第三章 常用传感器及其调理电路（课件）- 《电气与电子测量技术（第3版）》同步教学（电子工业出版社）

3:1 第三章 常用传感器及其调理电路 1 Page . 01压电传感器 压电式传感器(Piezoelectric Sensor) 压电元件沿着一定方向受到外力作用时，内部就产生极化现象，同时在某两个表面上产生符号相反的电荷Q，当外力去掉后，又恢复到不带电状态； 当作用力方向改变时，电荷的极性也随着改变； 电荷量Q与外力的大小成正比 Q=kF 对晶体施加一定电场E，晶体本身将产生机械形变，形变量与外电场强度成正比；外电场撤离，形变也随着消失。 正压电效应 逆压电效应 Page . 3 压电材料的种类及应用 石英晶体SiO2 钛酸钡(BaTiO3) 锆钛酸铅(PZT) 聚二氟乙烯(PVF2) 聚氯乙烯(PVC) 压电晶体 压电陶瓷 高分子压电材料 压电材料 1 Page . 不同压电材料的灵敏度 电压源模型：压电元件等效为一个电压源U和体电容Ca串联的等效电路 电荷源模型：压电元件等效为一个电荷源Q和体电容Ca并联的等效电路 泄漏电流：用绝缘电阻Ra来等效 压电元件的等效电路 (a) 电压源模型 (b) 电荷源模型 1 Page . 压电传感器的静态、动态特性 图4-98 压电传感器的频率响应曲线 a）静态力 b）低频外力 c）高频外力 压电元件的绝缘电阻以及后级调理电路的输入阻抗不可能是无穷大，所以压电材料上产生的电荷会发生泄漏，因此压电式传感器不适合静态测量。但压电材料在交变力的作用下，电荷可以不断补充，故适用于动态测量。 Page . 压电元件的信号传递 输入电缆电容 放大电路 输入电容 Page . 存在的问题 输出电压与电容C= Ca + Ci +Cc密切相关，虽然Cc和Ci都很小，但与Ca大小接近而不可忽略。 Cc会随连接电缆的长度与形状而变化，从而会给测量带来不稳定因素，影响传感器的灵敏度。 压电传感器调理电路 Page . 电荷放大器 电荷放大器由一个带有反馈电容Cf的高增益运算放大器构成 绝缘电阻Ra和输入电阻Ri很大，近似开路，等效电路简化如下所示 一个开环放大倍数为K 的理想反相电压放大器，其输入和输出点之间的阻抗为Zf，其输出电压为Uo = -KUi，则输入电流为: 从输入端看， Zf 相当于减小到原值的1/(1+K)，则电容Cf 从输入端看等于 (1+K)Cf。 由于(1+K) Cf >> Ca +Cc +Ci , 忽略右边的杂散电容，有： Miller效应 、 Page . 为了放大器的工作稳定，在反馈电容Cf两端并联了一反馈电阻，形成直流负反馈，用于稳定放大器的直流工作点 压电传感器调理电路 结论：电荷放大器的输出电压仅取决于输入电荷与反馈电容Cf，电缆电容Cc等其它因素的影响可以忽略不计，且与电荷Q成正比。 Page . 压电式传感器的应用举例 目标检测 1 Page . 02光电传感器 光电效应及其种类 Page . 光电效应就是指一束光线照射到物质上时，物质的电子吸收了光子的能量而发生了相应的电效应现象。那么，产生光电效应的这种物质就叫光电材料。 (1) 外光电效应：在光线照射下，使电子从物体表面逸出的现象。如光电管、光电倍增管等。 (2) 内光电效应：在光线照射下，使物体的电阻率发生改变的现象。如光敏电阻等。 (3) 光生伏特效应：在光线照射下，使物体产生一定方向的电动势的现象。如光敏二极管、光敏三极管、光电池等。 光照射在光敏电阻上，导电性能增加，电阻值下降。 光敏电阻 光敏电阻工作原理图 1 Page . 光敏二极管工作原理与结构 Page . 光敏二极管是基于半导体光生伏特效应的原理制成的光电器件。光敏二极管工作时外加反向工作电压，在没有光照射时，反向电阻很大，反向电流很小，此时光敏二极管处于截止状态。当有光照射时，在PN结附近产生光生电子和空穴对，从而形成由N区指向P区的光电流，此时光敏二极管处于导通状态。 光敏三极管工作原理与结构 Page . 当光照射在基极-集电结上时，就会在集电结附近产生光生电子-空穴对，从而形成基极光电流。集电极电流是基极光电流的β倍。 这一过程与普通三极管放大基极电流的作用很相似，所以光敏三极管放大了基极光电流，它的灵敏度比光敏二极管高出许多。 光电耦合器隔离输入级与后级电路，同时提高传感器的抗干扰能力。 光电耦合器 a）工作原理 b）输入输出特性 c）同相输出 工作原理与输入输出特性 1 Page . 光电信号的检测方法 a）透射法 b）反射法 c）辐射法 d）遮挡法 光电信号的检测方法 1 Page . 用途 旋转编码器是一种反馈旋转运动的角度、位置、速度或加速度的数字式传感器 类型 1. 绝对值编码器 输出信号：代表绝对角度的一个编码 2. 增量编码器 输出信号：相差90°的A、B脉冲和零位Z脉冲 单圈输出脉冲数（PPR）或分辨率：最高50000-100000PPR，低端1024-5000PPR 旋转光电编码器 1 Page . 增量式光电编码器 Page . 结构原理 在圆盘上等角距地开有能透光的两圈缝隙，内缝隙A和外缝隙B相错半条缝，最外圈开有一个透光狭缝表示码盘零位。在码盘的一侧装有发光二极管，另一侧装有光敏三极管，码盘通过转动轴连接，这样当轴转动时，接受端可获得A、B两路正交的（相差90）脉冲信号。 脉冲盘式编码器原理图 编码及辨向原理 Page . 辨向和倍频计数原理 提高分辨率 外缝隙B接至D触发器的D端，内缝隙A接到触发器的CP端。当B超前于A时，触发器Q输出为1，表示反转，而A超前于B，触发器输出Q为0，表示正转。A、B两路信号XOR后得到2倍频计数脉冲，有利于提高旋转角度检测以及控制精度。 Page . Page . 绝对式编码码盘 码盘上有N条码道，每条码道被分为透光和不透光的区域，N条码道可以输出2N个二进制编码，每个编码对应一个绝对角度，它是将旋转设备的位移信息通过二进制编码的方式变成数字量直接输出。 格雷码码盘 抗扰动能力优于二进制码盘 绝对式光电编码器 绝对式光电编码器的码盘 （a）二进制码盘 （b）格雷码码盘 1 Page . 感谢聆听 25 � EMBED Equation.3 ��� Uo Cf Ci Cc Ca Q -k � EMBED Equation.3 ��� Uo Cf Ci Cc Ca Q A � � � � � � W Pmax� A Isin� V Ud� � � � 光敏电阻 电源 电极 电极 $$