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欢乐麻将传感器原理及应用最新版

发布日期:2020-12-02 23:38

  传感器原理及应用最新版_物理_自然科学_专业资料。教材 《传感器原理及应用》 黄贤武 郑筱霞 编箸 电子科技大学出版社 . 参考书 《传感器原理、设计与应用》 (第三版) 刘迎春 叶湘滨 编箸 国防科技大学出版社 《传感器原理与应用技术》 刘

  教材 《传感器原理及应用》 黄贤武 郑筱霞 编箸 电子科技大学出版社 . 参考书 《传感器原理、设计与应用》 (第三版) 刘迎春 叶湘滨 编箸 国防科技大学出版社 《传感器原理与应用技术》 刘爱华,满宝元编著 人民邮电出版社,2006年 . . 第一章 基本概念 §1-1 传感器的定义与组成 §1-2 传感器的特性 §1-3 传感器的误差及信噪比 . 第一章 基本概念 §1-1 传感器的定义与组成 §1-2 传感器的特性 §1-3 传感器的误差及信噪比 . §1-1 传感器的定义与组成 传感器的定义 传感器的分类 被测量与能量变换 . 一、传感器的定义 1、定义 所谓传感器是来自“感觉”一词 传感器技术属现代高新技术(电五官) 根据GB7665-87,【传感器】(Transducer /Sensor)的定义为: 能感受规定的被测量并按一定规律转换成 可用信号输出的器件或装置,通常由敏感元件 和转换元件组成。 我国往往把“传感器”和“敏感元件”等同使 用 . 传感器的定义 2、传感器的组成 敏感元件(Sensing element) 直接感受或响应被测量的部分。有时 也将敏感元件称为传感器。 转换元件(Transduction element) 能将敏感元件感受或响应的被测量转 换成适于传输或测量的电信号部分。 . 传感器的定义 3、传感器的特征参数 被测量 传感器输入量,是传感器命名和分 类的重要依据。 输出量 含有原始信号,且为便于接收与处 理的信号形式。 . 传感器的定义 4、传感器的应用 从被检测对象中获取原始信号 (1)用于自动检测系统 . 传感器的定义 4、传感器的应用-续 (2)用于测控系统 . 自动检测与自动控制系统 在电力、冶金、石化、化工等流程工业中,生产线上 设备运行状态关系到整个生产线小 时在线监测系统。 . 石化企业输油管道、储油罐等压力容器的 破损和泄露检测 . . . . 在汽车、机床、电机、发动机等产品出厂 时,必须对其性能质量检测 图示为汽车出厂检验原理框图,测量参数包括 润滑油温度、冷却水温度、燃油压力及发动机 转速等。通过对抽样汽车的测试,工程师可以 了解产品质量。 . 汽车扭距测量 机床加工精度测量 . 汽车与传感器 高级轿车需要用传感器对温度、压力、位置、距离、转 速、加速度、湿度、电磁、光电、振动等进行实时准确 的测量,一般需要30~1 00种传感器。 . 传感器与家用电器 自动电饭锅、吸尘器、空调器、电子热水器、风干器、电熨斗、电 风扇、洗衣机、洗碗机、照相机、电冰箱、电视机、录像机、家庭 影院等。 . 传感器在机器人上的应用 机械手、机器人中的 传感器: 转动/移动位置传感 器、力传感器、视觉 传感器、听觉传感器、 接近距离传感器、触 觉传感器、热觉传感 器、嗅觉传感器。 . 密歇根大学的机械手装配模型 . 机器人服务员 . AGV自动送货车 香港理工AGV模型 . 传感器在生物医学上的应用 对人体的健康状况进行 诊断需要进行多种生理 参数的测量。 国内已经成功地开 发出了用于测量近红外 组织血氧参数的检测仪 器。人类基因组计划的研 究也大大促进了对酶、免 疫、微生物、细胞、DNA、 RNA、蛋白质、嗅觉、味 觉和体液组份以及血气、 血压、血流量、脉搏等传 感器的研究。 医学 . . 传感器与航空及航天 航天 飞行器:控制在预定轨 道上 陀螺仪、阳光传感器、 星光传感器、地磁传感 器 . 传感器与环境保护 保护环境和生态平衡,实现可持续发展,必须 进行大气监测和江河湖海水质检测,需要大量 用于污水流量、PH值、电导、浊度、COD、 BOD、TP、TN、矿物油、氰化物、氨氮、总 氮、总磷、金属离子浓度特别是重金属离子浓 度以及风向、风速、温度、湿度、工业粉尘、 烟尘、烟气、SO2、NO、O3、CO等参数测 量的传感器,这些传感器中大多数亟待开发。 . 烟尘浊度测量 . 传感器与遥感技术 飞机及航天飞行器:近紫外线、可见光、远红外线、微波 船舶:超声波传感器 微波 地面 红外接收传感器 红外线分布差异 矿藏埋藏地区 . 二、传感器的分类 1、按传感器输入量(用途)分类 生产厂家往往按输入量分类,以向户 提供基本的使用信息。 如:位移传感器、速度传感器、加速 度传感器、力传感器、压力传感器、 流速传感器、温度传感器、光强传感 器、湿度传感器、粘度传感器、浓度 传感器、…。 . 传感器的分类 2、按传感器工作机理分类 此种分类方法能表示输入变量和输出变 之间的关系。 . 传感器的分类 2、按传感器工作机理分类-续1 (1)物性型传感器 是利用某些功能材料本身所具有的内在 特性及效应把被测量直接转换为电量的 传感器。如:各种压电晶体传感器。 (2)结构型传感器 是以结构(如形状、尺寸)为基础,利 用某些物理规律实现把被测量转换为电 量。如:气隙型电感式传感器。 . 传感器的分类 2、按传感器工作机理分类-续2 (3)化学传感器 是利用化学反应的原理,把无机和有机 化学物质的成分、浓度等转换为电信号 的传感器。如:离子选择性电极。 (4)生物传感器 是一种利用生物活性物质选择性的识别 和测定生物化学物质的传感器。近年来 发展很快。 . 传感器的分类 3、按信息能量变换方式分类 在传感器内部,信息的传递与变换伴随着能量 的流动。 (1)能量变换型:传感器从被测对象中获取能 量,用于直接输出。如:热电偶、光电池、压 电式、电磁感应式、固体电解质气敏传感器等。 (2)能量控制型:传感器从被测对象中获取能 量,用于控制激励源,故又称有源型传感器。 如:电阻式、电感式、电容式、霍尔式、…。 . 三、被测量与能量变换 1、示容变量和示强变量 (1)示容变量或称为流通变量、扩展量 (Extensive) 示容变量是与空间分布成比例的量,表 示能容纳多少的量。 如:长度、面积、体积、质量、位移、 速度、电荷、磁力线、电流、热流、 熵、…。 . 被测量与能量变换 1、示容变量和示强变量 (2)示强变量或跨越变量,密集量(Intensive) 示强变量是指在某种场合下,表示作用程 度的量。 如:力、压力、温度、温差、电压、磁通、 光通、气体浓度、湿度…。 . 被测量与能量变换 1、示容变量和示强变量 示容量与示强量组合之积是与某种能 量相对应的。 如:力与位移之积是功、力与速度之积 是功率、压力与体积之积是气体力学能 量、温度与熵之积是热能、温差与热流 之积是热功率、电压与电荷之积是电能、 电压与电流之积是电功率。 . 被测量与能量变换 2、传感器能量变换 传感器的工作过程可以视为是将示容量与示 强量由一种组合变成另一种组合。 . 被测量与能量变换 3、能量变换与误差 (1)传感器从被测物体拾取能量时对被测物体 的状态产生了影响,从而导致了误差。如:热 电偶测温时,输入的热流是被测物体传递的, 若热电偶的热容量过大,将使被测物体的温度 下降,从而产生误差。 (2)传感器输出端的负载消耗传感器的能量时, 亦对被测物体造成误差。 传感器对被测物体的影响越小,负载对传感 器输出的影响越小,测量精度就越高。 . 被测量与能量变换 4、传感器信号变换 根据传感器输出信号是模拟量或是数字量, 可将信号变换分为两大类。 【模拟变换】输入为模拟量,输出为模拟量。 【数字变换】输入为模拟量,输出为数字量。 . 被测量与能量变换 5、传感器的输入与输出特性 (1)传感器的输入特性(负荷效应) 传感器的输入特性是用来衡量传感器对被测 对象的影响程度。其主要参数是广义输入阻抗 Zi,定义为 由于示强变量X与示容变量x的乘积为能量 W(或功率),则有 能量或功率: . 被测量与能量变换 5、传感器的输入与输出特性 可知:① 当被测量为示强变量时(如:被测量为力、 压力、温度等),传感器广义输入阻抗越大,从被 测对象吸收的能量就越小,误差也就越小。 ② 当被测量为示容变量时(如:位移、速度、 加速度等),传感器广义输入阻抗则越小越好。 ③ 当被测示容变量为0时(如:用力传感器测量 静态力时),此时被测点处于力平衡状态,速度为 0,此时输入特性应用静态刚度来表示 静态刚度: ,此时被测力的功:W F 2 k . 被测量与能量变换 5、传感器的输入与输出特性 (2)传感器的输出特性(阻抗匹配) 传感器的输出特性是用来衡量传感器承受负载 能力大小的重要参数。主要参数是广义输出阻抗 Zo,定义为 强;从从提获高得负最载大能功力率出出发发,,ZoZ越o 等小于越负好载,阻承抗载。能总力 的要求是:希望从被测对象处获取较小的能量, 而输出大的有用信号。 . 四、传感器的发展趋势 发现新现象 开发新材料 采用微细加工技术 集成化 智能化 仿生传感器 . 第一章 基本概念 §1-1 传感器的定义与组成 §1-2 传感器的特性 §1-3 传感器的误差及信噪比 . §1-2 传感器的特性 传感器的静态特性 传感器的动态特性 传感器的特性就是对输入输出关系的描 述,理想的特性是在任何情况下输入与 输出都是一一对应的。 分静态特性和动态特性。 . §1-2 传感器的特性 一、传感器的静态特性 【静态特性】:输入不随时间变化时(在稳态 信号作用下),传感器输出与输入之间的关 系。 1、变换函数(静态特性的一般数学模型) 变换函数反映传感器输入与输出间的关系式, y=f(x) 其中x为输入量,y为输出量。几种典型的变 换函数如下表 . 一、传感器的静态特性 1、变换函数 通常,要求传感器在静态情况下的输入与输出保持线 性关系,实际上,如上表所示,很难满足理想的线性 关系,一般用多项式表示 只有当二阶以上的项为0时,才满足理想的线性关系。 . 一、传感器的静态特性 2、灵敏度(静态灵敏度) 当输入变化为Δx时,有: 其中k(x)称为灵敏度,是传感器在工作 点上的微商(dy/dx),是静态特性的最 主要指标。当k(x)为定值时,即Δy与Δx成 比例,由测量值Δy便可直接求得Δx。 灵 敏度具有可比性。 . 一、传感器的静态特性 3、精度 传感器的精度是指测量结果的可靠程度,它以给 定的准确度表示重复某个读数的能力,其误差愈小, 则精度愈高。 定义为:传感器的精度表示传感器在规定条件下 允许的最大绝对误差相对于传感器满量程输出的百 分比, 其中,ΔA为测量范围内允许的最大绝对误差。 在应用中,为了简化传感器的精度的表示方法, 引用了精度等级的概念,分为:0.05、0.1、0.2、 0.3、0.5、1.0、1.5、2.0。精度等级越小精度越高 . 一、传感器的静态特性 4、线性度(非线性误差) 在规定条件下,传感器校准曲线与拟合直线间最 大偏差与满量程(F.S)输出值的百分比称为线性度。 线性度: 拟合方法有基端线性拟合、最佳直线拟合和最小二 乘法拟合。 . 一、传感器的静态特性 5、最小检测量和分辨率 是指传感器能确切反映被测量的最低极限量 Δx, 小于这个量的区域称为死区。对于数字传感器, 常用分辨率来表示。 最小检测量(或感度)的影响因素二: (1) 输入的变动量Δx在传感器内部被吸收 如:带有螺纹或齿条传递的传感器,由于螺纹和螺 母间、齿轮和齿条间存在间隙,当输入变量Δx小 于这一间隙时,便被传感器内部吸收。 . 一、传感器的静态特性 5、最小检测量和分辨率-续1 (2) 传感器输入、输出端均存在噪声干扰,Δx过小时, 被外界噪声所淹没。 最小检测量: 其中,C为系数,一般取1~5,N为噪声电平, K为灵敏度。对于数字式传感器,则用输出数字指 示值最后一位数字所代表的输入量来表示,称为 分辨率。 . 一、传感器的静态特性 6、滞后性 在输入量增加过程中测得的某一点输出值,与在 输入减少过程测得的同一点值不一样,这种现象 称为滞后。图中曲线称为滞环特性曲线。 . 一、传感器的静态特性 6、滞后性-续1 对滞后性的衡量,一般用滞环的最大偏差或最大 偏差的一半与满量程输出值的百分比来表示,称为 滞环误差 或 如果传感器存在滞后性,则输入与输出就不能保持 一一的对应关系,因此应尽量使之变小。产生滞后 性的原因主要是材料的物理性质所造成的。 . 一、传感器的静态特性 7、重复性 重复性是指在同一工作条件下,输入量按同一 方向在全量程范围内连续变动多次所得特性曲线 的不一致性。 . 一、传感器的静态特性 7、重复性-续1 不一致性一般用各测量值正、反行程标准偏差 最大值的两位或三倍值与满量程输出值的百分比 来表示(或称为回差) 或 其中,σ为标准偏差。 . 一、传感器的静态特性 8、零点漂移 传感器无输入(或某一输入值不变)时,每隔 一段时间进行读数,其输出偏离零值(或原指示 值),即为零点飘移,用百分比表示: 其中,Δy0为最大零点偏差(或相应偏差)。 . 一、传感器的静态特性 9、温度漂移 温漂表示温度变化时,传感器输出值的偏离 程度。一般以温度变化1℃时,输出最大偏差 与满量程的百分比表示: 其中,Δmax为输出最大偏差,ΔT为温度变化 范围。 . §1-2 传感器的特性 二、传感器的动态特性 【传感器动态特性】传感器的响应特性。 【传感器响应】当输入信号随时间变化时, 输出信号随之变化的情况。 . 二、传感器的动态特性 1、动态特性的一般数学模型 由于传感器在工作中,质量加速或减速需要时间, 能量存取需要时间,信号在传输过程中克服阻力需 要时间,所以输出信号总是要迟后输入信号,不可 能同步变化。 动态特性的一般数学模型为一常系数微分方程: 式中,y(t)为输出信号,x(t)为输入信号, a0,a1,…,an及b0,b1,…,bm均为常数。 . 二、传感器的动态特性 1、动态特性的一般数学模型-续1 对上式两边进行拉氏变换,得 则得系统的传递函数如下 在一般情况下,上面的传递函数可以分解为分母 为 一次多项式和二次多项式的分式形式,用一次多项 式作分母的系统称为传递函数的一阶系统(即惯性 环节),用二次多项式作分母的系统称为传递函数 的二阶系统(即振荡环节)。所以一阶和二阶系统 的响应是最基本的响应。 . 传感器的动态特性 2、零阶传感器的数学模型 零阶传感器的微分方程只有a0、b0两个系数,方 程为: 或 其中k为静态灵敏度,所以零阶系统的动态特性 即就是系统的静态特性。 . 传感器的动态特性 2、零阶传感器的数学模型-续1 典型的零阶系统如线性电位器 输出电压与电刷位移之间的关系: . 传感器的动态特性 3、一阶传感器的数学模型(惯性环节) 一阶系统的方程式为 或 其中(a1/a0)=τ,称为时间常数,(b0/a0)为静态 灵敏度。 一阶系统函数(传递函数) . 传感器的动态特性 3、一阶传感器的数学模型-续1 典型的一阶传感器如热电偶 . 传感器的动态特性 3、一阶传感器的数学模型-续2 微分方程如下: 其中:τ=Rmc,为热电偶的时间常数, R 为介质与热电偶之间的热阻, m 热电偶质量, c 为热电偶的比热, mc 为热电偶的热容量。 . 传感器的动态特性 4、二阶传感器的数学模型(振荡环节) 二阶系统的微分方程为 二阶系统函数(拉氏传递函数) . 传感器的动态特性 4、二阶传感器的数学模型-续1 式中 ,为静态刚度; ,无阻尼固有频率; ,阻尼比。 上述三个量称为二阶传感器的特征量。典型的二 阶传感器有光线示波器的振动子、铠装热电偶 (即带保护套管的热电偶)。 . 传感器的动态特性 5、传感器的动态特性 【时域方面】采用瞬态响应法(阶跃响应) 【频域方面】采用频率响应法(正弦响应) (1)单位阶跃响应函数为 . 传感器的动态特性 5、传感器的动态特性-阶跃响应1 (2)一阶传感器的阶跃响应 其中, ,为时间常数。 . 传感器的动态特性 5、传感器的动态特性-阶跃响应2 (3)二阶传感器的阶跃响应 二阶系统分欠阻尼系统(ξ1)、过阻尼系统 (ξ>1)和临界阻尼系统(ξ=1),一般传感 器为欠阻尼系统,ξ值一般在0.7左右,其响应为 式中 , ,为有阻尼时的固有频率。 . 传感器的动态特性 5、传感器的动态特性-阶跃响应3 二阶系统的阶跃响应 超调量α 衰减度φ . 传感器的动态特性 5、传感器的动态特性-频率响应1 频率响应:指在一系列不同频率的正弦信号 的作用下,传感器的输出特性,分幅频特性和 相频特性。 式中 A(ω)=H(jω), φ(ω)=arctg[HI(ω)/HR(ω)]。 . 传感器的动态特性 5、传感器的动态特性-频率响应2 (1)对正弦输入的响应(时域) 若输入信号为正弦波: 则响应由暂态响应部分和稳态响应部分组成, 暂态响应逐渐衰减直至消失,稳态响应是一与 输入信号同频率但不同幅值,并存在相位差的 正弦信号。 一阶系统对正弦信号的响应为 其中, . 传感器的动态特性 5、传感器的动态特性-频率响应3 二阶系统对正弦信号的响应为 式中 ω0——传感器无阻尼固有频率; ωd——传感器有阻尼时的固有频率; ξ——传感器阻尼比, k1、k2,常数,由初始条件决定。 . 传感器的动态特性 5、传感器的动态特性-频率响应4 (2)传感器的频率响应(频域) 传感器的频率响应函数(即传递函数)前面已进 行了讨论 一阶系统的频率响应函数 幅频特性 相频特性 . 传感器的动态特性 5、传感器的动态特性-频率响应5 一阶系统的频率响应曲线 . 传感器的动态特性 5、传感器的动态特性-频率响应6 二阶系统的频率响应函数 幅频特性 相频特性 . 传感器的动态特性 5、传感器的动态特性-频率响应7 二阶系统的频率响应曲线 . 第一章 基本概念 §1-1 传感器的定义与组成 §1-2 传感器的特性 §1-3 传感器的误差及信噪比 . §1-3 传感器的误差及信噪比 设S为传感器的灵敏度,ΔS为环境因素引起的 灵敏度变化,N为外界干扰的等效噪声,则可以用 如下框图来表示传感器在实际工作的情况, 高阶传感器有三种基本结构形式:直接变换型, 差动型和平衡型。现按这三种形式来讨论其误差。 . 传感器的误差及信噪比 一、直接变换型 直接变换型是典型的开环系统。 系统的变换函数为 其中,Si0 – 表示没有干扰时的灵敏度 . 传感器的误差及信噪比 一、直接变换型 1、灵敏度变化的影响 S假1=设S在10±环Δ境S作1,用此下时,的S输1发出生为了变化,为 则有 当多个变换环节的灵敏度发生变化时,若忽略二 阶小以上的项,则传感器的相对灵敏度为 . 传感器的误差及信噪比 一、直接变换型 直接变换型的传感器相对灵敏度为 由此可得出如下两点结论 灵敏度变化所引起的相对误差等于各个环节 灵敏度相对变化值的代数和; 可以利用各环节灵敏度变化的符号不同而相 互补偿(即正负相消)。 . 传感器的误差及信噪比 一、直接变换型 2、外界噪声的影响 假设第二个环节受外界噪声影响,则引起的 误差为 则有 同理,在忽略二阶以上无穷小时,可得全部环 节噪声所引起的相对误差 . 传感器的误差及信噪比 一、直接变换型 或 由以上二式,可得出如下结论 由噪声引起的误差等于各环节噪信比(噪声功 率与有用信号功率之比)的总和; 在传感器总灵敏度一定的情况下,提高前面各 环节的灵敏度有利于减少后面环节中噪声的影 响(因分母变大); 传感器第一个环节输入端噪声的影响,只取决 入口处的噪信比,与整个系统的灵敏度无关, 故第一个环节是十分重要的。 . 传感器的误差及信噪比 二、差动型 差动型结构是由两个相同的通道和一个减法器 组成。 传感器的变换函数为: . 传感器的误差及信噪比 二、差动型 假定两个通道完全对称,即S1o=S2o,则可导出 如下三个特点: 差动型结构的灵敏度是单个系统的两倍,即 差动型结构有很好的补偿作用 外噪声的作用对两个通道是相同的,有N1=N2 . 传感器的误差及信噪比 二、差动型 对非线性具有一定的补偿作用,假定灵敏度是 输入x0的函数,即 将上式代入前述噪声误差公式,经整理后,有 从公式中可看出,偶次非线项消除了,传感器 线性得到了改善。 . 传感器的误差及信噪比 三、平衡型 平衡型是一个小型反馈系统 传感器变换函数(静态特性)为 . 传感器的误差及信噪比 三、平衡型 平衡型结构有如下四个特点: 由 则于 有环路的总灵敏度一般很大,即S1S2S3S4→∞, 系统的闭环灵敏度及线有关。 对变换函数取一阶偏微分,经整理后, 怱略 项, 近似有 . 传感器的误差及信噪比 三、平衡型 由上式 ,可看出: 正向通道灵敏度对传感器影响很小; 反馈点应尽可能接近被测变量,以降低 对前置变换的要求; 逆变换的特性及特性稳定性对传感器影 响很大。 . 传感器的误差及信噪比 三、平衡型 由噪声(N1、N4)引起的相对误差为 所以 平衡式传感器是运用两种互逆传感元件的 复合传感器 . 第二章 电阻式传感器及检测电路 §2-1 线 金属电阻应变传感器 §2-3 压阻式传感器 . 第二章 电阻式传感器及检测电路 电阻式传感器是将非电量如力、位移、 形变、速度和加速度等的变化,通过电 阻元件变换成电阻值的变化,然后再变 成电信号。 . §2-1 线绕电位器式传感器 一、线绕电位器结构和工作原理 是典型的零阶传感器。 结构:由线绕电阻(将电阻丝绕在绝缘的骨架上) 和移动电刷组成。 . §2-1 线绕电位器式传感器 一、线绕电位器结构和工作原理 原理:通过电刷的移动,改变电阻值的大小, 从而得到不同的输出出电压Uo,输出电压与电 刷位移之间的关系为 式中SV为电压灵 敏度,即单位位 移所输出的电压。 . 线绕电位器式传感器 一、线绕电位器结构和工作原理 当电位器接上负载后,输出为 式中 R—电位器总电阻; Rx—电刷所在位置的电阻; RL—负载电阻。 . 线绕电位器式传感器 一、线绕电位器结构和工作原理 电位器负载特性曲线 . 线绕电位器式传感器 一、线绕电位器结构和工作原理 从上面电位器负载特性曲线可以看出: 电位器的输出特性(负载特性)是非线性 的,这种非线性受RL/R 比值的影响,比值 越大,非线性越小; 开路时,RL/R →∞,满足线性关系。 . 线绕电位器式传感器 二、线绕电位器的阶梯特性 线绕电位器的电阻不是连续可调节器的,它是 从一圈移动到另一圈,若绕线共有n匝,则电刷 每移动一圈的调节器节电压为 所以分辩率为: 因此输出呈阶梯变化。 由于电刷在从一圈移向另一圈的瞬间,会造成 两相邻匝线短接,使总电阻减少,而产生一个小 的波动,如图所示。 . 线绕电位器式传感器 二、线绕电位器的阶梯特性 阶梯误差为理想 阶梯特性与理论特 性之间的误差: . 线绕电位器式传感器 三、非线绕电位器 电阻值分辩率高。 (1)膜式电位器:碳膜和金属膜。 (2)导电塑料电位器:塑料粉加导电材料粉。 (3)光电电位器:非接触式。 . 第二章 电阻式传感器及检测电路 §2-1 线 金属电阻应变传感器 §2-3 压阻式传感器 . §2-2 金属电阻应变传感器 概述 【能量变换】 【原理】应变效应 【用途】检测力、压力、转矩、位移、加速度等 . 金属电阻应变传感器 概述 【类型】金属电阻应变片式(丝式、箔式) 压阻式(半导体应变片)——压敏电阻 固态压阻器件(压力敏感元件) 【特点】简便、精度高、体积小、动态响应好; 电阻值受环境温度影响很大 . 金属电阻应变传感器 一、应变的检测 当外力作用物体时,物体在其弹性限度内产生伸 缩变位,这种关系如果用应力和应变来表示,则 有如下关系 式中 σ——应力(单位面上的作用力) ε——应变(单位长度的变位) E ——材料的弹性系数 因此,检测出物体的这种应变,就可以知道应力, 作用力,位移,加速度和作用于轴上的转矩。 . 金属电阻应变传感器 一、应变的检测 【应变效应】导体在机械变形时,引起电阻值发 生变化,这种现象称为金属电阻应变效应。 导体的电阻可由下式计算: 式中 ρ——电阻丝材料的电阻率 (Ω.mm2/m); l——电阻丝长度(m); S——电阻丝截面积(mm2)。 . 金属电阻应变传感器 一、应变的检测--应变效应 对上式两边取对数,有 再对等式两边微分,得 式中 dR/R —— 电阻的相对变化; dρ/ρ—— 电阻率的相对变化; dl/l —— 金属丝长度的相对变化; dS/S —— 截面积的相对变化。 . 金属电阻应变传感器 一、应变的检测--应变效应 设电阻丝的半径为r 令 为金属丝的轴向应变, 为径向应变。 而材料的轴向应变与径向应变的关系为 其中μ为金属材料的泊松比,代入前式,得 . 金属电阻应变传感器 一、应变的检测--应变效应 金属材料电阻率的相对变化与其体积的相对变 化有如下关系 式中c为金属材料的一种常数。 所以有 . 金属电阻应变传感器 一、应变的检测--应变效应 【电阻丝灵敏度系数】 单位应变引起的电阻相对变化值。 . 金属电阻应变传感器 二、应变片的结构与材料 敏感栅:直径为 0.015~0.05 mm 的金属丝 电阻为 60Ω、120Ω、200Ω、… 盖片和底基:厚度为0.02~0.04 mm 的纸片或 有机聚合物 引线 mm 的镀锡铜线。 . 金属电阻应变传感器 三、主要特性 1、传感器灵敏度系数 传感器灵敏度系数小于电阻丝灵敏度系数, 原因:胶层的影响,敏感栅半圆弧部分的横 向效应 . 金属电阻应变传感器 三、主要特性 2、横向效应 敏感栅半圆弧部分 受横向应变εy的影 响而产生的误差, 考虑该应变后,有 . 金属电阻应变传感器 三、主要特性 3、机械滞后 加载和卸载过程中的灵敏度系数不一致。 4、零漂和蠕变 零漂——主要由温度引起; 蠕变——不稳定,主要是由于胶层间的 “滑动”。 . 金属电阻应变传感器 三、主要特性 5、应变极限(最大线性范围) 由于粘结剂和基底材料传递变形的性能的影响, 应变片安装质量的影响,存在相对误差,为 其中,εZ 为真实应变;εi 为指示应变。 . 金属电阻应变传感器 三、主要特性 最大线性范围 . 金属电阻应变传感器 三、主要特性 6、动态特性(频率范围) 频率测量范围生要决定于应变波在被测物体 中的传播速度和波长 ,一般取 式中 λ——应变波波长; v——应变波在被测物体中的传播速度; f——应变片能测量的最高频率; l——应变片栅长。 . 金属电阻应变传感器 三、主要特性 7、绝缘电阻>1010Ω . 金属电阻应变传感器 四、温度误差及其补偿 1、应变片的阻值受温度影响很大 原因:⑴、电阻丝本身的温度系数αt的影响; ⑵、被测物体线膨胀系数βe与电阻丝 的线膨胀系数βg不同。 由温度变化引起的总电阻的相对变化为 . 金属电阻应变传感器 四、温度误差及其补偿 2、温度补偿 温度补偿有三种方法 ⑴、单丝自补偿应变片 使金属丝的电阻温度系数满足下列关系 该方法的优点是结构简单,使用方便;缺点是 使用面窄。 . 金属电阻应变传感器 四、温度误差及其补偿 ⑵、双丝组合式自补偿应变片 将两种不同电阻温度系数(一正、一负)的材 料串联组成敏感栅,使 . 金属电阻应变传感器 四、温度误差及其补偿 ⑶、电路补偿法(最常用) 电桥输出电压与桥臂参数的关系为 当 R3R4 为常数时,使 R1 和 R2 对输出电压的 作用方向相反,具体做法 是一个作为工作片,一个 作为补偿片(只受温度影响)这样可实现温补偿。 . 金属电阻应变传感器 四、温度误差及其补偿 补偿片的三种贴法 ①、贴于专用的补偿块上。 . 金属电阻应变传感器 四、温度误差及其补偿 ②、分别贴于试件的两面 上面受拉(压),下面受压(拉),应变绝 对值相等,符号相反,但温度引起的变化是相 等的(符号相同),二者相减后,温度引起的 变化相抵消,而灵敏度增大一倍。 . 金属电阻应变传感器 四、温度误差及其补偿 ③、工作片与受力方向一致,温度补偿片 与之垂直。 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 1、典型的测量电路 作用:将应变电阻值的变化转换为电压或电 流的变化。 应变传感器的测量电路主要是: 直流电桥(惠斯登电桥); 恒流源; 电桥放大器。 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 当 RfR 时, 有: 其中, 1, 为工作臂 Rx 的电 阻相对变化率。 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 2、直流电桥的特点及基本类型 ⑴、结构:直流电桥是由连接成环形的四个 电阻(桥臂电阻)所组成,由一直流电源提供 能量,输出端与放大器相连。 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 ⑵、电桥平衡条件: 此时,测量输出端的输出为零。 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 ⑶、桥路输出电压 若输出端放大器的输入阻抗很高,则可视为 输出端开路,即:RL→∞,此时两支路中的电 流分别为 在 R1 和 R3 上的压降分别为 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 则桥路输出端的电压为 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 ⑷、电桥的电压灵敏度 若R1为电阻式传感器,R2、R3、R4 为固定 桥臂,R10、R20、R30、R40为平衡时的初始 阻值,此时输出为零,当RL→∞,R1变化ΔR 时,则输出为 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 令 ,根据平衡条件: (桥臂比), 则 如果δR1,略去分母中的δR,则有 则电压灵敏度为: . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 提高 KU 的途径: 提高电源电压 (受电源耗散功的限制); 选择合适的桥臂比n (n=1时最大: )。 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 3、电桥的结构形式 (1)串联对称式:相等两桥臂同在一个支路中 形成串联形式。 即 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 在单臂工作时,R1=R10+ΔR,取RL=∞,此时有 令 ,根据平衡条件: ,则 略去分母中的δR,近似有: . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 从上式中可看出: 输出电压的大小只与δR有关,且成正比; 必须有高稳定性电源,以维持UE不变,否 则会影响输出; 只有当 2δR4 时,上式才成立。 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 (2)并联对称式 相等两桥臂分别接入不同支路的对称位置。 即 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 在单臂工作时,R1=R10+ΔR,取 RL=∞,此时有 令 ,则有 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 从上式中可看出: 输出电压除与δR 和 UE 有关外,还与同一支 路中桥臂比m有关, 当m=1时,与串联对称式相同。 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 (3)等臂电桥 组成桥路的四个臂,其阻值均相等。 即 平衡条件: , 假情设况R加L=以∞分,析根据应变片的工作情况,分三种 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 ① 单臂工作:电桥工作臂 R1 为电阻传感元件。 输出电压 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 ② 半桥线路(双臂工作):电桥工作臂 R1 和R2 为电阻传感元件。 输出电压 从公式中可以看出 UO 与δR 之间为线性关系; 输出电压为单臂时的两倍。 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 ③ 全桥线路(四臂工作):电桥的四个工作 臂 均为电阻传感元件。 输出电压: 从公式中可以看出 UO 与δR 之间为线性关系; 输出电压为单臂时的4倍; 输 上出 等电 于压δRU。O 与电源电压 UE 的比值在数值 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 4、负载电阻为有限值的情况 上述均假定 RL=∞,当 RL 为有限值时,则负 载 RL 上的压降为 式中,RTh为等效内阻 上式说明,在考虑负载后,输出电压缩小了 倍。 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 5、桥路的电阻平衡 在桥路中,实际上很艰使桥臂电阻绝对相同, 总会存在差异,因此,必须设计调零电路,欢乐麻将 以使初始状态达到平衡。 调零电路一般由两个电阻(其中一个为可调 电阻)组成星形连接电路。 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 带调零电路的电桥。 可调平衡范围 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 6、非线性误差及其补偿方法 从前述电桥的输出电压知: 其中, ,说明桥的输出出电压与输入 电压之间为非线性关系,只有在 时,略 去分母中的 ,才能满足线性关系,但测量的 应变较大时,这种条件难于满足,因而会造成 较大的误差,此时需要采取其它的补偿方法。 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 (1) 提高桥臂比n 提高桥臂比n可使的影响下降,可适当减少非线时,桥的输出电压最大。 (2) 采用差动电桥 采用差动电桥是最佳方案,从前述串联对称式电 桥知,当采用半桥差动结构时,其输出为 ,为线性关系。 若采用全桥差动电路,则输出为 关系。 亦为线性 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 (3)采用恒流源供桥 当供桥电源采用恒流源时,电桥输出为 解得 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 则输出电压为 对于等臂电桥R1=R2=R3=R4,在单臂工作时, 其输出为 而恒压供桥时为则输出电压为 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路 7、交流电桥 平衡条件 电桥的输出电压: . 金属电阻应变传感器 五、测量电路--交流电桥 ① 单臂交流电桥 输出电压 ② 差动交流电桥(半桥线路) 输出电压 ③ 双差动交流电桥(全桥线路) 输出电压 . 金属电阻应变传感器 五、测量电路--交流电桥 应变仪组成方框图 . §2-2 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 用应变片制成的传感器应用很广,如力传感 器、扭矩传感器、加速度传感器、压力传感器、 称重传感受器等,量程从几克到几百吨。 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 (1)柱式传感器 结构:⑴、弹性敏感元件为实心或空心圆柱。 ⑵、应变片—将敏感元件的应变转换为 电阻。分别在轴向和周向各布置4个应变片。 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 在弹性范围内,应力与应变成正比,则轴向 和周向的应变片感受的应变为, 轴向应变: 周向应变: 其中,S 为弹性元件的截面积,F 为作用力,E 为弹性模量,μ为泊松比。 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 当采用全桥差动结构时,输出为 与作用力在正比。 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 (2)梁式力传感器(等强度梁或等截面梁) 等强度弹性元件是一特殊形式的悬臂梁。 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 沿梁的长度方向上的截面抗弯模量W的变化与 弯矩M的变化成正比 梁各点的应变值为(等强度各点相等) 式中, bx 为与x 对应的梁宽; h 为梁的厚度; F 被测作用力。 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 若等臂结构, 即: , , 电桥输出为 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 应变式加速度传感器是典型的梁式传感器, 弹性元件为悬臂梁,加速度感受元件为一惯 性质量块 m . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 测量原理:惯性质量块在加速度的作用下, 产生惯性力 F = ma,梁在惯性力的作用下发 生变形,应变片电阻发生变化,产生输出信 号,输出信号大小与加速度成正比。 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 电阻应变式电子称 --梁式传感器的另一个典 型应用 它是在一个S 型双 弯曲悬臂梁上贴四片 应变片,组成桥路。 双弯曲梁的应变为 式中,b为梁厚 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 桥路输出为 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 (3) 应变式压力传感器 弹性元件为一薄壁圆板,应变片贴于圆板上。 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 当均布压力作用于薄板 时圆板上各点的径向应力 和切向应变分布 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 当均布压力作用于薄板时,圆板上各点的径向应 力和切向应力可用以下两式表示 径向应力: 切向应力: 其中,R 和 h 分别为圆板的半径和厚度,x 为离圆 心的径向距离。 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 圆板边缘处(x = R)的应力为 径向应力: 切向应力: 可见,圆板周边处的径向应力最大 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 圆板内任一点的应变值计算公式为 在圆板中心处(x = 0)的应变值为 在圆板边缘处(x = R)的应变值为 . 金属电阻应变传感器 六、应变式传感器的应用 贴片时径向应变片应避开εr=0 处,一般在 圆片边缘处沿径向贴两片,在中间沿切向 贴两片。 应变片R1、R4 和 R2、R3 接在桥路的相邻 臂内,以提高灵敏度并进行温度补偿。 . 第二章 电阻式传感器及检测电路 §2-1 线 金属电阻应变传感器 §2-3 压阻式传感器 . §2-3 压阻式传感器 一、压阻式传感器的结构及工作原理 压阻式传感器是在半导体材料的基片上 用集成电路工艺制成的扩散电阻,直接作为 敏感元件而制成的传感器。 优点:灵敏度高,横向效应小,滞后和蠕 变小。 缺点:温度稳定性差,非线 压阻式传感器 一、压阻式传感器的结构及原理 1、压阻效应 【压阻效应】沿半导体的某一轴向施加一定的 载荷而产生应变时,其电阻率会发生变化, 这种现象称为压阻效应。 半导体材料的应变与电阻的相对变化之间 的关系如下 . 一、压阻式传感器的结构及原理 压阻效应 有: 则灵敏度为: 由于 K 值一般为70~160,而(1+2μ)约 为 1.6,故可以略去,则: . 一、压阻式传感器的结构及原理 2、扩散硅压阻器件 扩散硅压阻器件是一个由四个扩散电阻构 成的惠斯登电桥。 设计要求: ⑴、等臂电桥(四个桥臂电阻值相等); ⑵、差动结构(电桥相邻两臂的压阻效应 大小相等符号相反); ⑶、四个桥臂的温度系数相同。 . 一、压阻式传感器的结构及原理 扩散硅压阻器件 这样的电桥为理想压阻电桥,桥臂电阻是应 变ε和温度 t 的函数: 电桥电源既可用恒压电源也可用恒流电源。 用恒压电源供电时,电桥输出为: 用恒流电源供电时,电桥输出为: 其中: RRO(1t ,t) KKO(1kt ,t) αt为电阻温度系数,kt为灵敏度温度系数。 . 一、压阻式传感器的结构及原理 3、压阻器件的特性 ⑴、温度性能 温度系数较大,当温 度变化时,产生温漂, 且压阻系数随温度而 变化。 ⑵、线性度 在数百微应变范围内 呈线 压阻式传感器 二、应用 压阻式压力传感器(固态压力传感器) 其结构与应变式压力传感器类似,弹性元 件为一块圆形硅膜片,在膜片上利用集成 电路的工艺扩散四个阻值相等的硅电阻。 压阻式加速度传感器 其结构与应变式加速度传感器类似,弹性 元件为一硅制悬臂梁,在梁的根部利用集 成电路的工艺扩散四个阻值相等的硅电阻, 梁的自由端装有一惯性质量块用来感受加 速度。 . §2-3 压阻式传感器 三、测量桥路及温度补偿 1、恒流供电电桥 为了减少温度影响,压阻器件多采用恒流源 供电。当采用等臂差动结构时,桥路输出为 式中, 为温度引起的阻值变化。可见,此时 桥路输出与温度无关。 . 三、测量桥路及温度补偿 2、零点温度补偿 用串、并联电阻法进行补偿。 . 三、测量桥路及温度补偿 零点温度补偿 串联电阻 RS 用于调零; 并联电阻 RP 用于补偿;其值通过计算求得。 在电源回路中串联一定数量的二极管可以对 灵敏度温度补偿,因为二极管 PN 结的温度 特性为负值,温度升高时,二极管正向压降 减少,桥路输出电压增高。 . 第三章 电容式传感器 §3-1 概 述 §3-2 电容式传感器的测量电路 §3-3 电容式传感器的应用 . 第三章 电容式传感器 【能量变换】属能量控制型传感器 . 第三章 电容式传感器 【原理】由一个恒定的激励源在两金属导体之 间建立一电场,被测对象通过某种方式改变或 调制电场的某一参数,使电场能量发生变化, 测出能量的变化就可获得所需的信号。 【用途】检测位移、液位、湿度、含水量 【类型】变面积(A)型,变介质介电常数(ε), 变极板间距(d)型。 【特点】测量范围大、灵敏度高、动态响应时 间短、机械损失小、结构简单;寄生电容影响 较大、线性度较差、受大气温度和湿度影响 . 第三章 电容式传感器 §3-1 概 述 §3-2 电容式传感器的测量电路 §3-3 电容式传感器的应用 . §3-1 概 述 一、电容传感器的工作原理 平板电容器的电容量,在忽略边缘效应时, 有: 式中: A为两极板间的有效覆盖面积; d 为两极板间的距离; ε为两极板间介质的介电常数; . 概述 一、电容传感器的工作原理 εr为介质的相对介电常数; ε0为真空的介电常数 从电容量表达式可看出:电容量与覆盖面积 成正比,与相对介电常数成正比,与两极板间 距成反比。因此,通过改变复盖面积或相对介 电常数或极板间距,都可以引起电容量的相对 变化,这是电容传感器的基本工作原理。 . 概述 二、典型的电容传感器 1、变面积(A)型 改变两极板间的有效覆盖面积来获得电容量 的变化。 . 二、典型的电容传感器 1、变面积(A)型 ⑴、角位移式 电容量与角位移成线性关系。 灵敏度 灵敏度K。 ,增大初始电容C0 可以提高 . 二、典型的电容传感器 1、变面积(A)型 ⑵、直线位移式 灵敏度 , 增大初始电容C0 可以提高灵敏度K。 . 二、典型的电容传感器 1、变面积(A)型 (3)圆柱直线位移式 灵敏度 , 增大初始电容 C0 可以提高灵敏度K。 . 概述 二、典型的电容传感器 2、变介质介电常数(ε) ⑴ 平板式 电容量为两个电容C0 和C1 的串联,其值为: . 二、典型的电容传感器 2、变介质介电常数(ε) ⑵、圆筒式 两个电容C0和C1并联,其值为 . 二、典型的电容传感器 2、变介质介电常数(ε) 可见,传感器电容量与液位高度 h1 成线性关系。 物质名称 水 甲醇 乙醇 盐 纸 相对介电常数εr 80 37 20~25 6 2 物质名称 相对介电常数εr 玻璃 3.7 沥青 2.7 砂 3~5 空气及其它气体 1~1.2 . 二、典型的电容传感器 3、变极板间距(d)型 . 二、典型的电容传感器 3、变极板间距(d)型 当间距 d0 减少 Δd 时,电容量为 其中, 得相对变化值为 . 二、典型的电容传感器 3、变极板间距(d)型 当Δd d0 时,将上式展开为级数,并略 去二阶以上的高阶项后,得 即 近似为线性关系。为了得到较好的线性关系, 一般取Δd/d0=0.02~0.1。 灵敏度 . §3-1 概 述 三、激励源性质与传感器特性之间的关系 由前所述,电容传感器的工作原理是通过改 变电容的几何参数或介质参数来实现的,而电 容与电流、电压间有如下关系 电流 电压 中的式电中流,;UCf为为极激板励上源的频电率压。;IC 为通过电容 . 概述 三、激励源性质与传感器特性之间的关系 从以上诸式可看出,电容传感器的变换函数可 以是 Cx 形式,也可以是 1/Cx形式,取决于激 励源变量的选取。 1、恒电流激励 2、恒电压激励 . 三、激励源性质与传感器特性之间的关系 1、恒电流激励 保持交流激励源的电流恒定,即电流与电容变 化 Cx 无关 . 三、激励源性质与传感器特性之间的关系 1、恒电流激励 恒电流激励时的输出电压为 在恒电流激励时,要求负载不消耗电流,这就 需要负荷阻抗为无穷大,所以恒电流激励时要 求检测线路为高阻抗输入。 . 三、激励源性质与传感器特性之间的关系 2、恒电压激励 激励源保持电容器上的交流电压有效值恒定, 输出变量为电流,此时电流的大小随电容的变 化而变化。 . 三、激励源性质与传感器特性之间的关系 2、恒电压激励 IC 与ε或与 A 则为单值线性关系,因此恒电 压激励适于变面积和变ε型电容传感器。 在实际中恒电压激励较为常用。 . §3-1 概 述 四、电容传感器的差动式结构 由于差动式结构具有较强的抗干扰能力,误 差小,灵敏度高等特点,所以电容式传感器常 常采用差动式结构。 . 概述 四、电容传感器的差动式结构 恒压激励差动电容传感器变间距型,其电容 量分别为 . 概述 四、电容传感器的差动式结构 按级数展开 当采用恒压激励差动输出时,有 . 概述 四、电容传感器的差动式结构 忽略高阶项后,得 即电容量的相对变化与间距的相对变化近似为 线性关系。 非线性误差: 可见,采用差动结构时,灵敏度提高倍,误差 小一个数量级。 . 第三章 电容式传感器 §3-1 概 述 §3-2 电容式传感器的测量电路 §3-3 电容式传感器的应用 . 第三章 电容式传感器 §3-2 电容式传感器的测量电路 一、等效电路 电容传感器主要由极板、引线和负载等组成, 其测量电路可以用RLC电路来等效。 . §3-2 电容式传感器的测量电路 一、等效电路 图中: C 为传感器电容; RP 为等效并联电阻(包括极板间的直流电 阻、气隙中的介质损耗); RS 为等效串联电阻(包括引线电阻、极板 电阻等); L 等效串联电感(各连线 电容式传感器的测量电路 一、等效电路 等效阻抗: 等效电容: 式中,f0 为电路谐振频率(截止频率); ω 激励电源的圆频率。 . §3-2 电容式传感器的测量电路 一、等效电路 在测量中电容的实际相对变化量为 由于, ,所以实际相对灵敏度比 理论值小,上式表明:电容传感器的标定和测 量必须在同样的条件下进行,以保证ω和 L 不 变。 . §3-2 电容式传感器的测量电路 二、测量电路 电容传感器的电容量一般都很小,只有几PF 到 几十PF,必须借助测量电路提供能量,并转换 为电压、电流或频率后才能有信号输出,所以 电容传感器属能量控制型传感器。其测量电路 主要由两部分组成: (1)将电容量的变化转换为电压、电流或频率 信号,一般多采用差动变压器电桥来实现这一 转换,其它形式也较多。 (2)对交流电桥的输出信号进行放大,相敏检 波和低通滤波,获得相应的直流输出。 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路 1、差动变压器电桥(交流不平衡电桥) 是电容传感器最基本、最常用的测量电路。 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--差动变压器电桥 等效电路: 桥的初始平衡条件: . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--差动变压器电桥 ⑴、桥的输出电压 设传感器的阻抗变化为ΔZ,则桥的输出电 压为 将桥的平衡条件 代入,并消去 整理得 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--差动变压器电桥 令 ,为传感器阻抗相对变化值, ,称为桥臂比, ,称为桥臂系数。 则输出电压表达式可简化为 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--差动变压器电桥 其中,βk 称为电压灵敏度系数。桥臂系数 K 是一复数,其模和相角分别为 其中, 角。 φ1 和φ2 分别为两桥臂的幅 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--差动变压器电桥 常用的结构有两种: (1)取 ,输出为: (2)取 ,输出为: 若采用差动结构,则 ; , 。 上述各种电桥的输出电压是在输出端开路的情 况下得到的(即负载阻抗为无穷大)。有负载 时,输出略有减少。 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路 2、调频电路 将电容传感器作为振荡器谐振回路的一部分, 当输入量使电容发生变化时,振荡频率发生变 化,将这种频率变化在鉴频器中变换为幅度变 化,然后放大输出。 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--调频电路 振荡频率: 其中,L 为振荡回路的电感; C 为回路总电容; C1 为回路的固有电容; C2 为引线±ΔC 为传感器电容。 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路 3、谐振回路 将电容传感器作为调节器谐振电容接入振荡回 路,当电容改变时,引起谐振回阻抗的变化, 从而由振荡器获取的能量发生变化,该变化通 过整流、放大后输出。 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路 4、运算放大器式电路 输出: . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--运放电路 该电路有一定非线性误差;一般采用差动 结构可以减少误差; 典型的运算放大器式电路如恒压激励差 动变压器电桥,由于两个差动电容串联, 总电容不变,因而激励电流保持不变。 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--运放电路 输 出: 灵敏度: . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路 5、二极管检波电路 非线性二极管双T网络电路 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--二极管检波电路 工作原理 假定二极管正向电阻为 零,反向电阻为无穷大。 此时可用一单刀双掷开 关来代替二极管。 假设电源负半周结束时,电容C2 已被充电到UE, 当电源正半周开始时,RL 支路中有两个电流,一 是由外加电源产生的,另一个是C2 的放电电流, 然后又进入负半周,电容C1 又开始放电。 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--二极管检波电路 电容放电电流分别为 其中,T为电源的变化周期。 则在 RL 上产生的平均电压降(输出电压)为 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--二极管检波电路 【结论】 从上式可以看出,其输出电压不仅与电 源电压UE 的幅度有关,而且与电源的频 率有关,因此采用此种电路除了要求稳压 外,还须稳频。 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路 6、差动脉冲宽度调制电路 由比较器A1、A2 、双稳态触发器及电容充 放电回路组成。 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--差动脉冲宽度调制电路 工作原理: (1)A点高电位、B点低电位时:A点通过R对 C1充电,直至M点电位等于参考电压Uf ; 此时,比较器A1产生一个脉冲,使触发 器翻转,A点呈低电位,M点电位经二极 管D1迅速放电为零。 (2)B点重复A点过程。 (3)周而复始,在双稳态触发器的两输出端A、 B两点各自产生一个宽度受C1、C2调制的 方波脉冲。 . 电容式传感器的测量电路 二、测量电路--差动脉冲宽度调制电路 当取两个R值相等时,则输出的直流电压 为 其中,Uf 为触发器的高电平。 . §3-2 电容式传感器的测量电路 三、电容式传感器的误差 1、温度对结构尺寸的影响 温度误差主要是由于构成传感器的材料 不同而引起的,因材料的温度膨胀系数不 同,当环境温度变化时,传感器各零件的 几何形状和尺寸发生变化,从而引起电容 量的变化。 为减小为种误差一般尽量选用温度系数 小且稳定的材料。 . 电容式传感器的测量电路 二、电容式传感器的误差 2、温度对介质介电常数的影响 传感器的电容值与介质的介电常数成正 比,因此若介质的介电常数有不为零的温 度系数,就必然要引起传感器电容值的改 变,从而造成温度附加误差。 空气及云母介电常数的温度系数可认为 等于零。硅油、蓖麻油、甲基硅油等就必 须注意由此而引起的误差。 . 电容式传感器的测量电路 二、电容式传感器的误差 3、漏电阻的影响 电容传感器的容抗都很高。当两极板间 总的漏电阻若与此容抗相近,就必须考虑 分路作用对系统总灵敏度的影响,它将使 为敏度下降。 选取绝缘性能好的材料作两极板间支架。 如陶瓷、石英、聚四氟乙烯等。 . 电容式传感器的测量电路 二、电容式传感器的误差 3、电容电场的边缘效应 边缘效应的影响相当于传感器并联一个 附加电容。 改善措施:加防护环(电极)。 . 电容式传感器的测量电路 二、电容式传感器的误差 4、寄生分布电容的影响 ⑴、屏蔽线分布电容的影响,屏蔽线每米 的分布电容一般在几十到几百PF之间,过 长的屏蔽线,其分布电容可能高于传感器电 容; ⑵、电缆电容由于放置位置和形状的不同 而有较大的变化。 . 电容式传感器的测量电路 二、电容式传感器的误差 消除和减小寄生电容影响的方法 (1)缩短传感器至测量线路前置级 将集成电路、超小型电容应用于测量电路 可使得部分部件与传感器做成一体,这既可 减小寄生电容值,又可使寄生电容值也 固 定不变。 . 电容式传感器的测量电路 二、电容式传感器的误差 (2)驱动电缆法 是一种等电位屏蔽法。 . 电容式传感器的测量电路 二、电容式传感器的误差 (3)整体屏蔽法 将整个桥体用一个统一的屏蔽保护起来。 . 电容式传感器的测量电路 二、电容式传感器的误差 C1只影响灵敏度 C3 、C4在一定程度上影响电桥的初始平 衡及总体灵敏度,但不妨碍电桥的正确工 作; . 电容式传感器的测量电路 二、电容式传感器的误差 5、增加原始电容值、减小寄生电容和漏电的 影响 电容式传感器一般原始电容值很小,只有 几个到几十个微法,容易被干扰所淹没。 . 第三章 电容式传感器 §3-1 概 述 §3-2 电容式传感器的测量电路 §3-3 电容式传感器的应用 . §3-3 电容式传感器的应用 1、电容式测差传感器 测量气体或液体的压力。 . §3-3 电容式传感器的应用 2、电容式测微仪 是一种非接触方式高灵敏度的微位移和振动振 幅测量仪。 量程为:0.01~100μm . §3-3 电容式传感器的应用 3、电容式液位计 导线芯以绝缘层为 介质,与周围的水 构成圆柱形电容器, 电容量为 . §3-3 电容式传感器的应用 3、电容式液位计 测量电路 . §3-3 电容式传感器的应用 3、电容式液位计 输入脉冲加在A 点与地之间, Ce对激励源为 通路。 高电位时,Cx、 Cd充电到E2, D2、D4截止 低电位时,Cx、 Cd 放电到E1,D1、 D3截止 . §3-3 电容式传感器的应用 3、电容式液位计 由于Cx、Cd的值不一样,充放电电荷将不一 样,在A、B两点产生电荷差。 放电: 充电: 输出电荷: 设方波的频率为f,则输出的瞬间电流为 . 第四章 电感式传感器 §4-1 自感式传感器 §4-2 差动变压器式传感器 §4-3 电涡流式传感器 . 第四章 电感式传感器 概述 【能量变换】属能量控制型传感器 . 第四章 电感式传感器 概述 【原理】是利用线圈自感和互感来实现非电量 的电测。 【用途】检测位移、振动、压力、应变、流量 和比重等 【类型】自感式、互感式和电涡流式。 【特点】结构简单、分辩率高、输出信号强、 重复性好、线性度优良;存在着交流零电位信 号,不宜于高频动态测量 . 第四章 电感式传感器 §4-1 自感式传感器 §4-2 差动变压器式传感器 §4-3 电涡流式传感器 . §4-1 自感式传感器 自感式传感器有气隙型和螺管型两种。 一、气隙型电感传感器(变磁阻式) . §4-1 自感式传感器 一、变磁阻式电感传感器 1、工作原理 气隙型电感传感器由线圈、铁芯和衔铁组 成,工作时,气隙厚度δ随衔铁运动而变化, 引起磁阻变化(故又称为磁阻式传感器), 从而导致电感变化而在线圈中产生感应电动 势。 线圈电感为: 式中,N 为线圈匝数;R 为磁路总磁阻。 m . 一、变磁阻式电感传感器 1、工作原理 假设气隙磁场是均匀的,在忽略磁路铁损后, 磁路的总磁阻为: 式中, 为铁芯磁路总长, 为衔铁磁路总长, δ为气隙厚度, 分别为铁芯、衔铁、真空磁导率, 分别为铁芯、衔铁、气隙的截面积。 . 一、变磁阻式电感传感器 1、工作原理 将总磁阻代入电感公式,得 由于 ,则上式可简化为: 由公式可知,电感 L 是气隙截面积 A 和长 度δ 的函数。由此可制成两种类型的传感器: 变气隙型和变截面型。 . 一、变磁阻式电感传感器 2、特性分析 (1)灵敏度 当衔铁下移Δδ时,气隙 将减少ΔL1,即 ,相应的电感 . 一、变磁阻式电感传感器 2、特性分析—灵敏度 电感量的相对变化为: 当 时,可将上式展成级数: . 一、变磁阻式电感传感器 2、特性分析—灵敏度 当衔铁上移Δδ时,气隙 增加ΔL2,即 ,相应的电感将 同样展成级数,有: . 一、变磁阻式电感传感器 2、特性分析—灵敏度 忽略下移和上移的两个展开式中的二次以上 的各项后,可求得传感器的灵敏度如下 . 一、变磁阻式电感传感器 2、特性分析 ⑵、线性度 从上面分析可知,当气隙发生变化时,电 感的变化与气隙变化呈非线性,且随气隙相 对变化的增大而增加,而且气隙减少所引起 的变化与气隙增加时不一样,因而这种传感 器(包括差动传感器)只能用于小位移测量。 . 一、变磁阻式电感传感器 3、差动变间隙式电感传感器 由于电感式传感器线性度较差,故常采用差动 结构。 . 一、变磁阻式电感传感器 2、差动变间隙式电感传感器 电感变化为 式中 可见,偶次项被去掉,线性度得到了改善;灵 敏度比单线圈式提高了一倍。 . §4-1 自感式传感器 二、螺管型电感传感器 螺管型电感传感器亦分单线圈和差动式两种。 这一类型的传感器的工作原理建立在线圈泄 漏路径中的磁阻变化的原理上,线圈的电感 与铁芯插入线圈的有关。这种传感器的精确 理论分析比上述闭合磁路中具有小气隙的线 圈的理论分析要复杂得多。这是由沿有限长 线圈的轴向磁场强度分布不均匀所引起的。 . 二、螺管型电感传感器 1、单线圈型工作原理 . 二、螺管型电感传感器 1、单线)螺管内未插入铁芯时,螺管线圈的电感为 式中 r —— 螺管半径; l —— 螺管圈长度。 . 二、螺管型电感传感器 1、单线)当铁芯插入长度 lx 等于线圈长度 l 时, 线圈电感为: . 二、螺管型电感传感器 1、单线)当铁芯插入长度 lx 小于线圈长度l 时,线圈 电感为: . 二、螺管型电感传感器 1、单线) 当插入长度增加Δlx时,电感增加ΔL,有 则相对变化量为: 由上式可知,螺管型电感传感器的电感变化量 与铁芯插入长度的变化量成正比。 . 二、螺管型电感传感器 2、差动型 . 二、螺管型电感传感器 2、差动型 参照前述差动式结构的分析方法,对于螺管 差动式,有: 灵敏度提高1倍,线性度得到改善。 为增大灵敏度,应使: . §4-1 自感式传感器 三、测量电路 1、等效电路 在前面的分析中是将线圈视为纯电感元件 来分析的。 若考虑:寄生电容 C ; 损耗电阻 RS ; (RS =铜损电阻Rc +电涡流损耗电阻Rc ), 则等效电路如下: . 三、测量电路 1、等效电路 电感传感器的等效电路 . 三、测量电路 1、等效电路 当 时,即Q1,传感器的总阻抗 (等效电路总阻抗)为: 电感相对变化为: 可见,并联电容后,传感器的灵敏度提高了。因 此,在测量中,如改变了电缆,则需重新标定。 . 三、测量电路 2、测量电路 (1) 交流电桥 电感线圈一般接 成差动式。电桥 的平衡条件为 电桥的输出电压 幅值为: . 三、测量电路 2、测量电路 (2)变压器电桥 电桥的两个平衡臂为变压器的两个副边。电 桥的输出与前面交流电桥类似。 . 第四章 电感式传感器 §4-1 自感式传感器 §4-2 差动变压器式传感器 §4-3 电涡流式传感器 . §4-2 差动变压器 差动变压器大都采用螺管型,这是一种互 感式电感传感器。 . §4-2 差动变压器式传感器 一、结构及工作原理 1、结构:差动变压器大都采用螺管型,较少 采用气隙型。主要元件有:初级线圈、次级 线圈、线圈框架和衔铁组成。 . §4-2 差动变压器式传感器 一、结构及工作原理 2、工作原理 差动变压器与一般变压器基本相同,不同 之点是:一般变压器是闭合磁路,而差动变 压器是开磁路,且衔铁是运动的。差动变压 器是工作在互感变化的基础上。 . §4-2 差动变压器式传感器 二、特性分析 1、等效电路 在忽略线圈寄生电容和衔铁损耗的情况下, 差动变压器的等效电路为: . 二、特性分析 1、等效电路 变压器初级线圈的复数电流为 其中,ω为激励电压的角频率; L1、R1 分别为初级线圈的电感和电阻。 在次级中产生的感应电压为 其感中。,M1、M2分别为初级与次级线间的互 . 二、特性分析 1、等效电路 则,空载输出电压为 电压的有效值为: 其中,U20为磁芯处于中间位置时( 出电压。 . )的输 二、特性分析 1、等效电路 输出阻抗为: . 二、特性分析 1、等效电路 磁芯移动时的三种情况 (1)磁芯在中间位置; (2)磁芯左行时; (3)磁芯右行时。 . 二、特性分析 1、等效电路 (1)磁芯在中间位置: (残余电压) (2)磁芯左行时: (3)磁芯右行时: . 二、特性分析 1、等效电路 输出曲线 . 二、特性分析 2、特性分析 ⑴、灵敏度 差动变压器有负载时,次级线圈输出总电压有效值 为 式中 为灵敏度系数; ,为非线、特性分析 ⑴、灵敏度 ,铁芯位移量; lA —— 铁芯长度; b0、b1 —— 分别为次级线圈和初级线圈的长度 d —— 两线 —— 分别为线管的内、外径。 上式说明,铁芯位移 x 和输出电压 UO 之间不 是线、特性分析 ⑴、灵敏度 灵敏度系数 K1 与线圈的结构尺寸、初级线圈匝 数、激励电源的电压和频率等因素有关。 ① 灵敏度系数与激励电压关系: ② 灵敏度系数与线圈匝数 N 的关系 当原边线 时,有: ,A为 常数。所以,提高匝数比可以提高差动变压器的 灵敏度。 . 2、特性分析 ⑵、误差分析 影响误差的主要因素是零点残余电压。 当变压器的铁芯处于中间位置时,在理想条 件下,其输出电压应为零;但实际上,在使用 桥式电路时,在零点仍然有一微小的电压值 (从几mV到几十mV)存在,称为零点残留电 压。 产生的原因:差动变压器两个次级线圈不可 能完全一样;磁性材料磁化曲线的非线性。 消除和减少方法:提高工艺精度;选用好的测量 电路;采用补偿电路(调相补偿电路、调零补 偿电路、R 或 L 补偿电路等)。 . §4-2 差动变压器式传感器 三、测量电路 差动应压器的输出电压为交流,与衔铁位 移量成正比,用交流表测量其输出只能反映 衔铁位移的大小,不能反映其移运方向,因 此,差动变压器常采用整流电路和相敏检波 电路来进行测量。 . §4-2 差动变压器式传感器 三、测量电路 1、差动整流电路 一般为二极管 组成的全波整流 电路。 . 三、测量电路 1、差动整流电路 电路波形图 . 三、测量电路 1、差动整流电路 电路输出: 无论线圈的极性如何 变化,电流总是: a →b, c →d 。 . 三、测量电路 1、差动整流电路 输出波形: . 三、测量电路 2、相敏检波电路 相敏检波电路由二极管组成,这种电路容 易做到输出平衡,而且便于阻抗匹配。 其直流输出的极性能反映铁芯位移的方向, 即铁芯位置从零点向左、右移动,对应的 电压信号为负极性或正极性。 . 三、测量电路 2、相敏检波电路 . 三、测量电路 2、相敏检波电路 UE 经移相后得 Ur ,二者频率相同,相位相同 (上行)或相反(下行)。 (1)、铁芯在中间位置时: U2 = 0,只有Ur 作用,此时,UGP、UPH大小 相等,方向相反,UO = 0。 . 三、测量电路 2、相敏检波电路 (2)、铁芯上移时:U2 ≠ 0 正半周:i1:A→1→D1→D3→2→D→C→B UO = UGP-UPH = U2,为正。 . 三、测量电路 2、相敏检波电路 (2)、铁芯上移时:U2 ≠ 0 负半周:i1:D→2→D2→D4→1→A→B→C UO = UGP-UPH = -U2,为正。 可见,UO 恒为正。 . 三、测量电路 2、相敏检波电路 (3)铁芯下移时,U2 ≠ 0 这时,U2与Ur反相,即U2为正半周时,Ur为 负半周,故有 正半周: . 三、测量电路 2、相敏检波电路 负半周: (负电压) 可见,UO 恒为负。 . 第四章 电感式传感器 §4-1 自感式传感器 §4-2 差动变压器式传感器 §4-3 电涡流式传感器 . §4-3 电涡流式传感器 【涡流】当导体置 于交流磁场或在 磁场中运动时, 导体上会引起感 应电流,此电流 要导体内闭合, 形成涡流。 . §4-3 电涡流式传感器 概述 电涡流大小与导体电阻率ρ、导磁率μ、产生 交变磁场的线圈与被测物体之间的距离d、激 励电源的频率f 等有关,固定其中若干个参数 不变,就能按涡流大小测量另外某一个参数, 电涡流传感器就是按此原理构成的。 . §4-3 电涡流式传感器 概述 电涡流的大小常用其穿透深度h 表示, 式中:ρ 为导体电阻率(Ω·cm); μr 为导体相对磁导率; f 为交变磁场频率(Hz)。 . §4-3 电涡流式传感器 概述 【用途】检测位移、振动、应力、表面温 度、流量和探伤等。 【特点】灵敏度高、结构简单、抗干扰能 力强、非接触测量、测量对象广。 【类型】高频反射式和低频透射式。 . §4-3 电涡流式传感器 一、结构及工作原理 1、结构 目前较常用的电涡流传感器是高频反射式电 涡流传感器,主要由一个安置在框架上的扁平 圆形线圈组成。 . 一、结构及工作原理 2、工作原理 传感器线圈由高频信 号激励,使之产生一个 高频交变磁场φi ,当被 测导体接近线圈时,在 磁场作用范围的导体表 层,产生了与磁场相交 链的电涡流ie ,而此电涡 流又将产生一交变磁场 φe 来阻碍磁场的变化。 . 一、结构及工作原理 2、工作原理 从能量角度来看,在被测导体内存在着电涡 流损耗 (当频率较高时可以忽略磁损耗)。能量 损耗使传感器的Q 值和等效阻抗Z 降低,因此 当被测物体与传感器间的距离d 改变时,传感 器的Q 值和等效阻抗Z、电感L均发生变化,于 是把位移量转换成电量,这就是电涡流传感器 的工作原理。 . §4-3 电涡流式传感器 二、等效电路 无论运用什么方式构成传感器,其最终特 性都与涡流有关,故需研究涡流形成和分布 规律。 (1) 涡流的径向分布 涡流环路可看作以线圈(半径为R)轴线为中心 的短路环,处于交变磁场下的金属板上有无 穷多个这样的短路环,其中任一个环中涡流 密度是环半径和磁感应分布的函数。 . 二、等效电路 涡流分布规律 其分布随r/R的变化规律为 式中: ; J0 为r=R ( )处的电流密度。 涡流形成的范围约为(0.525?1.39)R 。 . 二、等效电路 涡流分布规律 上式表明,涡流的分布规律(曲线形状)与线圈、 金属板间的距离d无关、但d改变时,涡流密度 J0和jr都将发生变化。设金属板中的等效电流为 Ie,其与激励电流I有: . 二、等效电路 涡流分布规律 归一化曲线如图示: 可见,Ie随d的增加 而急剧下降,故利 用涡流传感器测量 位移时,只在很小 的测量范围内得到 较好的线性和较高 的灵敏度。 . 二、等效电路 涡流分布规律 (2)涡流的轴向分布 涡流沿激励磁场轴向分布是不均匀的,有 式中:x 金属中某点与表面的距离 h 涡流渗透深度。 . 二、等效电路 涡流分布规律 电流密度主要分布 在表面附近(即趋肤效 应),故可用一个厚为 x0的矩形来代替指数 分布,使矩形面积与 曲线面积相等。 . 二、等效电路 综上所述,涡流分布可视为一个平均半径为R0, 厚度为x0的矩形截面圆环,即把金属看作一匝 短路线圈,它与传感器存在磁耦合,于是,可 得到等效电路。 . 二、等效电路 等效电路 . 二、等效电路 根据克希荷夫定律,可得如下电路方程 解上述方程组可求得 和 . 二、等效电路 由此求得线圈的等效阻抗Z和等效Q值等: . 二、等效电路 这样,就可以将传感器与被测物体间的距离变 换为传感器线圈的等效阻抗Z和等效电感L及 等效Q值三个参数了。 测量L、Z、Q 就可获得距离d 。 . §4-3 电涡流式传感器 三、测量电路 电涡流传感器的测量电路就是为了要测量传 感器的等效阻抗Z和等效电感L及等效Q值三 个参数。 测量电路主要有三种: 1、变频调幅式; 2、恒定频率调幅式; 3、调频式。 . 三、测量电路 1、载波频率改变的调幅法和调频法 电路框图 . 三、测量电路 1、载波频率改变的调幅法和调频法 这种形式的电路是一个电容三点式振荡器,把 传感器线圈L接入振荡器回路中,在未测量前, 回路谐振频率为fo ,此时输出的电压为谐振电 压Uo ,当被测物体接近电感线圈时,振荡器的 谐振频率发生变化,谐振曲线向两边移动且得 平坦,此时由传感器回路组成的谐振器的输出 电压的频率f 和幅值U 均发生变化。 . 三、测量电路 1、载波频率改变的调幅法和调频法 谐振曲线 . 三、测量电路 1、载波频率改变的调幅法和调频法 (1)如果取幅值U 作为检测值,则称为变频调 幅式,直接反映了Q 值的变化,因此可以用 于以Q 值为输出的电涡流传感器。 (2)如果取频率f 的变化作为检测值,则为用 来测量传感器的等效电感量L ,这种方法称 为调频法。 . 三、测量电路 1、载波频率改变的调幅法和调频法 典型测量电路 . 三、测量电路 2、恒定频率的载波调幅法 恒定频率的载波调幅法的工作原理是由频率稳 定的振荡器(一般用石英振荡器)提供一个高频 信号,激励传感器线圈和并联电容组成的并联 回路 . 三、测量电路 2、恒定频率的载波调幅法 当回路的固有频率与激 励频率相等时,输出电 压最大。 在测量时,被测物体接 近传感器,传感器等效 阻抗发生变化回路失谐, 振峰偏离谐振点, 输出电压发生变化,达到测量的目的,但此时激励 频率并未变化,故称为恒定频率的载波调幅法。 . §4-3 电涡流式传感器 四、透射式电涡流传感器 工作原理 . §4-3 电涡流式传感器 四、透射式电涡流传感器 激励线 分别位于材料M 的上、下方,L1 产生的磁力线切割金属板 M,并在其中产生涡流i,涡流损耗了部分 磁场能量,使达到L2 的磁力线 上的U下降,显然,随着厚度d 的变化, 损耗也变化,L2 上的U变化,这样通过U 的 测量即可测量厚度d 。 . §4-3 电涡流式传感器 五、应用 由于电涡流传感器测量范围大,灵敏度高,结 构简单,抗干扰能力强,且为非接触式测量, 故应用十分广泛。 . §4-3 电涡流式传感器 五、应用 被测参数 变换量 特征 位移 振动 厚度 传感器线圈与被测体之间的距 离d 非接触式连续测量 受剩磁的影响 表面温度 电解质浓度 速度(流量) 被测体的电阻率ρ 非接触式连续测量 需进行温度补偿 位移 振动 厚度 被测体的磁导率μ 非接触式连续测量 受剩磁和材质的影响 探伤 d 、ρ、μ 可定量判断 . 第五章 压电式传感器 §5-1 压电效应 §5-2 压电式传感器的测量电路 §5-3 压电式传感器的应用 . 第五章 压电式传感器 概述 【能量变换】压电式传感器是一种典型的有源传 感器。 . 第五章 压电式传感器 概述 【原理】压电效应 【用途】测量加速度、压力、流量等 【类型】压电晶体式,压电陶瓷式 【特点】响应频带:0.3Hz~60 kHz; 灵敏度高:电压灵敏度达1000 mV/ms-2; 信噪比大,结构简单,重量轻,工作可靠。 存在一定的老化现象。 . 第五章 压电式传感器 §5-1 压电效应 §5-2 压电式传感器的测量电路 §5-3 压电式传感器的应用 . §5-1 压电效应 一、压电效应 【压电效应】某些晶体或陶瓷材料,当沿着一 定方向对其施力而使之变形时,内部就产生 极化现象,同时在它的两个表面上产生符号 相反的电荷,当外力消失后,又恢复到不带 电状态。 【逆压电效应】将压电材料置于电场,会发生 变形,即所谓电致伸缩效应。 . §5-1 压电效应 一、压电效应 主要的压电材料有:石英晶体(天然的)和压 电陶瓷(人工制造的)。 天然结构的石英晶体 是一个六角形晶柱。 . §5-1 压电效应 一、压电效应 正六面体 光 轴— 纵向轴, Z-Z 轴; 电 轴— 过正六面体棱线, 并垂直于光轴, X-X 轴; 机械轴— 与光轴和电轴垂直的。