第四章常用传感器原理及其测量电路.pptVIP

第四章 常用传感器原理 传感器概念 传感器是将被测的物理量按一定规律转换成与之对应的、易于处理的的另一物理量的转换装置。 常见测量系统 传感器的组成 常见传感器 在军事上的应用 在汽车上的应用 问题：你最关心汽车的哪些性能指标？ 发动机台架性能试验 电阻应变片式传感器用于测量发动机转矩 燃烧分析仪 第一节 传感器的分类 电阻应变式传感器工作原理 应变 物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变 当外力去除后，物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件 具有弹性应变特性的物体 应变式传感器概述 是利用电阻应变片将应变转换为电阻值变化的传感器 工作原理： 当被测物理量作用于弹性元件上，弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形，产生相应的应变或位移，然后传递给与之相连的应变片，引起应变片的电阻值变化，通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。 结构： 应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成 应用： 广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量 灵敏系数K受两个因素影响 一是应变片受力后材料几何尺寸的变化， 即1+2μ 二是应变片受力后材料的电阻率发生的变化， 即（dρ/ρ）/ε。 对金属材料：1+2μ＞＞(dρ/ρ)/ε 对半导体材料：(dρ/ρ)/ε＞＞1+2μ 大量实验证明，在电阻丝拉伸极限内， 电阻的相对变化与应变成正比，即K为常数。  电阻应变片的特性 灵敏系数 横向效应：对垂直于其主轴线方向应变的响应降低了应变片的灵敏系数。横向应变为： 动态特性：动载荷时，应变波传播速度和应变片的长度是其对动态应变的频率响应的主要影响因素。宜短。 温度特性：1电阻随温度而变化；2热效应：试件和应变片随温度线膨胀系数不同，产生附加变形，引起阻值变化。 需采用温度补偿措施。 线性和滞后：加载和卸载曲线不重合。 零漂3h观测和蠕变最大应变变化的绝对值。 应变极限90%；电阻值120Ω 电阻应变片温度补偿 电阻应变片传感器 拉、压应力传感器 扭矩传感器 压力（压强）传感器 加速度传感器 图4—8 双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性 a)电桥 b) 输出特性 这种差动形式在传感器中使用较多，可以提高灵敏度及线性度，如图 4 —8b , L1、L2为单螺管输出特性，线性度较差，u为双螺管线圈差动型输出特性，线性度、灵敏度明显提高），从而也提高了抗干扰能力，也可以进行温度补偿等。 由于可变磁阻式电感传感器是接触式测量，一般只适合用于低频测量。 图4—8 双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性 a)电桥 b) 输出特性 六、压阻式传感器 压阻式传感器的变换原理：某些半导体材料的压阻效应。 压阻效应是指某些半导体材料受压力作用时，其电阻率随压力变化的现象。 单晶硅、锗及化合物半导体都具有压阻效应。 如图4-26所示，在单晶硅的基片上用扩散工艺制成一定形状的应变元件，当它受到压力作用时，应变元件的电阻发生变化，从而使输出电压变化。很多压阻式压力传感器在硅膜片上做成4个等值电阻的应变元件，形成半臂电桥，使输出电压增大。 压电效应的三种方向 一、正压电效应 1、作为则量元件，可测最终能变为力的物理量如压力、加速度、冲击（汽车的冲击检测）、振动等； 2、作为压电电源，可作为压电打火机、煤气炉或汽车的自动点火装置、多种电压发生器、计算机键盘等； 逆压电效应： 如果将具有压电效应的物质置于交变电场中，那么在电场作用下，其几何尺寸会在某些方向上伸缩，这种现象称为电致伸缩效应或逆压电效应。 压电晶片连接方式： (2) 外光电效应　　 在光线作用下,物质内的电子逸出物体表面向外发射的现象,称为外光电效应。 光学机械式鼠标的基本原理也是用光敏半导体元件测量位移，鼠标内置了二个滚轴，分别是X方向滚轴和Y方向滚轴,这两个滚轴都与一个可以滚动的小球接触，当小球滚动时便带动了两个滚轴转动，当译码轮被带动时LED发出的光时而照到光敏晶体管时而被阻断，从而产生表示位移的脉冲，通过鼠标的控制芯片转换处理后被CPU接收并对其计数。互相垂直的传动轴分别对应着屏幕上的横轴和纵轴，脉冲信号的数量和频率决定了鼠标在屏幕上移动的距离和速度。 当在金属电极上施加一正电压时，在电场的作用下，电极下面的P型硅区域里的空穴将被赶尽，从而形成耗尽区。也就是说，对带负电的电子而言，这个耗尽区是一个势能很低的区域，称为“势阱”。如果此时有光线入射到半导体硅片上，则在光子的作用下，半导体硅片上就形成电子和空穴，由此产生的光生电子被附近的势阱所吸收(或称俘获），而同时产生的空穴则被电场排斥出耗尽区。此时势阱内所吸收的光生电子数量与入射到势阱附近的光强成正比。人们称这样一个MOS结构元为MOS光敏元，