《现代检测技术及仪表》孙传友高教出版社电子教案第4章.doc

第四章 阻抗型传感器.1 电阻式传感器.1.1 电位器式传感器一、 组成原理 二、输入输出特性1线性特性线性电位器 式中L触点行程x触点位移2非线性特性非线性电位器 非线性函数 三、结构形式2非接触式光电电位器 图412（c）五、用途：测量位移；测量可转化为位移的其他非电量4.1.2 电阻式应变传感器和固态压阻式传感器一、电阻式应变传感器（一）电阻应变效应应变使电阻变化1应变：图4-1-3 纵向线应变 横向线应为 泊松比 面应变 体应变 2导体电阻及其变化 金属材料 半导体材料 压阻系数 E弹性模量3应变效应表达式： （应变材料的灵敏系数）：金属材料 约1.02半导体材料 约50100（二）电阻应变片1、组成结构图4-1-43、安装粘贴在试件表面（应使应变片轴向与所测应变方向一致） 4、应变片灵敏系数应变片电阻相对变化与粘贴处试件表面应变之比 试件表面纵向线应变 试件表面横向线应变 纵向灵敏系数，横向灵敏系数横向效应系数应变片灵敏系数小于应变电阻材料灵敏系数 5、温度误差的产生及危害1）温度误差产生原因 应变电阻随温度变化 试件材料与应变法的线膨胀系数不一致 2）温度误差的危害产生应变测量误差即“虚假视应变”温度变化产生的应变片电阻的相对变化可折算成的“虚假视应变”为二、固态压阻式传感器（一）半导体压阻效应应力使半导体电阻率变化 （二）固态电阻式传感器特点：在半导体硅材料基底上制成扩散电阻，作为测量传感元件，优点：无须粘贴，便于传感器的集成化缺点：易受温度影响。4.1.3 热电阻和热敏电阻一、热电阻金属电阻1电阻温度特性 （正温度特性）近似公式：一般故近似线性电阻温度系数 百度电阻比： 一般为100、50两种分度表温度t与电阻阻值Rt的对照数据表。2对热电阻材料的要求温度特性的线性度好温度系数大且稳定电阻率大物理化学性能稳定3常用热电阻 W（100） 测温范围 价格 温度系数铂电阻 1.391 -200650 昂贵 高 低铜电阻 1.425 -50150 低廉 差 高二、热敏电阻半导体电阻1、 类型图4-1-7 PTC Positive temperature coefficientCTC critical temperature coefficientNTC negative temperature coefficientNTC常用于温度测量和温度补偿 PTC、CTC常用作开关元件2结构及符号图4-1-83NTC热敏电阻电阻温度特性 因为 所以 结论：1温度系数比热电阻大几十倍 2非线性比热电阻严重伏安特性图4-1-10应根据允许功能确定电流4.1.4 气敏电阻一、工作原理半导体陶瓷与气体接触时电阻发生变化；接触氧化性气体，电阻接触还原性气体，电阻浓度越大，电阻变化越大用途：气体识别，浓度检测二、材料与组成1材料SnO2应用最广2组成 气敏电阻体 加热器 3电路符号 图4117旁热式图4117(a)(b)直热式图4117(c)4.1.5 湿敏电阻一、氯化化锂湿敏电阻是利用吸湿性盐类潮解，离子导电率发生变化而制成的测湿元件。氯化锂溶液的当量电导随着溶液浓度的增高而下降。环境的相对湿度高，氯化锂溶液将因吸收水份而浓度降低；反之，环境的相对湿度低，则氯化锂溶液的浓度就高。因此，氯化锂湿敏电阻的阻值将随环境相对湿度的改变而变化，从而实现了湿度的测量。二、半导瓷湿敏电阻特性的结构1湿敏特性 正特性 湿度电阻 负特性 湿度电阻2典型结构 烧结型 正湿敏特性 涂复膜型 负湿敏特性三、高分子膜湿敏电阻是采用人工合成的有机高分子膜作为湿敏材料的电阻式湿度传感器(1)碳湿敏电阻（2）聚苯乙烯磺酸锂湿敏电阻4.1.6 电阻传感器接口电路一、 电桥电路（一）惠斯顿电桥 图-1-4 2、电桥开路输出电压：恒压源供电时 恒流源供电时 表4-1-1列出了这几种情况下电桥输出电压的计算公式。表4-1-1中表示被测非电量x引起的传感器电阻的变化，表示温度引起的传感器电阻的变化，e表示不考虑温度影响时的非线性误差。表4-1-1 传感器电桥几种工作情况的对比传感器电桥的工作情况恒压源供电恒流源供电图4-1-15(a)图4-1-15 (b)图4-1-15(c)图4-1-15 (d)（）当时3、几点结论：1）由于温度引起的电阻变化是相同的，因此，如果电阻传感器接在电桥的相邻两臂，温度引起的电阻变化将相互抵消，其影响将减小或消除；2）被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相同，则应将这两电阻传感器接在电桥的相对两臂，但是这只能提高电桥输出电压，并不能减小温度变化的影响和非线性误差。3）被测非电量若使两电阻传感器的电阻变化符号相反，则应将这两电阻传感器接在电桥的相邻两臂，即构成差动电桥，这既能提高电桥输出电压，又能减小温度变化的影响和非线性误差。4）恒流源供电时单臂电桥和差动半桥的温度误差都比恒压源供电时小，恒流源供电时差动全桥在理论上无温度误差。4、应变电桥将四个电阻应变片接入图4114(a)电路构成应变电桥。设这四个应变片的型号相同，粘贴处的应变分别为因应变电阻的变化，故应变电桥的输出电压近似为 将（4119）式即代入上式得例题 采用上下两个如图（b）所示的电位器式传感器，构成一个圆形电桥电路。随转动轴转动的绝缘连杆的两端装有电位器的滑臂且作为电压输出端。两电位器的连接端作为电桥电源端。设电位器的电阻为R，其圆弧长为L，圆弧半径为r，即绝缘连杆长2r。试导出电桥输出电压与转角的关系式。解：圆形电桥电路如图T41所示。其等效电路如图4115(c)所示，图T41测量范围为（二）有源电桥电桥输出电压U0与传感器电阻相对变化成线性关系图16(a) 图16(b) 图16(c) 图16(d) 二、 分压电路将传感器电阻与负载电阻串连，通过测量负载电压也可测量引起传感器电阻变化的非电量。 图17 三、 电阻电流转换电路将电阻传感器与电流表串连，通过测量流过传感器的电流来求得引起传感器电阻变化的非电量。图18电流表电流 湿敏电阻Rd校满电阻与xmax%RH对应的Rx相等。湿度RxIx注意：1不能使用电压表，因电压表内阻r很大，电压表读数为 几乎不随湿度改变2湿敏电阻必须用交流式换向直流供电，不能用单向电流供电四、 电阻频率转换电路将电阻传感器的电阻作为RC正弦振荡器或RC方波发生器中的电阻，通过测量产生的正弦波或方波频率或周期，就可测得引起传感器电阻变化的非电量。 图19（a）为正弦型 图19(b)为方波型.2 电容式传感器4.2.1基本原理与结构类型4.2 电容式传感器4.2.1 原理与结构类型一、原理1平行平面电容单层介质 s极板覆盖面积多层介质 2平行曲面形（同轴圆筒形）电容 L覆盖长度当时，x0时，ln x展成n级数，取第一项，令，所以二、结构类型：变极距、变面积、变介质4.2.2 输入输出特性一、变极距型1、单一式图4-2-1（a）初始时 动极板上移 2、差动式图4-2-1（b） 二、变面积型1 线位移式：单一式 图4-2-2（a） 初始时 移动后 差动式 2角位移式（差动结构）扇形结构图4-2-3（a）初始时 转动后 所以 柱面形结构 图4-2-3（b） 公式同上三、变介质型（差动式） 图4-2-4初始时 介质（）块右移时 所以 所以 所以 4.2.3 等效电路分析图4-2-5 一、等效电路RP并联损耗电阻 Rs引线电阻L引线电感二、引线电感的影响等效电容 两边同乘 所以 证明：因 所以 结论：1、激励频率 通常2、每当改变激励频率或更换连接电缆时须重新进行标定。4.2.4 接口电路一、比例运算电路1、恒电流激励电路（a） 应用于单一变极距式电容传感器 2、恒电压激励电路（b） 应用于变面积式和变介质式电容传感器 3、恒电压激励差动电路（c） 应用于变面积差动式电容传感器 二、交流电桥1、电阻平衡臂电桥 图-（a）2、变压器电桥图-（b）开路（ZL时）输出电压都为 Z1和Z2若为两个电容传感器，则 应用于变极距差动式电容传感器 三、差动脉冲调宽电路 图1、 RC电路的微分方程 当从跳变到高电平后，代入上式得，从0上升到的时间为2、差动电容脉冲调宽电路的工作过程图中，C1和C2为差动电容传感器的两个电容。双稳态触发器两端分别输出高电平和低电平零。当Q端从零跳变到，端从跳变到0时，C通过D迅速放电到0，通过R对C充电。在C1充电达到UR时，比较器发生跳变，使触发器翻转。于是C2开始通过R2充电，而C1则通过D1放电，重复上面的同一过程。这样Q端和端就形成了宽度分别为T1和T2的方波：，图为几个主要点的波形图。由图可见在Q端和端的输出，是幅值为而宽度分别为T1和T2的方波，方波基波频率f0为Q端与端间的差模电压经低通滤波后，输出电压为取R1=R2,将（429）、（430）式代入（431）式得 将（2-）式代入（2-32）式得 3、低通滤波器截止频率fh的选择为了使输出电压U0为方波电压UAB的平均值，必须滤去方波基波及其谐波只保留其直流分量,为此，要求。在的情况下，（2-32）、（2-33）式成立。设被测量为振动位移，代入（2-33）式得。显然，低通滤波器应允许频率为fx的被测非电信号通过，为此，要求。为同时满足这两方面的要求，一般选取 四、二极管环形电桥图4-2-10 流经电流表M的瞬时电流的平均值为 4.3 电感式传感器4.3.1 自感式传感器一、工作原理 1、组成：铁芯线圈 活动街铁2、自感 因为 所以 ，所以所以 3、原理：被测量变化Rm变化L变化类型：1、变所隙式 变化L变化 2、变面积式 A变化L变化 3、螺管插铁式变化L变化二、输入输出特性1变气隙式单一式 图4-3-1（a） 差动式 图4-3-2（a） 2变面积式单一式 图4-3-1（b） 差动式 图4-3-2（b） 3螺管插铁式单一式 图4-3-1（c）未插入衔铁时， 插入衔铁后，差动式 图4-3-2（c）初始时，衔铁居中衔铁右移， 三、等效电路图3-3 所以 结论：1、激励频率取最佳激励频率值品质因数最高。 2、更换连接电缆时，须重新进行校准。四、接口电路1、变压器电桥1单一式 L2=L0（固定电感） L1=Lx=（自感式传感器）2差动式： 结论：1、差动式比单一式灵敏度提高一倍 2、差动式可消除非线性、带相敏整流的交流电桥图4-3-4采用变压器电桥只能判别位移的大小，不能判别位移的方向；采用带相敏整流的交流电桥既能判别位移的大小，又能判别位移的方向。 (a) (b)图4-34中为平衡电阻。在交流电源Us的正半周， 即，图4-3-4中二极管D1和D4导通，D2和D3截止，图4-3-4等效为上图(a),由图可见， (1)在Us的负半周，,即，图4-T-3中二极管D1和D4导通，D2和D3截止，图4-3-4等效为上图(b),由图可见， (2)当时，由式（）和（）都可得，。当时，式（）中括号项为正，而也为正，故；式（）中括号项为负，而也为负，故。因此由式（）和（）都可得，。同理，当时，由式（）和（）都可得，。差动式变气隙型自感传感器接入图4-3-4，。 由（438）和（439）可见，当衔铁上移时，即，；反之，当衔铁下移时，。单向脉动电压经过阻容滤波后得到直流输出电压。的正负决定于衔铁位移的方向，的大小决定于衔铁位移的大小。、差动电感脉冲调宽电路图1、LR电路的微分方程当从跳变到高电平后，代入上式得，从0上升到的时间为2、差动电感脉冲调宽电路的工作过程图35中，L1和L2为差动电感传感器的两个电感。双稳态触发器两端分别输出高电平和低电平零。当Q端从零跳变到而端从跳变到0后，流过L1R1的电流逐渐上升， L电流通过D2迅速泄放到0使R2电压迅速下降到0。在L1R1的电流上升到使R1电压达到UR时，比较器发生跳变，使触发器翻转。于是流过L2R2的电流逐渐上升， L1电流通过D1迅速泄放到0，重复上面的同一过程。这样Q端和端就形成了宽度分别为T1和T2的方波：Q端与端间的差模电压经低通滤波后，输出电压为取R1=R2,将T1、T2式代入上式得 4.3.2 互感式传感器一、互感与自感线圈N1电流I1产生的磁通穿过线圈N2的部分自感 互感 所以 紧耦合时 所以 二、互感式传感器（差动变压器）组成原理 差动变压器也有变气隙式、变面积式为螺管式三种类型。2 差动变压器输出特性（以图38所示型铁芯的变气隙型差动变压器为例来推导） 所以 （）所以 结论：中包含同相分量和正交分量当时 当时 继续增加到超过某一数值时(该值视铁心材料而异)，由于导线趋肤效应和铁损等影响而使灵敏度下降。灵敏度频率特性如图3-9所示。结论：应选取合适的较高的激励频率，以保持灵敏度不变。三、接口电路1、 反串电路图36 2、 桥路图310 电位器用于输出调零3、差动整流电路图4-3-11 电流输出 电压输出 全波整流 图4-3-11（a） 图4-3-11（c）半波整流 图4-3-11（b） 图4-3-11（d）差动输出 注意点：1、整流二极管方向与输出电流方向一致 2、电位器用于输出调零4.3.4 电涡流传感器一、电涡流效应 1电涡流的产生：成块金属置于交变磁场中 在固定磁场中运动，金属导体内产生环形感应电流电“涡流”。2电涡流的强度与分布强度 图4-3-12（b）分布区域 在金属导体靠近激励线圈一侧的表面环形区域图4-3-13 2r=0.525D 2R=1.3aD 表层涡流密度 h深处涡流密度3电涡流作用方式图4-3