现代检测技术导论-4电能量检测.ppt

现代检测技术导论 第四章 电能量检测 4.1 热电偶传感器 4.2 压电式传感器 4.3 磁电式传感器,电能量检测系统的工作原理,电能量检测系统中的传感器属于能量转换型传感器，传感器可以在无须外加电源的情况下将被测量转换为电信号 一般信号比较弱，需采用转换电路将其电能信号进行放大 常见的有：热电偶、压电传感器、磁电传感器等,热电偶传感器是一种将温度的变化转换为电势变化的传感器。 优点：结构简单、动态性能好、测温范围广（-1802800） 广泛应用于冶金、电力、石化等行业,4.1 热电偶传感器,导体热电效应：将两种不同的金属构成一个闭合回路，当两个接点温度不同时（TT0），回路中会产生热电势，这种现象称为热电效应 A、B称为热电极 T端称为热端（工作端），T0端称为冷端（自由端） 热电势的大小由两种材料的接触电势和单一材料的温差电势决定,4.1.1 热电偶测温原理,接触电势：当两种不同的导体紧密接触时，由于其内部自由电子密度不同，设NANB，使由导体A扩散到导体B中的自由电子比由导体B 扩散到导体A中的自由电子多。导体A因失去电子带正电，导体B因得到电子带负电，从而在接触处形成一定的电位差，称为接触电势 反过来，接触电势形成的电场将阻碍电子的进一步扩散，当电子的扩散能力和电场的阻力平衡时，电子扩散达到动平衡 接触电势的大小与两种导体材料的性质及接触点的温度有关,温差电势是同一种导体的两端因温度不同而产生的热电势 设均质导体， 两端温度不同，电子能量不同。高温端的电子能量大，电子从高温端向低温端扩散的数量多，从而在导体两端形成一定的电位差，称为温差电势 反过来，温差电势形成的电场将阻碍电子的进一步扩散，当电子的扩散能力和电场的阻力平衡时，电子扩散达到动平衡 温差电势的大小与材料的性质及两端点的温度有关,热电偶回路的热电势 回路热电势由两个接触电势eAB(T)和eAB(T0) 、两个温差电势eA(T,T0)和eB(T,T0)组成 回路的热电势,若，A、 B两个电极材料相同，回路的热电势为零； 热电偶两个端点温度相同，回路的热电势为零 回路的热电势只与两电极的导体材料和两端点的温度有关 温差电势比接触电势小得多，可以忽略,中间温度定律：热电偶的热电势只与两电极的导体材料和两端点的温度有关，与温度沿电极的分布即电极的形状无关 设热电偶回路中存在中间温度Tn，则回路总热电势,根据中间温度定律，只需得到冷端温度为零时，工作端在各温度下的热电势 在使用过程中，当冷端温度不为零时，可根据中间温度定律进行温度计算,4.1.2 热电偶的基本定理,中间导体定律 利用热电偶测温时，必然引入导线和测量电路（放大器等） 中间导体定律表明，在热电偶回路中，只要接入的第三导体两端温度相等，对回路的总热电势没有影响,标准电极定律 用导体A、B组成的热电偶的电势等于用A、C组成的热电偶和用C、B组成的热电偶的热电势的代数和,铂的性能稳定，标准电极C用铂丝制成 只要得到各种电极对铂丝电极的热电势，就可以用标准电极定理算出任两种材料配成热电偶后的热电势值 可大大简化热电偶的选配工作,使用热电偶测温时，必须固定冷端温度，其输出的热电势才是热端温度的单值函数 实际使用中，热电偶两端距离很近，冷端受热源和环境的影响，既不为零，也不恒定，因此需要对冷端进行处理和补偿,补偿导线法 采用与热电偶热电特性相同或相近的补偿导线将热电偶的原冷端引至温度恒定的新冷端 延长型：对廉价的热电偶，采用延长型，即采用与热电偶电极材料相同的补偿导线延伸冷端 补偿型：对贵金属热电偶，采用补偿型，即采用与热电偶热电特性相近的补偿导线延伸冷端,4.1.3 热电偶的冷端处理和补偿,0恒温法（冰浴法） 在实验室及精密测量中，通常将冷端放入冰水混合容器中，使冷端温度保持0 0恒温法精度高，但使用中需冰水共存，多用于实验室,冷端修正法 实际使用中，热电偶的冷端往往不是0，而是环境温度Tn 这时测得的热电势为EAB(T,Tn)， 用测温仪测得环境温度Tn，得到EAB(Tn,0) 使用中间温度定律得到,冷端温度自动补偿法（电桥补偿法） 利用不平衡电桥产生的不平衡电压作为补偿信号，自动补偿热电偶测量过程中因冷端温度不为零或变化而引起的热电势的变化 电桥由3个温度系数较小的锰铜丝绕制的电阻R1R2R3和电阻温度系数较大的铜丝绕制的电阻RCu组成 铜电阻和热电偶冷端处于同一温度环境 室温时电桥平衡 当冷端温度升高时RCu增大，a点电位下降； 冷端温度升高，两端温度减小，热电偶的热电势减小 设计回路使两者的变化相等，可实现两端温度补偿,测量两点之间的温差 用两只型号相同的热电偶，配相同的补偿导线，反向串接,测量温度和 同类型热电偶同向串联,4.1.4 热电偶实用测温电路,测量平均温度 用几只型号相同的热电偶并联在一起,实用测温电路 电路具有传感器断线报警、冷端温度补偿 100M电阻为断线检测电阻，正常时，热电偶输出送入放大器，热电偶断线时，电源电压经过100M电阻加到放大器同向端，使放大器饱和 10K电阻和10uF电容，构成低通滤波器滤除高频干扰 冷端补偿电路由R1R2R3和温度传感器组成 调整R2，使U0t等于热电偶的冷端修正值 根据中间温度定律 使用温度传感器，可减小冷端温度在一定范围内变化带来的影响,压电式传感器是基于某些介质材料（石英晶体和压电陶瓷）的压电效应实现力与电荷的双向转换 分为正压电效应和逆压电效应 优点：体积小、重量轻、结构简单、动态性能好 用于测量动态力、机械冲击与振动,4.2 压电式传感器,当某些电介质在受到一定方向的压力或拉力产生形变时，其内部发生极化现象，在表面产生电荷；若去掉外力，它们又重现回到不带电状态，这种将机械能转换为电能的现象称为正压电效应 在电介质两个电极上加交流电压，压电元件会产生机械振动；当去掉交变电压时，振动消失，这种将电能转换为机械能的现象称为逆压电效应，也称电致伸缩效应 常见的压电材料有石英晶体和压电陶瓷 利用正压电效应可制成引爆器、声控装置、超声波接收器等 利用逆压电效应可制成晶体振荡器、超声波发送器,4.2.1 热电传感器的工作原理,压电传感器可等效为一个电荷源与一个电容相并联的电路；也可等效为一个电压源与一个电容相串联的电路,为了增大传感器的灵敏度，压电传感器采用压电元件串联或并联构成 并联方式： （电压源） 输出电荷大，时间常数大，适用于测量慢变信号，以电荷为输出的场合 串联方式： （电流源） 输出电压大，时间常数小，适用于以电压为输出的场合,由于压电元件的输出信号非常弱，需把压电传感器接于高阻抗的前置放大器 前置放大器有两个作用： 1、把传感器的高输出阻抗变化为低输出阻抗 2、放大传感器输出的微弱信号 压电传感器的输出可以是电压，也可以是电荷。因此，实际的测量电路有电压放大器电路和电荷放大器电路,4.2.2 压电传感器的测量电路,电压放大器,Ri、Ci为放大器输入电阻和电容，Ra、Ca为传感器电阻和电容，Cc为导线电容 当作用在压电元件上的力为静态力时，由于电荷会通过放大器的输入电阻和传感器本身的泄漏电阻漏掉，所以前置放大器的输出电压为零 压电传感器和压电放大器配合使用时，电缆不宜过长，否则Cc加大，传感器电压灵敏度下降 测量低频信号，应增大前置传感器的输入电阻，使测量回路的时间常数加大，保证有较高的灵敏度,电荷放大器,具有深度电容负反馈的高增益放大器 Cf为反馈电容,A为放大器开环增益 电荷放大器的输出电压与电缆电容无关（即与电缆长度无关），与输出电荷成正比,压电式加速度传感器 压电元件由两片压电压电片并联组成 输出端一端接压电片中间的金属片上 另一端直接和基座相连 压电片上放质量块，用弹簧压紧，对压电元件施加预载荷,使用时，通过底座将传感器和试件刚 性连接，使传感器与试件同频振动 质量块使压电元件受到一个正比于加速度的交变力的作用，传感器的输出与加速度成正比,4.2.3 压电传感器的应用,压电引信：由压电元件和电雷管组成 压电元件安装在弹丸头部，电雷管设置在弹丸尾部，通过导线连接 平时，保险开关S处于a，电雷管E处于保险状态。压电元件即使受压，其产生的通过R释放，不会引爆电雷管 弹丸发射后，音信起爆装置解除保险，开关S从a断开与b接通，处于工作状态 当弹丸与接触时，碰撞压力使压电元件产生电荷，引爆电雷管，进而引起弹丸爆炸 优点：不需配置电源,磁电式传感器是通过磁电作用将被测量（振动、位移、速度、磁场强度）转换为电信号的一种传感器 利用导体和磁场相对运动产生感应电势的电磁感应原理，可制成各种磁电感应式传感器 利用半导体材料的霍尔效应可制成霍尔器件,4.3 磁电式传感器,利用电磁感应定律将运动速度转换为感应电动势输出 优点：不需辅助电源、输出功率较大，检测电路简单、性能稳定 可用于测量转动、振动等 根据实现磁通变化的方式不同，可分为恒磁通的动圈式或动铁式，变磁通的开磁路式或闭磁路式磁电传感器,4.3.1 磁电感应式传感器,恒磁通磁电感应式传感器 磁电式传感器为结构型传感器，当结果参数确定后，感应电动势与线速度或角速度成正比,磁电式传感器适合测量动态量 在电路中接入积分电路，输出与位移成正比 在电路中接入微分电路，输出与加速度成正比,变磁通磁电感应式传感器 也称变磁阻式磁电传感器，常用来测量转速 开磁路式磁电传感器 传感器的线圈、磁铁静止，导磁材料制成的测量齿轮安装在被测转轴上 安装时，将永磁铁产生的磁力线通过软铁端部对准齿轮的齿顶 当齿轮转动时，齿的凹凸引起磁阻的变化，使磁通变化，在线圈中感应出交变电动势 频率等于转速与齿数的乘积 开磁路转速传感器结构简单，但输出信号较小,闭磁路式磁电传感器 转子与转轴紧固，转轴与被测物相连 转子与定子用纯铁制成，它们和永磁铁构成磁路系统 转子和定子的环形端部都均匀铣出等间距的齿和槽 测量时，被测物带动转子转动， 当转子和定子齿凸凸相对时，气隙最小，磁阻最小，磁通最大 当转子和定子齿凸凹相对时，气隙最大，磁阻最大，磁通最小 随转子转动，磁通周期性变化，在线圈中感应出近似正弦波的电动势信号，经施密特电路整形变为矩形脉冲信号,霍尔传感器是利用霍尔效应原理实现磁电转换，从而将被测物理量转换为电动势 霍尔效应：将半导体薄片置于磁场中，若在薄片控制极通过电流，将在输出电极产生电动势，此现象为霍尔效应，产生的电动势称为霍尔电势 优点：灵敏度高、线性度好、稳定性高、体积小,4.3.2 霍尔传感器,霍尔元件的基本测量电路 四端型器件 一对控制电极 一对输出电极 控制电流由电压源提供，RW调节控制电流大小,霍尔元件主要参数 输入电阻Ri和输出电阻Ro： Ri控制极之间的电阻，Ro输出极电阻 额定控制电流I0和最大允许控制电流： 当霍尔元件通过控制电流使其在空气中产生10温升时，对应的控制电流称为额定控制电流 元件最大温升限制所对应的控制电流称为最大允许控制电流 不等位电势U0和不等位电阻r0 在额定控制电流下，不加外磁场时，霍尔输出电极空载输出电势为不等位电势。产生不等位电势的原因是两个霍尔电极没有安装到同一等位面上 不等位电势U0与额定控制电流I0之比，称为不等位电阻r0,不等位电势误差的补偿 不等位电势是零位误差，可采用电桥平衡原理补偿 霍尔元件可以等效为四臂电桥，R1-R4为电极间的等效电阻 理想情况下，不等位电势为零电桥平衡，相当于R1-R4相等 若不等位电势不为零，相当于R1-R4不全相等。可根据输出电极两点电位的高低，判断应在哪个桥臂上并联电阻，使电桥平衡，从而消除不等位电势 一般在阻值较大的桥臂上并联电阻,霍尔传感器的类型 线性霍尔传感器 集成霍尔元件、放大器、电源和线性调整等 输出电压随外磁场强度成线性变化,开关霍尔传感器 当外加磁场小于磁场工作点Bp时，滞回比较器输出低 当外加磁场大于磁场工作点Bp时，滞回比较器输出高 当外加磁场小于磁场释放点Bv时，滞回比较器输出低 会差宽带B=Bp-Bv， Bp越小，灵敏度越高；B越大，抗干扰能力越强,霍尔传感器应用 霍尔位