【教学课件】第三章常用传感器.ppt

《【教学课件】第三章常用传感器.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《【教学课件】第三章常用传感器.ppt（111页珍藏版）》请在三一办公上搜索。

1、第三章、常用的传感器与敏感元件(2),二.电容式传感器,变换原理:将被测量的变化转化为电容量变化,两平行极板组成的电容器,它的电容量为:,、A或发生变化时，都会引起电容的变化。,极板距离 A极板面积-极板间介质相对介电系数0-真空中介电系数 0 8.851012 F/m,a)极距变化型,驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,b)面积变化型,平面线位移型,柱面线位移型.,c)介质变化型,产品.,电容式液位传感器（液位计/料位计）,测量头构成电容器的一个极

2、板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的介电常数发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化.接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,电容式接近开关,3 测量电路,a)电桥电路,b)运算放大器电路,Uy=u0*C0/CxUy=u0*C0*/0A,极距变化型的灵敏度为S(非线性）:,面积A变化型的灵敏度为S(线性）:,例1：为防止电容传感器击穿，在两极之间加入厚度为a的两片云母片，如图238所示，其相对介电常数为r，空气介电常数为。(空气介电常数近似于真空介电常数)，求传感器总电容(设圆形极板直径为D，两云母片之间距离为。)。,解：看成

3、有三个电容C1,C2,C3串联,C2,C1,C3,空气中的相对介电常数r11，由于C2=C3,所以总电容C为：,答：传感器总电容为.,电容式传感器（结构型传感器）,极距变化型,电容式传感器小结,面积A变化型,介质变化型,(灵敏度S为非线性）灵敏度S比面积和介质型都大,灵敏度S为线性灵敏度S比极距变化型小,三.电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量（如位移等）转化为电感量的一种装置。,分类:,电感式传感器,1 自感型(1)可变磁阻式,W线圈匝数Rm磁路总电阻,原理:电磁感应,l铁心导磁总长度 铁心磁导率A铁心导磁截面积 气隙长度 0空气磁导率 A0空气导磁横截面积,其中：,因

4、为铁心磁阻与空气磁组相比是很小的，可加以忽略.,代入L式得：,因为L与呈非线性关系所以一般测小位移（0.0011mm),例1：设图239所示电感位移传感器的铁心相对磁导率为104,空气的相对磁导率为1.已知真空中的磁导率0410-7Hm。试对下述情况计算该传感器的输出电感：(1)气隙为0；(2)气隙为2mm。,解：l1=l3=151 mm=16 10-3(m)A1=A3=1510-33010-3=45 10-5(m2)l2=7.5+7.5+30=45 mm=45 10-3(m)A2=1010-33010-3=3 10-4(m2)l4=7.5+7.5+30=45 mm=45 10-3(m)A4=

5、210-33010-3=6 10-5(m2)磁阻Rm为：,2 mm=210-3(m),答：该传感器的输出电感（气隙为0）517.6mH,气隙为2mm)5.6mH.,可变磁阻式典型结构,可变位移型,传感器的灵敏度,(2）涡流式,原理:电涡流效应,楞次定律,涡流式电感式传感器可分为高频反射式和低频透射式两大类型：透射式还可测金属板的厚度,高频反射式,低频透射式,高频反射式涡流式电感式,H1,H2,a.原理和公式传感器的线圈通以高频电流激励，产生高频磁场H1，当被测导体靠近传感器时，根据电磁感应定律，则被测导体中将产生涡流，此涡流将产生磁场H2反作用与H1，线圈阻抗Z发生变化。,等效阻抗计算公式为：

6、R1线圈电阻（）L1线圈电感（H）R2被测体涡流回路电阻（）L2被测体涡流回路电感（H）激励电流的角频率 2fM互感系数(H),当电源频率f、电流强度i、磁导率、电阻率一定时，阻抗Z是x(位移)的单值函数，Z=f(x),即制成涡流式电感位移传感器,L1,L2,2.低频透射式涡流式电感式,线圈L1上加音频电压e1，线圈中流过同频电流，周围将产生交变磁场，磁场穿过金属片作用于线圈L2,并感应出电流。当磁场在金属片上产生涡流，消耗部分磁场能量，金属片越厚，涡流损耗越大，输出电压越低。所以可以通过测输出电压求出金属片的厚度t。,原线圈的等效阻抗Z变化：,线圈与金属板之间的距离 金属板的电阻率导磁率 线

7、圈激磁圆频率可应用在位移和振动()，材质()，探伤()、厚度等方面的测量中。,结构简单，灵敏度高，非接触测量，应用广泛，,涡流式传感器特点：,气隙,输出幅值变化,调幅波,放大,检波,滤波,与气隙相关的波形,工作原理,可分为调幅式和调频式电路,以测量位移为例：,调幅式电路,L值变化,振荡器（载波）,调频式转换电路(调频电路）,调频式时，首先要说明为电路中的谐振频率：当传感器线圈L和电容C组成并联谐振回路时其谐振频率为：,以回路的谐振频率为输出量，气隙的大小引起线圈电感变化，从而引起振荡频率的变化，经鉴频器进行频率电压转换得到气隙与成比例的输出电压。,下面为测量厚度和记数仿真实验情况：,产品：,2

8、.互感型-差动变压器式电感式传感器,工作原理:互感现象.（变压器原理）,感应电动势：,当采用差动变压器式电感式传感器时，其线圈（W1和W2)感应电动势分别为e1和e2，其输出为两者之差：,互感型-差动变压器式电感式传感器,W1,W,W2,当铁心在中间时，e1=e2，输出电压为0，铁心向上时，e1e2，向下运动时，e1e2。随着铁心偏离中心位置，其输出越大。,例：试用双螺管线圈差动型电感传感器，作成一个测压力传感器.,解答：测力与测位移的原理没有本质如下图设计的用双螺管线圈差动型电感传感器测力传感器.,F,测力F作用于弹性筒的变形膜片上式膜片上下位移，使铁心上下运动，使两输出线圈的阻抗发生变化，

9、测出其阻抗的变化值即可以实现对压力大小的测量。,差动变压器测量电路（调幅电路）,当没有输入信号时，铁心在中间，调节R（零点），铁心上下移动，其输出电压经交流放大，相敏检波，滤波处理后，输出直流信号。,差动变压器式电感传感器特点：1.精确度高(高到0.1um)2.线性范围大（100mm)3.灵敏度高(比一般变压器式高一倍)4.稳定性好 5.使用方便,差动变压器位移传感器,案例：板的厚度测量,案例：张力测量,第四节 磁电、压电和热电式传感器一、磁电式传感器,1.变换原理:磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有

10、关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,B-磁感应强度 l单匝线圈有效长度W线圈匝数 v相对运动速度A单匝线圈的截面积 线圈运动方向与磁场方向夹角,角速度 k-结构参数,当90,e=WBlv 线速度型(感应电动势e与速度v成正比）e=kWBA 角速度型(感应电动势e与角速度成正比）,B-磁感应强度 l单匝线圈有效长度W线圈匝数 v相对运动速度A单匝线圈的截面积 线圈运动方向与磁场方向夹角,角速度 k-结构参数,2 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,动圈式传感器,线速度型,角速度型,测速电机,磁阻式传感器,磁电式车速传感器,线圈与磁铁不作相对运动，由运动物体（导磁材料）来改变

11、磁路的磁阻，而引起磁力线增加和减弱，使线圈产生感应电动势。,二.压电式传感器（物性型传感器）,压电式传感器是一种可逆型换能器，它既能将机械能转换为电能，又能将电能转化为机械能。,1.压电效应变换工作原理,逆压电效应：如果将这些物质(物体)置于电场中，其几何尺寸也会发生变化，这种由外电场作用导致物质(物体）产生机械变形的现象，称之为逆压电效应，或称之为电致伸缩效应。,压电效应：某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,2.压电材料：具有压电效应的物质(物体)称为压电材料(或称为压电元件)。

12、,压电材料,压电单晶体(石英、水溶性压电晶体等),多晶体压电陶瓷（钛酸钡压电陶瓷等）,天然石英晶体，其结构形状为一个六角形晶柱，两端为一对称棱锥。,在晶体学中。可以把它用三根互相垂直的轴，纵轴Z称为光轴，X铀称为电轴，Y轴 称为机械轴.,压电效应,纵向压电效应（作用力沿电轴(x铀)方向）,横向压电效应（作用力沿机械轴(y轴)方向）,切向压电效应（沿相对两棱加力）,压电式传感器主要是利用纵向压电效应。,作用力沿光轴(z轴)方向的不产生压电效应。,其电容量C为：,3.压电式传感器及其等效电路,r 压电材料的相对介电常数，石英晶体 r=4.5 F/m 钛酸钡 r=1200 F/m 极板距离（即晶片厚

13、度）A压电晶片工作面面积,形成电场,压电传感器可看作是一个带电荷发生器的电容。,式中：Q为电荷量(C)；F为作用力(N)；D为压电常数(C/N)，与材质及切片的方向有关。,外力F与所产生的电荷Q的关系：Q=DF,（极板上的电荷无泄漏）,电荷量与作用力成正比。当然，在作用力终止时，电荷就随之消失。,粘结的方法有两种，即并联和串联。并联情况：,C1,C2,C,C=C1+C2 当 C1=C2=C 时 则 C=2C Q=Q1+Q2=2Q U=U1=U2 时间常数 RC=2RC=1,并联时，传感器的C变大，Q变大，时间常数变大，故适用于测量缓变信号及电荷量输出信号.,串联情况：,C1,C2,C,1/C=

14、1/C1+1/C2 当 C1=C2=C 时 则 C=C/2 Q=Q1=Q2=Q U=U1+U2,时间常数 RC=RC/2=1/2,串联时，传感器的C变小，响应较快，输出电压U变大，故适用于测量以频率较高的信号和电压作输出的信号。,压电式传感器输出电信号很微弱，通常应把传感器信号先输入到高输入阻抗的前置放大器中，经过阻抗变换后，方可输入到后续显示仪表中。前置放大器的作用有两点;其一是将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出;其二是放大传感器输出的微弱电信号。,4、测量电路,电缆长度变化的影响不大，几乎可以忽略不计，故而电荷放大器应用日益广泛。,电路有两种形式:,前置放大器,电压放大器(电阻反馈),电

15、荷放大器(电容反馈),输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比.,电缆长度变化的对测试影响较大,每次使用时都必须进行重新标定。,输出电压与输入电荷成正比.,电压放大器(电阻反馈),输出电压与输入电压(即传感器的输出)成正比.,电缆长度变化会引起C的变化，会导致uy输出的变化。对测试影响较大,每次使用时都必须进行重新标定。,uy,C=Ca+Cc+Ci Cc电缆电容 CcCa(Ci),电荷放大器(电容反馈),uy,电荷放大器的等效电路如上图所示，由于忽略了漏电阻，所以电荷量为：,式中：ui为放大器输入端电压；uy为放大器输出端电压，uy=-Aui，Ci为放大器输入电容；Cf为电荷放大器反馈电容。

16、其中A为电荷放大器开环放大倍数；,上式可简化为:,如果放大器开环增益足够大，则kCf(C+Cf),固上式可简化为：,如果放大器开环增益足够大，则ACf(C+Cf),固上式可简化为：,(uy-q/Cf),上式表明，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正此，并与电缆分布电容无关。因此，即使联接电缆长度在百米以上，其灵敏度也无明显变化，这是电荷放大器的突出优点。,压电式传感器一般适用于动态参数测量，不能用于静态参数的测量（由于电荷泄漏）,5.压电式传感器的应用,压力变送器,加速度计,力传感器,案例：飞机模态分析,三 热电式传感器(基准温度计和工业温度计),热电式,热阻式,测温传感器,变换方式,辐射

17、式,膨胀式,接触式,非接触式,测量方法,输出方式,非电测型等,自发电型,温标:温度的数值表示方法称为温标,温标,摄氏温标,华氏温标,热力学温标等,几种温标的对比,正常体温为37 C，相当于华氏温度多少度？,温度和温标,温标是温度的数值表示方法，是用来衡定物体温度的尺度。常用的有摄氏温标、华氏温标和热力学温标等。,1.热力学温标 K（开尔文）纯水的三相（固、液、气态）平衡点温度为273.15K，物体内部分子停止运动时的温度为0 K。,2.摄氏温标 t（o C 摄氏度）在一个标准大气压下，纯水的沸点为100摄氏度，凝固点为0摄氏度，其间100等分，每等分为1摄氏度。,摄氏温标的物理基础是水银温度变

18、化与体膨胀成线性关系。分度方法是把标准大气压下水的冰点定为零度（0），把水的沸点定为100度（100），摄氏温标C和华氏温标F的关系为：（0=32 F,40=104 F)m=32+1.8 t,4.摄氏温标t()和华氏温标m(F)关系,3.华氏温标 m（o F 华氏度）在一个标准大气压下，纯水的沸点为212华氏度，凝固点为32华氏度，其间180等分，每等分为1华氏度。,5.摄氏温标()和热力学温标(K)关系,热力学温度仍记作T，其单位仍然是K。与此同时的摄氏温度记为t，其单位是“”。T与t的关系是 t=T273.15,先看一个实验热电偶工作原理演示,结论：当两个结点温度不相同时，回路中将产生电动

19、势,热电极A,右端称为：自由端（参考端、冷端）,A.热电偶的工作原理热电效应,左端称为：测量端（工作端、热端）,热电极B,热电势,A,B,T,T,T0,通过以上演示得出结论有关热电偶热电势的讨论,热电偶两结点所产生的总的热电势等于热端热电势与冷端热电势之差，是两个结点的温差t 的函数：EAB（T，T0）=EAB（T）-EAB（T0）=f（T）-f（T0）=f（T）-C=（T）,热电势大致与两个结点的温差t 成正比,热电动势由温差电势和接触电势两部分所组成。,测温范围(180C2800C)(常用 50C 1300C）,k玻耳兹曼常数，e电子电荷量，T接触处的温度NA，NB分别为导体A和B的自由电

20、子密度。,1).接触热电动势：(两种导体）,2).温差电动势：(同一导体)e(T,To),e(T,To)导体两端温度分别为T和To时的电势称为温差电势。汤姆逊系数,B.热电偶回路有以下特点：,1)均质导体定律（用于检查热电偶材质）由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。（相同金属组成热电偶 E=0),2)若热电偶两接点温度相同，则尽管导体A、B的材料不同，热电偶回路中的总热电动势为零。,3)热电偶AB的热电动势与导体A、B的中间温度无关，而只与接点温度有关。4）热电偶AB在接点温度T1,T3时的热电动势，等于热电偶AB在接点温度T1,T2和T2,

21、T3时的热电动势总和。,5)中间导体定律(用于实际测温的引出线）在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,例：试证明图62中的Eabc与图61中的Eab相等（中间导体定律）,解：ac热电偶,同理bc热电偶,6)标准电极定律（用于选配热电偶）两种导体A,B分别与参考电极C组成热电偶，如果他们所产生的热电动势为已知，A和B两极配对后的热电动势可用下式求得：,由于铂的物理化学性质稳定、人们多采用铂作为参考电极。,C 热电偶分类,八种国际通用热电偶：1、R:铂铑13铂（WRLB)2、K:镍铬镍硅 3、E:镍铬铜镍(WREA)4、B:铂铑3

22、0铂铑6(WRLL)5、S:铂铑10铂 6、N:镍铬硅镍硅 7、J:铁铜镍 8、T:铜铜镍,几种常用热电偶的测温范围及热电势,几种常用热电偶的测温范围及热电势,钨铼系列热电偶灵敏度高，稳定性好，热电特性接近于直线，但只适合于在真空中使用。热电偶种类很多，其结构及外形也不尽相同。通常由热电极、绝缘材料、接线盒和保护套等组成,几种常用热电偶的热电势与温度的关系曲线分析,哪几种热电偶的测温上限较高？,结论：,哪几种热电偶的线性较差？,哪一种热电偶的灵敏度较高？,哪一种热电偶的灵敏度较低？,为什么所有的曲线均过原点（零度点）？,安装螺纹,安装法兰,1普通装配型热电偶的外形,普通装配型热电偶的结构放大图

23、,接线盒,引出线套管,固定螺纹（出厂时用塑料包裹）,热电偶工作端（热端）,不锈钢保护管,热电偶的分度表,热电偶的线性较差，多数情况下采用查表法,直接从热电偶的分度表查温度与热电势的关系时的约束条件是：自由端（冷端）温度必须为0C。我们可以通过手册查得热电偶的分度表。但查得得热电势其冷端温度必须为0C，如不为0C，则必须进行冷端温度补偿。,K热电偶的分度表,比较查出的3个热电势，可以看出热电势是否线性？,三.热电偶的冷端温度补偿,必要性：1、用热电偶的分度表查毫伏数-温度时，必须满足t0=0C的条件。在实际测温中，冷端温度常随环境温度而变化，这样t0不但不是0C，而且也不恒定，因此将产生误差。2

24、、一般情况下，冷端温度均高于0C，热电势总是偏小。应想办法消除或补偿热电偶的冷端损失。,1）冷端恒温法（冷端温度恒定、冰点法，实验室使用）使冷端温度保持 To=0oC,冷端放在冰水混合物中,将热电偶的冷端置于装有冰水混合物的恒温容器中，使冷端的温度保持在0C不变。此法也称冰浴法，它消除了T0不等于0C而引入的误差，由于冰融化较快，所以一般只适用于实验室中。,冰浴法,在冰瓶中，冰水混合物的温度能较长时间地保持在0C不变。,冰浴法接线图,1被测流体管道 2热电偶 3接线盒 4补偿导线 5铜质导线 6毫伏表 7冰瓶 8冰水混合物 9试管 10新的冷端,2)、温度修正法（冷端温度校正法、查表计算法、计

25、算修正法）通过分度表种所查得的数据进行温度补偿。,当热电偶的冷端温度t0 0C时，由于热端与冷端的温差随冷端的变化而变化，所以测得的热电势EAB（t，t0）与冷端为0C时所测得的热电势EAB（t，0C）不等。若冷端温度高于0C，则EAB（t，t0）EAB（t，0C）。可以利用下式计算并修正测量误差：EAB（t，0C）=EAB（t，t0）+EAB（t0，0C）,例：镍铬镍硅热电偶测得,3）仪表机械零点调整法,用螺丝刀调节仪表面板上的“机械零点”，使指针指到气温t0（图中为40 C）的刻度上。,机械零点,指针被预调到室温（40 C）可补偿冷端损失,4）电桥补偿法,电桥补偿法是利用不平衡电桥产生的不

26、平衡电压来自动补偿热电偶因冷端温度变化而引起的热电势变化值，可购买与被补偿热电偶对应型号的补偿电桥。,XT-WBC热电偶 冷端补偿器电桥冷端补偿器产生电位 所测热电偶串联所测得结果得到补偿。,通常，用补偿导线将热电偶的参考端引至显示仪表，而显示仪表放在恒温或温度波动较小的地方。采用某两种导线组成的热电偶补偿导线，在一定温度范围内（0100）具有与所连接的热电偶相同的热电性能。,5）.补偿导线的应用,为补偿导线在回路中的连接。必须指出，不同的热电偶要配不同的导线，不能用错。,采用参考端温度恒定法时，参考端的形式和用途如下表所示：,当温度恒定不变或变化很小又不为0时，还必须用热电势修正法修正。,参

27、考端,2.热电阻传感器,利用电阻随温度变化的特点制成的传感器称为热电阻传感器。,热电阻式传感器,金属热电阻式,热敏电阻式,1)、铂电阻温度传感器,对于大多数金属导体其电阻随温度变化的关系为 RtR0(1+At+Bt2)式中:Rt 温度为t0C时的电阻值；()R0 温度为00C时的电阻值；()A 常数，A=（1/1000C)(3.9259668108 0C-1）；1.4963340C B 常数,B=-110-4 0C-2,纯度用R100/R0来表示，其值=1.3925,2)、铜电阻温度传感器（50150oC),RtR0(1+t)电阻温度系数（=4.254.28 108 0C-1）,习题：126页 33；34；35；37；38；312；313;314。,3-11,