您好,欢迎访问三七文档
第一章传感器技术概述1.传感器定义传感器——将被测量按一定规律转换成便于应用的某种物理量的装置。被测量电量目前,传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲,传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。2.传感器的作用传感器——类似于人的感觉器官,是人类感官的延伸。作用:将被测量转换成电信号,传送给测试系统中的后续环节。人体系统与机器系统的对应关系激励装置传感器被测对象信号调理反馈、控制显示纪录信号处理观察者复杂测试系统(振动测量)简单测试系统(红外体温)3.传感器的构成(1)组成:振动膜片、刚性极板、电源和负载电阻被测声压输出电压电容变化平板电容测量电路极距变化振膜(2)原理:振膜—一次敏感元件电容器—敏感元件分类法型式说明按被测量种类位移、温度、压力、流量这种分类便于传感器的管理按工作原理分类应变式、电容式、电感式、压电式、光电式以传感器对信号转换的原理命名按被测量转换特征(构成原理)结构型,如电容式,电阻应变片;通过改变传感器元件的参数实现信号转换。物性型,如压电式,水银温度计,双金属片依靠敏感元件本身物理性质随被测量变化实现信号转换。按能量传递方式能量控制型,如RLC式传感器输出能量由外部供给,但受被测量控制。能量转换型,如热电偶温度计传感器输出量直接由被测量能量转换而得。按输出量模拟式输出量为模拟信号数字式输出量为数字信号4.分类:5.传感器选用原则1.灵敏度:传感器的灵敏度越高,可以感知越小的变化量,即被测量稍有微小变化时,传感器即有较大的输出。2.线性范围:线性范围愈宽,则表明传感器的工作量程愈大。3.响应特性:在所测频率范围内尽量保持不失真。4.稳定性:经过长期使用以后,其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5.精确度:表示传感器的输出与被测量的对应程度。传感器精确度愈高,价格越昂贵,因此应从实际出发来选择。6.其它选用原则6.传感器技术的应用1、日常生活在家电产品和办公自动化产品设计中,人们大量的应用了传感器和测试技术来提高产品性能和质量。全自动洗衣机中的传感器:衣物重量传感器,衣质传感器,水温传感器,水质传感器,洗净度传感器,液位传感器,电阻传感器(衣物烘干检测)。指纹传感器温湿度传感器温度传感器透光率传感器(1)产品质量测量在汽车、机床等设备,电机、发动机等零部件出厂时,必须对其性能质量进行测量和出厂检验。2、机械行业机床加工精度测量汽车扭距测量(2)新产品开发广州中鸣数码的机器狗转动/移动位置传感器、力传感器、视觉传感器、听觉传感器、接近距离传感器、触觉传感器、热觉传感器、嗅觉传感器。(3)自动控制香港理工AGV自动送货车模型石化企业输油管道、储油罐等压力容器的破损和泄露检测。(4)故障诊断(5)其他应用航天农业交通医疗第二章传感器的基本特性1、理想定常线性系统输入输出关系:)()(...)()()()(...)()(0111101111txbdttdxbdttxdbdttxdbtyadttdyadttydadttydammmmmmnnnnnn在静态测量时,Sxxaby00理想定常线性系统呈单调、线性比例的关系,即输入、输出关系是一条理想的直线,斜率为常数。一、静态特性:在静态测量情况下描述实际测试系统与理想定常线性系统的接近程度。2、实际测试系统输入输出之间的关系实际测试系统是非理想定常线形系统,输入输出之间的关系是通过实验方法测到的,通常是一条曲线——定度曲线。3、描述静态特性的参数(1)非线性度:定度曲线与拟合直线的接近程度。非线性度常用百分数表示%100AB=拟合直线的确定,常用的主要有两种:端基直线和独立直线。(1)端基直线是指通过测量范围的上下限点的直线。显然用端基直线来代替实际的输入、输出曲线,其求解过程比较简单,但是其非线性度较差。(2)独立直线是指使输入与输出曲线上各点的线性误差最小的直线。2iB(2)灵敏度☆xyS=作用:用来描述测试系统对输入信号变化的一种反应能力。1、对于定常线性系统,其灵敏度恒为常数。2、实际的测试系统,灵敏度为定度曲线上该点处切线的斜率。3、量纲:取决于输入和输出量的单位。(3)分辨力:测试系统所能检测出来的输入量的最小变化量。通常是以最小单位输出量所对应的输入量来表示。数字测试系统--输出显示系统的最后一位模拟测试系统--输出指示标尺最小分度值的一半即回程误差%100maxAhi=(4)回程误差:同一输入量的两条定度曲线之差的最大值与标称的输出范围A之比。maxih5.漂移:指测试系统在输入不变的条件下,输出随时间而变化的趋势。产生原因:仪器自身结构参数的变化;周围环境的变化(如温度、湿度等)对输出的影响。最常见的漂移是温漂,即由于周围的温度变化而引起输出的变化。进一步引起测试系统的灵敏度和零位发生漂移。零点漂移灵敏度漂移0yyx0yx0二、传感器的动态特性传感器的动态特征是指在输入量随时间变化时,测试系统对输入信号的响应特性。1、动态特性的描述方法(1)时域微分方程)t(xbdt)t(dxb...dt)t(xdbdt)t(xdb)t(yadt)t(dya...dt)t(ydadt)t(yda011m1m1mmmm011n1n1nnnn在初始条件为零的前提下,定义传递函数其中s为复变量,sj特点:(2)传递函数()Hs只反映系统本身的输出特性,与输入和初始状态无关。只反映系统的传输特性,与系统具体的物理结构无关。分母中的最高次幂n代表系统微分方程的阶数。()Hs()Hs()Hs011n1nnn011m1mmmasasasabsbsbsb)s(X)s(Y)s(H求法:对系统的微分方程作拉普拉斯变换求得。例1:求一阶系统的传递函数,系统微分方程为()()()dytytxtdt例2:求振动系统的传递函数。22()()()()dytdytmckytxtdtdt(3)频率响应函数()H在初始条件为零的前提下,定义频率响应函数()()()YHX求法:即得sj(1)若已知,则在中,令sj,将其代入()H()Hs()Hs(2)若已知微分方程,作傅里叶变换,则()()()YHX(3)用实验方法求得:在初始条件全为零的条件下,同时测得输入和输出,由其傅里叶变换求得。物理意义:描述了系统的频率特性。)()()()()()()()()()(jjjjeAeXYeXeYXYHxyxy)(A系统的幅频特性)(系统的相频特性描述系统的简谐输入和其稳态输出的关系,不包含瞬态响应信息。)(H例1:已知系统的频率响应函数,求其幅频特性和相频特性及作图。jH11)(例2:设,,txtx00cos)(jH11)(求系统的稳定输出。(4)脉冲响应函数系统的输入为单位脉冲函数,即时,系统的输出即为脉冲响应函数。)()(ttx)(th它是对测试系统动态特性的时域描述。系统的动态特性描述频域-频率响应函数)(H复数域-传递函数)(sH时域-脉冲响应函数)(th拉普拉斯变换对傅里叶变换对h(t)H(s)H()s=j传递函数、频率响应函数、脉冲响应函数的关系:二、环节的串联和并联任何高阶系统均可看成若干个一阶系统或二阶系统的串联或并联。1.环节的串联两个传递函数分别为和的环节串联,假设它们之间没有能量交换,在初始条件为零的情况下,串联后的系统传递函)(1sH)(2sH数为:)()()()()()()()()(21sHsHsZsYsXsZsXsYsH若系统由n个环节串联而成,其传递函数为niisHsH1)()(相应地,系统的频率响应为niiHH1)()(其幅频特性:相频特性:niiAA1)()(nii1)()(2.环节的并联系统总输出为)()()()()()()()(2121sHsHsXsYsYsXsYsH++若系统由n个环节并联而成,其传递函数为niisHsH1)()(系统的频率响应为niiHH1)()(3.负载效应:实际情况下各环节相联时,后环节总是成为前环节的负载,环节间总是存在着能量交换和相互影响,以致系统的传递函数不再是各组成环节传递函数的叠加或相乘。某系统由于后接另一系统而产生的种种现象。VER1R2Rm三、实现不失真测试的条件一、不失真传输测试系统)(tx)(ty0t)(tx2310t)(ty0t)()(00ttxAty当输出信号为时,系统就实现了不失真传输。二、不失真测试条件)(tx输入为)()(00ttxAty,输出为傅里叶变换可得:0)()(0tjeXAY=系统的频率响应为00)()()(tjeAXYH幅频特性:0)(AA相频特性:0)(t-测试系统不失真测试的条件。0)(A0A0t-)(0思考题:若系统问此系统是否满足不失真测试条件?0)(AA0)(例1:已知系统的幅频特性和相频特性如图,对于输入,求输出,判断是否失真。)(tytttx21coscos)(10)(A0t-)(02101t02t10)(A)(04例2:已知系统的输入tttx21coscos)(,判断是否失真。例3:已知系统的输入ttx0cos)(,判断是否失真。电阻式传感器一、变阻式传感器lRAlRkxldRSkdxRkdRSkd1.结构:2.测量电路:不考虑外接电路影响时:考虑外接电路影响时:00yxppUUURxRx01(1)ypppUUxRxxRx3.特点:(1)结构简单、使用简便、稳定性好。(2)分辨力低,受电阻丝直径的限制。适合大位移的测量。(3)噪声大。二、电阻应变式传感器1.结构:丝式、箔式、金属膜片2.工作原理:基于金属的电阻应变效应。若金属丝的长度为L,截面积为S,电阻率为ρ,其未受力时的电阻为R,则:lRA如果金属丝沿轴向方向受拉力而变形,dRdLdAdRLA(12)(12)dRdR灵敏度:0/(12)dRRS3.特点:金属应变片的灵敏度较低,但其温度稳定性好,可用于对精度要求较高的测量。三、压阻式传感器(12)dRddR1.原理:压阻效应LLdE灵敏度:0/LdRRSE两种应变片在工作原理上的区别:金属应变片-金属材料受力后几何变形→电阻的相对变化半导体应变片-半导体材料受力后电阻率变化→电阻的相对变化2.特点:优点:灵敏度高,分辨率高,横向效应,机械滞后小。缺点:温度稳定性差,在较大应变下,非线性误差大。3.类型:半导体应变式传感器、扩散型压阻式传感器三、应变片的应用1.直接测定结构的应变或应力。2.作为传感器的测量参数。四、转换电路应变电压或电流的变化RR4.4电感式传感器一、可变磁阻式传感器按结构型式变气隙式螺管式变面积式线圈自感量为2mNLR当气隙较小,且不考虑磁路的铁损时,总磁阻311100330022mllRAAAA于是,2002NAL1.变气隙式:灵敏度20022NAS常数特点:灵敏度高,线性误差小,适于测小位移。2.变面积式灵敏度202NS=常数特点:线性度好,量程大,但灵敏度较低。3.螺管式当铁芯在线圈中运动时,将改变磁阻,使线圈自感发生变化。特点:灵敏度低,但测量范围大,适用于较大位移测量。4.差动式x2L1L5.测量电路:交流电路二、电涡流式传感器原理:利用金属体在交变磁场中的涡流效应。按电涡流在导体内的贯穿情况高频反射式低频透射式1.高频反射式可以作为位移、振动测量,也可进行材质鉴别或探伤、测温度等。2.低频透射式适于测量金属材料的厚度。3.特点:结构简单,安装方便,灵敏度高,抗干扰能力强。4.应用电感式纸页厚度测量仪原理图三、
本文标题:传感器技术课件
链接地址:https://www.777doc.com/doc-3905996 .html