参数式传感器及其应用.ppt

测试技术 参数式传感器及其应用,第四章,内容,传感器概念电阻式传感器电容式传感器电感式传感器,基本概念,传感器：一种能把特定的信息（物理、化学、生物）按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。,1、传感器概念,基本概念信息检测的不可缺少的首要环节，它的直接影响测试系统的整体测试精度工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表传感器 Transducer/Sensor/probe,1、传感器概念,基本概念信息检测的不可缺少的首要环节，它的直接影响测试系统的整体测试精度工程实际中俗称测量头、检测器等，也称为一次仪表传感器 Transducer/Sensor/probe 国家标准（GB766587）对传感器定义:感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置一个指定的传感器，只能感受规定的物理量（电量、非电量)传感器的输出信号中载有被测量信息，且能远距离传送 电信号、光信号、气动信号输入输出关系服从一定规律，可以复现公认、标准,1、传感器概念,组成感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,敏感元件直接感受被测量转换为有确定关系的易变成电量的其它量,转换元件将其它物理量直接转换为有确定关系的电量的元件,便于远传、接收的信号420mA、5V,1、传感器概念,敏感元件 力、转矩应变转换元件 应变电阻,转换电路 电阻电压,基本特性测试系统的一个基本单元，具有：静态特性 测量范围、灵敏度、精度等动态特性 带宽 频响曲线,1、传感器概念,分类用途/输入量:适合于用户机械量：位移、力、速度、加速度、振动热工量：温度、压力、流量、流速光学量：光强、光通量、辐射能能量关系 能量转换型/有源型：热电偶、光电池、压电式、惯性式能量控制型：获取的信息能量来控制、调制外部激励 涡流、R、L、C参数型,1、传感器概念,分类输出量性质：适合于研发电参数型/参数式：R、L、C工程参数电参数基本类型:电阻、电感和电容式无源传感器：本身没有内在的能量转换电量型/发电式：电压、电流、电荷工程参数电信号基本类型:压电式、磁电式、光电式、霍尔式以及热电式有源传感器：本身就有内在的能量转换,1、传感器概念,定义：将非电量变化转换为电阻变化的传感器测量的物理量应变应变片热热敏电阻位移/距离电位器转换元件电阻R转换电路直流电桥,2、电阻式传感器,电阻R,应变片式传感器工作原理：应变效应应变片的电阻：l长度 A截面、半径r 电阻率微应变材料在轴向受力的作用，产生机械变形/结构变形微应变,2、电阻式传感器,应变片式传感器工作原理微应变结构尺寸变化 应变单位：（1=1x10-6m/m）材料的泊松比,2、电阻式传感器,应变片式传感器工作原理电阻率变化金属材料 材料的泊松比 C常数半导体材料 半导体材料在受力方向压阻系数 E半导体材料的弹性模量,2、电阻式传感器,应变片式传感器工作原理金属材料 一般0.3，C1，因此金属材料的电阻应变效应主要来自结构尺寸的变化尺寸效应，且灵敏系数较小，约为2.0左右。半导体材料 E(1+)，因此半导体材料的电阻变化主要来自压阻效应，灵敏系数较大，约为50200，且分散性大。,2、电阻式传感器,应变片式传感器应变片技术参数,2、电阻式传感器,应变片式传感器应变片技术参数(金属)应变片材料康铜：常用的电阻丝材料卡玛合金：适用于长时间静态测量，比康铜具有更长的疲劳寿命和更宽的温度范围铂钨合金：具有极长的疲劳寿命绝缘电阻：应变片绝缘电阻R是指已粘贴的应变片与被测试件之间的电阻值，一般要求R108最大工作电流Imax已安装的应变片敏感栅允许通过的不影响其工作特性的最大电流值.通常静态测量取25mA左右，动态测量可取75100mA,2、电阻式传感器,应变片式传感器应变片结构,50年代以前,2、电阻式传感器,柱式,应变片式传感器应变片使用敏感元件,膜片式（气体、液体）,2、电阻式传感器,应变片式传感器应变片的安装安装力传递测量效果 受力的方向应变片纵向安装方法有三种：粘贴法、焊接法和喷涂法，其中粘贴法最为常用,2、电阻式传感器,应变片式传感器温度误差温度引起的测量误差Rt、R0应变片在温度t、t0时电阻值应变片电阻丝的电阻温度系数电阻丝材料和试件材料的线膨胀系数应变片灵敏系数t 温度变化量,必须采用一定的方法来补偿电阻应变片输出的温度误差，实用中常采用桥路补偿方法,2、电阻式传感器,应变片式传感器温度补偿温度效应：阻值随温度变化被测体线胀：不同的线胀系数电桥连接差动：相邻臂提高灵敏度补偿：相邻臂,2、电阻式传感器,热电阻式传感器工作原理：金属或半导体的电阻值是温度的函数 当温度升高1时，大多数金属的阻值要增加0.40.6%，而半导体的电阻值要减小36%一般纯金属在温度变化范围不大时，其电阻值与温度的关系近似为某些半导体的电阻值与温度的关系为,2、电阻式传感器,热电阻式传感器电阻温度特性曲线,铂、铜的电阻特性曲线比较理想 半导体的电阻特性曲线,2、电阻式传感器,热电阻式传感器热电阻材料选择电阻温度系数a要大，制成的温度传感器的灵敏度越高。电阻温度系数与材料的纯度有关，纯度越高，a值就越大，且稳定材料的电阻率要大，这样可使热电阻体积较小，热惯性较小，对温度变化的响应就比较快在整个测量范围内，物理化学性质稳定、线性、良好重复性易于加工复制，价格便宜,几种热电阻材料特性,2、电阻式传感器,热电阻式传感器金属电阻：工业中应用最多的是铂和铜铂电阻化学稳定性很高，容易提纯，便于加工最常用的材料用于13.81K630范围内的测温、也是基准温度计,2、电阻式传感器,热电阻式传感器铂电阻精度等级：决定于纯度纯度：百度电阻比W(100)=R100/R0 1.391工业标准分度号：BA1、BA2,HT-101铂电阻元件（honeywell）分度号：pT100（BA2）量程：-200-450精度：A：0.06 B：0.12外形：1.63.2 25,2、电阻式传感器,热电阻式传感器膜铂电阻用真空沉积的薄膜技术把铂溅射在陶瓷基片上，膜厚在2m以内，用玻璃烧结料固定Ni(或Pd)引线，经激光调阻制成薄膜元件微型化、反应快,2、电阻式传感器,热电阻式传感器金属电阻：工业中应用最多的是铂和铜铜电阻温度系数a高于其它金属的值，价格低廉，易于提纯在-50150范围内近似呈线性关系缺点电阻率小，体积较大，铜电阻丝细而长，故机械强度降低易氧化，只能用于无侵蚀性介质,2、电阻式传感器,热电阻式传感器半导体电阻具有负的电阻温度系数：温度降低时，其电阻值增加，灵敏度增大具有灵敏度高、体积小、热容量小的优点，可作为精密温度测量常用的测温电阻有锗电阻和热敏电阻锗电阻电阻温度关系很稳定，重复性很好迄今所研究过的半导体中最理想的低温测量元件标定一次可长期使用，而且它的测量精度可达到0.005K许多国家将锗电阻温度计作为4.2K20K之间的标准测温仪表,2、电阻式传感器,热电阻式传感器半导体电阻热敏电阻：正、负、临界温度系数测量灵敏度较高、成本低、体积小（点温度测量）、重复性好，可满足不同测温对象的要求，而且适合动态测量缺点是性能不稳定，互换性差，导致测量精度不高空调系统的温控元件,a)圆片型 b)柱型 c)平板型 d)结构组成 e)符号,2、电阻式传感器,电位计原理及结构结构：带有直线或旋转滑动触头的电阻器件将线位移或角位移转换为与其成一定函数关系的电阻种类：按结构形式可分为绕线式、薄膜式等原理,2、电阻式传感器,应用应变式力传感器被测物理量：载荷或力用途：各种电子衡器的测力元件，测量范围从1mN108N特点：分辨率高，误差较小，测量范围大，静态与动态都可测，能在严酷环境工作的特点柱式测力元件：体积小、结构紧凑、构造简单,柱式,2、电阻式传感器,应用应变式力传感器ZL110力传感器额定载荷 1050（kg）灵敏度 2.00.2%（mV/kg/V）非线性 0.02%F.S 滞后 0.02%F.S 激励电压 912 VDC 重复度 0.02%F.S温度补尝范围-10+40 蠕变 0.02%F.S/30min 允许使用范围-20+55,激励电压为10V时，满载荷时的输出是多少？,2、电阻式传感器,与激励电压有关,应用应变式压力传感器被测物理量：液体、气体的动态和静态压力测量用途：动力管道设备进、出口气体和液体的压力，发动机喷口压力，内燃机管道压力等结构：膜片式或筒式弹性元件 在压力的作用下，圆膜片产生径向应变和切向应变应变片,2、电阻式传感器,应用应变式扭矩传感器原理：弹性元件在传递转矩时产生的应变来测量扭矩 轴受到扭矩作用时，剪切应力与它所传递的扭矩有线性关系 其中：Mk转轴所受的扭矩、G剪切弹性模量,2、电阻式传感器,集流环,应用动态电阻应变仪应变片：1201K输出：5V_p（电流5mA）,激励电压为10V时，满载荷时的输出是多少？,2、电阻式传感器,应用热电阻式温度传感器（负温度系数）,冷却水温测量：非线性变化、非线性电流、非线性刻度，测量有限温度范围内的温度,温度补偿电路：仪表线圈R铜导线(正系数)，r为锰铜电阻(0温系)，Rt负温系数,温度控制电路：可调电阻、负温度系数热敏电阻和继电器线圈串联组成,2、电阻式传感器,温度上升阻值下降电流变大继电器开启降温,应用电位计式压力传感器,在压力作用下，膜盒中心点产生位移，推动连杆上移，使得曲柄带动电位计电刷滑动，电位计输出与压力成比例的电压信号,1膜盒 2连杆 3曲柄 4电刷 5电阻元件,2、电阻式传感器,传感器定义：感受特定量、一定规律、可用输出信号组成：三部分功能电阻式传感器应变片原理:结构尺寸效应、压阻效应应用：差动、补偿原则、敏感元件热电阻传感器：热阻效应应用：铂电阻、铜电阻；锗电阻、热敏电阻电位计：滑动触头种类：绕线式、薄膜式,回顾,定义：将被测量变化转换为电容变化的传感器电容传感器特点结构简单，分辨率高，工作可靠 可非接触测量，可在恶劣环境下工作测量的物理量位移压力液位介质转换元件 电容C,A,3、电容式传感器,工作原理在忽略边缘效应的情况下，平行极板电容器的电容量 基本类型变极距：位移变面积A：位移、压力（差动）变介质：介电常数,3、电容式传感器,变极距式 两极板在被测对象作用下发生位移变化时 变极距型电容传感器的灵敏度是非线性的 极距愈小，灵敏度愈高,受击穿电压的限制 一般极距取0.11mm左右减小非线性误差 选择初始距离;微小位移量的测量非接触测量,3、电容式传感器,变极距式 差动方式 两个变极距电容传感器，被测位移使动片变化，引起极距差动变化，两个输出电容也差动变化，提高测量灵敏度 差动电容传感器通常均接成电桥进行放大:电桥的相邻两个桥臂,3、电容式传感器,变面积式：相对面积变化输出特性：线性 测量1cm10cm中等大小的位移灵敏度 减小极距可提高灵敏度差动方式：提高灵敏度,3、电容式传感器,变介质式输出特性：线性 灵敏度 增加面积A、减小极距可提高灵敏度应用 液位高低 介电常数,3、电容式传感器,传感器优点输入能量小而灵敏度高精度高达0.01%动态特性好，适合测量动态参数能量损耗小结构简单，环境适应性好（高温、辐射等）缺点：电缆分布电容影响大,3、电容式传感器,3、电容式传感器,应用电容式传感器的等效电路并联电阻RP代表极板间泄漏电阻和介质损耗，低频时影响较大串联电阻RS表征引线电阻、极板电阻，通常很小，它随频率增高而增大，只有在极高工作频率时才考虑电感L包括电容器本身电感和外部接线电感谐振频率：几十兆赫工作频率应低于谐振频率（一般选为谐振频率的1/21/3）,3、电容式传感器,应用电容测量的几点考虑抗干扰：电容量很小（几个pf 几十个pf），易受外界电场的干扰，这样，就要求采用输入阻抗高，噪声低的前置放大器，引出线应尽量短，采用屏蔽线，而且屏蔽线与壳体及可动电极应有可靠的接地，以尽量减小外电场的干扰应正确选择极板间的绝缘材料，通常要求绝缘电阻在100M以上，以减小漏电阻对测量精度的影响环境温度：采用补偿电桥以抵消介电常数随温度的变化,尽量选择膨胀系数低的材料制造电容式传感器，以减小尺寸随温度的变化,3、电容式传感器,典型结构,变极距(）型:(a)、(e)变面积型(A)型:(b)、(c)、(d)、(f)、(g)（h）变介电常数()型:（i）(l),3、电容式传感器,应用电容式压差传感器结构：变间隙差动方式电容传感器固定极板:两个凹面镀金的玻璃圆盘可动电极:一个金属(不锈钢)膜片当p1p2时，膜片弯向一侧，那么两个差动电容一个增大、一个减小，且变化量大小相同当压差反向时，差动电容变化量也反向特点：结构简单，灵敏度高，响应速度快(约100ms)，能测微小压差(00.75Pa),电容式差压传感器结构示意图1金属镀层 2凹形玻璃 3膜片4过滤器 5外壳,3、电容式传感器,应用电容式微加速度传感器结构：差动式电容传感器上、下电极：固定不动动片：左端固定在衬底上的悬臂梁，可以上下振动时微动,三维方向的振动或加速度测量：在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器,3硅衬底，4底层多晶硅上电极，5中间层多晶硅振动片；6顶层多晶硅上电极,3、电容式传感器,优点：多极电容、闭环反馈式测量电路提高了抗干扰能力提高了测量精度(可达5m)极大地扩展了量程(可达1m),3、电容式传感器,应用容栅式位移传感器结构：差动式多级电容传感器一定形状和尺寸的栅片长栅(定栅)：均匀排列电极动栅对：一对相同尺寸的交错对插电极梳,定义：基于电磁感应原理，将被测量转化为电感量测量的物理量位移压力流量振动分类,4、电感式传感器,变磁阻传感器单边电感式 当铁心磁导率远远大于空气磁导率时 自感量与位移成反比，特性曲线非线性存在问题灵敏度低、非线性严重铁心对衔铁的吸力比较大微小位移的测量：0.0011mm,4、电感式传感器,变磁阻传感器差动式差动线圈电桥测量测量电感量 结构：螺线管式差动变压器非线性得到了补偿，灵敏度也提高一倍，吸引力相互抵消特点：分辨率很高可达0.01微米测量范围一般小於2毫米主要用于位移测量，也可以用于振动、压力、流量、液位等参数测量,4、电感式传感器,互感式差动变压器结构：初级线圈、完全对称的反极性串联的次级线圈、衔铁原理：输出电压幅值与铁心位移大小成正比，不能反映其方向输出电压存在一定的零点残余电压,4、电感式传感器,互感式差动变压器式差动相敏检波（位移方向）解决铁心位移的方向性单输出对应多输入输出存在一定的零点残余电压调零R小位移测量的差动相敏检波电路直接测量：直线位移；间接测量：力、重量、液位敏感元件,4、电感式传感器,电涡流传感器原理：涡流效应结构：高频激励电流+线圈输出：电涡流线圈的等效阻抗 Z=R+jL=f（i1、f、t、x）距离x、导体、t有关测量电路：谐振电路,调幅,调频,靠近的被测导体内产生电涡流i2，它也产生交变磁场H2，H2的方向与H1的方向相反。由于磁场H2的反作用，抵销部分原磁场,4、电感式传感器,电涡流传感器灵敏度被测面材料(、t)被测面形状自身空间其它被测量表面电导率表面裂纹、t,4、电感式传感器,应用自感压力传感器结构膜盒弹性敏感元件衔铁原理：压力变化时，膜盒带动衔铁位移，线圈自感变化量变隙差动式自感压力传感器结构C形弹簧管弹性敏感元件衔铁原理：流体压力进入弹簧管后，其自由端向外伸展，带动动衔铁移动，引起电感变化,1衔铁 2铁芯 3线圈 4膜盒,4、电感式传感器,5C型弹簧管 6、8线圈 7 衔铁 9机械零点调零螺钉,应用表面形貌仪 T200型表面粗糙度测量仪测量范围：触针位移：2/20/200m分辨率：0.001/0.01m测力传感器力弹性外壳测杆磁心差动变压器,4、电感式传感器,接触式位移传感器1引线电缆 2固定磁筒 3衔铁 4线圈 5测力弹簧 6防转销,4、电感式传感器,应用电感测微计 核心：螺线管式差动变压器，常用于测量工件的外形尺寸和轮廓形状,滚珠分选,电涡流传感器的应用,4、电感式传感器,教材：4-3，4-7,作业,电容式传感器三种基本形式：变极距式、变面积式、变介质式应用：差动提高灵敏度；敏感元件优点：灵敏度高、精度高、能耗小、结构简单电感式传感器自感式差动变压器：变磁阻两组线圈+铁芯+桥路互感式差动变压器：变耦合三组线圈+铁芯+相敏涡流传感器涡流效应、测量电路谐振电路灵敏度（被测面材料、t、被测面形状、自身空间）应用：接触测量、非接触测量,回顾,Thank you!,