机电控制系统中的低压电器及传感器.ppt

1,常用低压电器的性能及应用传感器概述常用传感器的性能和应用,第三章机电控制系统中的低压电器及传感器,2,一、常用低压电器的性能及应用,手控电器、主令电器,1.4 电子电器,1.1 电磁式接触器,1.2 电磁式继电器,热继电器,1.3 熔断器,速度继电器,低压断路器,3,电磁式接触器是一种自动的电磁式开关。,1.1 电磁式接触器,适用于远距离频繁地接通或断开交直流主电路。主要用于控制电动机、电热设备、电焊机、电容器组等。它具有欠电压释放保护功能。在电力拖动系统中被广泛应用。,4,接触器按主触头通过的电流种类不同，可分为交流接触器和直流接触器两类。,1.1 电磁式接触器2,5,主要由电磁机构、触头系统、灭弧装置及辅助部件四部分组成。,1.1.1 交流接触器,1.交流接触器的结构,电磁机构：利用电磁线圈的通电或断电，使衔铁和铁心吸合或释放，从而带动动触头与静触头闭合或分断，来实现接通或断开电路。触头系统：分为主触头和辅助触头。辅助部件交流接触器的辅助部件包括反作用弹簧、缓冲弹簧、触头压力弹簧、传动机构、底座及接线柱等。,6,触头系统：主触头用于通断电流较大的主电路，一般由三对常开触头组成；辅助触头用以通断电流较小的控制电路，通常由两对常开和两对常闭触头组成，起电气联锁或控制作用。常开触头和常闭触头是联动的。当线圈通电时，常闭触头先断开，常开触头后闭合；而线圈断电时，常开触头先恢复断开，常闭触头后恢复闭合。常开触头又称动合触头，常闭触头又称动断触头。,灭弧装置：交流接触器中常用的灭弧装置因电流等级而异，容量较小的接触器常采用双断口桥形触头以利于灭弧，并在触头上方安装陶土灭弧罩。容量较大的接触器常采用纵缝灭弧罩和栅片灭弧装置。,1.1.1 交流接触器2,7,辅助部件：反作用弹簧安装在动铁心和线圈之间，其作用是线圈断电后，推动衔铁释放，使各触头恢复原状态。缓冲弹簧安装在静铁心与线圈之间，其作用是缓冲衔铁在吸合时对静铁心和外壳的冲击力，保护外壳和底座。触头压力弹簧安装在动触头上面，其作用是增加动、静触头间的压力，从而增大接触面积，以减小接触电阻，防止触头过热而灼伤。传动机构的作用是在衔铁或反作用弹簧的作用下，带动动触头实现与静触头的接通和分断。,1.1.1 交流接触器3,8,2.交流接触器的工作原理,当给接触器的线圈两端加上一个交流电压后，线圈中的电流会产生磁场，使静铁心产生足够大的吸力，克服反作用弹簧的反作用力，将衔铁吸合。通过中间传动机构带动常闭（辅助）触头先断开，三对主触头和常开（辅助）触头后闭合。,当加在接触器线圈两端的电压为零或较低时，由于电磁吸力消失或过小，不足以克服反作用弹簧的反作用力，衔铁即会在反作用力下复位，带动常开触头（主、辅）先恢复断开，辅助常闭触头后恢复闭合。,1.1.1 交流接触器4,9,1.1.2 直流接触器,1.直流接触器的结构,直流接触器主要由电磁系统、触头系统和灭弧装置三部分组成。,电磁系统：直流接触器常用绕棱角转动的拍合式电磁机构。由于其铁心不会因产生涡流和磁滞损耗而发热，因此可用整块的铸铁或铸钢制成，端面也不需安装短路环。为保证衔铁能可靠地释放，磁路中垫有非磁性垫片，以减少剩磁的影响。,10,触头系统：直流接触器的触头也有主、辅之分。由于主触头接通和断开的电流比较大，多采用滚动接触的指形触头，以延长触头的使用寿命。辅助触头的通断电流较小，多采用双断点桥式触头，并可有若干对。,容量较大的直流接触器线圈经常采用串联双绕组。在电路刚接通瞬间，保持线圈被常闭触头短路，可使起动线圈获得较大的电流和吸力。当接触器动作后，起动线圈和保持线圈串联通电，电流较小但仍可保持衔铁被吸合，从而达到省电的目的。,1.1.2 直流接触器2,11,灭弧装置：直流接触器的主触头在分断较大直流电流时，会产生强烈的电弧，所以必须设置灭弧装置以迅速熄灭电弧。,交流接触器触头间产生的电弧在自然过零时能自动熄灭，而直流电弧因为不存在自然过零点，所以只能靠拉长电弧和冷却电弧来熄灭电弧。在同样的电气参数下，熄灭直流电弧要比熄灭交流电弧困难的多，故直流灭弧装置一般比交流灭弧装置复杂，这也是为什么对直流接触器触头的要求比交流接触器要高，接触器按触头通断电流的种类进行分类（而不是按线圈通过电流的种类），且交、直流接触器不能相互替代的原因。,若把直流接触器线圈接入同电压的交流电源会产生什么问题？,。,直流接触器线圈的交阻抗很大，接入同电压的交流电源能通过的电流很小，磁力也很小，不能吸合，不会有别的问题,1.1.2 直流接触器3,12,主要技术数据有：接触器额定电压和额定电流、接触器线圈额定电压、主触头接通与分断能力、接触器机械寿命与电气寿命、接触器额定操作频率、接触器线圈的动作值等。,接触器的主要技术数据,1.额定电压 接触器的额定电压指的是主触头的额定电压。交流接触器主要有220V、380V（500V）和660V，直流接触器主要有110V、220V和440V。2.额定电流 接触器的额定电流指的是主触头的额定工作电流。它是在额定电压、使用类别和操作频率一定的条件下规定的，目前常用的电流等级为10800A。,13,3.电气寿命和机械寿命 电气寿命指接触器带额定负荷的情况下能够动作的次数，机械寿命指接触器不带负荷的情况下能够动作的次数。4.操作频率 操作频率指接触器每小时的操作次数,一般为300、600、1200次/h几种。5.线圈的额定电压 交流有36V、110V（127V）、220V、380V；直流有24V、48V、110V、220V、440V。其中交流127V属于淘汰等级。6.动作值 指接触器的吸合电压和释放电压。线圈电压达到其额定电压的85%或以上时，衔铁应可靠地吸合；低于其额定电压的70%或突然消失时，衔铁要可靠地释放。,接触器的主要技术数据2,14,在选用接触器时，应遵循下面的原则进行：1.接触器类型的选择 交流负载选用交流接触器，直流负载选用直流接触器。2.主触头的额定电压的确定 主触头的额定电压应大于或等于主电路的工作电压。3.主触头额定电流的确定 当接触器控制电阻性负载时，主触头额定电流应不小于被控负载的额定电流；当接触器控制不频繁起动、制动及正反转的电动机时，主触头额定电流应大于或稍大于电动机的额定电流；当接触器控制频繁起动、制动及正反转的电动机时，应适当增大接触器主触头的额定电流（可按二倍的额定电流进行选择）。,接触器的选用原则,15,4.吸引线圈的额定电压和频率的确定 吸引线圈的额定电压和频率要与所在控制电路的电压和频率保持一致。5.触头数量的确定 根据在电路中使用接触器触头数量和种类的实际情况来确定接触器的触头数量和种类。当触头数量和种类不能满足要求时，要想法解决。,接触器的图形和文字符号,a)辅助动断触点b)辅助动合触点c)主触点d)线圈,接触器的选用原则2,16,1.2 电磁式继电器,电磁式继电器的结构及工作原理与接触器类似，也是由电磁机构和触头系统等组成。,1.电磁式继电器的基本结构,继电器只能用于切换电流较小的控制电路或保护电路（各触头允许通过的电流多为5A），而不能控制主电路；继电器可对多种输入信号量的变化作出反应，而接触器只能对电压信号作出反应；继电器不设专门的灭弧装置且触头无主、辅之分；继电器一般还具有改变释放弹簧松紧和改变衔铁打开后磁路气隙大小的调节装置。,与接触器的区别：,17,按用途分按输入量分按通入电磁线圈电流分,1.2 电磁式继电器2,18,2.电磁式继电器的特性和主要参数,继电器的特性是用输入输出特性来表示的，当改变继电器输入量大小时，对于输出量的触头只有“通”与“断”两个状态，所以继电器的输出量也只有“有”和“无”两个量。,（1）额定电压或额定电流（2）动作电压或动作电流（3）返回电压或返回电流（4）返回系数是指继电器的释放值与吸合值的比值，以K表示。,主要参数,（5）整定值按控制需要，预先给继电器设置并能达到的一个动作值或返回值。,1.2 电磁式继电器3,19,返回系数电压继电器，电压返回系数KV为：KV=Ur/U0 式中：Ur 为释放电压（V）；U0 为吸合电压（V）。电流继电器，电流返回系数KI为：KI=Ir/I0 式中：Ir为释放电流（）；0为动作电流（）。返回系数实际上反映了继电器吸力特性和反力特性配合的紧密程度不同场合要求不同的值，返回系数是可以调节的,20,1.2.1 电压继电器,用来反映电压变化的继电器叫电压继电器。电压继电器的线圈为电压线圈，在使用时并联在电路中，其匝数多、导线细、阻抗大。,过电压继电器是在电压为额定电压的105%120%以上时动作（正常电压时处于释放状态）。零电压继电器是欠电压继电器的一种特殊形式，当端电压降至或接近零时方动作的电压继电器。欠电压继电器和零电压继电器在电路正常工作时，衔铁与铁心是吸合的,当电压降到额定电压的40%70%时，欠电压继电器的衔铁释放，当电压降低至额定电压的1025%时，零电压继电器动作。,电压继电器分为过电压继电器、欠电压继电器和零电压继电器,21,主要依据继电器的触头数目，线圈额定电压及继电器触头种类等进行。,电压继电器图形和文字符号,电压继电器的选择,1.2.1 电压继电器2,22,1.2.2 电流继电器,用来反映电流变化的继电器叫电流继电器。电流继电器的线圈为电流线圈，串联在被测电路中，匝数少、导线粗、阻抗小。,23,过电流继电器主要用于电路的过电流保护。在电路正常工作时过电流继电器不动作，当电流超过某一整定值时才动作。通常，交流过电流继电器的吸合电流I0=(1.1 3.5)IN，直流过电流继电器的吸合电流I0=(0.75 3)IN。当通过继电器的电流减小到低于其整定值时动作的继电器称为欠电流继电器。正常工作时衔铁处于吸合状态，当电流降低至继电器释放电流时，则衔铁释放，使触头动作。欠电流继电器的动作电流为线圈额定电流的3065%，释放电流为线圈额定电流的1020%。,电流继电器分为过电流继电器、欠电流继电器,1.2.2 电流继电器2,24,电气控制回路中的欠电流需要保护吗？试举例说明。,需要。,如直流电动机励磁回路断路或励磁电流过小，将会造成直流电动机飞车等事故。,1.2.2 电流继电器3,25,1.2.3 中间继电器,中间继电器的结构及工作原理与接触器基本相同，因此又叫接触器式继电器。,区别：中间继电器的触头对数多，且没有主辅之分，各对触头允许通过的电流大小相同（多为5A）。常用的中间继电器有JZ7、JZ14等系列。用来增加控制电路中的信号数量或将信号放大，对于工作电流小于5A的电气控制电路，可用中间继电器取代接触器来控制。,26,自得到动作信号起至触头动作或输出电路发生改变经过一定时间，且该时间符合其准确度要求的继电器叫时间继电器。,1.2.4 时间继电器,按动作原理分有电磁式、电动式、空气阻尼式、晶体管式等；按延时方式分有通电延时型和断电延时型两种。,27,电磁式时间继电器：结构简单、价格低廉、寿命长，但体积较大、延时时间较短、且只能用于直流断电延时。电动式时间继电器：延时精度高、延时可调范围大（由几分钟到几小时），但结构复杂、价格高。有通电延时型和断电延时型两种。空气阻尼式时间继电器：又称气囊式时间继电器，是利用空气阻尼的原理获得延时的。根据触头延时的特点，可分为通电延时动作型和断电延时复位型两种。晶体管时间继电器：也叫电子式时间继电器，它具有延时时间长、调节范围宽、精度高、消耗功率小、机械结构简单及寿命长等优点。按结构形式分有阻容式和数字式；按延时方式有通电延时型和断电延时型；按输出形式分有无触点式和有触点式。,1.2.4 时间继电器2,28,对于延时要求不高的场合，一般选用空气阻尼式时间继电器；对于延时要求较高的场合，可选用电动式或电子式时间继电器。对于空气阻尼式时间继电器，其线圈电流种类和电压等级应与控制电路相同；对于电动式和电子式时间继电器，其电源的种类和电压等级应与控制电路相同。按控制电路要求选择通电延时型和断电延时型，以及触头延时形式和触头数量。同时还要考虑操作频率是否符合要求。,时间继电器的选用,1.2.4 时间继电器3,29,1.使用类别的选选择 使用类别决定了继电器所控制的负载性质及通断条件，因此这是选用继电器的主要依据。2.额定工作电压、额定工作电流的确定继电器的最高工作电压可为该继电器的额定绝缘电压，最高工作电流一般小于该继电器的额定发热电流。对于线圈额定电压的选用则要做到与电源电压相匹配。3.考虑不同工作制 4.返回系数的调节 电压和电流继电器，应根据控制要求进行返回系数的调节。,1.2.4 电磁式继电器的选择与使用,30,1.3 熔断器,熔断器是一种保护电器，广泛应用于配电电路的短路保护。具有结构简单，使用维护方便，动作可靠等优点。,熔体的材料有两种，一种是由铅、铅锡合金或锌等熔点较低的材料制成，多用于小电流电路；另一种是由银或铜等熔点较高的材料制成，主要用于大电流电路。熔体的形状多制成片状、丝状或栅状。熔管是安装熔体的外壳，用绝缘耐热材料制成，在熔体熔断时兼有灭弧作用。熔座是用来固定熔管和外接引线的底座。,熔断器主要有熔体、熔管和熔座三部分组成。,31,（1）RCIA系列插入式熔断器 RCIA系列插入式熔断器也叫瓷插式熔断器，主要用于交流50HZ、额定电压380V及以下、额定电流200A及以下的电路的短路保护。,熔断器按结构形式分可分为半封闭插入式、无填料封闭管式、有填料封闭管式和自复式四类。,1.3.1 常用的各种熔断器,32,（2）螺旋式熔断器RL1系列螺旋式熔断器的熔断管内填充着石英砂，以增强灭弧能力。螺旋式熔断器具有熔断指示器，当熔体熔断时指示器会自动脱落。该系列产品具有较高的分断能力，主要用于交流50HZ、额定电压380V或直流额定电压440V及以下电压等级的电力拖动电路或成套配电设备中，作短路保护。,1.3.1 常用的各种熔断器2,33,有填料的熔断器的熔管用高频电工瓷制成，熔体用网状紫铜片制成，具有较大的分断能力，广泛用于短路电流较大的输配电系统中及熔断器式隔离器，开关熔断器等开关电路中。,（3）封闭管式熔断器：封闭管式熔断器可分为有填料和无填料两种。RM10系列为无填料式有两个特点：一是其熔管是钢纸管制成的，当熔体熔断时熔管内壁会产生高压气体，加快电弧熄灭；二是熔体是用锌片制成变截面形状的，在短路故障时，使电弧容易熄灭。,1.3.1 常用的各种熔断器3,34,（4）自复式熔断器自复式熔断器的熔体是用非线性电阻元件制成的。当电路发生短路时，短路电流产生的高温使熔体迅速气化（熔体安装在密闭的容器内），阻值剧增，从而限制了短路电流。当故障清除后，温度下降，熔体重新固化，恢复其良好的导电性。它具有限流作用显著，动作时间短、动作后不必更换熔体，可重复使用等优点。因为不能真正分断电路，只能限制故障电流，所以实际应用中一般与断路器配合使用,1.3.1 常用的各种熔断器4,35,（1）快速熔断器快速熔断器主要用于半导体功率元件的过电流保护。常用的有RS0、RS3、RLS2等系列。（2）高分断能力熔断器 NT型，其额定电压可达660V，额定电流至1000A，分断能力可达120KA，适用于工业电气装置、配电设备的短路保护。,1.3.1 常用的各种熔断器5,新型产品介绍,钢纸管是先将氧化锌处理过的纸卷在卷芯上达到预先设定的管壁厚度，然后经过脱盐、干燥、压管、粗磨、细磨的程序而达到理想的内径及外径。钢纸管的密度在1.4gcm 左右，有良好的物理性质、机械性质、电气绝缘性、抗弧及灭弧性。钢纸管的加工性好，可做细磨、滚花、旋切、加螺纹、切削，易被加工成多种产品。,36,1.3.2 熔断器的保护特性及主要技术参数,1.熔断器的保护特性曲线 熔断器的保护特性曲线亦称安秒特性曲线，是在规定条件下，表征流过熔体的电流与熔体的熔断时间的关系曲线。是反时限曲线，即熔断器通过的电流越大，熔断时间越短，如下表。,37,2.熔断器的主要技术参数,1.3.2 熔断器的保护特性及主要技术参数2,38,熔断器的选择包括类型选择、熔断器的额定电压和额定电流的选择、熔体额定电流的选择等。,1.熔断器的类型选择依据使用环境、负载性质和各类熔断器的适用范围。用于照明电路或容量较小的电热负载，选用RC1A系列；在机床控制电路中，多选用RL1系列；半导体元件及晶阐管保护时，选用RLS2或RS0系列。有易燃气体或短路电流相当大的场合，选用RT0系列。,1.3.3 熔断器的选择,2.熔断器的额定电压和额定电流的选3.熔体额定电流的选择(阻性负载/电动机负载)4.额定分断能力的选择,39,5.熔断器保护特性的选择电路中某一支路发生短路故障时，只有距离故障点最近的熔断器动作，而主回路的熔断器或断路器不动作，这称为选择性配合。一般要求上一级熔断器的熔断时间至少是下一级的3倍；上下级选用同一型号的熔断器时，其电流等级以相差2级为宜；上下级所用的熔断器型号不同，则应根据保护特性上给出的熔断时间来选择。,1.3.3 熔断器的选择2,40,1.4 电子电器,随着微电子技术的不断发展，在自动控制设备中新型电子器件的弱控强技术的应用越来越广泛。电子技术逐渐渗透到低压电器领域，最早出现一些代替传统电器的产品，如晶体管式时间继电器。其后出现了许多带有综合测量及控制功能的自动电器，如各种电量与非电量的信号检测电器，可实现软起动和综合保护的电机启停控制器，电动机的短路、断相、漏电保护继电器等。,电子电器是全部或部分由电子器件构成的电器。因为其机械部件少，或有些电子电器根本就没有机械部件，因而与一般的低压电器相比，电子电器具有较长的寿命和较高的精度，工作频率高、噪声低、开关速度快等许多优点。,41,晶体管式时间继电器具有延时范围大、调节范围宽、体积小、使用寿命长和控制功率小等特点。按延时原理有阻容充电延时型和数字电路型；按输出形式有有触点式和无触点式。常用的产品有JSJ、JS20、JSS、JSZ7、3PU、ST3P和SCF等系列。,1.4.1 常用的电子电器-晶体管时间继电器,下图为JS20系列时间继电器的外形图和工作原理图。它由稳压电源、RC充放电电路、电压鉴别电路、输出电路和指示电路等部分组成。,42,当接通电源后，经整流、滤波和稳压后，直流电压经波段开关上的电阻R10、RP1、R2向电容C2充电。开始时V6截止，V7、VT也处于截止状态。随着充电的进行，电容C2上的电压由零按指数曲线上升，直至uc上升到|ucUs|Up|时，V3导通，由于ID在R3上产生电压降，D点电位开始下降，至V7的发射极电位以下时，V7将导通。V7的集电极电流Ic在R4上产生压降，使场效应晶体管的Us降低，即负栅偏压越来越小。所以对于V6来说，R4起正反馈作用，使V7迅速由截止变为导通，并触发晶体管VT使它导通，同时使继电器KA动作，输出延时信号。从时间继电器接通电源、C2开始被充电到KA动作这段时间即为通电延时动作时间。KA 动作后，C2经KA常开触头对电阻R9放电，同时氖泡Ne起辉，并使V6和V7都截止，为下次工作作好准备。此时VT仍保持导通，除非切断电源，使电路恢复到原来状态，继电器KA才释放。,1.4.1 常用的电子电器-晶体管时间继电器2,43,1.4.2 常用的电子电器-固态继电器,固态继电器是四端器件，其中两个为输入端，两个为输出端，中间采用隔离器件，以实现输入与输出之间的电隔离。,按负载电源类型可分直流型固态继电器和交流型固态继电器。直流型以功率晶体管作为开关元件，交流型以晶闸管作为开关元件。按输入与输出之间的隔离形式可分为光电耦合隔离型和磁隔离型；按控制触发信号可分为过零型和非过零型，有源触发型和无源触发型。,44,当无输入信号时，光敏二极管V3截止，V4导通，VT1控制极被箝在低电位而关断。当有输入信号时，V3导通，V4截止。当电源电压大于过零电压（约25V），A点电压大于V5的Vbe5时，V5导通，VT1由于控制极处于低电压而截止，输出端因VT2控制极无信号而关断。当电源电压小于过零电压时，A点电压小于V5的Vbe5，V5截止，VT1控制极通过R5、R6分压获得触发信号，VT1导通，这样在VT2控制极获得从R8V6VT1V9R9和R9V8VT1V7R8正反两个方向的触发脉冲，使VT2导通，即输出端B、C两点导通，接通负载电路。当输入信号取消后，V4导通，VT1关断，而VT2仍保持导通状态，直到负载电流随电源电压的减小下降到双向晶闸管维持电流以下而关断，切断负载电路。,1.4.2 常用的电子电器-固态继电器2,45,1.4.3 常用的电子电器-无触点行程开关,无触点行程开关又称为接近开关，是以不直接接触方式进行控制的一种位置开关。,能代替有触点行程开关来完成行程控制和限位保护等可用于高速计数、测速、检测零件尺寸等使用于一般行程控制，其定位精度、操作频率、使用寿命及对恶劣环境的适应能力也比普通机械行程开关高。,接近开关按其工作原理分为高频振荡型、电容型、霍尔效应型、光电型、永磁型以及超声波型等。其中以高频振荡型最为常用。高频振荡型接近开关的电路由振荡器、放大器和输出三部分组成。其基本原理是当有金属物体接近高频振荡器的线圈时，使振荡回路参数变化，振荡减弱直到终止而输出控制信号。,46,晶闸管元件具有“开”与“关”两种状态，因此可以实现电路中控制与切换功能。由于没有触点的机械运动，也叫静态开关或固态开关。在晶闸管的控制极上加适当的触发信号，可使其从断开状态转为导通状态，如果停止给以触发信号，则当晶闸管的阳极电流减小到维持电流以下时即自行关断。,1.4.4 常用的电子电器-晶闸管自动开关,晶闸管开关具有动作快、寿命长、控制功率小、无电弧、无噪声等优点，特别适用于频繁操作和有爆炸、腐蚀性气体的环境中。缺点是导通时有较大的管压降（约1V）、功耗较大、关断时存在一定的残漏电流、不能实现电路隔离；且过载能力低、价格高、体积大（有散热器）等。,47,二、传感器概述,传感器的电路组成框图：,图中虚线框内是把输出的电信号转换成便于处理、控制、记录和显示的有用电信号所涉及的有关电路。,传感器通常是非电物理量转换为与之有确定对应关系的电量输出的器件或装置。,48,物理量传感器化学量传感器生物量传感器,2.1 传感器分类,按被测量的性质,49,温度传感器,压力传感器,扭矩传感器,角位移传感器,位移传感器,2.1 传感器分类2,50,压电式加速度传感器,激光位移传感器,光纤式位移传感器,超声波位移传感器传感器,电感式位移传感器,2.1 传感器分类3,51,温度传感器,压力传感器,扭矩传感器,角位移传感器,位移传感器,2.1 传感器分类4,52,1、静态响应特性,当被测量的数值处在稳定状态时，传感器的输出输入特性称作静态相应特性。包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。,2.2 传感器的基本特性,a）理想传感器特性曲线 b）只包含偶次项的特性曲线 c）只包含奇次项的特性曲线,53,(1)线性度,(2)灵敏度,(3)迟滞性,2.2 传感器的基本特性2,54,(4)重复性,2.2 传感器的基本特性3,2、动态特性,动态特性反映了被测量快速变化的性能，可以利用系统的传递函数、频率响应来描述。,55,调整时间峰值时间最大超调量振荡次数延迟时间上升时间,1）时域指标,2.2 传感器的基本特性4,56,2.2 传感器的基本特性5,2）频域指标,可以用幅频特性和相频特性描述,57,二阶系统的脉冲输入和响应,二阶系统的阶跃输入和响应,两种典型的输入响应：,2.2 传感器的基本特性6,58,三、常用传感器的性能和应用,力敏传感器光敏传感器磁敏传感器电容传感器电感式传感器电阻式传感器,59,力敏传感器弹性敏感元件,变换力的弹性敏感元件,是指输入量为力F，输出量为应变或位移的弹性敏感元件,60,变换压力的弹性敏感元件,通常用来测量气体或液体的压力,力敏传感器弹性敏感元件2,61,力敏传感器-电阻应变式传感器,工作原理是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，其电阻值随着它所受机械变形（伸长或缩短）的变化而发生变化的现象。,62,当电阻丝受到拉伸时，电阻值增大，受压缩时，电阻值减小 金属应变片：把电阻丝夹在薄纸或薄膜中间制成应变片(亦称应变计)。工作中把应变片贴在产生应力变形的被测物表面，以实现应力和变形的测量。将应变片黏合在试件或传感器的弹性元件上，然后构成半桥或全桥电路。当弹性元件(或试件)受力后，产生应变，敏感栅的电阻发生变化，产生正比于力(或应变)的电压信号，测定电压就可确定力(或应变)的大小。应变片不仅可对试件进行测量，而且与不同弹性元件结合可制成力、压力、称重、扭矩、加速度等多种力学量传感器。电阻应变式传感器占称重(电子秤)传感器的绝大多数。,力敏传感器-电阻应变式传感器2,63,Z元件是一种N区被重掺杂补偿的特种PN结。该元件的最大优点就是无需前置放大和A/D转换器就可以直接输出开关信号或频率信号，并可与计算机直接通讯。,（1）工作原理 当力敏Z元件受力发生弯曲变形时，内部应力作用于载流子，电子和空穴上使载流子偏离原来的运动方向。如果在P区加力，使Z元件的导电能力减小。如果在N区加力，使Z元件的导电能力增强。在电路中Z元件作为PN 结处于正向偏置状态，在负载电阻R上获得输出信号。,力敏传感器-力敏Z元件,64,（2）伏安特性,M1-高阻区M2-负阻区M3-低阻区Ith-为阈值电流If为-导通电流V th-为阈值电压V f-为导通电压,若静态工作点设定在M1 区,Z元件处于稳定的高阻状态,作为开关元件在电路中相当于“阻断”。若静态工作点设定在M3 区,Z2元件将处于稳定的低阻状态,作为开关元件在电路中相当于“导通”。,力敏传感器-力敏Z元件2,65,（3）输出电路,Z 元件作为PN 结处于正向偏置状态,在负载电阻R 上可得到电压输出。,力敏传感器-力敏Z元件3,66,敏感元件由弹簧连接并架在光滑支架上，支架与待测系统固定在一起，敏感元件下端的滑动臂可在滑动变阻器R上自由滑动，当系统加速运动时，敏感元件发生位移，并转化为电信号输出。,力敏传感器-典型应用,案例1：测物体加速度,67,案例2：桥梁固有频率测量,原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车过障碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。,力敏传感器-典型应用2,68,案例3：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。,力敏传感器-典型应用3,69,当受到压力时，一对电桥上阻值发生变化，将之通过恒流源时可将压力信号变化为电压信号。但传感器有非线性，所以每台仪器要根据实际测量数据，将实际测量数据存入CPU，将测量信号通过查表程序算得压力值。,数字压力计电路基本结构,案例4：数字压力计,力敏传感器-典型应用4,70,当机器人手爪抓住物体时，传感器的探头受力，弹性体变形，探头向下剂压Z元件，这样探头所受的较大的力就变成较小的力传递给力敏Z元件，就实现了机器人触觉的传感。,案例5：力敏Z元件在触觉传感器中的应用,力敏传感器-典型应用5,71,第二类：在光的作用下使物体电阻率发生改变的称内光电效应，又叫光电导效应，基于内光电效应的光电元器件有光敏电阻，以及由光敏电阻制成的导管等。,第三类：在光电作用下能使物体产生一定方向电动势的称阻挡层光电效应。这类光电元件，主要有光电池和光电晶体管等。,光电效应：,第类：在光的作用下能使电予逸出物体表面的称外光电效应。基于外光电效应的光电元件有光电管、光电倍增管等；,光电传感器由光路及电路两大部分组成。光路部分实现被测信号对光量的控制和调制电路部分完成从光信号到电信号的转换。,3.2.光敏传感器,72,基本形式：,a)投射式,b)反射式,c)辐射式,d)开关式,3.2.光敏传感器2,73,光敏传感器-光电倍增管,主要由阴极、次阴极（倍增电极）、阳极组成。阴极由半导体光电材料锑铯做成，次阴极是在镍或铜-铍的衬底上涂上锑铯材料形成。次阴极可达30级。通常为1214级。,74,结构,a)结构,b)电极,c)接线图,无光照时，光敏电阻值（暗电阻）很大，电路中电流（暗电流）很小。当光敏电阻受到一定波长范围的光照时，它的阻值（亮电阻）急剧减小，电路中电流迅速增大。一般希望暗电阻越大越好，亮电阻越小越好,光敏传感器-光敏电阻,75,技术特性,a)伏安特性,b)光照特性,伏安特性是指在一定照度下，流过光敏电阻的电流与光敏电阻两端的电压的关系。光照特性指光敏电阻的光电流I和光照强度之间的关系。,光敏传感器-光敏电阻2,76,c)光谱特性,d)频率特性,光谱特性指光敏电阻对不同波长的入射光有不同的灵敏度。频率特性指光敏电阻对应着不同材料的频率特性。,光敏传感器-光敏电阻3,77,e)温度特性,温度特性是指温度变化时，对光敏电阻的光谱响应、灵敏度和暗电阻的影响。,光敏传感器-光敏电阻4,78,光敏二极管在电路中一般是处于反向工作状态。在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，这反向电流称为暗电流，当光照射在PN结上，光子打在PN结附近，使PN结附近产生光生电子和光生空穴对，它们在PN结处的内电场作用下作定向运动，形成光电流。,光敏传感器-光敏二极管,79,a)结构,b)符号,c)基本电路,当光照射在集电结时，就会在结附近产生电子空穴对，光生电子被拉到集电极，基区留下空穴，使基极与发射极间的电压升高，这样便会有大量的电子流向集电极，形成输出电流，且集电极电流为光电流的倍，所以光敏晶体管有放大作用。,光敏传感器-光敏晶体管,80,分体式,当有物体在发射器和接收器中通过时，红外光束被遮断，接收器接收不到红外线而产生一个电脉冲信号。,光敏传感器-光电开关,81,一体式光电开关结构,1发光二极管,2红外光,3光敏元件,4槽口,5被测物,光电发射和接收器做在体积很小的同一塑料壳体内。,光敏传感器-光电开关2,82,a)检测线材断线,b)印刷机送纸检测,c)瓶盖检测,d)防盗门位置检测,一体式光电开关应用,光敏传感器-光电开关3,83,（1）光电式数字转速表,光电器件受光照时，有电信号输出，光电器件不受光照时，无电信号输出。属于这一类的大多是作继电器和脉冲发生器应用的光电传感器，如测量线位移、线速度、角位移、角速度(转速)的光电脉冲传感器等等。,光敏传感器-典型应用,84,（2）光电阵列在带材宽度检测中的应用,a)光敏二极管线阵的应用,b)CCD线阵的应用,1平行光源 2窄缝 3被测板材 4光电线阵 5物镜,光敏传感器-典型应用,85,磁敏传感器是对磁场参量(B,H,)敏感的元器件或装置,具有把磁学物理量转换为电信号的功能。,质子旋进式磁敏传感器,光泵式磁敏传感器,SQUID（超导量子干涉器）,磁通门式磁敏传感器,半导体磁敏传感器（霍尔器件、磁敏二极管、磁敏三极管、磁敏电阻）,机械式磁敏传感器,分类,3.3 磁敏传感器,86,霍尔效应,通电的导体或半导体，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势的现象称霍耳效应。,3.3.1 磁敏传感器-霍耳磁敏传感器,87,结构,3.3.1 磁敏传感器-霍耳磁敏传感器2,88,电路,电路符号,基本电路,I为控制电流、VH为霍耳电势、V为控制电压、R2是输出电阻、R1是输入电阻、R3是霍耳负载电阻、IH是霍耳电流。,3.3.1 磁敏传感器-霍耳磁敏传感器3,89,原理与特点,利用霍耳效应与集成电路技术结合而制成的一种磁敏传感器，它能感知一切与磁信息有关的物理量，并以开关信号形式输出。,霍耳开关集成传感器具有使用寿命长、无触点磨损、无火花干扰、无转换抖动、工作频率高、温度特性好、能适应恶劣环境等优点。,3.3.2 磁敏传感器-霍耳开关集成传感器,90,结构,它由稳压电路、霍耳元件、放大器、整形电路、开路输出五部分组成。,3.3.2 磁敏传感器-霍耳开关集成传感器2,91,外形及应用,3.3.2 磁敏传感器-霍耳开关集成传感器3,92,接口电路,3.3.2 磁敏传感器-霍耳开关集成传感器 4,93,工作特性曲线,BOP为工作点“开”的磁感应强度BRP为释放点“关”的磁感应强度,霍耳开关集成传感器的技术参数主要有：工作电压、磁感应强度、输出截止电压、输出导通电流、工作温度、工作点等。,3.3.2 磁敏传感器-霍耳开关集成传感器5,94,单端输出的传感器,SL3501T电路结构,SL3501T输出特性曲线,3.3.3 磁敏传感器-霍耳线性集成传感器,95,双端输出的传感器,SL3501M电路结构,SL3501M输出特性曲线,3.3.3 磁敏传感器-霍耳线性集成传感器2,96,典型应用,霍耳开关集成传感器常用于点火系统、保安系统、转速、里程测定、机械设备的限位开关、按钮开关、电流的测定与控制、位置及角度的检测等等。,利用霍耳电势与外加磁通密度成比例的特性，可借 助于固定元件的控制电流，对磁量以及其他可转换成磁量的电量、机械量和非电量等进行测量和控制。,应用这类特性制作的器具有磁通计、电流计、磁读头、位移计、速度计、振动计、罗盘、转速计、无触点开关等。,磁敏传感器-霍耳线性集成传感器 3,97,磁敏电阻也称MR元件，是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件,主要特性:,磁场电阻特性,灵敏度特性:在一定磁场强度下的电阻变化率,即磁场电阻特性的斜率。,随着磁场的增加，电阻值减少，并且在磁通密度达数十到数百高斯即饱和。,a)电阻磁场特性,b)磁场输出特性,3.3.4 磁敏传感器-磁敏电阻,98,电阻温度特性,电阻温度特性,强磁磁阻元件的电阻温度特性曲线,常用恒压方式。,3）典型应用,磁敏电阻可以用来作为电流传感器、磁敏接近开关、角速度/角位移传感器、磁场传感器等。,3.3.4 磁敏传感器-磁敏电阻 2,99,电容式传感器:以电容器为敏感元件，将机械位移量转换为电容量变化的传感器,常见电容式传感器,3.3.4 磁敏传感器-磁敏电阻3,100,电容式传感器是将被测物理量的位移转换为电容量的变化，再通过配套的测量电路，将电容的变化转换为电信号输出。,式中：0真空的介电常数；s 极板的遮盖面积；极板间相对介电系数；两平行极板间的距离。,3.4 电容传感器,101,如果两极板相互覆盖面积及极间介质不变，当两极板在被测参数作用下发生位移，引起电容量的变化为：,传感器的灵敏度为：,极距变化型电容式传感器,102,动板与定板之间相互覆盖的面积引起电容量变化。当覆盖面积对应的中心角为a、极板半径为r时，覆盖面积为：,电容量为：,其灵敏度为：,面积变化型电容式传感器,103,这种传感器大多用于测量电介质的厚度(图a)、位移(图b)、液位(图c)，还可根据极板间介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量(图d)等。,介质变化型电容式传感器,104,电感式传感器是基于电磁感应原理，将被测物理量转换为电感量的变化。,自感型电感式传感器 互感型电感传感器,3.5 电感式传感器,可变磁阻式电感传感器电涡流式传感器,105,自感L可表示为：,灵敏度：,1）可变磁阻式电感传感器,3.5.1 自感型电感式传感器,106,如果将固定，变化空气隙导磁截面积S0时，自感L与S0呈线性关系,可变磁阻式传感器的典型结构：可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。,双螺管线圈差动型，较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。,3.5.1 自感型电感式传感器2,107,2）电涡流式电感传感器,高频反射式涡流传感器：高频(1MHz)激励电流，产生的高频磁场作用于金属板的表面，在金属板表面将形成涡电流。若只改变距离而保持其他系数不变，则可将位移的变化转换为线圈自感的变化。,3.5.1 自感型电感式传感器3,108,低频透射式涡流传感器：发射线圈1和接收线圈2分别置于被测金属板材料G的上、下方。当低频(音频范围)电压e1加到线圈1的两端后，所产生磁力线的一部分透过金属板材料G，使线圈2产生感应电动势e2，且e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少。,3.1.1 自感型电感式传感器4,109,差动变压器式电感传感器：传感器由线圈、铁芯和活动衔铁三部分组成。,3.5.2 互感型电感式传感器,当初级线圈输入交流激励电压时，次级线