《电气检测技术》PPT课件.ppt

1,4.1电阻式传感器,电阻式传感器的功能：将相关的非电量(位移、压力、加速度、流量等)变换成与电阻阻值相关的电量传感器。主要类型：1、线性电位器传感器；2、非线性电位器传感器；3、电阻应变传感器；4、压阻传感器；5、金属电阻传感器；,2,一、线性电位器式传感器的工作原理：,功能：把线位移和角位移变换成具有一定函数关系的输出电阻或输出电压，用来测量压力、位移等非电参数。典型结构如图：1、金属电阻丝 2、骨架 3、电刷 工作原理：动触点移动,3,特点：,1、线性电位器传感器在制作时，其单位长度上电阻值处处相等；2、线性电位器传感器在空载和带负载的情况下，其输入输出特性有着明显的区别。,4,1、空载输入输出特性,线性电位器的理想空载特性曲线具有严格的线性关系。当电位器电刷的行程为x时(如图)：,5,电压灵敏度：电阻灵敏度：式中：、A、t：导线的电阻率、导线的截面积、导线的节距;b、h：骨架的宽度及高度；I：工作电流。,空载输出电压：,6,电压视在分辨率U：电位器电刷作台阶式的跳跃式的变化。电刷每移过一匝，输出电压(电阻)就会产生一个阶跃，其阶跃值为(N为线圈总匝数)：U=Umax/N线性电位器的电压分辨率ebl：工作行程内，电位器产生一个可测出的输出变化电压与最大输出电压之比的百分数，即：ebl=U/Umax=(1/N)100%,7,线性电位器的阶梯误差jl：理想阶梯特性曲线对理想的理论直线的最大偏差值与最大输出电压值之比的百分数：,8,2、负载特性 电路接入负载后，输出电压为：令电阻的相对变化为：其中：X为电刷相对行程,9,电位器接入负载后的非线性误差l：令 可得：,10,(二)线性电位器传感器的应用 特点：整个量程范围内，单位长度上的电阻值处处相等，只要是能转变成位移的参数均可用电位器作为检测元件，例如：温度、物位，振动、位移、速度等。下图为电位器式数字位移测量仪的原理图。,11,电路特点：1、供桥电压由稳压电源1403提供，输出为2.5V；2、传感器接入电桥中，构成桥臂；3、放大器接成跟随器形式，选用高输入阻抗的放大器，图中，其差动输入阻抗可以达到，因此，在测量时，电桥的阻值变化相对 与外电路而言，可以认为外电路是开路。4、ICL7139为双积分式A/D转换器件，它的输出可以直接驱动LCD显示。,12,调试过程如下：1、电位器处于零点(动触点无位移)，选择合适的桥臂电阻，使得，通过调节放大器的调零电阻BP1、BP2，使得电路的输出为0；2、用该位移计测量一段标准位移(满量程位移)，如该位移计的量程范围为040mm，如40.00mm，调节BP3改变参考电压，使得LCD的显示为40.00mm。3、调试过程中，A/D转换器的参考电压是根据量程来调整的。调试的过程实际上也是位移计定标的过程。,13,二、非线性电位器传感器 非线性电位器传感器-空载时其输出电压或电阻与电刷行程之间具有非线性函数关系，也称函数电位器。可实现函数有：指数函数、对数函数、三角函数等。主要满足控制系统的一些特殊要求。常用的非线性绕线电位器有变骨架式、变节距式、分路电阻式及电位给定式四种。,非,14,三、电阻应变式传感器 传感器组成：电阻应变片、测量电路；敏感元件的电阻随机械变形(伸长或缩短)大小而变化。应用：测量力和与力有关的一些非电参数(如压力、扭力、加速度等)。特点：精度高，测量范围广；结构简单，性能稳定可靠，寿命长；频率特性好，能在高温、高压、振动强烈、强磁场等恶劣环境条件下工作。,15,(一)应变片的工作原理 电阻应变片是采用直径约为0.025mm的具有高电阻率的金属电阻丝制成，如图所示：图中，l 称为应变片的标距或称工作基长，b 称为应变片的工作宽度。应变片的转换原理是金属电阻的应变效应。应变效应：金属丝的阻值随其变形而改变的一种物理现象。,16,金属丝的电阻值：,其应变关系：,对于直径为D的圆形电阻丝：,由材料力学可知，横向收缩和纵向伸长的关系为：,17,应变片受力后的阻值变化：为材料的泊松系数，不同的金属材料 不同，通常 之间；为电阻丝长度的相对变化量，为纵向应变量；为横向应变。,18,1、金属电阻应变片 形变后，应变电阻的阻值变化量为：式中，被称为应变片的应变灵敏度系数。由于大多数金属材料的 之间，所以 之间。对确定材料的金属，泊松系数 为常数，且当受到确定大小的力后，电阻丝的纵向应变和横向应变都定，因此，应变片的阻值变化量随外力的变化而变化。,19,金属电阻应变片的特点：1、高分辨率，非线性误差小，温漂系数小；2、测量范围大；能测量静态、动态应变；3、价格低廉，品种繁多，便于选择和大量使用。应变片电阻值的常用阻值：有60、120、200、350、500、1000欧几种，其中以120欧最为常用。最大允许工作电流：指通过应变片而不影响其工作的最大电流值。工作电流大，应变片的输出信号就大，灵敏度高。,20,2、半导体应变片 金属电阻应变片缺点：灵敏度低 半导体应变片是根据压阻效应原理工作的，即对一块半导体的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时，其电阻率会发生显著的变化。沿某一晶轴方向切下的一小条半导体应变片，若只沿其纵向受到应力，其电阻率的变化量可由下式表示：式中，为半导体纵向压阻系数；为半导体材料的弹性模数；为半导体材料的纵向应变。,21,半导体应变片的电阻相对变化量 式中第一项是由几何形状变化而引起的电阻相对变化量，其值很小，约为12；第二项是由压阻效应引起的，其值约为第一项的5070倍，故第一项可忽略。因此上式可以简化成：式中，K 称为半导体应变片的灵敏度系数。,22,(二)电阻应变传感器的测量电路 电阻应变片工作时其阻值变化较小，例如，一个应变系数k=2，初始电阻为120欧的应变片，当发生1000微应变时，其电阻值的变化为：可见，直接测出这种较小的阻值变化比较困难，且可能会带来较大的测量误差。因此常采用电桥测量电路来把这种电阻值的较小变化转化为电压或电流的变化进行输出，并进行适当放大后便与进行处理。,23,直流电桥平衡条件,直流电桥,当RL时，电桥输出电压为,24,当电桥平衡时，Uo=0，则有,R1R4=R2R3,或,电桥平衡条件：欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。,电桥平衡条件,25,1、电桥测量电路的分析 1)单臂电桥 设R1为电阻应变片，其余为固定电阻，工作时应变电阻的阻值变化为R1，且初始电阻R1=R2=R3=R4，得到输出电压：桥路电压的灵敏度为：,26,提高桥路的电压灵敏度方法：1、提高供桥电压(受应变片允许功耗的限制)；2、选择灵敏度系数较高的应变片。,27,2)差动电桥 电桥中，如果相邻的桥臂中接入应变片，构成差动电桥，通常应变片接在差动电桥的两个相邻桥臂。假设在上图中所示的电桥中R1=R2，R3=R4，R1、R2为应变电阻，且R1产生纵向应变，R2产生横向应变，此时可以得到输出电压为：输出电压灵敏度为：,28,3)全桥差动电路(全等电桥)电桥中，如果R1、R2、R3、R4 都为应变电阻，且初始电阻满足：R1=R2=R3=R4，假设R1、R3发生纵向应变，R2、R4发生横向应变，此时输出电压为：电压灵敏度为：,29,说明：1、产生相同应变的应变片不能接在相邻的桥臂，否则输出恒为0；2、为提高电压灵敏度。除前述方法外，还可以在电桥中进行串联多片的应变片；3、差动电桥和全等电桥虽然对非线性情况的抑制能力类似，但是却提高了电桥的灵敏度。4、对于半导体应变片，其非线性误差较大，通常要进行非线性校正，常用的校正方法有：a、采用高桥臂比的对称电桥；b、用全桥测量电路 c、采用恒流源电桥,30,2、电桥的零位调整 1)电阻调零 串联法、并联法 2)电阻、电容调零（交流电桥）,31,(三)温度误差及补偿 1、应变片本身电阻随温度变化引起的误差；2、应变片的膨胀系数和基底材料的膨胀系数的不同 引起的温度附加误差；3、热敏电阻补偿法。,32,(四)电阻应变传感器的应用 1、半导体应变片压力传感器测量电路,33,说明:1、电路采用恒流源进行供电；2、采用差动式放大结构，提高输入阻抗；小结：电阻应变传感器能测量较大的外力，且价格便宜，因此广泛使用在压力、转矩、加速度的测量中。,34,4.2 电感式传感器 工作原理：1、利用电磁感应现象把被测的物理量如：位移、振动、压力、流量、重量、力矩等各种非电量的变化转换成线圈的自感或互感的变化；2、测量电路把线圈的自感或互感的变化转化为电压或电流的变化量进行输出，实现非电量到电量的转换。分类：自感式传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器。,35,电感式传感器的特点：1、结构简单，无活动电触点，工作可靠、寿命长；2、灵敏度和分辨率高，能测出0.01um的位移变化，传感器的输出信号强，电压灵敏度一般为每毫米的位移可达几百毫伏的输出；3、线性度和重复性好，在一定的位移范围内(几十至几毫米)，传感器的非线性误差可以做到0.05%0.1%，且稳定性也好。能实现信息的远距离传输、控制，在工业自动化生产中被广泛使用；4、频率响应较低、不宜进行快速动态测量。,36,电感式传感器的工作基础：电磁感应即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量,分为变磁阻式、变压器式、涡流式等特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好,37,一、自感式传感器(一)简单自感传感器的原理及特性 1、工作原理：组成：线圈、铁芯、衔铁 气隙厚度：,s1,s2,L2,L1,38,传感器线圈的电感值：（N为线圈总匝数）电路总磁阻：式中：为各段导磁体的磁路平均长度 为各段导磁体的的磁导率 为各段导磁体的横截面积 为空气隙的厚度 为空气隙的磁导率 为空气隙的横截面积,39,忽略导磁体磁阻，可得到电感计算式：自感传感器可分为两种基本类型：a：不变，变，电感值随气隙变化的变气隙型传感器 b：不变，变，电感值随面积变化的变截面型传感器 螺管型传感器：如图示的线圈中放入圆柱型衔铁，当衔铁上下移动时，自感也作相应变化。,40,2、变间隙型自感传感器的工作特性 当面积S不变，空气隙有微小变化 时，设初始空气隙厚度大小为，此时线圈的自感为：电感的变化量为：其中：,41,当 时，将其展开成麦克劳林级数：,而电感量减小时，,42,灵敏度：二次项非线性：通常取：,43,3、变面积型自感传感器的工作特性 从电感的计算式中，变面积型自感传感器它的工作特性是线性的，其灵敏度为：4、螺管型型自感传感器的工作特性 假设线圈内磁场分布是均匀的，当线圈和衔铁的尺寸一定时，电感的相对变化量与衔铁插入长度的相对变化量成正比，由于线圈内磁场强度沿轴向分布不均匀，实际上传感器的输出还是具有一定的非线性。,44,三种传感器的测量特点：1、变气隙型灵敏度高，非线性误差大，测量范围小；2、变面积型灵敏度较低，但线性度好，测量范围大；3、螺管型灵敏度低，测量范围大，结构简单，具有 一定的非线性；4、结构比较简单，运用方便。缺点：具有初始电感，线圈流向负载的电流不为零，衔铁永远受有吸力，这些都是结构带来的固有误差，并且线圈电阻受温度影响引起温度误差，灵敏度低等。,45,(二)差动自感传感器 变间隙型差动自感传感器的原理图如图：组成：一个公共衔铁、上下两个对称线圈。结构特点：两个磁体的几何尺寸、材料、电气参数完全一致，传感器的两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，在初始状态，两个电感线圈的电感值大小相等，极性相反，电桥的输出为零。,46,差动自感传感器中，电感变化量为：灵敏度为：差动自感传感器仅含有奇次方非线性项，其三次方非线性误差为：,47,(三)、基本测量电路 如图变压器式交流电桥，桥路中，Z1，Z2为传感器的两个线圈中的阻抗，构成一对桥臂，另两臂为电源变压器二次线圈的两半(每一半的电压为)，0为零电压参考电压，A，B点为电压输出端。,48,衔铁处于中心位置时，两线圈完全对称：当衔铁时，可得到输出电压：当传感器的线圈电阻 远小于其感抗，即，输出电压的有效值为：为电源角频率。,49,显然，当衔铁运动时，阻抗Z1，Z2虽然发生变化，但是注意到，变化的仅为电感量L，而线圈电阻r，可认为不变，故。同理当衔铁时，可得到电压输出值为：有效值为：,50,(四)自感传感器的应用：1、JGH型电感测厚仪：,51,说明：1、L1、L2为自感传感器的两个线圈，两者与电容C1、C2构成了电桥的四个桥臂，二极管电路VD1VD4构成了相敏整流电路；2、电阻R1R4作为附加电路，用于减小温度变化时，相敏整流电路带来的温度附加误差，所以应选用温度系数较小的电阻；3、RP1作电桥调零使用，RP2调节指示仪表满刻度使用，C3起滤波作用。4、被测厚度的金属体相当于传感器的衔铁，初始位 置为0，厚度发生变化，导致L1、L2的大小变化，经过电位器RP2调节后，可从指示仪表读出位置参数。,52,变磁阻式传感器的应用,变隙电感式压力传感器结构图,当压力进入膜盒时，膜盒的顶端在压力P的作用下产生与压力P大小成正比的位移，于是衔铁也发生移动，从而使气隙发生变化，流过线圈的电流也发生相应的变化，电流表A的指示值就反映了被测压力的大小。,53,下图为变隙式差动电感压力传感器。它主要由C形弹簧管、衔铁、铁芯和线圈等组成。,54,当被测压力进入C形弹簧管时，C形弹簧管产生变形，其自由端发生位移，带动与自由端连接成一体的衔铁运动，使线圈1和线圈2中的电感发生大小相等、符号相反的变化。即一个电感量增大，另一个电感量减小。电感的这种变化通过电桥电路转换成电压输出。由于输出电压与被测压力之间成比例关系，所以只要用检测仪表测量出输出电压，即可得知被测压力的大小。,55,二、差动变压器式传感器 工作原理：把被测物理量的变化转换成互感系数的变化，传感器本身又是互感系数可变的变压器，由于接线方式为差动工作方式，所以称为差动变压器式传感器。同时，由于它是基于互感变化的原理，所以又称互感变压器。,56,差动变压器式传感器的结构示意图,57,变隙式差动变压器等效电路,58,三、电涡流式传感器 电涡流效应：电感线圈产生的磁力线经过金属导体时，金属导体就会产生感应电流，这种感应电流成闭合回线，称之为电涡流。根据电涡流效应原理制成的传感器称之为电涡流式传感器。电涡流的特点：电涡流的大小与金属的电阻率、磁导率、厚度及线圈与被测金属体的距离、线圈励磁电源的角频率等参数有关，如果固定其中一些参数，就可以根据涡流的大小求出另外的参数。,59,工作原理,电涡流式传感器原理图（a）传感器激励线圈;（b）被测金属导体,60,涡流传感器的特点：1、非接触的连续测量，动态响应好，灵敏度高；2、测量线性范围大，抗干扰能力强；应用：可用来测量振动、位移、厚度、转速、温度，硬度等参数，还可以进行无损探伤。分类：涡流传感器在金属体上产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的励磁电流的频率有关，所以涡流传感器据此又可以分为高频反射式传感器和低频渗透式传感器两类。从基本工作原理而言，两者是类似的。,61,1、基本原理 当没有测量体接近时，传感器线圈由于高频电流i的激励将产生一个交变磁场。被测物体靠近传感器时，由电磁感应定律，金属表面产生电涡流，该电涡流将产生一个与激励磁场相反的电磁场。相应的，得到如下的涡流渗透深度计算式：式中：为渗透深度;为导体电阻率 为交变磁场的频率 为相对磁导率 在金属导体表面产生的涡流引起的磁场又反作用于传感器线圈L，力图改变线圈电感量的大小，变化程度与线圈L的尺寸大小、距离x及、等参数有关。,62,2、高频反射涡流传感器等效电路 假设传感器线圈的原有电阻为R1，电感为L1，无导体靠近时，其复阻抗为，有导体靠近时，传感器线圈与金属导体耦合成一个线圈，可把传感器线圈看作是变压器的原边线圈，把金属导体中涡流回路看作是变压器的次级，复阻抗为：且由涡流产生的磁场总是与原磁场相反，线圈和导体间还存在一个互感M，其大小取决于金属导体和线圈之间的距离x。,63,被测导体靠近时的等效阻抗 特点：当由被测导体靠近线圈时，线圈的等效电阻增大，等效电感减小。高频涡流传感器的线圈阻抗Z与被测材料的电阻率、磁导率、激励频率 以及传感器线圈与被测导体间的距离 有关。,64,当电源频率 以及、恒定时，被测物体与线圈的距离 与线圈的阻抗Z成单值函数关系，如果被测材料一定，可写成如下的式子：被测量发生变化时，阻抗Z将作相应变化，通过测量电路把阻抗Z的变化转换成电压U的变化，完成位移到电量的转换。输出电压与位移的I/O关系曲线如图。同理，固定其它三个参数，而使 或 为变量，可以用于检测材料的电阻率或磁导率的变化，这就是涡流传感器用于无损探伤的原理。,65,3、低频透射涡流传感器 从涡流渗透深度计算式可看出，当激励电源的频率较低时，将会得到较深的渗透深度，低频涡流传感器就是采用低频激励来获得较深贯穿深度，可以用来测量金属的厚度。工作原理图如图：传感器有两个线圈组成，一个为发射线圈，另一个为接收线圈，分别位于被测物体的两侧；,66,振荡器产生的低频电压 加到发射线圈L1的两端，则接收线圈L2的两端将产生感应电压，如果在两个线圈间没有被测金属体M，可知道，L1的磁力线就能较多的穿过L2，这样在接收线圈L2上产生的感应电压 最大；当放入被测物体M后，由于L1产生的磁力线穿过金属板时，将在金属板M中产生涡流，这样就耗损了部分能量，使得到达L2的磁力线减少，从而使得接收线圈L2的输出电压 下降。金属板M的厚度越大，涡流就越强，损耗也越大，输出电压 越小。输出电压 的大小间接反映了金属板的厚度。,67,不同频率下对同一种材料的 关系曲线如图：1、为获得较好的线性度，一般选用较低的测量频率(如1KHz左右)；2、这时候，传感器的灵敏度有所下降，不过渗透深度有所增加。,68,一定频率下，不同的 值改变了渗透深度和的曲线形状。为使测量不同 的材料所得到的曲线形状基本相同，就需在 变动时，保持渗透深度不变，相应地改变频率。当测量电阻率较小的材料(如紫铜)时，选用较低的 频率(500Hz)；当测量电阻率较大的材料(如黄铜，铝)时，选用较高的频率(1KHz)，能使测厚仪获得较好的线性度和灵敏度。,69,4、测量电路 1)桥式测量电路 为提高稳定性和灵敏度，对差动式传感器可采用桥式测量电路，Z1、Z2是传感器的的两个线圈，它们与电阻R1、R2，电容C1、C2组成电桥的四个臂，工作电源由石英晶体振荡器组成的具有高稳定度电源供给，测量时线圈阻抗变化，电桥电路把这种线圈阻抗变化转化成电压的变化，完成有关参数的测量。,70,2)调幅测量电路 传感器线圈L和固定电容C组成并联谐振电路，石英晶体振荡器提供一个频率的稳定高频激励电流，无被测物体时，使LC回路的谐振频率为石英晶体振荡器的振荡频率，即：此时谐振电路的阻抗最大，输出电压也为最大，当导体靠近传感器时，线圈等效电感变小，回路谐振频率升高，回路失谐，此时频率为 的电流 流过谐振电路的电压由原来的 下降为。线圈的电感随两者间的距离的变化而变化，输出电压也随之变化，输出电压U0经放大，检波后，可以用来表示为位移的大小。,71,5、电涡流传感器的应用 1)厚度测量(P130)2)转速测量(P130)3)涡流膜厚检测电路,72,这种测量电路常用来测量金属氧化膜的厚度，由于金属氧化膜的厚度不会很大，所以，检测电路中传感器的信号输出较为弱，如采用平衡电桥，信噪比较小。所以可以采用非平衡的电桥电路，此时信噪比有所提高，所以检测放大器的增益不要求很大。这种检测电路还可以减少外部磁场感应和外部噪声的影响。,73,高频反射式涡流厚度传感器,高频反射式涡流测厚仪测试系统图,74,电涡流式转速传感器 下图所示为电涡流式转速传感器工作原理图。在软磁材料制成的输入轴上加工一键槽，在距输入表面d0处设置电涡流传感器，输入轴与被测旋转轴相连。,图4-32 电涡流式转速传感器工作原理图,75,特点：可实现非接触式测量，抗污染能力很强。最高测量转速可达60万r/min。,