电气检测技术.ppt

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1、第四章 非电量的电测技术,工程测量中常见非电物理量,1、机械量：位移、速度、加速度、力、转矩、应变、应力、振动频率等；2、热工量：温度、压力、流量等；3、化工量：浓度、成分、pH值等。非电量的测量方法：1、非电测量方法：例 2、电测技术,传感器技术,非电量电测技术的关键技术：传感技术：非电量转换成电量的技术。,传感器的定义,1、传感器是一种装置，能完成检测任务；2、输出量与某一被测量有对应关系的量，且具有一定的精度；3、对应的量的关系包括物理量、光、电气、化学量、生物量等。,传感器的组成,结构图：1、敏感元件：直接感受被测量，输出与被测量有确定关系；2、转换元件：磁芯与电感线圈 3、转换电路：

2、磁芯变化引起转换电路输出变化,传感器分类,1、按传感器的工作原理：物理型、化学型、生物型；2、按传感器的构成原理：结构型(定理、数学公式)、物性型(材料有关),3、按能量转换：能量控制型：外加电源、应变电阻、热阻、光阻；能量转换型：压电效应、热电效应、光电动势效应。4、按用途：位移、压力、温度、振动、电流、电压、功率等；,5、按物理型的分类：1)电参量：电阻式、电感式、电容式；2)磁电式：磁电感 3)压电式；4)光电式：光栅、激光、光纤、红外、摄像；5)热电式；6)波式：超声波、微波；7)半导体式；,传感器的一般特性,表征传感器输出与输入之间的关系的特性。1、静态特性：输入量为常量或变化缓慢的

3、信号；2、动态特性：输入量随时间变化较快。,传感器的特性参数,1、线性度(产生系统误差)以及线性化处理；2、迟滞(产生系统误差)；3、重复性(产生随机误差)；4、灵敏度(s)与灵敏度误差；5、分辨力与阈值：分辨力：能检测到的最小的输入增量(绝对值表示),6、分辨率：分辨力用满量程的百分数表示；传感器输入零点附近分辨力称为阈值(死区)7、稳定性：温度、时间、抗干扰稳定性；8、静态误差(精度)；9、动态特性。,4.1 电阻式传感器,功能：将相关非电量(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

4、感器；5、金属电阻传感器；,一、线性电位器式传感器工作原理,功能：把线位移和角位移变换成一定函数关系的输出电阻或电压，测量压力、位移等非电参数。典型结构：1、金属 电阻丝 2、骨架 3、电刷 工作原理：,特点,1、制作时，单位长度电阻处处相等；2、空载和带负载的情况下，其输入输出特性有着明显的区别。,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)：,空载输出电压,电压灵敏度：电阻灵敏度：、A、t：导线的电阻率、截面积、节距b、h：骨架的宽度及高度；I：工作电流,电压分别率U,电位器电刷作台阶式的跳跃变化。电刷每移过一匝，输出电压(电阻)就

5、会产生一个阶跃，其阶跃值为：U=Umax/N,2、负载特性,接入负载后，输出电压为：令电阻的相对变化为：X为电刷相对行程,非线性误差l：令 可得：,3、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。,电位器式数字位移测量仪的原理图,电路特点,1、稳压电源1403提供供桥电压，输出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，差动输入阻抗可达，测量时电桥阻值变化，可认为外电路开路。4、ICL7139为双积分式A/D转换器件，输出可直接

6、驱动LCD显示。,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、用该位移计测量标准位移(满量程位移)，如该位移计量程范围为0-40mm，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。,二、非线性电位器传感器,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(压力、扭力、加速度等)。,特点

7、,1）精度高，测量范围广；2）结构简单，性能稳定可靠，寿命长；3）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。,1、应变片工作原理,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：l：标距（工作基长）b：工作宽度 转换原理：金属电阻的应变效应。金属丝阻值随其变形而改变的一种物理现象。,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；电阻丝长度相对变化量，纵向应变 为横向应变。,2、金属电阻应变片,应变电阻的阻值变化量为：应变灵敏度系数:多数金属材料的 之间 对一定的金属，为常数，受确定力后，电阻丝的纵向应变和横向

8、应变都一定，因此，应变片的阻值变化量随外力的变化而变化。,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：60、120、200、350、500、1000欧，以120欧最为常用。最大允许工作电流：通过应变片而不影响其工作的最大电流值。工作电流大，输出信号就大，灵敏度高。,3、电阻应变传感器的测量电路,电阻应变片工作阻值变化较小，例如，应变系数k=2，初始电阻120欧的应变片，发生1000微应变时，阻值变化为：,直接测出较小阻值变化较困难，且带来较大的测量误差。常用电桥测量电路来

9、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。,4、电桥测量电路(全桥差动电路),如图 R1、R2、R3、R4 都为应变电阻，初始电阻满足：R1=R2=R3=R4,说明,1）R1、R4纵向应变，R2、R3横向应变，输出电压为：电压灵敏度为：,说明,2）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；3）可在电桥中串联多片的应变片、选择灵敏度系数较高的应变片；提高电桥电压灵敏度；4）提高供桥电压(受应变片允许功耗限制)。,5、电桥的零位调整,串联法、并联法,6、电阻应变传感器的应用,应变片压力传感器测量电路,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。,