机电控制技术第二章.ppt

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1、第2章 传感与检测技术,2.1 传感器的组成及分类2.2 传感器的一般特性2.3 常用传感器及应用2.4 检测技术 本章重点与难点,高职高专规划教材,第2章 传感与检测技术重点和难点,本章重点：1传感器的一般特性2常用传感器的种类3.检测技术中测量误差和相对误差的概念本章难点：1常用传感器的应用,2.1 传感器的组成及分类,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。,2.1 传感器的组成及分类,物理量传感器：力学量传感器(如力传感器、速度传感器、位移传感器等)光学量传感器(如图像传感器、红外线传感器等)量传感器(如温度传感

2、器)电学量传感器(如电流传感器、电压传感器、电阻传感器)声学量传感器磁学量传感器,分类:物理量传感器、化学量传感器、生物量传感器,2.2传感器的一般特性,1.线性度：标定曲线与拟合直线的接近程度称为线性度，线性度的好坏通常用线性度误差表示。,e线性度误差；标定值偏离拟合直线的最大偏差；Yn满量程值。,线性度与拟合直线,2.2传感器的一般特性,2.灵敏度：当输入信号变化x后，输出信号稳定后也相应变化y，输出变化量与输入变化量的比值称为灵敏度，用S表示。,例如：若差动变压器式位移传感器的输入位移信号变化为lmm，其输出电压信号的变化量相应为2mV，则其灵敏度为S2mVmm。,3.分辨力：分辨力是指

3、传感器能检出被测信号的最小变化量。,数字仪表的最后一位所表示的数值一般视作该仪表的分辨力。,2.2传感器的一般特性,4.迟滞：迟滞是指传感器正向特性和反向特性不一致的程度。,1为正向特性曲线2为反向特性曲线,迟滞特性曲线,迟滞越小越好,2.3常用传感器及应用,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,力敏传感器-弹性敏感元件,变换力的弹性敏感元件,所谓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,力敏传感器-弹性敏感元件,变换压力的弹性敏感元件,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-电阻应变式传感器,当电阻丝受到拉伸时，电阻值增大

4、，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-力敏Z元件,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

5、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,（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M

6、3 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,（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-典型应用,（1）测物体加速度,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,（2）数字压力计,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

7、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,力敏传感器-典型应用,（3）力敏Z元件在触觉传感器中的应用,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。,光敏传感器,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。

8、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。,光敏传感器,基本形式：,a)投射式,b)反射式,c)辐射式,d)开关式,光敏传感器-结构特性,（1）光电倍增管-结构,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。,光敏传感器-结构特性,光电倍增管-技术参数,光敏传感器-结构特性,（2）光敏电阻-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

9、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-结构特性,（2）光敏电阻-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-结构特性,（2）光敏电阻-技术特性,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-结构特性,（2）光敏电阻-技术特性,e)温度特性,温度特性是指温度变化时

10、，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-结构特性,（3）光敏二极管,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-结构特性,（4）光敏晶体管-结构,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

11、晶体管有放大作用。,光敏传感器-结构特性,（4）光敏晶体管-测量电路,a)光敏二极管测量电路,b)光敏三极管测量电路,光敏传感器-结构特性,（4）光敏晶体管-伏安特性,a)硅光敏二极管,b)硅光敏晶体管,光敏传感器-结构特性,（5）光电开关-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-结构特性,（5）光电开关-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-结构特性,（5）光电开关-一体式光电开关应用,a)检测线材断线,b)印刷机送纸检测,

12、c)瓶盖检测,d)防盗门位置检测,光敏传感器-典型应用,（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,（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,磁敏传感器,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

13、）,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,磁敏传感器-常见的半导体磁敏传感器,（1）霍耳磁敏传感器-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。,磁敏传感器-常见的半导体磁敏传感器,（1）霍耳磁敏传感器-结构,磁敏传感器-常见的半导体磁敏传感器,（1）霍耳磁敏传感器-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。,磁敏传感器-常见的半导体磁敏传感器,2）霍耳开关集成传感器-原理与特点,利用霍耳

14、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。,磁敏传感器-常见的半导体磁敏传感器,2）霍耳开关集成传感器-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。,磁敏传感器-常见的半导体磁敏传感器,2）霍耳开关集成传感器-外形及应用,磁敏传感器-常见的半导体磁敏传感器,2）霍耳开关集成传感器-接口电路,磁敏传感器-常见的半导体磁敏传感器,2）霍耳开关集成传感器-工作特性曲线,BOP为工作点“开”的磁感应强度

15、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。,磁敏传感器-常见的半导体磁敏传感器,3）霍耳线性集成传感器-单端输出的传感器,SL3501T电路结构,SL3501T输出特性曲线,磁敏传感器-常见的半导体磁敏传感器,3）霍耳线性集成传感器-双端输出的传感器,SL3501M电路结构,SL3501M输出特性曲线,磁敏传感器-常见的半导体磁敏传感器,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

16、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-磁敏电阻,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,磁敏传感器-磁敏电阻,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）

17、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。,电容传感器,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,电容传感器-原理特性,（1）变极距型电容传感器,平行极板电容传感器结构,平行极板电容传感器的特性,差动式变间隙型电容传感器,电容量,S 极板的遮盖面积，单位为m2；极板间介质的介电系数；两平行极板间的距离，单位为m；0真空的介电常数，0=8.85410-12 F/m；r 极板间介质的相对介电常数，对于空气介质，r 1。,电容传感器-原理特性,（2）变面积型电容传感器,通常有角位移式、直线位移式和圆柱同

18、心式三种,电容传感器-原理特性,（3）变介电常数型电容传感器-单组式平板形厚度传感器,结构示意图,等效电路,a为固定极板长度b为宽度为两极板间的距离 x为被测物的厚度为介电常数,电容量,电容传感器-原理特性,（3）变介电常数型电容传感器-单组式平板形线位移传感器,结构示意图,等效电路,电容量,电容传感器-原理特性,（3）变介电常数型电容传感器-圆筒式液位传感器,电容量,电容传感器-信号处理,（1）调频电路,主要有振荡电路、限幅电路、鉴频电路和放大输出电路等几部分组成。,电容传感器-信号处理,（2）运算放大电路,对输入的检测信号常采用反向输入的运放电路，Cx为负反馈电容。,电容传感器-信号处理,

19、（3）二极管双T型交流电桥,电路结构,合成电流回路,电容传感器-信号处理,（4）脉冲宽度调制电路,电路各点波形分析,脉冲宽度调制电路,电容传感器-典型应用,（1）电容式压力传感器,当被测压力或压力差作用于膜片并使之产生位移时,形成的两个电容器的电容量,一个增大,一个减小。该电容值的变化经测量电路转换成与压力或压力差相对应的电流或电压的变化。,电容传感器-典型应用,（2）电容式加速度传感器,电容式加速度传感器的主要特点是频率响应快和量程范围大,大多采用空气或其它气体作阻尼物质。,电容传感器-典型应用,（3）电容式厚度传感器,电感式传感器,电感式传感器是通过位移、振动、压力等被测量的变化，利用磁场

20、作为媒介或铁磁体的某些现象使线圈自感或互感发生变化，其主要特征是具有线圈绕组。,分类,电感式传感器-结构原理,（1）可变磁阻式,基本类型有单线圈变气隙型和差动变气隙型两种,差动变压器式传感器基本结构形式和等效电路,电感式传感器-结构原理,全波电压输出,半波电压输出,全波电流输出,半波电流输出,差动变压器测量转换电路常采用差动整流电路,电感式传感器-典型应用,（1）轴向电感测微仪,1测端 2密封套 3测杆 4钢球导轨 5防转销 6测力弹簧 7线圈 8衔铁 9固定磁筒 10引线电缆,电感式传感器-典型应用,GDH型电感测微仪电路,电感式传感器-典型应用,（2）电感式圆度计,1被测物 2耐磨测量端

21、3电感测头,电感式传感器-典型应用,（3）滚柱直径分选装置,1被测滚柱 2电磁挡板 3电感测端 4电感传感器 5电磁翻板 6容器,24检测技术-测量方法,（1）偏差式测量,测量过程中，直接以仪表的偏移量来表示被测量大小的测量方式称偏差式测量。如用弹簧称物体质量等。,（2）零位式测量,在测量过程中，被测量作用于仪表的比较装置，并被比较装置中的标准量抵消，当测量系统达到平衡时，用已知标准量的值决定被测量的值，如天平测量物体的质量，用电桥测量电阻值等。,（3）微差式测量,测量时，被测量作用于仪表的比较装置，被测量的大部分被比较装置中的标准量所抵消，然后再用类似于偏差式的方法来测出上述两者比较结果的剩

22、余差值。例如用不平衡式电桥测量电阻值的方法。,24检测技术-测量方法,自动平衡电位差计,1滑线电阻 2电刷 3指针 4刻度尺 5传动机构 6放大器 7电机,24检测技术-测量误差,测量误差：是指被测量值与真值之间的差异。,测量误差的分类：,1）系统误差,2）随机误差,3）疏失误差,系统误差是指在相同的条件下，多次测量同一量时，大小和符号均保持不变或按一定规律变化的误差。系统误差决定了测量的准确度。系统误差越小，测量结果越准确。,在相同测试条件下多次测量同一量值时，绝对值和符号都以不可预知的方式变化的误差，称为随机误差或偶然误差。随机误差决定了测量的精密度。随机误差越小，测量结果的精密度越高。,

23、指在一定的测量条件下，测量值明显偏离实际值所造成的测量误差。由于粗大误差明显歪曲测量结果，所以应将它剔除。,24检测技术-测量误差,测量误差的来源,1）由于仪器的电气或机械结构不完善引起的误差。,2）由于人们对仪器的安装、调节、使用不当等引起的误差。,3）由于测量者的分辨力、疲劳程度、固有习惯等引起的误差。,4）由于依据的理论不严密或计算公式过于简化等而导致的误差。,5）由于受周围温度、压力、湿度、电源波动、电磁场、光辐射、放射物等影响而产生的环境误差。,减小系统误差的方法是选择更为合理的测量方法、使用精度更高的测量仪器、引入修正值法；减小随机误差的方法是在相同条件下进行多次测量取平均值；确认

24、的疏失误差必须及时剔除。,24检测技术-测量误差,测量误差的表示方法,1）绝对误差。测量值Ax与真值A0之差，称为绝对误差A,2）相对误差。,实际相对误差,示值相对误差,满度相对误差,又称引用相对误差,24检测技术-测量数据处理,（1）有效数字,有效数字是指在它的绝对误差不超过末位单位数字的一半时，在它的左边数字列中，从第一个不为零的数字算起，直到末位为止（末位可以是零）的全部数字。,1）用有效数字来表示测量结果时，可以从有效数的位数估计出测量的误差。一般规定误差不超过末位有效数字的一半。8.00A这一结果的测量误差为0.005A。,注意：,2）在测量结果的数字列中，前面的“0”不算是有效数字

25、，而末位的“0”才重要。如0.008只表示一位有效数字。,3）有效数字的位数不能因采用的单位变化而增加或减少。如测量结果记为4.7k，若以为单位，不能记作4700，应记作4.7103，它仍为两位有效数字。,24检测技术-测量数据处理,2）数字舍入规则,大于5时向前进1，小于5时舍去不进位。,当测量结果的有效数字超过指定位数时，多余的位数应按规定予舍去。,舍入规则：,若恰好等于5时，采用“奇进偶不进”原则。即5之前是奇数舍后进1，5之前是偶数后不进位。,24检测技术-测量数据处理,（3）近似运算规则,1）有效数字的加减运算规则 对参加加减运算的各项数字进行修约，使各数修约到比小数点 后位数最少的那项数字多保留一位小数；进行加减运算；对运算结果进行修约，使小数点后的位数与原各项数字中小数 点后位数最少的那项相同。2）乘除运算时，有效数字位数的取舍决定于有效数字最少的一项数字，而与小数点位置无关。3）乘方或开方运算时保留的有效数字位数，同于原有效数字的位数。4）对数运算时，计算结果与其真数有效数字的位数相同。,