第4部分 传感器原理4-磁电-压电与热电式.ppt

第三章常用传感器与敏感元件 第四节磁电 压电与热电式传感器 一 磁电式传感器 变换原理 把被测量的物理量转换为感应电动势的一种传感器 又称电磁感应式或电动力式传感器 对于一个匝数为N的线圈 当穿过该线圈的磁通F发生变化时 其感应电动势e为 线圈感应电动势的大小 取决于匝数和磁通变化率 磁通变化率与磁场强度 磁路磁阻 线圈运动速度有关 改变其中一个因素 都会改变感应电动势 按照结构不同 磁电式传感器可分为 磁电式 动圈式 磁阻式 线速度型 角速度型 磁电式传感器 磁电式传感器 动圈式 1 动圈式 线速度型 角速度型 右手定则 亦称 发电机定则 确定导体在磁场中运动时导体中感生电流方向的定则 伸开石手 使拇指与其余四指垂直 并都和手掌在同一平面内 假想将右手放入磁场中 让磁力线垂直地从手心进入 使拇指指向导体运动的方向 这时其余四指所指的方向就是感生电流的方向 如右图所示 e I 感应电动势 式中 v 与外磁场B垂直的速度L 切割磁力线的导线长度 v B 磁电式传感器 动圈式 在永久磁铁产生的恒定磁场内 放置一个可动线圈 当线圈在磁场中作直线运动时 它所产生的感应电动势 线圈匝数 线圈与磁场的相对运动速度 磁场的磁感应强度 单匝线圈有效长度 线圈运动方向与磁场方向的夹角 上式表明 当N B l均为常数时 感应电动势大小与线圈运动的线速度成正比 惯性式磁电速度计的工作原理 当线圈运动方向与磁场方向的夹角为90 时 上式可改写为 磁电式传感器 动圈式 当线圈在磁场中作转动时 它所产生的感应电动势 与结构有关的系数 k 1 单匝线圈的截面积 线圈相对磁场运动的角速度 上式表明 当传感器结构一定时 N B A均为常数 感应电动势大小与线圈相对磁场运动的角速度成正比 用于转速测量 必须注意 上述所讨论的速度 v或w 是指线圈与磁场 壳体 的相对速度 而不是壳体本身的绝对速度 磁电式传感器 动圈式 动圈磁电式传感器等效电路 e 感应电动势 Z0 线圈阻抗 负载电阻 放大器输入电阻 电缆导线电阻 很小可忽略 电缆导线分布电容 输出电压 若不使用特别加长电缆导线时 CC可忽略 且RL Z0 磁电式传感器 动圈式 动圈式传感器 线速度型 磁电式传感器 动圈式 测速电机 磁电式传感器的工作原理也是可逆的 作为测量振动或转速 它工作于发电机状态 若在线圈上加以交变激励电压 则线圈就在磁场中振动 成为激振器 电动机状态 角速度型 磁电式传感器 动圈式 2 磁阻式传感器 磁阻式传感器的线圈与磁铁彼此不作相对运动 由运动着的物体 导磁材料 改变磁路的磁阻 而引起磁力线增强或减弱 使线圈产生感应电动势 这种传感器是由永久磁铁及缠绕其上的线圈组成 如下图 测频数 当齿轮旋转时 齿的凸凹引起磁阻变化 使磁通量变化 在线圈中感应出交流电动势 其频率等于齿轮的齿数和转速的乘积 磁电式传感器 磁阻式 磁阻式传感器使用方便 结构简单 在不同场合下可用来测量转速 偏心量 振动等 磁电式传感器 磁阻式 转速测量 偏心测量 振动测量 磁电式传感器 磁阻式 案例 鼠笼电机转子断细条检测 磁电式传感器 磁阻式 二 压电式传感器 压电式传感器是一种可逆型换能器 既可以将机械能转换为电能 又可以将电能转换为机械能 这种性能使它被广泛用于压力 应力 加速度测量 也被用于超声波发射与接收装置 第四节磁电 压电与热电式传感器 在用做加速度传感器时 可测频率范围从0 1Hz 20kHz 可测振动加速度按其不同结构可达10 2 105m s2 用做测力传感器时 其灵敏度可达10 3N 优点 体积小 质量小 精确度及灵敏度高等 现在与其配套的后续仪器 如电荷放大器等技术性能的日益提高 使这种传感器的应用愈来愈广泛 1 压电效应 变换原理 某些物质 如石英 受到外力作用时 不仅几何尺寸会发生变化 而且内部会被极化 表面出现电荷 形成电场 当外力去掉时 又重新回到原来的状态 这种现象称为压电效应 压电式传感器 压电效应是可逆的 即将压电晶体置于外电场中 其几何尺寸也会发生变化 逆压电效应 实验证明 压电效应和逆压电效应是线性的 即晶体表面出现电荷的多少与形变的大小成正比 当形变改变符号时 电荷也改变符号 在外电场作用下 晶体形变的大小与电场强度成正比 当电场反向时 形变也改变符号 通常把沿电轴 X轴 方向的作用力 一般利用压力 产生的压电效应称为 纵向压电效应 把沿机械轴 Y轴 方向的作用力产生的压电效应称为 横向压电效应 沿光轴 Z轴 方向的作用力不产生压电效应 沿相对两棱加力时 则产生切向效应 压电式传感器主要是利用纵向压电效应 压电效应与方向 压电式传感器 2 压电材料 常用的压电材料大致可分为三类 压电单晶 压电陶瓷和有机压电薄膜 石英是压电单晶中最具有代表性的 应用广泛 除天然石英外 还大量应用人造石英 石英的压电常数不高 但具有较好的机械强度和时间 温度稳定性 传感技术中最普遍应用的是压电陶瓷 压电陶瓷制作方便 成本低 压电常数比单晶体高得多 一般比石英高数百倍 现在的压电元件多数采用压电陶瓷 高分子压电薄膜的压电特性并不很好 但它易于大批量生产 且具有面积大 柔软不易破碎等优点 可用于微压测量和机器人的触觉 压电式传感器 3 压电式传感器及其等效电路 在压电晶体的两个工作面上进行金属蒸镀 形成金属膜 构成两个电极 如图所示 在压电晶体受到外力作用时 在两个极板上将聚积数量相等 极性相反的电荷 形成了电场 因此压电传感器可看作是一个电荷发生器 又是一个电容器 其电容量为 等效电荷源 压电式传感器适宜作动态测量 压电式传感器 实际压电传感器中 通常用两个或两个以上的压电晶片进行并接或串接使用 并接 电容量大 输出电荷量多 时间常数大 宜于测量缓变信号 适宜于以电荷量输出的场合 串接 电容量小 输出电压大 适用于以电压作为输出信号的场合 压电式传感器 压电传感器是一个具有一定电容的电荷源 其开路电压u0与电荷q 传感器电容Ca存在下列关系 当传感器接入测量电路 连接电缆的寄生电容就形成传感器的并联寄生电容C 后续电路的输入阻抗和传感器中的漏电阻就形成泄露电阻R0 为了防止漏电阻造成电荷损失 通常要求R0 1011W 因此传感器可近似视为开路 压电式传感器 在外力为正弦力F0sinwt作用时 传感器产生的电荷为 考虑负载影响时 根据电荷平衡条件 有 式中 u 求导 忽略过渡过程 上式的稳态解 压电式传感器 电容上的电压为 上式表明 压电元件的电压输出还受回路的时间常数R0C的影响 在测试动态量时 为了建立一定的输出电压并实现不失真测量 压电式传感器的测量电路必须有高输入阻抗并在输入端并联一定的电容Ci以加大时间常数R0C 但并联电容过大也会使输出电压降低过多 降低了测量装置的灵敏度 3 38 压电式传感器 4 测量电路 压电式传感器输出电信号很微弱 而且传感器本身有很大内阻 故输出能量很小 这给后接电路带来一定困难 为此 通常把传感器信号先输到高输入阻抗的前置放大器 经过阻抗变换以后 方可用一般的放大 检波电路将信号输给指示仪表或记录器 前置放大器电路的主要用途有两点 将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出 放大传感器输出的微弱电信号 前置放大器电路有两种形式 是用电阻反馈的电压放大器 其输出电压与输入电压 即传感器的输出 成正比 是带电容反馈的电荷放大器 其输出电压与输入电荷成正比 使用电压放大器时 放大器的输入电压如式 3 38 所表达 由于电容C包括了Ca Ci和Cc 其中电缆对地电容Cc比Ca和Ci都大 故整个测量系统对电缆对地电容Cc的变化非常敏感 连接电缆的长度和形态变化会引起Cc的变化 导致传感器输出电压u的变化 从而使仪器的灵敏度也发生变化 压电式传感器 电荷放大器是一个高增益带电容反馈的运算放大器 当略去传感器漏电阻及电荷放大器输人电阻 它的等效电路如下图 3 38 所示 由于忽略漏电阻 运算放大器的开环增益为A 则有 若A足够大 则 简化为 式 3 39 表明 在一定条件下 电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比 并且与电缆分布电容无关 因此 采用电荷放大器时 即使连接电缆长度达百米以上时 其灵敏度也无明显变化 这是电荷放大器突出的优点 但与电压放大器相比 其电路复杂 价格昂贵 3 39 压电式传感器 5 压电式传感器的应用 常用来测量应力 压力 振动的加速度 也用于声 超声和声发射等测量 压电效应是力 电荷变换 可直接用作测力 现在己形成系列的压电式力传感器 测量范围从微小力值10 3N到104kN 动态范围一般为60dB 测量方向有单方向的 也有多方向的 形式如下 利用膜片式弹性元件 通过膜片承压面积将压力转换为力 膜片中间有凸台 凸台背面放置压电片 力通过凸台作用于压电片上 使之产生相应的电荷量 利用活塞的承压面承受压力 并便活塞所受的力通过在活塞另一端的顶杆作用在压电片上 测得此作用力便可推算出活塞所受的压力 压电式传感器 现在广泛采用压电式传感器来测量加速度 此种传感器的压电片处于其壳体和一质量块之间 用强弹簧 或预紧螺栓 将质量块 压电片紧压在壳体上 运动时 传感器壳体推动压电片和质量块一起运动 在加速时 压电片承受由质量块加速而产生的惯性力 按不同需要做成不同灵敏度 不同量程和不同大小 形成系列产品 大型高灵敏度加速度计灵敏阈可达10 6gn gn标准重力加速度 但其测量上限也很小 只能测量微弱振动 而小型的加速度计仅重0 149g 灵敏度虽低 但可测量上千gn的强振动 压电式传感器的工作频率范围广 理论上其低端从直流开始 高端截止频率取决于结构的连接刚度 一般为数十赫到兆赫的量级 这使它广泛用于各领域的测量 压电式传感器 压电式传感器内阻很高 产生的电荷量很小 易受传输电缆杂散电容的影响 必须采用前面已谈到的阻抗变换器或电荷放大器 已有将阻抗变换器和传感器集成在一起的集成传感器 其输出阻抗很低 由于电荷的泄漏 使压电式传感器实际上低端工作频率无法达到直流 难以精确测量常值力 在低频振动时 压电式加速度计振动圆频率小 受灵敏度限制 其输出信号很弱 信噪比差 尤其在需要通过积分网络来获取振动的速度和加速度值的情况下 网络中运算放大器的漂移及低频噪声的影响 使得难于在小于1Hz的低频段中应用压电式加速度计 压电式传感器 压电式传感器一般用来测量沿其轴向的作用力 该力对压电片产生纵向效应并产生相应的电荷 形成传感器通常的输出 然而 垂直于轴向的作用力 也会便压电片产生横向效应和相应的输出 称为横向输出 与此相应的灵敏度 称为横向灵敏度 对于传感器而言 横向输出是一种干扰和产生测量误差的原因 使用时 应该选用横向灵敏度小的传感器 一个压电式传感器各方向的横向灵敏度是不同的 为了减少横向输出的影响 在安装使用时 应力求使最小横向灵敏度方向与最大横向干扰力方向重合 环境温度 湿度的变化和压电材料自身的时效 都会引起压电常数的变化 导致压电传感器灵敏度的变化 经常校准是十分必要的 压电式传感器 产品 加速度计 压电式传感器 力传感器 压力变送器 案例 飞机模态分析 压电式传感器 三 热电式传感器 把被测量 主要是温度的 变化转换成电量变化 其变换是基于金属的热电效应 按变换方式的不同 可分为热电偶和热电阻传感器 1 热电偶工作原理 热电效应 将两种不同材料的导体A和B串接成一个闭合回路 当两个接点温度不同时 在回路中就会产生热电势 形成电流 此现象称为热电效应 热电式传感器 由两种导体的组合并将温度转化为热电动势的传感器叫做热电偶 如图所示的热电偶回路中 所产生的热电动势是由温差电动势和接触电动势两部分组成 温差电动势 在同一导体的两端因其温度不同而产生的一种热电动势 由于高温端 T 的电子能量比低温端 T0 的电子能量大 故由高温端运动到低温端的电子数较由低温端运动到高温端的电子数多 使得高温端带正电 而低温端带负电 从而在导体两端形成一个电势差 即温差电动势 热电偶传感器 接触电动势 其大小与两种导体材料的性质及接点温度有关 导体内部的电子密度是不同的 当两种电子密度不同的导体A与B接触时 接触面上就会发生电子扩散 电子从电子密度高的导体流向密度低的导体 电子扩散的速率与两导体的电子密度有关 并和接触区的温度成正比 设导体A和B的自由电子密度为NA和NB 且NA NB 电子扩散的结果使导体A失去电子而带正电 导体B则获得电子而带负电 在接触面形成电场 这个电场阻碍了电子的扩散 达到动平衡时 在接触区形成一个稳定的电位差 即接触电动势 热电偶传感器 k 玻耳兹曼常数 k 1 38 10 23J K e 电子电荷量 e 1 6 10 19C T 接触处的温度 K NA NB 分别为导体A和B的自由电子密度 接触电动势 热电偶传感器 当热电偶材料一定时 热电偶的总热电动势为 如果使冷端温度T0固定 则对热电偶材料一定时 热电偶的总热电动势就只与温度成单值函数关系 由固定温度T0决定的常数 简化为 热电偶传感器 热电偶测温基本定律及特点 1 由一种均质导体组成的闭合回路 不论导体的横截面积 长度以及温度分布如何均不产生热电动势 均质导体定律 2 若热电偶两接点的温度相同 则尽管两种导体A B的材料不同 热电偶回路中的总热电动势为零 3 热电偶AB的热电动势与导体材料A B的中间温度无关 只与接点温度有关 4 热电偶AB在接点温度T2 T3的热电动势 等于热电偶在接点温度T1 T2和T2 T3时的热电动势总和 热电偶传感器 5 在热电偶回路中接入第三种材料的导体 只要其两端的温度相等 该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势 中间导体定律 从实用观点来看 中间导体定律很重要 利用这个性质 我们才可以在回路中引入各种仪表 连接导线等 而不必担心会对热电动势有影响 而且也允许采用任意的焊接方法来焊制热电偶 同时应用这一性质还可以采用开路热电偶对液态金属和金属壁面进行温度测量 见图3 40 只要保证两热电极A和B接入处温度一致 则不会影响整个回路的总热电动势 热电偶传感器 6 参考电极定律 标准电极定律 两种导体A B分别与参考电极C组成热电偶 如果它们所产生的热电动势为已知 A和B两极配对后的热电动势可用下式求得 由于铂的物理化学性质稳定 人们多采用铂作为参考电极 热电偶传感器 用热电偶测量温度有许多优点 例如 测量范围很广 可以在 200 到2000 范围内使用 在生产上和科学实验中 常选用不同金属制成测量不同温度范围的热电偶 如用铁 铜制成的热电偶可以测量1K以下的温度 其误差小于0 5K 而用钨 钛热电偶可测2000 的高温 受热面积小 热容量也很小 能测量很小范围内的温度 如植物叶面的温度及微小昆虫的体温等 灵敏度和准确度很高 可到达10 3度以下 铂和铑合金的热电偶稳定性很高 常用作标准温度计 结构简单 价格便宜 适用于远距离测量和自动控制 在接触式测温中 热电偶温度计的应用最普遍 热电偶传感器 热电偶传感器 产品 热电偶传感器 2 热电阻传感器 利用导体或半导体的电阻随温度变化这一性质做成的传感器称为热电阻传感器 主要对温度和与温度有关的参数测定 按电阻性质分类 半导体热电阻 金属热电阻 热电阻 热敏电阻 热电阻是由电阻体 绝缘套管和接线等主要部件组成 其中 电阻体是热电阻的最主要部分 热电阻传感器 大多数金属在温度升高1 C时电阻将增加0 4 0 6 但半导体电阻一般随温度升高而减小 其灵敏度比金属高 每升高1 C 电阻约减小2 6 主要材料是铂 铜和镍 特点是在很宽的温度范围内约1200 C以下精度高 稳定性好 性能可靠 有较高的电阻率 铂在氧化性介质中 特别是在高温下的物理 化学性质都非常稳定 但是 在还原性介质中 特别是在高温下很容易被从氧化物中还原出来的蒸汽所污染 会使钮丝变脆 并改变其电阻与温度间的关系 铂电阻 温度为t C时的电阻值 常数 B 1 10 4ad C 2 温度为0 C时的电阻值 常数 A a 1 d 100 C 根据1968年国际温标规定 a 3 9259668 10 8 C 1d 1 496334 C 热电阻传感器 缺点 铂电阻的电阻温度系数比较小 价格贵 铂很容易提纯 复现性好 有良好的工艺性 可制成很细的铂丝 0 02mm或更细 或极薄的铂箔 热电阻传感器 铂电阻体是用很细的铂丝绕在云母 石英或陶瓷支架上做成的 常用的WZB型铂电阻体是由直径为0 03 0 07mm的铂丝绕在云母片制成的平板型支架上 如图3 42所示 铂丝绕组的出线端与银丝引出线相焊 并穿上瓷套管加以绝缘和保护 铜电阻 铂是贵重金属 在一些测量精度要求不高且温度范围较低的场合 一般采用铜电阻 其测量范围为 50 150 C 铜电阻具有线性度好 电阻温度系数高以及价格便宜等优点 在其正常测量范围内 有 电阻温度系数 取值范围 4 25 4 28 10 8 C 1 铜热电阻的缺点是电阻率小 所以制成一定阻值的电阻时 与铂材料相比 铜电阻丝要细 导致机械强度不高 或者增加电阻丝的长度 使得电阻体积较大 另外 当温度超过100 C时 铜容易氧化 因此它只能在低温和没有浸蚀性介质中工作 铜电阻体是一个铜丝绕组 包括锰铜补偿部分 直径约为0 1mm 热电阻传感器 其他热电阻 近年来 伴随着低温技术的发展 一些新型热电阻得到应用 1 铟电阻一种高精度低温热电阻 铟的熔点约为429K 在4 2 15K温度范围内灵敏度比铂高10倍 故可用于铂电阻不能使用的低温范围 其缺点是材料很软 复制性很差 2 锰电阻在2 63K的低温范围内 电阻随