常用传感器-03资料

第四章常用传感器2传感器温度供电各种干扰稳定性的因素温漂分辨力冲击与振动电磁场线性滞后重复性灵敏度输入误差因素外界影响传感器输入输出作用图输出衡量传感器特性的主要技术指标稳定性(零漂)第一节传感器的特性一.传感器的静态特性)(xfy静态特性曲线:实际上:xaay10线性的理想的:nnxaxaxaay2210非线性的xy0xy0xy0)(a)(b)(c1.线性度（非线性误差）%100maxSFly0yyixy=kx+bxi（d）最小二乘线性度(c)独立线性度(b)端基线性度(a)理想线性度2.迟滞（滞后、回差）%100maxSFHyHyxHmaxYFSo3.重复性%100maxSFRyRyxoYFSmax2Rmax1R%100SFRya4.灵敏度xyK5.漂移6.静态误差yx0nySx＝y0(a)　线性测量系统(b)非线性测量系统xndySdxyx0nS(c)　灵敏度为常数yfxCdydxyx0nS(d)　灵敏度随输入增加而增加yfxdydxyx0nS(e)　灵敏度随输入增加而减小yfxdydx用相对误差表示静态误差，则有%100)3~2(SFy222RLH二.传感器的动态特性（一）传感器的瞬态响应特性1.一阶传感器的单位阶跃响应xbdtdxbdtxdbdtxdbyadtdyadtydadtydammmmmmnnnnnn0111101111xbyadtdya00111//)()()(0100010sKsaaabasabsXsYsH)()()(001sXbsYasakxydtdy01/aa00/abk单位阶跃信号：ssX1)(ssKsXsHsY11)()()()1()(/teKty2.二阶传感器的单位阶跃响应xbyadtdyadtyda0012222002202021220012202///)(sskaasaasabasasabsH)()()(00122sXbsYasasa0212002aaaaa20022021)(ssssY3.瞬态响应特性指标时间常数上升时间响应时间超调量衰减度（二）传感器的频率响应特性1.一阶系统12KAarctanjKjH1)(频率特性：幅频特性：相频特性：幅频特性和相频特性分别为:2.二阶系统3.频率响应性能指标频率响应范围时间常数固有频率三.传感器的标定1.静态标定2.动态标定传感器二者接近程度如何？接口电路、数据采集及处理系统测试值)(tx实际值)(tx其他信号)(tq)(te)(ty传感器的标定第二节电阻应变式传感器一.金属电阻应变片1.基本结构电阻应变片结构示意图bl栅长栅宽敏感栅SlR2.金属丝电阻应变效应金属丝电阻：受力后，电阻相对变化量)(1dSSRdllRdRRRdRrdrldldSdSldld2rrdrrll+dl2r2(r+dr)F金属丝的应变效应FrdrSdS2ldldRdR)21(即dRdRKs)21(应变灵敏系数：——单位应变所引起的电阻相对变化量RdRKs或sKRdR应力和应变关系，应力：E——应力正比于电阻变化量，即σ∝dR3.金属丝电阻应变片基本特性(1)横向效应(2)机械滞后(3)零漂和蠕变(4)温漂电阻丝衬底蚀刻箔片衬底(a)丝式(b)箔式引出导线箔式应变片ΔεΔε1机械应变ε卸载加载指示应变εi应变片的机械滞后二.半导体电阻应变片受轴向力作用时，电阻相对变化：)21(RRE半导体材料的纵向压阻系数半导体敏感条引线衬底ERR)21(ERRKB压阻效应三.测量电路进入“测量电桥”(一)直流电桥的工作原理R2R4R1R3Ui图3-1直流惠斯登电桥UACDB1I2I输出电压iiURRRURRRU212433（3-1）iURRRRRRRR))((21434213或：3421RRRR4231RRRR，U=0电桥平衡条件R2R4R1R3Ui图3-1直流惠斯登电桥UACDB1I2I当应变片111RRR输出电压增量KURRRRRURRRRUii22121112212111)(R)(RRU由式（3-1）(二)电桥的基本特性设四桥臂均为应变片，则电桥输出电压44332211RRURRURRURRUUiiiiURRRRRURRRRRURRRRRURRRRR4424343332434322221211122121R)(R)(R)(R)(若为全等臂电桥)RRRR(444332211RRRRUUi)(44321KUUi加减特性(三)电桥常用工作方式1.单臂工作R2R4R1R3UiUACDB4KUUi灵敏度411iUURRUS由式（3-1）iURRRRRRRRRRU))(()(2114342113iiUKKURRRRU24241111非线性关系iUK42.半桥工作R2R4R1R3UiUACDBKURRURRUUiii2)RR(4)RR(42211灵敏度2iUURRUS线性若0R,RR21UR2R4R1R3UiUACDBKURRURRUUiii2)RR(4)RR(43311灵敏度2iUURRUS3.全桥工作R2R4R1R3UiUACDBKURURRRRUUiiiR)RRRR(444332211灵敏度iUUS线性若0R,RR31U灵敏度若0R,RRRR4321U差动电桥：①灵敏度的提高②非线性的改善③温度自补偿R2R4R1R3UiUACDB补偿片工作臂(四)交流电桥图3-2交流电桥UACDB1I2I1Z2Z4Z3Z~U(五)变压器电桥(六)电桥使用中应注意的问题连接导线的补偿电桥的加减特性补偿应变片粘贴示意图R1R2常用应变片的形式金属应变计四.电阻应变式传感器的应用各种电子秤1.电阻应变式力传感器高精度电子汽车衡动态电子秤电子天平机械秤包装机吊秤被测物理量：荷重或力。主要用途：作为各种电子称与材料试验机的测力元件、发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。力传感器的弹性元件：柱式、环式、悬臂式等。（a）实心柱（b）空心柱（c）圆柱面展开图；（d）桥路连线图(1)柱式力传感器(2)环式力传感器(3)悬臂梁式力传感器35各种平行双孔梁2.应变式压力传感器3.应变式加速度传感器4.应变式转矩传感器第三节电容式传感器电容式指纹传感器电容式接近开关电容式变送器差压传感器电容式键盘电容传声器极距变化型面积变化型介质变化型dSdSCr0一.工作原理Sdε1.极距变化型00dSC000001111ddCdddSddSCCC1C2Od1d2CC1C20d1d2d近似线性)1(001ddCC1000010)1(ddddCCCCC2020011ddddC非线性23000001CddddCdddd＝00CdCd反比关系相对非线性误差：2000001CddddCdddd＝%100%1000020dddddd＝反比关系00dCdCK灵敏度：非线性项10011CCdd－20011CCdd30200011ddddddCC＝30200021ddddddCC＝50300021222ddddddCCCC＝2460000021CddddCdddd＝002CdCd%100%1002220030dddddd＝002dCdCK2.面积变化型)1()1(0CdSCdbadSC0)1()(0axCdxabCx线性线性K的提高dbxCCxCKx03.介质变化型二.测量电路1.电桥电路单臂接法差动接法紧耦合桥变压器式电桥321CCCCx00U054CCCxx025450UUCCCUxxx若上移，000000222)()(ddUCCUUUCCCCCCU2.调频测量电路012012()fLCCC0012012()fffLCCCCLCf21初态时，工作时，三、电容式传感器的应用举例1.电容式压力传感器(差压变送器)2.电容式料位计3.电容式加速度传感器在汽车中的应用装有传感器的假人气囊514.电容式接近开关在物位测量控制中的使用第四节电感式传感器一.自感式传感器（变气隙型、螺管型、差动型）1.变气隙型自感传感器123(a)变气隙长度型(b)变气隙截面积型ΔδδΔs自感式互感式涡流式mRNL2002221112SSlSlRm002SRm2002SNL变气隙长度/变气隙截面积L＋－oL0L0＋LL0－L非线性初始位置0000021)(2LSNL衔铁上移000202SNLδ衔铁Δδ3020000302000011LLLL当Δδ/δ01时：3020001LL2000020000011LLLLLL00LL非线性线性灵敏度：0001LLK非线性：%1000衔铁下移:55电感传感器的基本工作原理演示气隙变小，电感变大，电流变小F2.差动电感传感器sUL1L2RoRooU122131—铁芯；2—线圈；3—衔铁%100)(20002LL4020002112LLLLrx螺旋管铁心l3.螺管型自感传感器22221ccmrllrlNLlrNL22线圈电感为：段未插入铁心时，cl220)(ccclllNlrLc插入铁心时，220)('cccmlllNlrLc2222)(1cccmrlllrlNLLccmlrlNL2221实际非线性4.测量电路——交流电桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。1)交流电桥式ZLR1R2Z2Z1L1L2RS1RS2交流电桥原理图USCU11ZZZ22ZZZ2UZZUoUC2U2UZ1Z2oUABD＋－＋－＋－2)变压器式交流电桥当传