传感器第4次课--能量控制型传感器.ppt

能量控制型传感器,广东工程职业技术学院,本次课需要掌握 下列传感器的原理和使用 电位器式传感器 应变片式电阻传感器 电感式传感器 电容式传感器, 有源传感器（能量转换型传感器） 能将非电量直接转换成电信号，所以有时被成为“换能器”。例如压电式（超声波换能器）、热电式（热电偶）、光电式（光电池）等。 无源传感器（能量控制型传感器） 自身无能量转换装置，被测量仅能在传感器中起能量控制作用，必须有辅助电源供给电能。如电容式、压阻式等,电阻式传感器 核心器件：线绕电位器、电阻应变片等。 主要应用：力学参数的测量(位移、压力、荷重、加速度等)。,1.电位器式传感器,分类二：线绕式,分类一：薄膜式,分类三：光电式,薄膜式电位器内部图,线绕式电位器的结构和工作原理,1.电位器式传感器,x,U0,阶梯特性,计算题： 电位器式传感器电阻为10K欧，电刷最大行程为10cm,消耗功率为40mW，试求当输入位移为3cm时，传感器输出电压多少？ 类似P48-10,左：波登管位移带动仪表指示 右：波登管位移带动电位器滑动电刷,压力传感器示意图,膜盒内腔通入被测流体，膜盒中心发生位移，推动连杆上移，使得曲柄轴带动电刷在电位器电阻丝上滑动,电位器式位移传感器示意图,问题：示意图中的A B C实际分别接到什么地方？,测量小位移的传感器示意图,问题：示意图中的A B C实际分别接到什么地方？,我们可以做这样一个较简单的实验：取一根细电阻丝，两端接上一台3 1/2位数字式欧姆表（分辨率为1/2000），记下其初始阻值（图中为10.01）。当我们用力将该电阻丝拉长时，会发现其阻值略有增加（图中增加到为10.05）。,应变片的工作原理,2.应变片式电阻传感器,电阻应变效应：导体产生机械变形时，它的电阻发生相应的变化。,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应，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)的变化而发生变化的现象。,金属应变片 电阻R公式：,A B C,电阻应变片分三种： 1.金属丝式应变片 2.金属箔式应变片 3.半导体应变片,金属丝式或箔式结构示意图,各类箔式应变花,箔式应变花：一种具有两个或两个以上不同轴向敏感栅的电阻应变计，用于确定平面应力场中主应变的大小和方向,根据电阻公式，如果改变电阻率也可以达到改变电阻的目的，半导体应变片就是改变电阻率的传感器,半导体应变片结构图,半导体应变片主要是利用硅半导体材料的压阻效应而制成的。如果在半导体晶体上施加作用力，晶体除产生应变外，其电阻率会发生变化。这种由外力引起半导体材料电阻率变化的现象称为半导体的压阻效应。 半导体应变片是直接用单晶锗或单晶硅等半导体材料进行切割、研磨、切条、焊引线、粘贴一系列工艺制作过程完成的。,半导体式电阻应变片 优点：灵敏度大（比金属式大100倍）;体积小; 缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。,灵敏度大：从半导体三极管的放大作用理解半导体的电阻很容易发生很大的变化,温度稳定性差：可以从两方面理解 1.半导体器件的温度一般不能超过焊接温度很多 2.之前讲过的二极管正向电压随温度变化，LM35温度集成电路，以及后续半导体热敏电阻,问题：下表中，哪几个型号是半导体应变片，依据是什么?,应变片的主要参数,1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用 bL表示。 2）电阻值：应变计的原始电阻值 (本实验室的应变片为350欧姆)。 3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。 4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。,应变片单臂电桥测量电路,根据P27的推算得到电桥电压灵敏度(输出电压与电阻变化率的比)KU的公式,公式表明:KU与桥臂比n有关,与E成正比 当n=1（R1=R3）时,KU=E/4,比如E=4V时,应变片每变化1%,电压变化0.01V,化简公式,上述公式表明U0与R/R是非线性关系，故测量中不可避免会存在非线性误差，为消除非线性误差，常采用以下两种电路： 半桥 全桥 同时也提高了灵敏度,应变片单臂电桥测量电路,实际公式,在试件上安装两个工作应变片, 一个受拉应变, 一个受压应变, 接入电桥相邻桥臂, 称为半桥差动电路, Uo与（R1/R1）呈线性关系, 差动电桥无非线性误差, 而且电桥电压灵敏度KU=E/2,比单臂工作时提高一倍, 同时还具有温度补偿作用。,在试件上安装四个工作应变片,此时全桥差动电路不仅没有非线性误差, 而且电压灵敏度是单片的 4 倍, 同时仍具有温度补偿作用。,一、直流电桥的平衡条件,二、直流电桥的电压灵敏度推导,R1/R2=R3/R4,定义：K=V0/(R/R),单臂的推导（演示） 双臂的推导（点名） 全桥的推导（点名）,电压灵敏度对比（ E=4V时,应变片每变化1%, ） 单臂电桥,KU=E/4, 电压变化0.01V 双臂电桥,KU=E/2, 电压变化0.02V 四臂电桥,KU=E , 电压变化0.04V,题目：,电桥输入电压10V，当1K欧的应变片变化0.1%,下列三种电桥电压输出分别是多少？ 单臂电桥 双臂电桥 四臂电桥,单臂灵敏度10V/4,则输出为0.1%*10V/4=2.5mV 双臂灵敏度10V/2,则输出为0.1%*10V/2=5mV 四臂灵敏度10V,则输出为0.1%*10V=10mV,选择题：,单臂电桥是（线形、非线形）输出 双臂电桥是（线形、非线形）输出 四臂电桥是（线形、非线形）输出,差动放大器电路分析,应变式传感器的应用-电子计价秤,电子计价秤通常选用铝合金为材料的双复梁式结构的称重传感器。 当称重传感器受外力F作用时， 产生平行四边形变形， 四个应变片分别粘贴在变形较大的部位(孔的周围)， 电阻值随之变化。 当外载荷改变时， 由四个电阻应变片组成的电桥输出电压与外加载荷成正比。,案例：应变片的粘贴,问题：应变式传感器由哪几部分组成？ 能测量那些物理量？,力、压力、转矩、位移、加速度 P29,电阻在双孔悬臂梁的位置 VS 在全桥中的位置,训练任务： 如图所示的四个应变片R1-R4分别在双孔悬臂梁的对应位置，请画出全桥电路。,一种电子厨房称,应变式传感器的应用,压阻式压力传感器图片,附加内容,压阻式传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后，电阻率发生变化，通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器和半导体应变片均是利用半导体材料的压阻效应制作的传感器。 硅的压阻效应不同于金属应变计（见电阻应变计），前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化，后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化（应变），而且前者的灵敏度比后者大50100倍。,汽车新技术介绍：胎压实时监视系统(TPMS),汽车胎压监视器件,MPS-500G是模仿日系传感器制造，采用恒流源供电，因此具有非常优越的温度系数，在客户的血压计应用中，在稳定性及抑制漂移drift等方面具有很好的表现。 MPS-500G系列压力传感器在一块微机械加工的硅片表面膜片上制作出四个高灵敏度压阻电阻。扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就会产生相应的不平衡输出。采用DIP封装。 温度:-5-80 表压型:7PSI 零点偏移:10mV 线性度:0.3%FS 迟滞性：0.3%FS 尺寸 (L x W x H) mm：8.4 x 7.2 x 9.63,3.电感式传感器,电感式传感器是利用线圈自感或者互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、力矩和应变等多种物理量。 P29,3.电感式传感器,LC振荡电路,Q0=835HZ Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 52 26 13 6.5 3.3 1.6 0.8,LED闪烁,CD4060 中文资料,特点： 结构简单，无触点，工作可靠寿命长； 灵敏度分辨率高，能测0.01m 的变化，输出信号强； 线性度和重复性较好，在一定位移几十m数mm内，非线性误差可做到0.05%0.1%，且稳定性好。在工业检测系统中广泛应用。 缺点：频率响应较低，不宜快速动态测控。 电感型传感器分为自感、互感、电涡流式。其中自感式传感器又分变隙式、变面积式和螺线管式三种,自感式传感器,利用线圈自感的变化来实现非电量电测的一种装置。对位移压力、压力、振动、应变、流量等进行测量。自感式传感器有变隙式、变面积式和螺管式三种。它把被测物理量转变为自感系数L。 一、变隙式 结构：如图所示，由线圈、铁芯、衔铁等组成。,3.电感式传感器,工作原理：传感器工作时，衔铁与被测体连接。当被测体产生的位移时，衔铁与其同步移动，引起磁路中气隙的磁阻发生相应的变化。从而导致线圈电感的变化。只要测出这种电感量的变化，就能确定衔铁（被测体）位移量的大小和方向。,3.电感式传感器,变隙式传感器,垂直运动则为变隙式,当匝数N确定，若保持面积S为常数，则L是气隙厚度的函数，即L=F（）。电感量L与气隙厚度成反比。输入与输出是非线性。,3.电感式传感器,N 线圈匝数 ; 真空磁导率; 气隙厚度； S 气隙有效截面积,灵敏度：K= = = K0= =- 如图所示。可以看出，越小，越高，为保证线性度，只能用于微小位移的测量。,3.电感式传感器,3.电感式传感器,根据公式，L除了与纵向的位移成反比外，还与空气隙有效截面积S成正比，所以当衔铁横向移动造成有效截面积变化时，L也随之变化，根据这种理论，可做成截面型或者变面积型自感式传感器。,水平运动则为变面积式,变面积式传感器,由于漏感的原因，线性区范围很小，故工业上应用不多。,螺管式传感器,工作原理：传感器工作时，衔铁在线圈中伸入长度的变化将引起螺线管线圈电感量的变化。一般情况（长度Lr），被测体与衔铁钢性连接。当衔铁处于螺线管中间位置时，可以认为线圈内磁场强度均匀，此时，空心线圈（铁芯插入长度X=0）的电感为,单线圈螺线管电感传感器测量范围大、线性度好、结构简单和便于制作。广泛应用于测量大量程直线位移。缺点为灵敏度较低。,3.电感式传感器,采用差动式结构，除了可以改善非线性、提高灵敏度外，对电源电压与频率的波动及温度变化等外界影响也有补偿作用，从而提高了传感器的稳定性。,变隙式、变面积式和螺管式三种自感式传感器均对应有差动方式,截面差动型自感传感器原理,气隙差动型自感传感器原理,静铁,自感式传感器应用举例测试气体压力的传感器,图中，感受气体或流体压力的元件为膜盒，因此测试压力范围由膜盒的刚度来决定。这种传感器用于测量精度要求不高的场所或者报警系统。,差动变压器的工作原理类似变压器的作用原理。这种类型的传感器主要包括衔铁、一次绕组和二次绕组等。一、二次绕组间的耦合能随衔铁的移动而变化，即绕组间的互感随被测唯一改变而变化。由于在使用时采用两个二次绕组反向串接，以差动方式输出，所以把这种传感器称为差动变压器式电感传感器，通常通称差动变压器。,右图显示：当X从中心位置的0往更大移动时候，原来等大的E21增加，E22减少，差值为E2，虚线为E2实际曲线。 底端的E0为残余电动势，产生的原因是不对称以及衔铁位置。此值使得在零点附近不灵敏，给测量带来误差,两个次级分别整流,简易整流,位移变化频率很低，无法通过变压器互感，所以必须调制到高频再检波,缸体状空心截面弹性元件受力发生形变，衔铁相对线圈移动,压力传感器,位移传感器,微压传感器,当存在压力时，膜盒自由端产生正比于压力的位移，带动衔铁移动,当有垂直方向的加速度时，悬臂梁弯曲，带动衔铁移动,涡流式传感器,当金属体在变化的磁场中，导体内就会产生电流，这种电流的流线形状成闭合回路，似水中漩涡称涡电流。这种现象成为涡流效应。,视频播放,视频播放,视频播放,圆盘产生涡电流，涡电流产生抵抗的磁场，产生阻尼,通电的线圈代替永磁铁来产生磁场，当金属中产生涡流，涡流产生相对的磁场抵消部分原磁场，从而导致线圈的电感、阻抗、品质因素发生变化，那么通过检测这些变化，就可以检测运动块的位置。,利用涡流效应制作的传感器称涡流式传感器,通有交变电流I1的传感器线圈L1,产生变化的磁场I,磁场I内的被测金属产生涡流I2,I2也产生相反的磁场II，抵消了部分原磁场，导致线圈的L，等效电阻R,品质因数Q发生变化。该变化与被测金属类型和距离有关，所以可以测量位移,电涡流式传感器结构示意图,电涡流式传感器实物图,电涡流式传感器使用,电涡流式传感器结构简单，频率响应快、灵敏度高、抗干扰能力强、体积较小，具有非接触测量的优点。可用来测量振动、位移、厚度、转速以及进行涡流探伤、涡流金属探测器等。,检波,型滤波,振荡回路,射极跟随器,下图为一种测量电路，电涡流式传感器L引起振荡回路的幅度变化，输出调幅信号经过检波和型滤波后由射极跟随器输出,4.电容式传感器,有关电容的矿石收音机,4.电容式传感器,电容式传感器是将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器。,由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器，当忽略边缘效应影响时，其电容量介电常数、极板的有效面积A以及两极板间的距离有关：,C=A/,若被测量的变化使式中、A、三个参量中任意一个发生变化时，都会引起电容量的变化，再通过测量电路就可转换为电量输出。因此，电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介质型三种类型 。,极距变化型,C=A/,4.电容式传感器,手工实验： 用2个硬币夹1张纸介质组成电容器， 监测电容量，并做如下变化： 将纸介质从1张分别变为2张、4张测量电容量，比较电容量随间距变化趋势 2. 2个硬币错动位置，造成极板面积S变化，比较电容量随面积变化趋势 3.上面分别代表变间隙和变面积的电容传感器，想想如何利用硬币做出变电介质的电容传感器来,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。,C=A/,由于变极距型的分辨力极高，可测小至0.01m的线位移，故在微位移检测中应用最广,说明位移与C的变化不成线性关系，只有当 位移变化量很小时候，我们才可以认为是线性的，因此变极距型电容传感器一般用来测量微小变化量如，0.01um零点几个毫米的线位移。,极板间采用高介电常数的材料(云母、塑料膜等)作介质可以减小非线性误差，防止电容器击穿或短路。 右图所示为差动结构，动极板置于两定极板之间。初始位置时，120，两边初始电容相等。当动极板向上有位移时，两边极距为10-，2 0+； 两组电容一增一减灵敏度提高一倍，且非线性误差大为减小。由于结构上的对称性，它还能有效地补偿温度变化所造成的误差。,变面积型电容传感器,C=A/,变面积型电容传感器的输出特性呈线性。因而其量程不受线性范围的限制，适合于测量较大的直线位移和角位移。,当动极板C随角位移()输入而摆动时两组AB电容值一增一减，差动输出,变介质型电容传感器,这种电容传感器有较多的结构型式，可以用来测量纸张、绝缘薄膜等的厚度，也可用来测量粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体物质的湿度。被测物以电介质形式插入电容器中，从而改变两种介质的极板覆盖面积。传感器的总电容量C为被测物介质极板电容和空气介质极板电容并联结果。,(a)电介质插入式 (b)非导电流散材料物位的电容测量,常用测量电介质的厚度、位移、液位、容量,P43 图3-44 点名回答为什么可以测量。？,.温度稳定性好 电容式传感器的电容值一般与电极材料无关，有利于选择温度系数低的材料，又因本身发热极小，影响稳定性甚微。 而电阻传感器有铜损等，易发热产生零漂。,电容式传感器的优点,.结构简单 电容式传感器结构简单，易于制造，易于保证高的精度，可以做得非常小巧，以实现某些特殊的测量；能工作在高温，强辐射及强磁场等恶劣的环境中，可以承受很大的温度变化，承受高压力，高冲击，过载等；能测量超高温和低压差，也能对带磁工作进行测量。