速度传感器

项目一认识传感器及其信号调理电路一认识传感器二传感器的信号调理电路任务一认识传感器在生产生活中通过查阅相关资料，寻找五个工作原理不同的传感器，例如图1-1所示热敏电阻、CCD图像传感器等。了解你所找到的传感器的工作原理、优缺点，并找到其应用场合。一、传感器的定义传感器(Sensor/Transducer)是一种以一定的精确度把被测量转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量的测量装置。它的输入量是某一被测量，可能是物理量，也可能是化学量、生物量等。它的输出量是某种物理量，这种量要便于传输、转换、处理、显示等，主要是电量。输入输出的转换规律（关系）已知，转换精度要满足测控系统的应用要求。能量转换输入量输出量电量（便于传输、转换、处理、显示）物理量、化学量、生物量等1.1基本概念被测量电量敏感元件转换元件转换电路直接感受被测量转化为电量参数敏感元件的输出作为转换元件的输入二、传感器的组成记忆合金热敏油墨热敏灯罩温度变化（对温度敏感的材料）敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量。悬臂梁对力敏感的元件F固定端F转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量F力形变应变片电阻值变化R2R3R1R4力变化转换元件——应变片电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。R1R2R3R4UUAUB大大小小R1＝R2＝R3＝R4直流电桥当悬臂梁受力时，梁的上表面伸长，R1、R4电阻值增大；梁的下表面压缩，R2、R3电阻值减小。此时UA＜UB，电桥失去平衡，输出与压力成正比的电压。①按被测物理量性质（输入量）分类：如位移传感器、速度传感器、负荷传感器、压力传感器、流量传感器、温度传感器…，适合于根据被测量选择相对应的传感器。位移传感器速度传感器力传感器图1-8按被测物理量分类的各种传感器三、传感器的分类（三种方法）②按工作原理（转换原理）分类：如电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、磁电式传感器、压电传感器…，能够从基本原理上归纳传感器的共性和特性。压电传感器霍尔传感器超声波传感器图1-9按工作原理分类的各种传感器（1）灵敏度（在静态情况下）dxdyk输入量的变化输出量的变化灵敏度：dxdyxyxytgk(a)传感器的输入—输出特性曲线(b)灵敏度的表示yx由图可知灵敏度k是特性曲线上某点的切线斜率。如果特性曲线是直线，则k为常数；如果特性曲线是非线性的，则k是变化的。yxFSy0m非线性特性线性特性（2）线性化的解释m——最大非线性误差；FSy——传感器的满量程输出值。当满足使用误差的要求时，就可以用线性代替非线性。m%100FSfymeyxFSy0理论线性度以零点（0％）为起始点，满量程输出（100％）为终止点，连接这两点的直线（y=kx）即为理论直线。由此计算出的线性度——称为理论线性度（绝对线性度）。%100FSmfye理论直线m最大误差实际曲线理论线性度拟合直线：kxyyxFSy0m端基线性度以零点输出的平均值为起始点，满量程输出平均值为终止点，连接这两点的直线（y=a0+kx）即为端基拟合直线。由此计算出的线性度——称为端基线性度。%100FSfyme拟合直线：kxay0a0——被测量为零时的传感器输出值。端基线性度端基线性度（3）迟滞（滞环）传感器在正向（被测量增大）和反向（被测量减小）时，输出特性曲线不重合的程度，称为迟滞（滞环）。迟滞：%yeSFmt100产生迟滞现象的主要原因有传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料的内摩擦、积尘等，以及磁滞和电元件的单向特性等等。xy被测量增大yF.S被测量减小m最大误差（4）重复性传感器在被测量按同一方向作多次全量程实验时，所得到的输出特性曲线的不一致程度，用重复性来表示。yx01m2mFSy%100SFmZye（5）分辨力与分辨率分辨力：传感器能够测量到的最小输入变化值Δx,它代表了传感器的最小量程，与输入量同量纲。分辨率：表示传感器的分辨能力，用于说明其分辨质量。通常有平均分辨率和最大分辨率两种表示方法。位移是指物体的某个表面或某点相对于参考表面或参考点位置的变化。位移有线位移和角位移两种。线位移是指物体沿着某一条直线移动的距离；角位移是指物体绕着某一定点旋转的角度。根据测量的位移不同，位移传感器可以分成直线型和回转型两大类。1、位移传感器长光栅位移传感器磁尺圆光栅位移传感器光电编码器（1）速度传感器单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度和角速度，与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器，我们都统称为速度传感器。磁电式速度传感器光电速度传感器2、速度、加速度传感器2、速度、加速度传感器压电式加速度传感器电容式加速度传感器（2）加速度传感器加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备。加速力就是当物体在加速过程中作用在物体上的力，就好比地球引力，也就是重力。加速力可以是个常量，比如g，也可以是变量。2、速度、加速度传感器1、力传感器（1）力传感器能感受外力并转换成可用输出信号的传感器。scw--型张力传感器辐式称重测力传感器cyl2033、力、扭矩传感器（2）扭矩传感器扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。法兰式扭矩传感器扭紧式扭矩传感器3、力、扭矩传感器1.通过查阅各种文献资料、网络搜寻等多种方式，收集各类传感器的信息，初步认识一些常用的传感器。2.选出5个工作原理不同的传感器，并将它们的类别、特点和应用场合填入表1-1中。技能训练1-1：认识传感器四、技能训练1-1：认识传感器类别工作原理特点应用场合表1-1传感器的信息表•查阅相关资料了解某一种传感器的工作原理，找到该传感器的敏感元件、转换元件和转换电路。•绘制该传感器的组成框图。五、拓展与训练1、传感器(Sensor/Transducer)是一种以一定的精确度把被测量（非电量）转换为与之有确定对应关系的、便于应用的某种物理量（电量）的测量装置。2、传感器由敏感元件、转换元件和转换电路三部分组成。转换元件把敏感元件的输出作为它的输入，转换成电路参量，敏感元件是直接感受被测量，并输出与被测量成确定关系的物理量。电路参数接入基本转换电路，便可转换成电量输出。3、传感器的分类（三种方法）：按被测物理量性质（输入量）分类，按工作原理（转换原理）分类，按能量的传递方式分类。4、传感器的主要性能指标：灵敏度、线性度、迟滞、重复性、分辨力和分辨率、响应时间ts、过冲量（超调量）、通频带（或频响范围）。5、机电和电气设备中常用的传感器有位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、力矩传感器、超声波传感器、视觉传感器等。六、内容小结项目一认识传感器及其信号调理电路一认识传感器二传感器的信号调理电路任务二传感器的信号调理电路（电流-电压变换）某液位传感器通过变送器的输出信号为0～20mA电流信号，将此信号转换成0～10V电压信号才能让执行机构动作，控制实际的液位。故需要设计一个将0～20mA电流信号转换成0～10V电压信号的转换器。传感器显示装置信号调理电路现场物理量•传感器：能感受规定的被测量，并按一定规律将其转换成可用信号的器件或装置；•信号调理电路：对传感器的输出信号施行一定预处理的装置，使信号适于显示或控制。测量系统的构成•传感器的输出信号往往很微弱，或波形不适当，或信号形式不适合，不能直接用于工业系统的状态显示和控制。•解决：利用信号调理电路，实现信号放大线性化电流－电压转换频率－电压转换等；•测量同一被测量：不同的测量方法不同的传感器及相应的信号调理电路。信号调理电路一、信号放大电路•信号放大电路常采用运算放大器简称运放，是一种包含许多晶体管的集成电路，常用于信号调理；•具有高放大倍数，高输入电阻，低输出电阻•能完成加、减、乘、除、微积分等多种运算而被称为运算放大器。当然应用范围远不止运算。一、信号放大电路运算放大器•运算放大器有两个输入端：–同相输入端（Uo相位总与U+相同）–反相输入端（Uo相位总与U-相反）•一个输出端；E-UoUi-E+U-U+直流偏置电压输入端输出端dOAUUUAU--)(放大的含义：输出是输入的若干倍1、运算放大器•运算放大器的外特性：工作特性曲线E-UoUi-E+U-U+0UdUoEE-正向饱和反向截止线性放大区运放的Ud-Uo特性曲线Uo∈(E-,E+)dOAUUUAU--)(ε-εUsat-Usat理想运算放大器•运算放大器的一种等效电路：ri＋－AUdroUd－＋U-Uo反相输入端同相输入端输出端U+理想情况：输入电阻ri无穷大放大倍数A无穷大－＋Ud=0U+U-UodOAUUUAU--)(2、理想运算放大器理想运算放大器•在输入一侧考虑电压关系时：反相输入端与同相输入端的电压相等，称为“虚通”或“虚短”；•在输入一侧考虑电流关系时：反相输入端与同相输入端之间的电流为零，称为“虚断”。－＋Ud=0U+U-Uo2、理想运算放大器工作方式：单端输入与差动输入•单端输入方式–一端接输入信号（同相输入/反相输入），另一端接地（或通过电阻接地）•差动输入方式（双端输入）–输入信号U+和U-同时加在同相端和反相端上–Ud＝U+－U-uibR1-uiauoR4R3R2i1i2+10V-10Vuiuoi-aR3100kWR110kWR2100kW工作方式：开环方式与反馈方式•开环方式–输出端与输入端之间除地线外没有连接；•反馈方式（闭环方式）–有信号从输出端经过某种电路回到输入端，构成反馈回路。uiuo+10V-Vr-+10V-10VuouiiR110kWR2100kWR310kW反相放大器UN=0N点常称“虚地”点虚断虚短-++Vcc+10Vi1Wk101RWk103RWk1002Ri2uouiNi--Vcc-10VPi1=i2，uP=0uP=uN=01i10Rui-2o20Rui-2oi1RuuR-工作方式：单端、反馈3、反相放大器（1）电压跟随器虚断虚短-++10V-10VWk103RWk1002Ruouiaua=uiua=uouo=ui工作方式：单端、反馈（2）差动放大器R1+Vcc-+-VccR2R3R4uaubuo工作方式：差动、反馈2112iiouuRRu-2019/10/246集成仪表放大器AD620是专门精密差分电压的放大器，它源于运算放大器，且优于运算放大器。具有高共模抑制比、高输入阻抗、低噪声、低线性误差、低失调漂移、增益设置灵活和使用方便等特点212121RRRuuRuugoogii--)(2134ooouuRRu-))(1(212134iigouuRRRRRu-gRkGW4.4914、仪表放大电路二.线性化在测量系统中，希望传感器的输入输出特性为线性。线性有利于后续电路设计和标定工作的简化。现实中大量传感器是非线性的。数字电路、单片机技术、嵌入式系统的介入，能在某种程度上补偿传感器的非线性(也可视为一种数字式线性化技术)，但此方式的适用范围有限，尤其受A/D采样速度及运算处理速度限制，在动态测量中难满足要求。若传感器输入输出特性的非线性不严重，当不会引起显著误差时，可用切线或割线等近似直线代替局部实际曲线，如拟合直线。传感器线性化的目的：通过在信号调理电路中加入非线性环节，使传感器的这段线性范围最大化。二、线性化按所用元件，传感器线性化分为无源线性化和有源线性化方法。根据线性化所处阶段不同，在数字化以前进行的线性化，称模拟线性化；在数字化以后进行的线性化，称数字线性化。采用硬件方法对传感器特性进行线性化，在实时性、简便、经济等方面具有软件方法难以替代的优势。在许多应用中，采用模拟电路对传感器的输出进行线性化是最佳的。无源线性化电路比较简单，性能可靠，成本低廉。在某些应用场合，通过合理设计电路结构及元件参数，可获得满意的精度，是一种广泛应用的线性化方法。一种简单的无源线件化电路是用固