第五章 传感器与检测系统精要.ppt

第五章 传感器与检测系统 本章的学习内容： 5.1 传感器的分类及特性 5.2 位移传感器 5.3 速度传感器 5.4 加速度传感器 5.5 力、压力和扭矩传感器 5.6 位置传感器 5.1传感器的分类及特性 一、机械量传感器分类 二、传感器的特性 5.2 位移传感器 一、电感式位移传感器 二、电容式位移传感器 三、光栅数字传感器 四、感应同步器 五、光电编码器 5.3 速度传感器 一、直流测速发电机 二、码盘式转速转感器 5.4加速度传感器 一、电阻应变式 二、压电式 5.5、力、压力和扭矩传感器 一、工作原理 二、弹性元件 5.6 位置传感器 一、分类 二、接触式位置传感器 三、非接触式位置传感器 将传感器固定在被测物体上，感受该物体的振动，惯性质量块产生惯性力，使压电元件产生变形，压电元件产生的变形和由此产生的电荷与加速度成正比。 首先由弹性元件将力、力矩、压力等被测量转换成位移或应变，然后再通过转换元件将相应的位移或应变转换成电信号输出。 应变式力传感器的测量范围很大，可以从5N～10MN以上，测量精度可以达到0.03%～2%。 铰链弯曲式弹性元件 梁式弹性元件 受径向载荷 位置传感器和位移传感器不一样，它所测量的不是一段距离的变化量，而是通过检测，确定是否已到某一位置。 位置传感器分为接触式和非接触式两种。 * * 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。 按被测物理量分为：位移传感器、速度传感器、加速度传感、力传感器、温度传感器等。 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 按传感器工作的物理原理分为：电阻式、电感式、电容式、 光电式等等。 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 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。 包括：非线性度、迟滞、灵敏度、精度、分辨力、测量范围、死区。 非线性度 迟滞 灵敏度 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。 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）频域指标 可以用幅频特性和相频特性描述 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： 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。 1、自感型电感式传感器 可变磁阻式电感传感器、电涡流式传感器 2、互感型电感传感器 自感L可表示为： 灵敏度： 1）可变磁阻式电感传感器 1、自感型电感式传感器 如果将δ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0～300μm，最小分辨力为0.5μm。 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δ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。 低频透射式涡流传感器：发射线圈ω1和接收线圈ω2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ω1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ω2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。 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。当初级线圈输入交流激励电压时，次级线圈将产生感应电动势e1和e2。传感器的输出电压为两者之差，即ey=e1-e2。ev的大小随活动衔铁的位置而变。当活动衔铁位置居中时，e1=e2，ey=0；当活动衔铁向上移时，即e1e2，ey0;当活动衔铁向下移时，e1e2，ey0。活动衔铁的位置往复变化，其输出电压也随之变化。 2、互感型电感传感器 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： ε0——真空的介电常数； s ——极板的遮盖面积； ε——极板间相对介电系数； δ——两平行极板间的距离。 1、极距变化型电容式传感器 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： 2、面积变化型电容式传感器 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： 3、介质变化型电容式传感器的变换原理 这种传感器大多用于测量电介质的厚度