矿山测试技术_传感器及其测量电路.ppt

2 传感器及其测量电路,工程中各种传感器,2.1 概 述,传感器(sensor/transducer)定义： 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可输出电信号的器件或装置。它担负着获取信号和转换信号的任务 在矿业工程中测试中大多数属于非电量电测法，在这里传感器的任务是将待测的非电量转换成电量 测试一般过程 选择传感器类型-根据被测对象的性质、环境特点及对测量精度的要求 选择电测线路(二次仪表) 传感器的设计和标定,2.1.1 传感器构成,传感器主要由两部分构成(结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变) 弹性元件(敏感元件sensing element) 由弹性材料做成，它直接感受被测非电量，其作用是实现各种非电量之间的转换，如把力、压力、位移、加速度、温度等变换成应变量或位移量等 变换元件（transduction element） 其作用是把弹性元件输出量(如应变量或位移量)转换成电学量。如电阻应变片把应变转换成电阻，差动变压器把位移转换成电压等,2.1.2 传感器分类,1. 按传感器用途分类 按被测物理量来分类的，它能明显体现传感器的功能 如位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器、气敏传感器、流量传感器等 特点：便于使用者根据测试物理量选择传感器 问题：种类繁多 2. 按工作原理分类 按传感器工作原理来分类 如电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式、光电式传感器 特点：每一种都有相同的工作原理，其后接变换电路二次仪表也基本相同，对研究和学习都很方便 问题：使用不方便,2.1.3 传感器性能要求,把传感器看作是一个系统 传递性能静态特性、动态特性 精度和误差 信噪比 稳定性 抗干扰能力,2.2 电阻式传感器,电阻式传感器是把被测量的变化转换为电阻变化的一种传感器 按工作的原理可分为:变阻式、电阻应变式、热敏式、光敏式、电敏式,2.2.1 电阻应变式传感器构造和工作原理,电阻应变式传感器组成 由电阻应变片、弹性元件等部分组成，其核心元件是电阻应变片半导体、金属应变片 金属电阻应变片结构 由敏感栅1、基底3、粘结剂5、覆盖层4、引线2等组成,金属应变片构造和电阻丝变形图,单根敏感栅,金属应变片工作原理,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变电阻效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象 设电阻丝长为L，面积为S，电阻率r，则电阻R,如果保持温度T不变，当电阻丝的两端受到轴向拉力作用，长度增加，面积减少，电阻率则因晶格发生变形等也会发生变化,金属应变片工作原理,电阻相对变化率与电阻丝体积变化率存在如下线性关系,对于半径为r，泊松比为的电阻丝有,C材料压阻比例系数,金属应变片工作原理,Ks电阻丝的灵敏系数，它表示电阻丝电阻变化率随应变变化的敏感程度 电阻丝材料为康铜、镍合金丝，直径0.025mm， 箔式应变片箔片厚度110微米 灵敏系数取决于两个因素： 几何变形和材料电阻率变化(压阻效应),电阻丝电阻相对变化率与变形之间关系,半导体应变片工作原理,KSP半导体材料的压阻系数 E 半导体材料的弹性模量 半导体应变片变形时，电阻相对变化,敏感栅用半导体应变片材料制成的应变片 对于半导体应变片，电阻率变化与轴向应力s 或应变e 存在如下线性关系,金属应变片与半导体应变片比较,金属应变片,对于半导体应变片,结论： 金属应变片的应变电阻效应以结构尺寸变化为主 半导体应变片的应变电阻效应主要基于压阻效应,应变片灵敏系数K,应变片是根据应变电阻效应原理制造出来。它的输入量为机械应变，输出量为电学量(电阻) 应变片灵敏系数与单根电阻丝灵敏系数不同 应变片灵敏系数K定义为,金属应变片灵敏系数约为2 半导体应变计灵敏系数可达100以上,2.2.2 测量电路,原因： 电阻应变片把力学量(应变)的变化转换成电阻的变化 但是，一般电阻变化是很小的，不易直接测量 电阻应变片测量电路: 常用的测量电路是电桥电路 作用： 把电阻(电感、电容)的变化转换成电压或电流的变化 分类： 按供给电桥电源不同，电桥电路分为直流电桥和交流电桥,2.2.2.1 直流电桥,放大器的输入内阻很高，电桥输出端相当于开路,R2,R1,直流电桥输出,直流电桥输出端接电阻应变仪放大器时，输出为电压，故又称电压电桥 输出端开路时电桥的输出电压为a点和b点的电位差,电桥平衡条件和输出,即电桥平衡时相对桥臂电阻的乘积相等。 当桥臂1电阻产生 时，电桥失去平衡，此时电桥输出电压为,电压平衡条件：当电压平衡条件时，电桥输出电压为零,应变片将应变的变化转变为电阻的变化，而电桥把电阻的变化转变成电压的变化,应变片在电桥中连接方法,应变片在电桥中连接方法 三种方法单臂接法、半桥接法、全桥接法,全等臂电桥,实际应用中大多采用等臂电桥，即有R1=R2=R3=R4=R 设工作应变片产生应变后电阻增量 ， 则有,K应变片的灵敏系数 小结： 应变片将应变变化转换为电阻变化， 电桥将电阻变化变换为输出电压的变化，输出的电压与应变片的电阻变化成线性关系 测量了电桥电压的变化，测量了应变,2.2.2.2 交流电桥,为什么用交流电桥 采用高稳定性直流电流放大器，复杂且昂贵，测量电路多用交流电桥和放大器 交流电桥不仅在应变测量中得到应用，在电感式、电容式传感器测量线路中应得到应用,交流电桥接线图,交流电桥,阻抗,容抗,感抗,Xj电抗 w 、 f电源的角频率，频率,交流电桥输出和电桥平衡条件,对于交流电压电桥要求负载阻抗为无穷大，相当于输出端为开路，在此条件下,电桥平衡条件,实部，虚部同时相等幅值平衡和相位平街,桥臂阻抗发生变化时电压输出,处于平衡状态的任一桥臂的阻抗发生变化时，输出的电压,电压输出为,对于等臂电桥,2.2.2.3 电桥特性,1)电桥加减特性 处于平衡状态的电桥，当四个桥臂电阻都发生很小变化，应用差分方法和电桥平衡条件便可得到此时电压输出值,电桥加减特性分析,差动特性 当电桥相邻臂电阻增量同号时，对输出作用相互抵消 当电桥相对臂电阻增量异号时，对输出作用相互抵消 叠加特性 当电桥相对臂电阻增量同号时，对输出作用相互叠加 当电桥相邻臂电阻增量异号时，对输出作用相互叠加 电桥加减特性在实际测量中应用 可以通过不同的接桥方法来提高测量的灵敏度，消除不需要的成分,全等臂全桥接法输出,条件,2) 桥臂中应变片串联,桥臂中应变片串联,桥臂中应变片串联输出,当电桥中工作臂由n个阻值和灵敏系数都相同的应变片串联组成，设每个应变片电阻应变为 时，则电压输出为 此接法的用途： 提高供桥电源电压 取各点应变平均值,3)电桥的灵敏系数,电桥的灵敏系数定义为,桥臂比,灵敏系数是n的函数，由求极值原理可得当n=1时， 灵敏系数最高 提高电源电压可以提高电桥的灵敏系数，提高精度,4) 电桥的线性度,单臂电桥按线性化处理时输出电压,单臂电桥实际的电压输出,则单臂工作电桥非线性误差为,误差数字计算,当K=2,=2000me 时, g =0.2%； 当K=100,=2000me 时，g =10% 结论： 对一般金属应变片非线性误差较小 对于半导体应变片非线性误差较大,双臂差动电桥非线性误差,双臂差动电桥实际的电压输出,结论： 电压输出与应变变化是线性的，无非线性误差 提高电桥灵敏度,5) 电桥温度补偿特性,目的 应变片电阻会随环境温度的变化而改变。测量结果将包含有环境温度变化所产生的附加应变，其量值往往很大，应采取相应措施来消除其影响，即进行所谓的温度补偿 采用桥路补偿方法 在常温范围内，采用桥路补偿方法，就是利用在电桥的两个相邻桥臂上，同时产生量值相同、符号亦相同的电阻变化量，不改变电桥输出的性质，消除温度变化带来的附加应变,a 补偿片补偿法,在与被测试件材料相同、但不受应力的补偿件上，粘贴和工作片性能完全相同的补偿应变片，并使补偿件和被测试件同处于相同的温度环境中。工作片与补偿片分别接入测量电桥的相邻桥臂，通过电路本身的特性来抵消两应变片由温度产生的电阻增量,b 工作片补偿法,在一定条件下，补偿片亦可由工作片代替。如图悬臂梁，上下两表面应变量值相等，符号相反，温度条件相同，各贴一个类型、阻值和灵敏度系数均相同的应变片，并各自连接在电桥的两个相邻桥臂上。这两个工作片互为温度补偿片。同时可使电桥灵敏度提高。增加测量的精度,2.2.3 电阻应变式传感器的特点和应用,特点 测量范围广、灵敏度和精确度高。 最小可测15微应变，最大可测23万微应变。其测量误差一般小于2 在矿业、土木工程中，主要有测力传感器、位移、加速度传感器、压强传感器、压力盒等,1) 测力传感器,测力传感器 是目前使用最广泛的一种测力传感器，它灵敏度高，可测力的瞬时值,电阻应变式测力传感器照片,应变式称重传感器样本,2) 膜片式压力传感器（压力盒 ）,压力盒外观 土压力 孔隙水压力,膜片式压力传感器结构和原理,当膜片受到土压力时，膜片将产生径向应变和切向应变,只利用径向应变：中心处贴2片（正应变） 在边缘处沿径向贴2片（负应变）(全桥接法） 利用径向应变和切向应变,3 ) 位移传感器,当自由端受待测物体的作用力而产生位移时，应变片产生与位移成正比的电阻变化 电阻式位移测量范围较小，在0.1mm0.1mm之间，其测量精度小于2%，线性度在0.10.5%之间,2.3 电容式传感器,定义：电容式传感器是以各种形式的电容器作为变换器或传感元件，将被测物理量的变化转化为电容量变化的传感器,三轴加速度传感器 汽车发生碰撞,电容式传感器实物图,水位计 压力计,2.3.1 电容式传感器工作原理,平板电容器：当忽略边界效应时，两个金属平板间的电容为,e两极板间的介电常数 S两极板相对有效面积 d两极板间的间隙 C两金属板间的电容,电容式传感器工作原理,改变电容C的方法有三种 其一改变两个极板间的距离 其二改变形成电容的有效面积 其三改变介质介电常数 以上任何一种变化都将产生电容值的改变，从而构成电容式变换器,2.3.2 变间隙式电容传感器,1) 输入-输出特性关系,当其中一个极板在被测参量作用下发生位移，使间隙d0 减少了x，则电容 C0将增加 DC 电容的变化量为,电容的相对变化量为,输入输出级数展开式,当 x/d01 时，上式括号按级数展开得,d0 初始间隙 c0 初始电容量 输入-输出关系具有严重的非线性,输入输出的关系,2) 线性化和非线性误差,线性化后，输入与输出关系,实际输入输出关系,非线性误差,3) 变间隙式电容传感器灵敏度,灵敏度K 的定义为,可见灵敏度KL 与初始间隙 d0 的成反比,4)差动变间隙式电容传感器,差动变间隙式电容传感器结构 动极3板与固定极板1组成电容器C1，与固定极板2组成电容器C2，动极板3随被测物理量移动。电容的变化量（差动联接）为,5) 差动变间隙式电容传感器特性,差动变间隙式输入输出关系,差动变间隙式非线性误差近似值为,差动变间隙式电容传感器灵敏度为,差动式电容传感器灵敏度提高一倍 差动式电容传感器非线性误差减小，是x/d0二阶小量,2.3.2 变面积式电容变换器,1) 输入-输出特性,动极板在被测参量作用下发生横向位移，使两极板相对有效面积改变s ，则电容c0 也将有相应改变 c ，并且,变面积式电容变换器的输入-输出特性在理论上是理想的线性,2) 灵敏度和线性度,2) 灵敏度 3)理论线性度 结论 灵敏度为常数 非线性误差（理论线性度）为零。,2.3.3 变介电常数电容式传感器,变化前 变化后,1) 输入-输出特性,引起两极板间介质介电常数变化的因素，可以是介质含水量、介质的厚度 常用传感器 含水量测试 物位高度测量 介质厚度测量 气体成份测量,当两极板间介质的介电常数变化，则电容也将相应改变,2.3.4 测量电路,测量电路作用： 将电容微小变化（增量）转换成电压、电流或者频率变化，并且电容微小与成单值函数关系 电容转换电路有交流电桥电路、调频电路、运算放大器式电路、二极管双T形交流电桥、脉冲宽度调制电路等,1) 交流电桥电路,特点：电容变化转变成电压变化,2) 谐振电路,调频电路将电容式传感器作为 LC 振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器工作时，电容C 发生变化，就使振荡器的频率 f 产生相应的变化,3) 运算放大器电路,特点：电容变化转变成电压变化，可以消除非线性误差,2.3.5 电容式传感器特点,它结构简单，体积小 灵敏度和分辨率高，可测量0.01mm级位移变化量(测微仪) 动态特性好，因其可动部分质量小，固有频率高 可非接触式测量，可动态、静态测量 稳定性好，电容器极板多为金属材料，极板间多为无机材料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高温、低温强磁场、强幅射下和强烈振动等恶劣条件下长期工作，尤其是解决高温高压环境下的检测难题 非线性误差较大，受外界电容影响大，量程小，应用受限制,2.3.6 电容传感器应用,应用于压力、液位、振动、位移、加速度、成分含量等 非接触测量 1 震动，偏心，同心度 2 位移，位置，膨胀 3 挠度，波动，倾斜 4 尺寸，公差，分选，另件识别 5 冲击，应变，轴向振动 6 轴承振动，油膜间隙，磨擦,矿山工程中应用孔隙水压力计,位移计、孔隙水压力计、水位计 孔隙水压力计,矿山工程中应用液位计,它是一根绝缘层覆盖金属棒插入盛液容器内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的介电常数1和液面上的介电常数2不同，所以，可通过两电极间的电容量的变化来测量液位的高低。电容液位计体积小，容易实现远传和调节，适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位测量,x 电容器浸入液体中的深度； R 同心圆电极的外半径； r 同心圆电极的内半径； 1 被测液体的介电常数； 2 空气的介电常数。,液位计2,包裹聚四氟乙烯套管,棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管绝缘层，当其浸入导电液体时，电极以绝缘层为介质与周围导电液体形成圆筒形电容器，电容为,连续测量水池、水井、江河水位和各种导电液体的液位x,2.4 电感式传感器,定义：电感式传感器是利用电磁感应原理，把被测量(如压力、位移和加速度等)变化通过弹性元件转换成自感或互感的变化装置,分类:,电感式传感器,2.4.1 传感器构造和工作原理,原理： 把线圈接在交流电源上，当磁芯和衔铁的间隙变化时，会使间隙磁阻发生变化，从而线圈的电感发生变化。通过对电感量的测量，就能知道测杆的位移量,构造：线圈和磁芯衔铁和测杆等,线圈的电感与被测量之间的关系,磁通所经过的磁路的总磁阻 磁芯与空气的导磁率 磁芯与空气间隙路磁长度 磁芯与空气间隙横断面。,电感式传感器的线圈、磁芯和衔铁构成一个自感线圈，一个匝数为n的线圈，其自感L为,自感式传感器类型,线圈的电感与空气隙厚度成反比，与磁通气隙面积S成正比 目前常用的自感式传感器可分为： 变隙式电感传感器，它是通过改变气隙厚度制成的 变面积式电感传感器，它是通过改变气隙截面积制成的 螺管式电感传感器，它是通过改变螺管磁芯位置制成的,几种变磁阻电感传感器结构图,a)变面积型 b)差动变气隙型 c)螺管型 d)螺管差动型,2.4.2 变气隙式电感传感器,变隙式电感传感器通过改变空气间隙厚度制成的,1)输入输出关系,当传感器中测杆产生位移x 时，磁路的气隙由0 变为0 - x，由此引起电感变化为,设电感传感器初始气隙为0，则初始电感为,展开上式可得,输入输出关系是非线性关系,2 灵敏度和非线性误差,传感器的灵敏度与空气间隙的原始厚度0有关，0越薄，灵敏度越高，但量程缩小，为保证线性关系 x/00.10.2,在输入输出关系中忽略高次项(x0)，使得电感变化量与气隙变化成线性关系,相应的灵敏度KL等于,非线性误差,3)差动电感式传感器,电感式传感器都是做成差动式的，当衔铁位置变动时，一个线圈w1电感量增大L1，另一个线圈w2电感量减小L2，总电感量变化,把两个线圈接到电桥相邻臂上，利用电桥的加减特性，能使传感器的灵敏度增加一倍，并能减小由于环境温度以及非线性等引起的误差,4) 测量线路,电感式传感器的测量线路有两类 一类是把传感器按入变压器交流电桥，将电感变化转换电流或电压信号，经过放大后送给记录或指示仪表 另一类是将传感器作为调频电路的一个电感元件，与测振电路相联，输出调频信号，送给鉴频器，经解调后再送给记录或指示仪表。,模拟式及数字式电感测微仪,a)变压器电桥测量线路图,变压器电桥电路，其等效电路图,变压器电桥电路输出,电桥的两臂Z1和Z2为差动电感式传感器中两个线圈的阻抗，电桥的另外两臂为电源变压器次级绕组的两半，其等效电源为E2，这样就组成所谓的差动线路。电桥对角线A、B两点的电位差即为输出电压,变压器电桥电路输入输出关系,如果衔铁位于中间位置，电感线圈的参数相等，即Z1=Z2=Z0，则U=0(Z0衔铁处于中间位置时每个绕组的阻抗) 当衔铁向上移动一定距离，上面线圈的阻抗增加Z，得Z1Z0+Z；下面的线圈减小Z，得Z2Z0-Z，则,当衔铁下降同样大小距离时，输出相同电压值，但符号相反，相差1800。因为电源是交流的，要加相敏检波器才能识别输出电压的正负号,b)调频测量电路,传感器的磁芯线圈作为调频振荡的谐振回路的一个电路元件，与振荡器相联 振荡器的频率为,调频测量电路特点,调频测量电路将电感转换为频率的变化 信号的输出频率易于用数字仪器测量，抗干扰能力强,4)变磁阻传感器特点和应用,特点： 结构简单，性能可靠，寿命长，零点稳定灵敏度高，分辨率可达0.1mm，重复性好 动态性能差，不适用高频测量 应用 在工程中测量中常用的这类传感器，有变磁阻式压力盒和加速度计,a)电感传感器应用压力盒,在地压作用下压力盒的承压板将压力经油腔传递给波纹膜片(衔铁)，使之发生变形。使磁路的气隙由0变为0 -x，从而引起电感变化。根据电感变化和压力标定关系可测出压力,b)位移计,轴向式电感 测微器的外形,航空插头,红宝石测头,2.5 差动变压器式传感器,differential transformer sensor 定义：把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器 根据变压器原理制成的，而且次级线圈绕组用差动形式连接，故称差动变压器式传感器 结构形式：变隙式、变面积式、螺线管式 螺线管式用得最多,2.5.1 差动变压器式传感器结构和工作原理,结构：原绕组W沿骨架的中间槽绕制，副绕组W1，W2为两组在外侧槽反对称绕制的线圈，即接成差动形式 工作原理：原线圈接上交流电源，当移动磁芯时，各绕组之间的耦合将发生变化，互感系数发生变化 当磁芯处于二个副绕组的对称中心时，则输出电压等于零，称此点为平衡点。当铁芯偏离平衡点时，则副绕组中产生电压差，且随磁芯移动距离而变化,等效电路图和输出关系图,2.5.2 输入输出关系,当一次绕组通电时，负载两端开路时，则由电工学可知，负载两端输出的电压有效值为,R0 、 L0初级线圈电阻、电源频率、电感 M1(x)、M2(x)初级线圈与次级线圈间互感；它的大小与磁芯位置有关 E0、e初级线圈励磁和次级线圈输出电压 R0、L0、E0均为常数 当铁芯在中间位置时，由于两线圈互感相等，没有电压输出，e=0,输入输出关系讨论,当铁芯偏离中间位置时，使互感系数一个增加，另一个减少，此时负载有电压输出，而且随着铁芯偏离中间位置增加，输出电压也增加。其输出电压与位移之间关系如图 由图可见变压器输出线性度较好 根据标定关系測量磁芯位移,2.5.3 测量电路,差动变压器式传感器输出电压且功率较大，可直接用毫伏表或示波器测量。原线圈的电源可用频信号发生器，其频率应高于被测信号频率的10倍以上，这种方法不能指示极性 采用全波整流电压输出电路或全波相敏检波电压输出电路 变压器式传感器测量线路框图 由于其输出信号包含有载波，还需要低通滤波器把高频载波和噪声部分滤掉,相敏检波测量电路图,2.5.4 特点和应用,特点 （1）结构简单、工作可靠； （2）灵敏度高，可达每毫米几百毫伏； （3）分辨率高，可测量0.01m的位移量； （4）测量范围大，可达300mm （5）测量精度高 （6）重复性和线性好，非线性误差只0. 5% （7）频率响应较低，不适于测量高频动态参量,1) 矿用顶-底板移近量传感器,矿用顶-底板移近量传感器， 线圈固定在内柱上，铁芯固定在外柱上 测量顶-底板之间的相对位移量,2) 压力传感器,通过传感器的波纹膜片弹性元件的转换作用，把膜片所受压力的变化转成位移的变化，差动变压器的磁芯通过连杆与膜片中点相联 膜片位移时带动磁芯移动，产生电压信号输出,3) 加速度传感器,加速度传感器中的惯性体与弹性转换膜片和磁芯联杆相联 在加速度作用下传感器的底座运动，惯性体因惯性作用处于相对静止状态(固有频率远大于振动体频率)，磁芯作相对运动，相对运动的位移与加速度成正比 通过变压器把磁芯的运动位移变化变成电信号输出,2.6 振弦式传感器,定义：将机械振动频率的变化转换为电压频率的变化装置,频率读数仪（左） 孔隙水压力计（右）,2.6.1 构造和组成,单线圈激振的振弦式的构造 张紧钢弦 永久磁铁 固定支承 弹性元件 导磁软铁 永久磁铁与线圈构成激振器，同时又是拾振器。,振弦式传感器系统组成图,振弦振动为衰减振动。必须在一定时间给一次脉冲激发 但由于测量的参数是频率，不是幅值，输出信号频率与幅值衰减关系不大,2.6.2 工作原理钢弦振动,工作原理: 如果往线圈里送一脉冲电压信号，线圈产生的磁场将吸引钢弦，脉冲电压过后，钢弦回弹，以后作自由振动，由振动理论可知钢弦自振频率为,钢弦频率取决于钢弦的长度l、线密度l 和所受拉力F 钢弦的材质和尺寸一定时，钢弦自振频率取决于F,工作原理感应电压,由于振弦是放在磁场中，钢弦的自振使磁芯的间隙发生周期性的变化，从而使磁场回路的磁阻也发生周期性的变化，磁阻的变化又将引起线圈感应出电压信号 输出感应电压的频率与钢弦的自振频率相同 当振弦受力发生变化时，振弦的自振频率也随之变化，感应电动势也随之变化,输入输出关系,被测力输入与频率输出关系为,当振弦式传感器中的振弦受到预紧力与被测力共同作用时，其输出信号的频率为,2.6.3 测量电路,传感器输出的频率信号，经放大后，可直接用一般频率计测量，也可以用专用钢弦频率计测量,XPO2型振弦式频率测定仪,2.6.4 振弦式传感器特点,结构简单，设计、制造容易 精度高，线性度好 线性度0.5% ，分辨率0.1%，灵敏度0.05% F.S.，精度 0.1% F. S. 蠕变小、零点稳定，受温度影响小、易于防潮 温度误差小于0.02%F.S.，年漂移0.1%；年，漂移量大约为1.6%1.8%F.S. 最好的，7年，漂移误差不超过0.2% F.S 输出信号为频率、便于数字化、抗干扰能力强、工作可靠 对电缆要求低 电缆延伸了公里，传感器仍工作很好 对地漏电在 5K欧姆范围以内可以正常工作 适应极端恶劣的环境 能在-环境下工作 在高辐射条件下应用,2.6.5 振弦式传感器应用,振弦式应变计 把端块连接在要监测的元件上。应用于基础、岩土及建筑结构的应力应变量测 振弦式压力传感器 钢弦被固定在一个灵敏的膜片上，压力改变引起膜片变位，进而导致钢弦张力的改变。振弦式压力传感器广泛应用于渗压计、水位计、压力盒、荷载盒和沉降传感器中 振弦式位移传感器 包括与弹簧串连的振弦和滑动轴。轴的移动改变了弹簧和振弦的张力。如多点位移计、边界计、测缝计等 振弦式力传感器 用在液位监测及静力水准系统中，液面变化改变了浸入水中部件的浮重从而引起钢弦张力的改变常用作特殊称重测量,1) 振弦式压力盒,压力盒中的钢弦是固定在承压板上并保持拉紧状态。钢弦的下方设置线圈。压力盒受到外荷作用时，弹性传力膜板受力而变形，使拉紧钢强的固定夾间距发生变化，钢弦受到力的作用自振频率发生变化,2) 振弦式内部应变传感器,在测量混凝土结构内部的应变时。可用内部振弦式传感器。它可埋设在混凝土支架或矿柱中测量混凝土的内部应变，亦可埋设在钻孔中测量岩层的变形。传感器外径为30毫米，壁厚为0.53毫米。,3) 振弦式孔隙水压力计,孔用振弦式孔隙水压力计,振弦式锚索测力,由高强度合金钢制成的中空承压筒周边上沿均匀布置有多个弦式传感器，作用在承压筒上的荷载可由固定在筒体上的弦式传感器直接测出,5)振弦式应变计,技术参数 测量范围3000() 精 度1%F.S. 灵 敏 度0.3 ，0.1（） 温度范围（）-20+80 耐水压力（MPa）耐0.5、2或其它水压 标称距离（mm）150 150 250 安装方式 表面安装 埋入式 埋入式 配套设备 四芯屏蔽电缆 振弦式读数仪,6)振弦式位移计,2.7 磁电式传感器,磁电式是利用电磁感应原理将被测量转换成电信号的一种传感器有源传感器 结构类型 线速度型 角速度型 磁阻式,2.7.1 结构和工作原理,工作原理：利用线圈在永久磁铁中运动，切割磁力线而产生电动势的原理制成的。 由电磁感应定律计算出线圈运动时产生的电动势,磁通量 N线圈匝数 V线圈运动的速度(ms) L线圈在磁场内的长度(m) J磁铁空隙中的磁场强度(Vsm2),工作原理图,磁电式传感器结构图,2.7.2 灵敏度,磁电式传感器线圈感应的电动势与振动速度成正比，故为速度传感器。灵敏度系是常数，是完全线性的 如果测位移则加上一个积分电路 如果测加速度则应加一微分电路,磁电式传感器的定义为Ke,2.7.3 测量线路,磁电式传感器的输出电压为毫伏级，无需再转换，直接进行放大，而且无需高增益放大器 需放大才能推动记录或示波仪器。,2.7.4 积分和微分电路,积分电路 当开关接1时，信号经积分电路可测位移； 微分电路 当开关接3时，信号经微分电路，可测加速度。 当开关接2时，信号不经运算电露直接输出，可测速度；,2.7.5 特点和应用,特点： 灵敏度较高，性能稳定 中频响应好(101000Hz)， 不需要外加电源，输出为电压，可直接与通用电子放大器联接，使用方便 体积、重量(约1kg)较大,磁电感式速度传感器实物图,线圈1和永久磁铁2是用非导磁材料铝支架4固定在壳体7内的 壳体与导磁材料两个环形气隙，右侧气隙中放置测量线圈，另一个放置阻尼器3。线圈和阻尼器由芯杆8相联，并由都弹簧片支承 当被测物振动时，带动壳体振动，线圈与阻尼器由于惯性不随壳体运动，从而线圈切割气隙中的磁力线而产生感应电动势，电动势的大小表示运动参致的大小。,2.8 压电式传感器,压电传感器piezoelectric transducer是利用压电材料的压电效应(piezoelectric effect)制成的传感器,2.8.1 工作原理,压电效应正压电效应，逆压电效应 正压电效应当给压电材料施加压力使其变形时，其内部就产生极化现象，在压电材料的两个表面上出现大小相等符号相反的电荷，当压力消除后，电荷消失 逆压电效应当给压电材料施加电场时，压电材料将会产生变形，当电场消除后，变形消失,2.8.1 压电材料,压电材料 天然石英晶体 压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，常用压电材料，如钛酸钡 高分子压电材料 是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状 如聚氟乙烯、聚偏二氟乙烯,2.8.2 输入输出关系,F作用在晶体面上的力 kq压电系数(cN) 石英晶体上产生的电荷q与作用力F成例 比例系数(灵敏系数)为常数,在压电材料切片表面上作用力F时，切片的两个平面上产生大小相等符号相反的电荷,2.8.3 测量电路,等效元件：压电式传感器核心元件是压电晶片，在压电晶片的两面均有一个导电极板。由于极板间晶片的绝缘电阻高，因而压电传感器等效电路相当于一个电容器。,+,电压源等效电路图 电荷源等效电路图,压电传感器放大电路,分析：压电效应属于静电现象，只有在外接负载和内阻均为无穷大，受力后产生的电荷才能保持，否则会发生电荷泄漏。因此不能使用一般放大器 解决方法: 一般在传感器后面先接入一个高输入阻抗放大器，称为前置放大器 前置放大器有两种： 电压放大器 高增益电荷放大器,2.8.3.1 电压放大器等效电路图,ua等效电压 ua=q/ca,2.8.3.1 电压放大器分析,设作用在压电晶体上压力为,前置放大器的输入电压等于,压电式传感器电压放大器灵敏系数,压电式传感器系统灵敏系数Ky为 传感器的电容量 电缆电容量 前置放大器的输入电容量,压电式传感器电压放大器分析,三个结论： (1) 压电传感器不能测量静态力，因为此时Ky=0； (2) 电缆电容Cc的变化使前置放大器的输入电压和输出电压都发生变化，因而测量系统的灵敏度将随电缆长度和类型而异。为防止电缆增长降低灵敏度，应将电压放大器置于传感器附近并保持不变 (3) 在低频压力（信号）测量，放大系数与频率有关,分析：由于压电传感器的漏电阻Ra与前置放大器的输入电阻Ri均很大，如果在动态测量时，有时间常数R1，则,2.8.3.2 高增益电荷放大器,采用电荷放大器时，是在压电式传感器后接电路中采用一个有反馈电容的高增益电荷放大器 等效测量电路如图所示,电荷放大器的输出,Cf电荷放大器的反馈电容 Rf电荷放大器的反馈电阻,放大器输出电压的幅值,放大器输入阻抗CI和放大系数(A104)均很大，不计传感器Ca和电缆阻抗CL，则放大器输出电压为,电荷放大器分析结果,结论： (1) 电荷放大器输出电压与电荷q正比 (2)在一定频率内，电荷放大器输出电压与信号频率无关；可用于测量低频信号(0.3HZ) (3)电荷放大器输出电压与后接电路的电容量无关，不受电缆电容等的影响，这是电荷放大器优点,焊接式电荷放大器,2.8.5 特点及其应用,特点: a. 输出电压或电荷与力成正比，线性度好 b. 灵敏系数稳定，受温度影响小 c. 刚度大，滞后小工作频带宽，最高固有频率可达200kHz，可适应较差工作环境 d. 当采用电荷放大器输出时，输出电压不受电缆电容等的影响 压电传感器是力敏元件，它可用于测量最终能转换为力的那些物理量，如力、压力、加速度等 在各种动态力、机械冲击与振动测量以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到应用 电荷放大器有反馈电容，放大器上限频率较电压放大器低,压电式加速度传感器的应用,压电传感器是力敏元件，它可用于测量最终能转换为力的那些物理量，如力、压力、加速度等 在各种动态力、机械冲击与振动测量以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到应用 1)压电晶体加速度传感器 压电晶体加速度传感器主要是由两片压电晶体片(串联)和其上放置的惯性体所组成。惯性体被弹簧压紧，放入外壳中，外壳固定在被测物上。当压电传感器受振动后，惯性体对压电晶体片施加一个可变的惯性力，该惯性力与加速度正比 如需测速度或位移，加上一次或二次积分电路即可 常用的压电晶体式加速度传感器的构造如图,压电式加速度传感器实物照片,加速度计,1) 压电加速度传感器工作原理图,两片压电晶体片(串联) 、惯性体、弹簧组成 当压电传感器受振动后，惯性体对压电晶体片施加一个可变的惯性力，该惯性力与加速度正比 测量到晶体片产生的电势大小也就测量到加速度 如需测速度或位移，加上一次或二次积分电路即可,2) 压电式压力传感器,常用的压电式压力传感器是膜片型结构，可测工作频率为 f 动态压力,冲击压力传感器,2.9 压磁式传感器,定义： 压磁式传感器（piezomagnetic transducer)是利用铁磁材料的压磁效应原理制成的,2.9.1 压磁效应,压磁效应（piezomagnetic effect） 铁磁体在外磁场作用下磁化时，长度和体积将发生磁致伸缩现象 当铁磁体受到外力作用，产生机械变形时，磁导率将发生变化现象 压磁效应特点： 材料受到压力时，在作用力方向磁导率减小，而在作用力相垂直方向，略有增大；作用力是拉力时，其效果相反 作用力取消后，磁导率复原 铁磁材料的压磁效应还与外磁场有关 铁磁体 坡莫合金，硅钢片 相对导磁率m变化与机械应变之间存在如下关系,Kz 铁磁体压磁的灵敏度,2.9.2压磁式传感器结构,压磁式传感器结构有多种形式 中字形结构 传感元件带孔硅钢 励磁线圈(原绕组) W1 测量线圈(副绕组) W2 当W1中流过一定的交变电流时，铁芯中将产生磁场,中字形压磁式传感器,2.9.3工作原理,在无外力作用时，硅钢片的导磁率是相同，磁力线沿最短路径闭合，基本上不通过测量线圈，故测量线圈中无电感应电动势输出 在压力F作用下，区将受到很大压应力、区基本上仍处于自由状态。于是区导磁率下降，即磁阻增大，而、区的导磁率不变。使部分磁力线绕过区而闭合。在测量线圈W2中感应出电动势E。压力F值越大，电动势 E值也越大 根据上述原理和E与F的标定关系，能则成压磁式传感器。,2.9.4 特点和应用,特点 输出功率大，信号强， 抗干扰能力和过载能力强，寿命长， 能在恶劣条件下工作， 但精度较低(约1)，反应速度低。常用于机械、冶金、矿山、运输等部门测力、测扭矩和称重。,1) 称重传感器,由传感器、机架或外壳、传感器引出电缆、接线盒、中间电缆、激磁电源、仪表和输出电缆组成。,2) 压磁式钻孔应力计,在岩体孔径变形预应力法中， 钻孔应力计压磁式传感器 磁芯3、励磁线圈1、测量线圈和框架，磁芯工字形,2. 10 新型传感器简介,霍尔传感器 光电式传感器 光纤传感器 半导体气敏传感器 热敏电阻