力敏材料与力传感器教学课件PPT.ppt

力敏材料与力传感器,1.弹性敏感元件2.应变式电阻传感器3.压阻式压力传感器4.压电式传感器5.电容式传感器6.电感式传感器7.转矩传感器,优点：测量范围大、灵敏度高、结构简单、适应性强、动态响应时间短、易实现非接触测量等。应用：压力、位移、厚度、加速度、液位、物位、湿度和成分含量等测量之中。,5.电容式传感器及其应用,5.1 电容式传感器的工作原理和结构 用两块金属平板作电极可构成电容器，当忽略边缘效应时，其电容C为 S极板相对覆盖面积；极板间距离；r相对介电常数；0 真空介电常数，0 8.85pF/m；电容极板间介质的介电常数。,上式中，哪几个参量是变量？可以做成哪几种类型的电容传感器？,、S和r中的某一项或几项有变化时，就改变了电容C0。或S的变化可以反映线位移或角位移的变化，也可以间接反映压力、加速度等的变化；r的变化则可反映液面高度、材料厚度等的变化。三种基本类型：变极距(变间隙)()型 变面积型(S)型 变介电常数(r)型,1.变极距型电容传感器 平行板电容器的和S不变，只改变电容器两极板之间距离d。该类型传感器常用于压力的测量。设初始极距为，当动极板有位移，使极板间距减小值后，其电容值变大。C0为初始电容值。,电容量Cx与位移x不是线性关系。其灵敏度不为常数,为了提高传感器灵敏度，减小非线性误差，实际应用中大都采用差动式结构。如图示(1为动片、2为定片)，中间电极若受力向上位移d，则C1容量增加，C2容量减小，两电容差值为：,电容传感器做成差动型后之后，灵敏度提高一倍。,得到：,2.变面积型传感器,变面积式差动电容结构原理图,图（a）所示平板形位移x后，电容量由初始值变为：,电容量变化：,灵敏度为：,圆柱形电容式位移传感器，图（b），设内外电极长度为L，起始电容量为C0，动极向上位移y后，电容量变为Cy：,电容量变化：,灵敏度为：,对于角位移传感器，图（c），设两片极板全重合（=0）时的电容量为C0，动片转动角度后，电容量变为：,电容量变化：,灵敏度为：,3.变介电常数式 在电容器两极板间插入不同介质，电容器的电容量就不同，利用这种原理制作的变介电常数型电容式传感器常被用来测量液体的液位和材料的厚度。,电容液位计原理图,可见，传感器电容量C与被测液位高度hx成线性关系。,5.2 电容式传感器测量电路1桥式电路 单臂接法的桥式测量转换电路。当交流电桥平衡时有：当Cx改变时，有电压信号输出。图(b)为差动电容式传感器，其空载输出电压为：,电容式传感器桥式转换电路,式中，为传感器的初始电容值；为传感器的电容变化值。需要注意的是，该转换电路的输出需经过相敏检波电路处理才能分辨。,2.调频电路,调频电路将电容式传感器作为 LC 振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容Cx 发生变化，就使振荡器的频率 f 产生相应的变化。,3.脉冲调制电路,脉冲宽度调制电路是利用传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随电容式传感器的电容量变化而变化，通过低通滤波器得到对应于被测量变化的直流信号。,脉冲宽度调制电路的输出电压波形图 差动电容的变化使充电时间t1、t2不相等，从而使触发器输出端的脉冲宽度不同，经滤波器有直流电压输出。,电容式差压传感器,结构简单、灵敏度高、响应速度快(约100ms)能测微小压差(00.75Pa)、真空或微小绝对压力需把膜片的一侧密封并抽成高真空(10-5Pa)即可。,5.3 电容式传感器的应用,1、5 固定极板 2壳体 3簧片 4 质量块 6 绝缘体 精度较高，频率响应范围宽，量程大，可以测很高的加速度.,电容式加速度传感器,a)测振幅,b)测轴回转精度和轴心偏摆,电容式位移传感器应用,电容式液位计,棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。,聚四氟乙烯外套,电容式液位限位传感器,液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。,液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。,设定按钮,智能化液位限位传感器的设定按钮,超限灯,正常工作指示灯,设定按钮,电源 指示灯,硅微加工加速度传感器,图示加速度传感器以微细加工技术为基础，既能测量交变加速度（振动），也可测量惯性力或重力加速度。其工作电压为2.75.25V，加速度测量范围为数个g，可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM 脉冲。,硅微加工加速度传感器原理,1加速度测试单元 2信号处理电路 3衬底 4底层多晶硅（下电极）5多晶硅悬臂梁 6顶层多晶硅（上电极）,利用微电子加工技术，可以将一块多晶硅加工成多层结 构。在硅衬底上，制造出三个多晶硅电极，组成差动电容C1、C2。图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动。中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片。其左端固定在衬底上，所以相当于悬臂梁。当它感受到上下振动时，C1、C2呈差动变化。与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将C 转换成直流输出电压。它的激励源也做在同一壳体内，所以集成度很高。由于硅的弹性滞后很小，且悬臂梁的质量很轻，所以频率响应可达1kHz以上，允许加速度范围可达10g 以上。如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器，就可以测量三维方向的振动或加速度。,加速度传感器在汽车中的应用,加速度传感器安装在轿车上，可以作为碰撞传感器。当测得的负加速度值超过设定值时，微处理器据此判断发生了碰撞，于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀，托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部。,装有传感器的假人,气囊,汽车气囊的保护作用,使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时，经控制系统使气囊迅速充气。,汽车气囊对驾驶员的保护作用,利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹,传感器安装位置,湿敏电容,利用具有很大吸湿性的绝缘材料作为电容传感器的介质，在其两侧面镀上多孔性电极。当相对湿度增大时，吸湿性介质吸收空气中的水蒸气，使两块电极之间的介质相对介电常数大为增加（水的相对介电常数为80），所以电容量增大。,湿敏电容外形,吸水高分子薄膜,湿敏电容模块及传感器外形,湿敏电容传感器的安装使用,在野外的使用,带报警器的家庭使用型,多孔性氧化铝湿敏电容传感器外形,电容式油量表,机械式油量表：,在油箱内，装有类似卫生间水箱里的浮球，通过杠杆带动电阻丝式圆盘电位器，由电流表指示出油量。,电容式油量表,当油箱中注满油时，液位上升，指针停留在转角为m处。当油箱中的油位降低时，电容传感器的电容量Cx减小，电桥失去平衡，伺服电动机反转，指针逆时针偏转（示值减小），同时带动RP的滑动臂移动。当RP阻值达到一定值时，电桥又达到新的平衡状态，伺服电动机停转，指针停留在新的位置（x 处）。,该油量表属于开环系统还是闭环系统？,该油量表可用于飞机油箱,电容式接近开关,被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。,电容式接近开关外形,齐平式,非齐平式,非齐平式接近开关的安装,非齐平式安装时，传感器高于安装支架，易损坏。,全密封防水式,远距离式（大量程）,电容式接近开关在液位测量控制中的使用,电容式接近开关在 液位物位测量控制中的使用,电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示,不同材料的非金属检测物对电容式接近开关动作距离的影响,6.电感式传感器 电感传感器的基本原理是电磁感应原理。利用电磁感应将被测非电量（如压力、位移等）转换成电感量的变化输出。常用的有自感式和互感式两类。电感式压力传感器大都采用变隙式电感做为检测元件，它和弹性敏感元件组合在一起构成电感式压力传感器。,先看一个实验：,将一只380V交流接触器线圈与交流毫安表串联后，接到机床用控制变压器的36V交流电压源上，如下页图所示。这时毫安表的示值约为几十毫安。用手慢慢将接触器的活动铁心（称为衔铁）往下按，我们会发现毫安表的读数逐渐减小。当衔铁与固定铁心之间的气隙等于零时，毫安表的读数只剩下十几毫安。,电感传感器的基本工作原理演示,F,220V,准备工作,电感传感器的基本工作原理演示,气隙变小，电感变大，电流变小,F,自感式电感传感器常见的形式,变隙式 变截面式 螺线管式,电感传感器的基本工作原理,当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL 较小，所以电流I 较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。,线圈自感,线圈总磁链,单位：韦伯；I通过线圈的电流，单位：安培；N线圈的匝数；Rm磁路总磁阻，单位：1/亨。,a)气隙型 b)截面型 c)螺管型自感式传感器原理图,6.1 自感式传感器1.工作原理,自感式电感传感器有变气隙式、变截面式和螺管式3种类型。（1）变气隙式电感传感器,电感量L为：,当衔铁受外力作用使气隙厚度减小，则线圈电感也发生变化，为：,灵敏度为：,电感式传感器的输出特性1实际输出特性；2理想输出特性,气隙变化量越小，非线性失真越小；气隙o越小，灵敏度越高。输出特性如图(a)所示。,（2）变截面式电感传感器,若保持气隙厚度为常数，则 L=f(A)即电感L是气隙截面积的函数，故称这种传感器为变截面式电感传感器。其输入输出是线性关系，灵敏度为：,灵敏度是一常数。但是，由于漏感、结构的限制等原因，这种类型的传感器线性区较小，量程也不大，在工业中用得不多。,（3）螺管式电感传感器,螺管式电感传感器由1只螺管线圈和1根柱形衔铁组成。当被测量作用在衔铁上时，会引起衔铁在线圈中伸入长度的变化，从而引起螺管线圈电感量的变化。对于长螺管线圈且衔铁工作在螺管的中部时，可以认为线圈内磁场强度是均匀的。此时线圈电感量与衔铁插入深度成正比。,这种传感器结构简单，制作容易，但灵敏度较低、且衔铁在螺管中间部分工作时，才能获得较好的线性关系。因此，螺管式电感传感器适用于测量比较大的位移。,（4）差动电感传感器,两个完全相同的单个线圈的电感传感器共用1根活动衔铁就构成了差动式电感传感器。,灵敏度为：,差动电感传感器的输出特性如图所示。其中曲线1、2是上、下单线圈自感式电感传感器的输出特性，曲线3是差接后的输出特性。由此可以看出，差动式电感传感器除了可以改善线性、提高灵敏度外，对温度的变化、电源频率变化等影响，也可进行补偿，从而减少了外界影响造成的误差。,差动式电感传感器输出特性,1.变压器式交流电桥 变压器电桥电路相邻两工作臂是差动电感传感器的两个线圈，阻抗Z1、Z2；另外两臂为激励变压器的二次线圈。输出电压取自A、B两点。若 D点为零电位，且传感器线圈的品质因素(Q值)较高，即线圈直流电阻远小于其感抗。可推导出输出电压为：,2.测量电路,当传感器的衔铁下移时，即Z1=Z-Z，Z2=Z+Z，此时：,由此可见，输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化，由于是交流信号，因此还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向。,2.相敏检波电路 下图是相敏检波电路图。图中，UX为电感传感器的输出信号，UR为参考电压，相敏检波电路起信号解调作用。当衔铁正位移时，仪表指针正向偏转，当衔铁负位移时，仪表指针反向偏转。因此，采用相敏检波整流电路，得到的输出信号既能反映位移大小，也能反映位移方向。,传感器的输出特性曲线图中，U0为零点残余电压，即当衔铁处于零点附近时存在的微小误差电压(零点几毫伏，有时可达数十毫伏)，这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所造成的，会给测量带来误差。,6.2 差动变压器,1工作原理,差动变压器目前应用最广泛的是螺管式差动变压器在线框上绕有3组线圈，其中N1为输入线圈(称一次线圈)；N21和N22是两组完全对称的线圈(称二次线圈)，它们反向串联组成差动输出形式。,差动变压器等效电路图,差动变压器原理图1-一次线圈 2-二次线圈 3-衔铁 4-测杆,2测量电路,差动变压器输出的是交流电压，若用交流电压表测量，只能反映衔铁位移的大小，而不能反映移动方向。另外，其测量值中将包含零点残余电压。为了达到能辨别移动方向及消除零点残余电压的目的，实际测量时，常采用差动整流电路和相敏检波电路。,差动整流电路是把差动变压器的两个二次电压分别整流，然后将整流的电压或电流的差值作为输出。,差动整流电路a)半波电压输出；b)半波电流输出；c)全波电压输出；d)全波电流输出,6.3 电感式传感器应用（1）差动式压力变送器,(a)图是YST-1型差动压力变送器结构示意图。它适用于测量各种生产流程中液体、水蒸气及气体压力。当被测压力未导入膜盒时，膜盒无位移。这时，衔铁在差动线圈中间位置，因而输出电压为0。当被测压力从输入口导入膜盒时，膜盒中心产生的位移作用在测杆上，并带动衔铁向上移动，使差动变压器的二次线圈产生的感应电动势发生变化而有电压输出。（b）图是这种传感器的测量电路。220V交流电通过变压整流、滤波、稳压后，被VTl、VT2三极管组成的振荡器转变为6V、1000Hz的稳定交流电压，作为该传感器的激磁电压。,（2）加速度传感器,在汽车的电控防抱死(ABS)制动系统中，为了获得汽车的纵向或横向加速度的变化情况，通常在车身上安装加速度传感器。图3-46所示为差动变压器式加速度传感器的结构和工作原理图。汽车正常行驶时，差动变压器线圈内的铁心处于线圈中部，当汽车制动减速时，铁心受惯性力作用向前移动，从而使差动变压器线圈内的感应电压发生变化，以此作为输出信号来控制ABS系统的工作。,差动变压器式加速度传感器1差动变压器;2线圈；3铁心；4印制板；5弹簧；6变压器油；7解调电路；8振荡电路；9电源电路,7.转矩传感器7.1 工作原理,把扭转轴连接在驱动源和负载之间，扭转轴就会产生扭转，所产生的扭转角可用下式表示，即,式中：L、D分别为扭转轴长和直径；T为扭矩；G为扭转轴材料的弯曲系数。,扭矩轴弹性元件,7.2 扭矩传感器,扭转轴发生扭转时，在相对于轴中心线45方向上产生的应力和应变最大，从而将力加在旋转轴上。在扭转轴的表面贴上四个电阻应变片组成桥式电路，便可检测出压缩及拉伸力，即可测出扭矩的大小。,1应变片式扭矩传感器,应变片式扭矩传感器工作原理图,振弦式传感器是频率式传感器的一种，是以被拉紧了的细弦作为敏感元件，能将力变换为频率。当细弦一端固定，另一端施加一变化的力时，弦的横向振动的固有频率也相应变化。振弦式转矩传感器的结构如图所示，将套筒1、2分别卡在被测轴的两个相邻面上，然后将振弦5与6分别安装在套筒上的支架3、4和3、4上，安装时必须使振弦具有一定的预应力。当被测轴转动传递转矩T时，轴产生扭转变形，致使其两相邻截面扭转一个角度，造成振弦5受到拉力，振弦6受到压力。在被测轴的弹性变形范围内，轴的扭转角与外加转矩T成正比，而振弦的张力又与扭转角成正比。与振弦式压力传感器一样，可以用测量传感器输出的差频信号来测量被测轴上所承受的转矩。,2振弦式转矩传感器,1、2-套筒3、4、3、4-支架；5、6一振弦振弦式转矩传感器,磁致伸缩式扭矩传感器的转换原理是磁致伸缩效应。采用铁磁材料制作的扭转轴在受到扭矩作用时，扭转轴中产生方向性应力，扭转轴表面在这种方向性应力的作用下，其表面的磁场分布会变得不对称，从而出现磁的各向异性。,3磁致伸缩式扭矩传感器,磁致伸缩式扭矩传感器工作原理图,磁电式扭矩传感器是根据磁电转换和相位差原理制成的。它可以将转矩力学量转换成有一定相位差的电信号。磁电式扭矩传感器的工作原理:在驱动源和负载之间的扭转轴的两侧安装有齿形圆盘，它们旁边装有相应的两个磁电传感器。传感器的检测元件部分由永久磁铁、感应线圈和铁芯组成。永久磁铁产生的磁力线与齿形圆盘交链，当齿形圆盘旋转时，圆盘齿凸凹引起磁路气隙的变化，于是磁通量也发生变化，在线圈中感应出交流电压，其频率等于圆盘上齿数与转数的乘积。,4磁电式扭矩传感器,