传感器整套教学教程电子讲义教案.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,科学出版社,*,科学出版社,任务,1,电位器式位移传感器,1.1,基础知识,1.1.1,电位器式角位移传感器结构原理,电位器式位移传感器通过电位器元件将机械位移转换成与之成线性或任意函数关系,的电阻或电压输出。普通,直线电位器和圆形电位器,都可分别用作直线位移和,角位移传感器。图,1,所示,为电位器式位移传感器,结构原理图。,图,1,位移传感器工作原理,科学出版社,物体的位移引起电位器移动端的电阻变化，阻值的变化量反映了位移的量值，阻值的增加还是减小则表明了位移的方向。输入与输出可用下式表示：,式中：,U,0,为传感器输出信号电压；,x,为被测量位移；,L,为传感器敏感电阻长度；,Ui,为输入电压，可以是直流，也可以是交流。,角位移传感器的性能指标主要有灵敏度、线性度、稳定性等，下面分别进行讨论：,科学出版社,（,1,）传感器输出线性度,它是指传感器输出量与输入量之间的实际关系曲线偏离直线的程度，有零基线性度、端基线性度、独立线性度及绝对线性度等四种表示方法。线性度定义如图,2,所示，定义式为：,图,2,线性度示意图,式中：为传感器在全量程上的最大偏差值；为传感器的量程。,科学出版社,（,2,）独立线性度。从具有斜率和它所在位置的参考直线的实际函数特性的最大偏差，选择最小化的最大偏差，它是由总施加,电压的百分比来,表示的。在指定的,理论电气行程上,测量其大小。,如图,3,所示：,图,3,独立线性度示意图,科学出版社,（,3,）绝对线性精度,绝对线性度要比独立线性度更难以取得。因为它是来自所有被定义的参考直线的实际函数特性最大偏差。它用总施加电压百分比来表述，在理论电气行程上测量其值。在实际输出上要求有一个索引参考点。,直线的参考线也许是由指定的上下两条理论上的端输出比率所有定义的线相对于各自的理论电气行程。除非另有说明,这些端输出比率分别是,(0,，,0),和,(1,，,0),。,绝对线性度的数学表达式：,e/E=A(/T)+B,+/-C,其中,A,是给定的斜率，,B,是,=0,时的截矩，除非另有说明：,A=1,，,B=0,。,科学出版社,（,4,）灵敏度。传感器输出的变化量,Y,与引起此变化量的输入变化量,X,之比即为静态灵敏度，表达示为：,传感器的校正曲线的斜率就是其灵敏度。线性传感器，斜率处处相同，灵敏度,K,是一个常数。由于某种原因，会引起灵敏度变化，产生灵敏度误差。即：,（,5,）输出平滑性。输出平滑性是指传感器在测量时，输出信号随时间的稳定性，如图,4,所示。,科学出版社,输出平滑性受到接触阻抗的变化，分辨率和在输出中其他微量非线性输出的影响，是影响传感器性能的重要指标之一。可用下式表示：,式中：,U,CC,：峰,-,峰值最大变化，输出信号的最大波动值；,U,0,：传感器的理论输出信号电压。,图,4,输出平滑性示意图,科学出版社,图,5,使用功耗与温度关系图,（,6,）降功耗曲线。传感器的输出功率与温度之间的关系称为降功耗曲线。一般以传感器在,-55,到,70,时功耗为,100%,，,70,到,125,之间时功耗开始下降直至零。所以在使用时应注意环境温度与功耗的关系。其关系图如图,5,所示：,科学出版社,图,6,迟滞特性图,（,7,）迟滞。传感器在正反行程中的输出输入曲线不重合性称为迟滞。迟滞可用偏差量与满量程输出之比的百分数表示，如下式：,式中：,H,max,正反行程间输出的最大差值；,Y,FS,为传感器的满量程输出。,迟滞特性如图,6,所示。,（,8,）重复性。重复性是指传感器在输入按同一方向做全量程连续多次变动时所得的特性曲线不一致的程度。,科学出版社,实际输出校正曲线的重复特性，正行程最大重复性偏差为,R,max1,，反行程最大重复性偏差为,R,max2,。重复性误差取这两个最大偏差之中较大者,R,max,除以满量程输出,y,的百分数表示：,检测时也可以选取几个测试点，对应每一个点多次从一个方向趋进，获得输出值系列,y,i1,，,y,i2,，,y,i3,，,y,in,算出最大值与最小值之差为重复性偏差,R,i,，在几个,R,i,中取出最大值作为重复性误差。,科学出版社,重复特性如图,7,：,图,7,重复特性示意图,科学出版社,（,9,）分辨率与阀值。分辨率是指传感器在规定测量范围内能检测出被测输入量最小变化值。有时对该值相对满量程输入值的百分数表示为分辨率。,阀值是能使传感器输出端产生可测变化量的最小被测输入量值，即零点附近的分辨能力。有的传感器在零位附近非线性严重，形成“死区”，则将这个区的大小称为阀值；更多情况下阀值主要取决于传感器噪声的大小。传感器能检测出被测量的最小变化值一般相当于噪声电平的若干倍，用公式表示：,式中：,M,被测量最小变化量值；,c,系数；,N,噪声电平；,K,传感器灵敏度。,科学出版社,（,10,）稳定性。稳定性又称长期稳定性，即传感器在相当长的时间内保持其原性能的能力。稳定性一般以室温条件下经过一定规定时间间隔后，传感器的输出与起始标定时的输出之间的差异来表示，有时也用标定的有效期来表示。,（,11,）漂移。漂移指在一定时间间隔内，传感器的输出存在着与被测输入量无关的，不需要的变化。漂移常包括零点漂移和灵敏度漂移。,零点漂移或灵敏度漂移又可分为时间漂移和温度漂移，又称时漂和温漂。时漂是指在规定的条件下，零点或灵敏度随时间的缓慢变化；温漂是指由周围温度变化所引起的零点或灵敏度的变化。传感器的零漂可表示为：,Y,0,：最大零点偏差；,Y,FS,：满量程输出。,科学出版社,（,12,）精确度。精确度的评价指标有三个：精密度、正确度和精确度。,精密度：该指标是指对某一稳定的被测量有同一测量者用同一传感器和测量仪表在相当短的时间内连续重复测量多次（即等精度测量）所得测量结果的分散程度。其值越小说明测量越精密。,正确度：它说明测量结果偏离真值大小的程度，即测量结果有规则偏离真值的程度。反映所测值与真值的符合情况。,精确度：通常精确度是以测量误差的相对值来表示的。传感器与测量仪表精确度等级,A,以一系列标准百分数值（如,0.001,，,0.005,，,0.02,，,0.05,，,1.5,，,2.5,，）进行分档。这个数值是传感器和测量仪表在规定条件下，允许的最大绝对误差值相对于其测量范围的百分数。,科学出版社,1.1.2,电位器式角位移传感器基本结构,目前，电位器式角位移传感器最典型的是精密导电塑料角位移传感器，它主要由电阻体、转轴及电刷组件和壳体等几部分组成，整体结构如图,8,所示。其中，由导电塑料膜与绝缘基体组成的电阻体的制备是确保传感器精度的基础，电刷组件是保证传感器精度及其机械寿命的关键。对整个结构的总体要求是在保证机械强度及其电气性能的基础上尽量减小结构尺寸，使传感器的结构尽量紧凑，以便于安装使用。,科学出版社,图,8,精密导电塑料电位器式角位移传感器结构原理图,科学出版社,（,1,）传感器电阻体的结构,.,导电塑料是一层薄膜，为了得到一定的机械强度，需要喷涂在绝缘性能良好的塑料基体上构成传感器的电阻体，以保证电阻体具有足够的机械强度和电阻稳定性。因此，电阻体是传感器最重要的构件，它是个扁平圆柱体，如图,9,所示。主要由三部分组成：一是绝缘基体；二是导电塑料薄膜；三是引出电极。,图,9,传感器电阻体的结构设计图,科学出版社,（,2,）转轴及电刷组件的结构。电刷转轴组件主要由转轴、轴承、垫片、挡环、绝缘轴套、集流环、电刷臂等零件组成，如图,10,所示。,图,10,转轴组件装配图,科学出版社,（,3,）外壳的结构。传感器外壳由底座、端盖和紧固圈三部分组成，材料采用高强度铝合金，结构如图,13,、图,14,和图,15,所示，图中尺寸与传感器型号有关，图中的尺寸以,16,型为例。,图,13,底座,科学出版社,图,14,端盖 图,15,紧固圈,科学出版社,1.1.3,电位器式角位移传感器类型,根据敏感电阻材质分为金属膜传感器、导电塑料传感器、光敏电阻式传感器、磁敏式传感器、金属玻璃釉传感器、绕线电阻式传感器。,（,1,）导电塑料电位器。导电塑料电位器又称为有机实心电位器，这种电位器的电阻体用特殊工艺将,DAP,（邻苯二甲酸二稀丙脂）电阻浆料覆在绝缘机体上，加热聚合成电阻膜，或将,DAP,电阻粉热塑压在绝缘基体的凹槽内形成的实心体作为电阻体。导电塑料电位器的耐磨性和平滑性好，使用寿命长，动噪声小，可靠性极高，允许电刷接触压力很大，耐化学腐蚀等十分优良的特性。因此它在振动、冲击等恶劣的环境下仍能可靠地工作。此外，它的分辨率较高，线性度较好，阻值范围大，能承受较大的功率。它可以用于宇宙装置、导弹、飞机雷达天线的伺服系统等各种场合，是目前最为常用的角位移传感器。,科学出版社,（,2,）线绕电位器式角位移传感器。线绕电位器的电阻体由电阻丝缠绕在绝缘物上构成，电阻丝的种类很多，电阻丝的材料是根据电位器的结构、容纳电阻丝的空间、电阻值和温度系数来选择的。电阻丝越细，在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但电阻丝太细，在使用过程中容易断开，影响传感器的寿命。,（,3,）合成膜电位器。合成膜电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而成的，这种电位器的优点是分辨率较高、阻范围很宽（,100-4.7 M,），耐磨性较好、工艺简单、成本低、输入,输出信号的线性度较好等，其主要缺点是接触电阻大、功率不够大、容易吸潮、噪声较大等。,科学出版社,（,4,）金属膜电位器。金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法，沉积在陶瓷基体上一层薄膜制成。金属膜电位器具有无限的分辨率，接触电阻很小，耐热性好，它的满负荷温度可达,70,。与线绕电位器相比，它的分布电容和分布电感很小，所以特别适合在高频条件下使用。它的噪声信号仅高于线绕电位器。金属膜电位器的缺点是耐磨性较差，阻值范围窄，一般在,10-100 k,之间。由于这些缺点限制了它的使用。,（,5,）导电玻璃釉电位器。导电玻璃釉电位器又称为金属陶瓷电位器，它是以合金、金属化合物或难溶化合物等为导电材料，以玻璃釉为粘合剂，经混合烧结在玻璃基体上制成的。导电玻璃釉电位器的耐高温性好，耐磨性好，有较宽的阻值范围，电阻温度系数小且抗湿性强。导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化大，噪声大，不易保证测量的高精度。,科学出版社,（,6,）光电电位器式传感器。光电电位器是一种非接触式电位器，它用光束代替电刷，图,16,是这种电位器的结构原理图。光电电位器主要是由电阻体、光电导层和导电电极组成。光电电位器的制作过程是先在基体上沉积一层硫化镉或硒化镉的光电导层，然后在光电导层上再沉积一条电阻体和一条导电电极。在电阻体和导电电极之间留有一个窄的间隙。平时无光照时，电阻体和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时，由于光电导层被照射部位的亮电阻很小，使电阻体被照射部位和导电电极导通，于是光电电位器的输出端就有电压输出，输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关，从而实现了将光束位移转换为电压信号输出。,科学出版社,图,16,光电导型位移传感器结构原理,光电电位器最大的优点是非接触型，不存在磨损问题，它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩，从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大，线性度差。由于它的输出阻抗较高，需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点，但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的，因此在许多重要场合仍得到应用。,科学出版社,1.3,任务实施：电位器式角位移变送器,电位器式角位移传感器要用于位移时的检测，还需要对其输出的电压信号进行必要的转换，在控制系统中一般都需要标准的电流或电压信号，这里介绍一种用,XTR101,将电位器式传感器信号转换成,4-20 mA,标准信号的位移变送器。,XTR101,是由美国,BB,公司开发的,4-20 mA,两线制通用变送器集成芯片，,DIP,封装的管脚排列如图,17,所示。,图,17 XRT101,管脚排列图,科学出版社,工业现场的电动阀门、电闸等电动执行机构的位置、位移、中央空调送风系统的风压等，都可以选用导电塑料型电位器式位移传感器与,XTR101,组成的位移变送器，将位移信号变成,4-20 mA,的标准电流信号，用以驱动相应的控制机构，来调整和控制角位移量或是设备运行状态。下面介绍由导电塑料角位移传感器与,XRT101,组成的角位移变送器原理，有条件的可安排学生进行实物制作。,科学出版社,导电塑料电位器具有分辨力强、能耐受环境影响、耐磨性能好、长寿命,(50 00,万次,),、高精度,(,土,0.1%),、高可靠、低噪音等优点。导电塑料电位器与,XTR101,组成的位移变送器电路原理如图,18,所示，其中,R,C,为角位移传感器的电阻，应选用几百欧左右的小电阻传感器，受,l mA,恒流激励，它与,R,8,、,R,9,组成一比例控制测量电路，,R,8,、,R,9,和,R,C,这,3,个电阻所组成的比例测量电路应保证输入,3,脚的电压不超过,1 V,且不低于,100 mV,，以保证变送器正常工作。,R,C,的动臂与被控转动机构连接，用于被控信号的采集，输出的变化电势直接给,XTR101,的,3,脚。,R,10,和,R,2,串接，受,l mA,恒流激励，组成一分压电路，为,XTR101,的,4,脚提供一个固定的基准电势，这个基准电势的大小与角位移的控制要求有关，应根据测量与控制要求进行选取，但要保证输入,4,脚的基准电压不超过,1 V,。经,XTR101,的差分比较、放大和,V/I,转换，输出一个标准的,4-20 mA,电流，供整个系统控制调节用。,科学出版社,图,18,角位移与,XRT101,构成的变送器原理图,科学出版社,1.3,拓展学习：电位器式线位移传感器,电位器式线位移传感器是测量和控制位移、距离、伸长、移动、厚度、振动、膨胀、液位、压缩，应变等等物理量的有力工具。它通过特定的机电结构将直线位移量转换成电阻变化量，再由测量电路变成电压信号输出，与电位器式角位移传感器工作原理一样，不同的是其机电构造有所区别，将角位移的转动方式变成了往复滑动方式。目前，随着变送技术的发展，已经有能输出电流、电压、或,SSI,等多种信号的智能型线位移测量传感器。可广泛应用于航天、航空、电力、水利、石油化工、机械、军工、医疗、纺织、汽车、煤炭、地震监测、高等院校及科研院所等各领域，既可与仪表配套使用，也可以单独使用。,科学出版社,（,1,）电位器式线位移传感器结构原理。导电塑料线位移传感器根据位移实现形式不同有拉杆式和压杆式两类，基本原理与角位移传感器是一样的，但在具体结构上有较大差异，电阻轨道是直线型分布的。图,20,为拉杆式结构，测量位移时测杆被拉出。主要由接线柱（,1,）、导向杆（,2,）、底座（,3,）、密封盖（,4,）、绝缘衬（,5,）、电刷（,6,）、测量杆（,7,）、复位弹簧（,8,）、导电塑料膜（,9,）和电阻基体（,10,）组成。测量杆与导向杆空套在一起，导向杆一端固定在底座上，绝缘衬与导向杆空套联接，与测量杆和电刷则是用粘结剂粘贴固定，使电刷能与测量杆一起沿导向杆滑移。电刷有四到六个触头，分别与两条电阻轨道接触，使两条电阻构成一个可变电阻结构，一条为主电阻，两端均有电极联出，一条为辅助电阻，只有一端有电极，这样构成传感器的三个电极，使位移的变化转换成电阻的改变，实现位移的测量。,科学出版社,图,20,拉杆式线位移传感器结构原理,科学出版社,图,21,压杆式线位移传感器结构原理,上图为压杆式，测量时测杆被压进传感器内，结构基本上与拉杆式相同，也是由接线柱、导向杆、底座、上盖、绝缘衬、电刷、测量杆、复位弹簧、导电塑料膜和电阻基体等组成。区别在于复位弹簧的位置，压杆式的复位弹簧在导向杆与绝缘衬之间，将测量杆顶出传感器底座外面，而拉杆式的复位弹簧将测量杆压在传感器底座内。,科学出版社,图,22,为导电塑料线位移传感器的电阻体结构，在绝缘基体上喷涂或印刷两条电阻轨道，方法与角位移的电阻体相似，两端有涂银电极层，与输出电极联接。电阻轨道的宽度和厚度与传感器的型号大小有关，一般在,3 mm,宽，,0.02 mm,厚左右。,图,22,敏感电阻元件,科学出版社,图,23,电刷,图,23,为传感器的电刷结构，采用钯金合金材料，厚度在,0.5 mm,左右，结构型式比较多，主要根据传感器结构要求而定。为使接触平稳，故采用分叉结构，由,2,到,3,个触头构成一组，以便获得更好 的接触效果，降低接触噪声。,图,24,底座,科学出版社,图,24,为传感器底座，可采用铸铝材料，底部为安放电阻基体的槽，两端开的中心大小不同，一力装导向杆，需紧配合，一边穿测量杆，是松配合。靠近底部电阻槽处钻直径为,3 mm,的通孔，用于装接线柱，接线柱与底座之间要绝缘隔开，采用粘结剂联接。接线柱与银电极之间焊有合金丝引线，以将导电塑料电阻膜与接线柱相联。为了提高测量时移动的灵活性可适当加润滑脂润滑。底座也可用铝型材，如方管或圆管，视具体需要而定，用型材时需设置两边端盖，此时两端盖的中心孔要有保持良好的同轴度，不然会使移动不顺，产生卡死现象。,科学出版社,（,2,）电位器式线位移传感器类型,电位器式线位移传感器的类型主要有拉杆式和滑动式两类。,通用拉杆式导电塑料电位器式线位移传感器已经有系列产品，国内有多家生产企业，有效行程在,75 mm-1 250 mm,之间，两端均有,4 mm,缓冲行程，精度,0.05%-0.04%FS,。外壳表面阳极处理，防腐蚀能力强。内置导电塑料测量单元无温漂、寿命长，具有自动电气接地功能。密封等级为,IP67,，自带,DIN430650,标准插头插座，可以适用在大多数通用场合。拉杆球头具有,0.5 mm,自动对中功能，允许极限运动速度为,10 m/s,。,科学出版社,通用滑动式导电塑料电位器式线位移传感器也有系列产品，有效行程,75 mm-3 000 mm,，两端均有,4 mm,缓冲行程，精度,0.05%-0.02%FS,。外壳表面阳极处理，防腐蚀性强，内置导电塑料测量单元无温漂、寿命长，具有自动电气接地功能，密封等级为,IP54(,向下安装时为,IP57),，自带,DIN430650,标准插头插座，可以适用在大多数通用场合，特别是长度方向受到限制、对中较困难的场合。拉杆配合球头具有,10 mm,自动校正功能，允许极限运动速度为,10 m/s,。,科学出版社,（,3,）电位器式线位移传感器应用场合,KTC,、,KTM,、,LS,型拉杆结构为一般通用结构，配合可选拉球万向头或鱼眼万向头，可以减少因安装的非对中性而带来的不良影响，适用于注塑机，纺织机械，木工机械等行业；,KPC,、,KPM,两端固定带绞接运动型，适合摆动运动，传感器本体无法固定在测量系统中,会随着测量运动而运动；,KTF,、,KFM,滑块型适应最小安装长度尺寸小的场合，配合加长臂，可以消除安装时的非对中带来的不良影响；,KTR,型是一款微型自恢复式拉杆结构，无需牵引安装；,KPF,型法兰面固定结构则可以检测腔体内部位移。,科学出版社,（,4,）电位器式线位移传感器的选用,这种传感器选用时要根据以下几方面进行：一是根据测量要求达到的准确度和线性度来选择传感器的线性精度等级和分辨力大小；二是根据测量要求的最大幅值来选择传感器的合理量程范围；三是根据测量环境中的振动、粉尘、温湿度等状况合理选择传感器的密封等级、抗振动等级等情况；四是根据测量或控制要求达到的速度来选择传感器的工作速度；五是按经济原则合理选择传感器的使用寿命，以符合最佳性价比要求。,科学出版社,（,5,）电位器式线位移传感器使用要求,首先，供电电压要稳定。工业电源要求,0.1%,的稳定性，如基准电压,10 V,，允许有,0.01 V,的波动，否则会导致显示的不稳定，会导致测量不准确。只要显示波动幅度不超过波动电压的波动幅度，位移传感器电子尺就属于正常工作。,其次，在使用操作过程中要防止静电干扰。静电干扰和调频干扰很容易使电位器式线位移传感器显示数字跳动。设备的强电线路与传感器的信号线要分开线槽。传感器应使用强制接地，且使传感器外壳良好接地，信号线要使用屏蔽线，且在电源一侧应将屏蔽线接地。静电干扰时，一般万用表的电压测量非常正常，但是显示数字跳动，高频器干扰时其现象也一样。,科学出版社,第三，不能接错三条线。传感器的“,1”,、“,3”,线是电源线，“,2”,是输出线，除电源线,(“1”,、“,3”,线,),可以调换外，“,2”,线只能是输出线。上述线一旦接错，将出现线性误差大，出现控制非常困难，控制精度差，容易显示跳动等现象。,第四、用干电池作电源时，容量要充足。如果电源容量太小，容易发生如下情况：合模运动会导致射胶传感器显示跳动，或熔胶运动会导致合模传感器的显示波动。特别是电磁阀驱动电源于传感器供电电源在一起时容易出现上述情况，严重时可以用万用表的电压档测量到电压的波动。如果在排除了静电干扰、高频干扰，对中性不好的情况下仍不能解决问题，也可以怀疑是电源的功率偏小。,科学出版社,第五，安装对中性要好。角度容许,2,误差，平行度容许,0.5 mm,，如果角度误差和平行度误差都偏大，就会导致显示数字跳动。在这种情况下，一定要对角度和平行度的调整。,第六，防止短路。传感器工作过程中,有规律的在某一点显示数据跳动或不显示数据,这种情况就要检查连接线绝缘是否有破损，避免与机器的金属外壳有规律的接触引发的对地短路。,第七，避免老化。对于使用时间很久的传感器，密封老化，可能有很多杂质，并有油、水混合物，影响电刷的接触电阻，导致显示数字跳动，可以认为是位移传感器电子尺本身的早期损坏。,科学出版社,（,6,）电位器式线位移传感器使用注意事项,第一，电路虽采用了内部电源保护措施，还是需要用户进行检查后再接通电源。不要超过额定电压值，以免影响测量的精确性和带来不必要的损失；第二，传感器的安装位置最好不要靠近强电磁场，如无特殊说明，保证传感器不在对金属强烈腐蚀作用的环境中使用；第三，被测点的运动轨迹最好与传感器测杆的轴线平行，这样测量结果就是移动量。如传感器测头移动，测头与被测物的接触面不应凹凸不平；第四，安装使用传感器，应轻拿轻放，避免敲打与跌落。固定传感器时，夹紧壳体即可，不可用力太大、太猛，更不可使壳体出现凹陷、变形，影响测量精确度。注意其测量量程，请勿超量程使用，而损坏传感器；第五，注意传感器通电预热,5,分钟后方可进行正式测量；第六，传感器是精密测量仪器，出厂前进行了检定与老化。使用过程中不可随意拆卸，否则影响测量精确性，还可能造成传感器损坏。,科学出版社,任务,2,数字式位移传感器,2.1,基础知识：霍尔式角位移传感器,目前市场上常用的角位移传感器是电位器式角位移传感器，它技术成熟、价格便宜，但只能输出模拟信号、测量角度范围只有,350,左右，由于电刷的存在，机械寿命只有几百万次，属于接触式测量。而基于霍尔效应的非接触式角位移传感器具有无可比拟的优势，它能输出数字式、脉冲式和模拟式等多种信号，可实现无死角测量，理论上可实现无限寿命等等特点，是位移传感器的发展方向。,科学出版社,2.1.1,霍尔传感器的工作原理,科学出版社,1,）概述：,霍尔元件是一种基于霍尔效应的磁传感器，得到广泛的应用。可以检测磁场及其变化，可在各种与磁场有关的场合中使用。霍尔器件以霍尔效应为其工作基础。,2,）特点：,霍尔器件具有许多优点，它们的结构牢固，体积小，重量轻，寿命长，安装方便，功耗小，频率高，耐震动，不怕灰尘、油污、水汽及盐雾等的污染或腐蚀。,科学出版社,3,）,霍尔元件,金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势，这种物理现象称为霍尔效应。,科学出版社,设图中的材料是型半导体，导电的载流子是电子。在轴方向的磁场作用下，电子将受到一个沿轴负方向力的作用，这个力就是洛仑兹力。它的大小为：,F,L,=,qvB,科学出版社,在洛仑兹力的作用下，电子向一侧偏转，使该侧形成负电荷的积累，另一侧则形成正电荷的积累。这样，,A,、,B,两端面因电荷积累而建立了一个电场,，称为霍尔电场。该电场,的强度为,E,h,=,vB,在,A,与,B,两点间建立的电势差称为霍尔电压，用,U,H,表示,U,H,=,E,h,b=vBb,科学出版社,由上式知，霍尔电压的大小决定于载流体中电子的运动速度，它随载流体材料的不同而不同。材料中电子在电场作用下运动速度的大小常用载流子迁移率来表征，所谓载流子迁移率，是指在单位电场强度作用下，载流子的平均速度值。载流子迁移率用符号,表示，,=,v/E,I,。其中,E,I,是,C,、,D,两端面之间的电场强度。它是由外加电压,U,产生的，即,E,I,U/L,。因此我们可以把电子运动速度表示为,v,=,U/l,。这时上式可写为,:,科学出版社,当,材料中的电子浓度为,n,时，有如下关系式,:,I,=,nqbdv,即,将上式代入前式可得,K,H,为霍尔灵敏度，它表示一个霍尔元件在单位控制电流和单位磁感应强度时产生的霍尔电压的大小，,K,H,=,R,H,/d,，它的单位是,mV/(mA,T,),科学出版社,通过以上分析可知：,1,）霍尔电压,U,H,与材料的性质有关，霍尔元件一般采用,N,型半导体材料。,2,）霍尔电压,U,H,与元件的尺寸有关。,d,愈小，,K,H,愈大，霍尔灵敏度愈高，所以霍尔元件的厚度都比较薄，但,d,太小，会使元件的输入、输出电阻增加。,霍尔电压,U,H,与控制电流及磁场强度有关。控制电流恒定时愈大愈大。当磁场改变方向时，也改变方向。,科学出版社,2.1.2,霍尔元件,霍尔电压,U,H,正比于控制电流和磁感应强度。在实际应用中，总是希望获得较大的霍尔电压。,通过霍尔元件的最大允许控制电流为,霍尔元件在最大允许温升下的最大开路霍尔电压：,科学出版社,霍尔元件的组成：,由霍尔片、四根引线和壳体组成，如下图示。,科学出版社,集成霍尔元件：,集成霍尔传感器是利用硅集成电路工艺将霍尔元件和测量线路集成在一起的一种传感器。它取消了传感器和测量电路之间的界限，实现了材料、元件、电路三位一体。集成霍尔传感器与分立相比，由于减少了焊点，因此显著地提高了可靠性。此外，它具有体积小、重量轻、功耗低等优点，正越来越爱到众的重视。,6.1.2.1,开关型集成霍尔传感器,开关型集成霍尔传感器是把霍尔元件的输出经过处理后输出一个高电平或低电平的数字信号。霍尔开关电路又称霍尔数字电路，由稳压器、霍尔片、差分放大器，斯密特触发器和输出级组成。,科学出版社,2.1.2.2,线性集成霍尔传感器,线性集成霍尔传感器是把霍尔元件与放大线路集成在一起的传感器。其输出信号与磁感应强度成比例。通常由霍尔元件、差分放大、射极跟随输出及稳压四部分组成，它的电路比较简单，用于精度要求不高的一些场合。,6.1.2.3,差动霍尔电路,(,双霍尔电路,),它的霍尔电压发生器由一对相距,2.5mm,的霍尔元件组成，使用时在电路背面放置一块永久磁体，当用铁磁材料制成的齿轮从电路附近转过时，一对霍尔片上产生的霍尔电压相位相反，经差分放大后，使器件灵敏度大为提高。,科学出版社,2.1.3,霍尔式角位移传感器结构,霍尔效应自,1879,年发现以来，随着集成电路技术的迅猛发展，霍尔集成元件芯片得到越来越多的应用。霍尔式角位移传感器主要包括信号调理电路,9,、磁铁,2,、轴承透盖,3,、绝缘隔套,8,、轴承座,4,、尼龙轴套,7,、转轴,6,、开口挡圈,5,和后盖,11,等组成。如下图所示。,科学出版社,传感器信号调理电路以,AS5045,芯片为核心，采用带表面绝缘层的双面敷铜板。电路由,AS5045,和,405B,两块集成电路为主构成，只需少量外接器件就可实现对角位移信号的采集、放大及数字化处理，获得,SSI,、,PWM,等多种信号输出形式，反应时间在,1 ms,以内。电路原理如下图所示。,科学出版社,2.2,任务实施：霍尔式汽车发动机曲轴位置传感器的检测,汽车发动机曲轴位置信息是喷油器工作的依据，因此，对于发动机正常工作至关重要。它又叫发动机转速与曲轴转角传感器，其作用是采集曲轴转动角度和发动机转速信号，并输入发动机电子控制单元（EUC），用于确定喷油器的喷射顺序、喷射正时、点火正时等，并根据信号监测到的曲轴转角波动大小来判断发动机是否有失火现象。它是汽车发动机控制中非常重要的一个传感器。当它不发出信号时，ECU就认为发动机处于停止状态，喷油器就不会工作，点火装置也不能正常工作。因此，一旦这个传感器发生故障，汽车就无法启动了。,科学出版社,曲轴位置传感器一般安装在发动机曲轴前端、分电器内或靠近飞轮的变速器壳体上这样三个位置，个别汽车会将其安装在发动机缸体中部的下侧。曲轴位置传感器的类型主要有磁电感应式、光电式和霍尔式三种，这里主要介绍霍尔式曲轴位置传感器。,霍尔式曲轴位置传感器利用半导体材料的霍尔效应来产生与曲轴转角相对应的脉冲电压信号，根据具体结构分为叶片式和轮齿式两种。,科学出版社,2.2.,1 叶片式霍尔曲轴位置传感器,2.2.1.1,结构组成,叶片式霍尔曲轴位置传感器由触发叶轮、霍尔元件、铁芯和磁铁组成，如下图所示。触发叶轮安装在转子轴上，转子轴随曲轴一起转动，叶轮上有叶片。因此，当曲轴转动时就会带动叶轮旋转，叶片便在霍尔元件与磁铁间产生断续运动，从而使霍尔元件输出脉冲信号。,科学出版社,2.2.1.2,基本原理,叶轮转动时叶片在霍尔元件与磁铁之间会产生两种状态：一种是叶片进入气隙时磁场被旁路，就是磁铁直接与叶片构成磁通路而不经过霍尔元件，使霍尔元件的霍尔电压为零，导致霍尔集成电路输出极截止，传感器输出高电平U+，如下图（a）所示；另一种是叶片离开气隙时，磁铁与磁轭构成穿过霍尔元件的磁路，此时霍尔元件便产生一个霍尔电压UH，导致传感器输出低电平U-，如下图（b）所示。发动机的ECU就是根据传感器过来的脉冲信号计算出曲轴的转角及活塞的上止点位置，实现对点火和喷油时刻的精确控制的。,科学出版社,（,a,）叶片进入气隙时磁场被旁路 （,b,）叶片离开气隙时磁场通过霍尔元件,科学出版社,2.,2.2,轮齿式霍尔曲轴位置传感器,2.2.2.1,结构组成,轮齿式霍尔曲轴位置传感器一般由霍尔传感器（霍尔信号发生器）和信号转子两部分组成，不同车系略有差别，下图是大众车系的轮齿式霍尔曲轴位置传感器结构示意图。,科学出版社,2.2.2.2,基本原理,为了说明方便，本书以北京切诺基吉普车为例加以说明，如下图所示，4缸与6缸略有差别。在排量为2.5L的4缸发动机中，轮齿式霍尔曲轴位置传感器中的转子信号飞轮上开有8个槽，槽与槽间相隔20,；4个槽为1组，共有2组，组与组间相隔180,。而在排量为4L的发动机中，轮齿式霍尔曲轴位置传感器中的转子信号飞轮上则开有12个槽，槽与槽间相隔也是20,；同样是4个槽为1组而分为3组，组与组间则是相隔了120,。因此，两者的信号空间相位有所不同。,科学出版社,科学出版社,当传感器信号转子飞轮上的凹槽正对霍尔信号发生器时，轮齿式霍尔曲轴位置传感器输出5V高电位，而当飞轮凸齿正对信号发生器时，传感器就输出0.3V的低电平信号，由此形成高低电平的脉冲信号。每当飞轮转过一个轮齿传感器就产生一个电脉冲信号，因此，传感器转过1组齿槽时就产生了4个电脉冲信号。4缸发动机每转1周产生2组脉冲信号，而6缸发动机则产生3组脉冲。ECU就根据传感器输入的脉冲信号来计算出曲轴的位置和发动机的转速。另外，ECU还可根据传感器提供的每组脉冲信号来确定气缸活塞的位置。,科学出版社,例如：在4缸发动机中，可利用1组脉冲信号来确定1缸和4缸活塞的上止点，利用另1组脉冲信号来确定2缸和3缸活塞的上止点；同样，在6缸发动机中，利用1组脉冲信号，在同一时间点可确定1和6缸、2和5缸及3和4缸活塞的上止点。由信号转子飞轮与传感器的信号发生器的位置关系，ECU从接收每一组脉冲信号的第一个脉冲上升沿开始，能确定有两缸的活塞下在向上止点运动，6缸发动机也是一样的。由于第四个脉冲信号的下降沿与活塞位于上止点前4位置相对应，因此，ECU根据一组脉冲信号的第一个下降沿，就能确定下在向上止点运动的两个活塞的位置，但不能确定是哪个缸的活塞，也不能对这两个缸的工作行程进行判断，所以还需要一个气缸判断信号，即还需要一个同步信号发生器。,科学出版社,2.2.2.3,检测,轮齿式霍尔曲轴位置传感器为3端子插头，有A、B和C 3个接线端，A端接电源，与ECU的7号端子插接，B端为信号输出口，与ECU的24号端子插接，C端是接地端，与ECU的4号端子插接。,1.,传感器电源电压的检测方法是：将点火开关置于ON位置，用万用表的电压档测量ECU的7号端子与4号端子间的电压，正常值为8V，测量传感器的A与C间的电压也应为8V，否则就是存在电源连接问题的，需要进一步检查连接线路。,科学出版社,2.,传感器输出信号电压的检测方法是：用万用表的电压档分别测量传感器的A与C及B与C间的电压，在发动机启动后，A与C间正常电压为8V，而B与C间电压应在5V和0.3V间转换，且是脉冲形变化。否则就存在问题，需要作进一步检查处理。若B与C间测不到电压，则说明传感器损坏，需要更换。,3.,传感器电阻测量：将点火开关置于OFF位置，拨下传感器接线端子，用万用表的电阻档测量A与B间和A与C间的电阻值，均应是无穷大才是正常的，若显示有一定大小的电阻，则说明传感器已遭损坏，需要更换。,科学出版社,2.3,拓展学习：光栅、磁栅及容栅,2.3.1,光栅位移传感器,1,）,光,栅测量位移原理,光栅位移传感器利用光栅副产生的莫尔条纹进行位移的测量，主要由光源系统、光栅副和光电接收元件所组成，如下图所示。图中光源,1,和透镜,2,构成光路系统；主光栅,3,（又叫标尺光栅）和指示光栅,4,构成光栅副，一般指示光栅沿主光栅移动产生位移；,5,为光电接收元件，将光栅副产生的莫尔条纹转变为电信号，其中光栅副是光栅传感器中最主要的部分。,科学出版社,上图中的主光栅和指示光栅的具体结构类型有长光栅和圆光栅两类，如下图所示。,长光栅结构示意图,圆光栅结构示意图,科学出版社,2,）长光栅的莫尔条纹,把光栅常数相等的主光栅和指示光栅刻线面相对叠合在一起，如下图所示，中间留有很小的间隙，并使两者栅线之间保持很小夹角,，当有光照时就会在近似于垂直栅线方向出现明暗相间的条纹，即在,a-a,线上形成亮带，而在,b-b,线上形成暗带。这种明暗相间的条纹，称之为莫尔条纹。,科学出版社,上式说明莫尔条纹的方向与光栅的移动方向（,x,方向）只相差,/2,，即近似于与栅线方向相垂直，故此莫尔条纹又称为横向莫尔条纹，如前图所示。同时又表明莫尔条纹的间距是放大了的光栅栅距。,这种横向莫尔条纹具有以下几个特点：,.,平均效应。莫尔条纹是由光栅上所有栅线共同形成的，对光栅栅线的刻划误差有很好的平均作用，从而能在很大程度上消除刻线周期误差对测量精度的影响。,.,放大作用。从上式可明显看出光栅有放大作用，放大倍数为：,K,=,W,/,B,1/,。由于,角很小，故,K,值可达到很大。栅距,W,是很小的，很难观察，而莫尔条纹却清晰可见。,.,对应关系。主副光栅沿与栅线垂直的方向（,x,方向）相对移动时，莫尔条纹沿两栅线夹角,的平分线方向移动。两光栅相对移动一栅距,W,时莫尔条纹移动一个条纹间距,B,。当光栅反向移动时，莫尔条纹亦反向移动。,科学出版社,6.3.2,磁栅位移传感器,磁栅位移传感器的工作原理是：先用录磁设备将磁信号录制到磁栅上，在测量位移时由读磁头读取磁栅上预先录制的信号，再通过信号处理部分处理后就得到磁头与磁栅的相对位移量。,磁栅位移传感器由磁栅（又名磁尺）与磁头组成，是一种比较新型的位移传感器。与其他类型的位移传感器相比，磁栅位移传感器具有制作工艺简单、复制方便、易于安装、调整方便、测量范围广（从,0.001 mm,到几米）、不需要接长等一系列优点，在大位移测量方面得到广泛的应用。,科学出版社,