速度传感器

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1、,传感与检测技术,项 目 一,项目一 认识传感器及其信号调理电路,认识传感器,传感器的信号调理电路,任务一 认识传感器,任务书,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

2、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,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,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,力,形变,应变片,电阻值变化,R2,R3,R1,R4,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。,R1,R2,R3,R4,U,

3、UA,UB,大,大,小,小,R1R2 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UAUB，电桥失去平衡，输出与压力成正比的电压。,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）,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

4、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）,灵敏度：,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。,（2）线性化的解释,最大非线性误差；,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。,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）。,理论直线,最大误差,实际曲线,理论线性度,拟合直线：,端基线性度,以零点输出的平均值为起始点

5、，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。,拟合直线：,a0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 ：,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。,被测量增大,被测量减小,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 。

6、,（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x,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

7、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cyl203,3、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。

8、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,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

9、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

10、、超声波传感器、视觉传感器等。,六、内容小结,传感与检测技术,项 目 一,项目一 认识传感器及其信号调理电路,认识传感器,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）,任务书,某液位传感器通过变送器的输出信号为020mA电流信号，将此信号转换成010V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020mA电流信号转换成010V电压信号的转换器。,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

11、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；,直流偏置电

12、压,输入端,输出端,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,0,Ud,Uo,E+,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+ ),-,Usat,-Usat,理想运算放大器,运算放大器的一种等效电路：,理想情况： 输入电阻ri无穷大 放大倍数A无穷大,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”。,2、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

13、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 UdU+U-,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。,反相放大器,UN=0 N点常称“虚地”点,虚断,虚短,i1=i2，uP=0,uP=uN=0,工作方式： 单端、反馈,3、反相放大器,（1）电压跟随器,虚断,虚短,ua=ui,ua=uo,uo=ui,工作方式： 单端、反馈,（2）差动放大器,工作方式： 差动、反馈,2019/9/26,46,

14、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,4、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，

15、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，

16、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定参数元件与敏感 器件并联或串联。对有些非线性传感器，简单地用固定电 阻器与传感元件串、并联，只要电阻值选取合适，即可将 非线性校正到满意的程度。 这方面比较典型的例子就是Dunmore式湿敏传感器的 非线性校正。如下图所示，湿敏传感器的电阻值RH与相对 湿度RH的关系曲线是非线性的。,（1） 无源线性化电路,根据具体测量需要，选择A、B、C三点，相应的电阻RH与相对湿度RH的值分别为RHa、RHb、RHc及Ha、Hb、Hc，且Ha-HbHb-Hc。选择如图b所示无源电路，用一个固定电阻R与RH并联。并联后的总电阻为：RH=RRH/(R+RH) 为使A、B、C三点成线性关系，应有：RHa- RHbRHb- RHc 即：RRHa/(R+