 旋转变压器,5、旋转变压器的应用,第2章 位置传感器,2.3.2 旋转变压器5、旋转变压器的应用 第2章 位置传,2.3 感应式位置传感器,2.3.3 感应同步器,1、圆形感应同步器,多极旋变的进一步细分。极数一般有180、360、720。,励磁,正弦,余弦,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.3 感应同步器,2.3 感应式位置传感器,2.3.3 感应同步器,2、直线式感应同步器,第2章 位置传感器,移动一个极距，产生一个周期变化的正弦和余弦信号。,2.3 感应式位置传感器 2.3.3 感应同步器,2.3 感应式位置传感器,2.3.3 感应同步器,3、感应同步器的使用,零位检测：转子基准绕组与定子基准绕组中心线对正，位置传感器输出一个脉冲信号。,整周信号读取：由一个计数器专门记录转子基准绕组转过的定子极数。,正余弦信号读取：鉴幅法、鉴相法或幅相法。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.3 感应同步器,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,1、感应式定位传感器,两个输出绕组反相串联，与需要定位控制的被控对象固连。,控制电路的输入信号是两个输出绕组感应电势的差值。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.4 其它感应式位,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,2、变电感式位置传感器,利用铁心在螺线管中的有效长度或磁路磁阻随被测对象位置不同而不同，使得电感线圈的电感值发生变化，从而输出与被测位置成一定函数关系的交流电信号。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.4 其它感应式位,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,2、变电感式位置传感器,给变电感式位置传感器加上励磁线圈，把两个电感线圈当成变压器的副边绕组，并将它们反向串联后输出给控制电路，则构成了差动变压器。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.4 其它感应式位,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,2、变电感式位置传感器,差动变压器,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.4 其它感应式位,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,2、变电感式位置传感器,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.4 其它感应式位,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,3、涡流式位置传感器,通有交流电的电感线圈接近金属导体时，金属导体就会产生感应电流，该电流为闭合回线，故称之为涡流。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.4 其它感应式位,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,3、涡流式位置传感器,环状涡流也产生交变磁场，会抵消部分原磁场，这一影响可以等效为线圈L的电感值的变化。,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.4 其它感应式位,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,3、涡流式位置传感器,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.4 其它感应式位,2.3 感应式位置传感器,2.3.4 其它感应式位置传感器,3、涡流式位置传感器,第2章 位置传感器,2.3 感应式位置传感器 2.3.4 其它感应式位,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.1 干簧管,当有磁铁或磁场靠近干簧管时，两个弹片（干簧片）会被磁化，在磁力的作用下，两弹片克服弹力接触到一起，使开关接通。,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.1 干簧管,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,霍尔效应：霍尔元件长度方向通以控制电流、厚度方向存在磁场作用时，在宽度方向产生电势（霍尔电势）。,1、霍尔效应及其产生的原理,UH,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件 霍,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,霍尔效应是半导体中自由电荷在磁场中受洛仑兹力作用而产生的。,1、霍尔效应及其产生的原理,UH,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,1、霍尔效应及其产生的原理,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件 1,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,2、霍尔元件的主要技术参数,额定功耗P0；输入电阻Ri和输出电阻Ro；霍尔电势温度系数；内阻温度系数；灵敏度KH.,第2章 位置传感器,不平衡电势U0：在额定控制电流I作用下，不加磁场时，霍尔电极间的空载霍尔电势（单位为mv）。U0与额定控制电流之比称为不平衡电阻r0.有些产品也提供不平衡电阻参数值。,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件 2,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,3、霍尔电势的测量和误差补偿,测量电路,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件 3,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,3、霍尔电势的测量和误差补偿,零位误差补偿电路,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件 3,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,4、霍尔集成电路,线性型：三端T型,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件 4,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,4、霍尔集成电路,线性型：八针双列直插型,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件 4,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,4、霍尔集成电路,开关型,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件 4,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,4、霍尔集成电路,开关型,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件 4,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,4、霍尔集成电路,开关型,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件 4,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,5、霍尔元件应用,测量微小位移：线性霍尔集成电路，恒定控制电流、稳定的外部磁场。测量转速：开关型霍尔集成电路。测量电流和磁场的大小，如直流稳流控制装置和高精度高斯计。铁磁材料无损探伤：受损后导磁性能变化。,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件 5,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.2 霍尔元件,5、霍尔元件应用,无刷直流电机,主要由电动机本体、转子位置传感器和电子换向电路组成。,可看成齿数很少的步进电机，其定子绕组通电顺序由位置传感器测量值控制。,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.2 霍尔元件 5,2.4 磁敏式位置传感器,飞机发动机转速表,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 飞机发动机转速表 第2章,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.3 磁敏电阻,1、磁阻效应,N 型半导体元件有电流流过且受到外部磁场作用时，霍尔效应使得沿电流方向电子减少，从而使器件的电阻值增大。,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.3 磁敏电阻 1,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.3 磁敏电阻,2、磁敏电阻,T,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.3 磁敏电阻 2,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.3 磁敏电阻,3、磁敏电阻的应用,无触点开关、行程控制装置、转速计、电子水表、可变电阻、流量计、计数器、图形识别、读磁头、电流计等。,磁敏无刷电位器,注意温度补偿,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.3 磁敏电阻 3,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.4 磁敏二极管和磁敏三极管,1、磁敏二极管,当偏置电压一定而外部磁场的磁感应强度变化时，磁敏二极管的电流也随之发生变化。,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.4 磁敏二极管和,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.4 磁敏二极管和磁敏三极管,1、磁敏二极管,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.4 磁敏二极管和,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.4 磁敏二极管和磁敏三极管,1、磁敏二极管,感温电阻补偿：在磁敏二极管的偏置电压回路中串联温度补偿电阻。,温度补偿方法,互补工作方式：将面相对或背向放置的两个性能参数一致的磁敏二极管串联，取中点电压为输出电压，使得两个二极管随温度变化的电压量相互抵消，输出电压不随温度变化。,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.4 磁敏二极管和,2.4 磁敏式位置传感器,2.4.4 磁敏二极管和磁敏三极管,2、磁敏三极管,自学,第2章 位置传感器,2.4 磁敏式位置传感器 2.4.4 磁敏二极管和,2.5 光电式位置传感器,2.5.1 光电池,半导体材料吸收光能，使材料中的电子跃迁而产生电子-空穴对，光电池一般看成随光照强度变化的电流源。存在一定的光谱选择性。,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.1 光电池,2.5 光电式位置传感器,2.5.1 光电池,硅光电池 太阳能电池板,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.1 光电池,2.5 光电式位置传感器,2.5.1 光电池,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.1 光电池 第2,2.5 光电式位置传感器,2.5.2 光敏电阻,光敏电阻的工作原理是利用半导体材料的光电效应，使得电阻的阻值随光照强度的变化而变化。,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.2 光敏电阻,2.5 光电式位置传感器,2.5.2 光敏电阻,光敏电阻的工作原理是利用半导体材料的光电效应，使得电阻的阻值随光照强度的变化而变化。,2.5.3 光敏二极管和光敏三极管,光敏二极管和光敏三极管结构与普通二极管和三极管相似，原理与光敏电阻相似。,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.2 光敏电阻,2.5 光电式位置传感器,2.5.4 光栅传感器,莫尔条纹：由于遮光效应，两块光栅的刻线相交处形成亮带，缝隙相交处形成暗带，在与光栅刻线垂直的方向，将出现明暗相间的条纹。,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.4 光栅传感器,2.5 光电式位置传感器,2.5.4 光栅传感器,B：莫尔条纹间距W：光栅栅距：光栅刻线夹角,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.4 光栅传感器,2.5 光电式位置传感器,2.5.4 光栅传感器,两光栅沿着垂直于刻线方向相对移动时，莫尔条纹将沿着刻线方向移动，光栅移动一个节距W，莫尔条纹也移动一个间距B。,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.4 光栅传感器,2.5 光电式位置传感器,2.5.4 光栅传感器,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.4 光栅传感器,2.5 光电式位置传感器,2.5.4 光栅传感器,光栅传感器使用光电转换系统（光源和前述光电式位置传感器），来对莫尔条纹的移动进行测量，并转换成相应的电信号输出。,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.4 光栅传感器,2.5 光电式位置传感器,2.5.4 光栅传感器,在相隔四分之一间距的位置再加装一个光敏器件，两个输出信号的相位就相差四分之一周期，对其鉴相就可以判断出位移的方向。,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.4 光栅传感器,2.5 光电式位置传感器,2.5.4 光栅传感器,细分法：是沿莫尔条纹宽度方向、在一个莫尔条纹间距内，等距离放置n个光敏器件。,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.4 光栅传感器,2.5 光电式位置传感器,2.5.4 光栅传感器,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.4 光栅传感器,2.5 光电式位置传感器,2.5.5 光电码盘（光电编码器）,码盘与被测对象同轴安装。透光码形对正光电元件时，光电元件输出为高电平，表示二进制数字1。,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.5 光电码盘（光,2.5 光电式位置传感器,2.5.5 光电码盘（光电编码器）,从圆盘的圆心向外，依次分成n个同心圆，每个同心圆称为一个码道。每条码道对应一位二进制输出，靠近圆心的为高位。,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.5 光电码盘（光,2.5 光电式位置传感器,2.5.5 光电码盘（光电编码器）,第2章 位置传感器,2.5 光电式位置传感器 2.5.5 光电码盘（光,