第四章传统传感器原理及应用.ppt

电阻应变式传感器电容式传感器电感式传感磁敏式传感器压电式传感器热电式传感器 本章内容 根据人们发明和使用传感器的先后把传感器大致分为传统传感器和新型传感器两大类 第四章 传统传感器原理及应用 电阻应变式传感器 导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时 其电阻值会相应地发生变化 这种现象称为应变效应 对图所示的金属电阻丝 在其未受力时 假设其初始电阻值为 式中 电阻丝的电阻率 l 电阻丝的长度 A0 电阻丝的截面积 金属电阻丝的应变效应 一 电阻应变片的工作原理 受力后 电阻应变式传感器 K的物理意义是 单位应变所引起的电阻值相对变化量的大小 灵敏系数K受两个因素影响 对金属材料来说 电阻丝灵敏度系数表达式中的值通常要比大得多 而半导体材料的项的值比大得多 实验表明 在电阻丝拉伸极限内 电阻的相对变化与应变成正比 即k为常数 电阻应变式传感器 应变片受力后材料几何尺寸的变化 应变效应 应变片受力后材料的电阻率发生的变化 压阻效应 当半导体应变片受轴向力作用时 其电阻率的相对变化量为 半导体材料的压阻系数 半导体材料所承受的应变力 半导体材料的弹性模量 半导体材料的应变 电阻应变式传感器 故应变片的电阻变化可以表示为 二 电阻应变片的种类及材料 1 电阻应变片的种类 根据电阻应变片所使用的材料不同 电阻应变片可分为金属电阻应变片和半导体应变片两大类 金属电阻应变片可分为金属丝式应变片 金属箔式应变片 金属薄膜式应变片 半导体应变片可分为体型半导体应变片 扩散型半导体应变片 薄膜型半导体应变片 PN结元件等 其中最常用的是金属箔式应变片 金属丝式应变片和体型半导体应变片 应变片的核心部分是敏感栅 它粘贴在绝缘的基片上 在基片上再粘贴起保护作用的覆盖层 两端焊接引出导线 如图所示 电阻应变式传感器 a 箔式应变片 b 电阻丝式应变片 c 丝式应变片 金属电阻应变片的敏感栅有丝式和箔式两种形式 丝式金属电阻应变片的敏感栅由直径为0 01mm 0 05mm的电阻丝平行排列而成 箔式金属电阻应变片是利用光刻 腐蚀等工艺制成的一种很薄的金属箔栅 其厚度一般为0 003mm 0 01mm 可制成各种形状的敏感栅 如应变花 其优点是表面积和截面积之比大 散热性能好 允许通过的电流较大 可制成各种所需的形状 便于批量生产 电阻应变式传感器 2 电阻应变片的材料对电阻丝材料的基本要求如下 1 灵敏系数应在尽可能大的应变范围内保持为常数 即电阻变化与应变呈线性关系 2 电阻率 值要大 即在同样长度 同样横截面积的电阻丝中具有较大的电阻值 3 具有足够的热稳定性 电阻温度系数小 有良好的耐高温抗氧化性 4 与铜线的焊接性能好 与其他金属的接触电动势小 5 机械强度高 具有优良的机械加工性能 制造应变片敏感元件的材料主要有铜镍合金 镍铬合金 铁铬铝合金 铁镍铬合金和贵金属等 目前应用最广泛的应变丝材料是康铜 含45 的镍 55 的铜 这是由于它有很多优点 灵敏系数稳定性好 不但在弹性变形范围内能保持为常数 进入塑性变形范围内也基本上能保持为常数 电阻温度系数较小且稳定 当采用合适的热处理工艺时 可使电阻温度系数在 50 10 6 的范围内 加工性能好 易于焊接 电阻应变式传感器 三 电阻应变片的性能参数 电阻应变片的性能参数很多 下面介绍几个主要的参数 如果需要 可以参考相关资料和技术手册 1 灵敏度系数灵敏度系数的定义 将应变片粘贴于单向应力作用下的试件表面并使敏感栅纵向轴线与应力方向一致时 应变片电阻值的相对变化量 R R与沿应力方向的应变 之比 即 电阻应变式传感器 1 试件材料取泊松比 的钢材 2 试件单向受力 3 应变片轴向与主应力方向一致 K值通常在规定条件下通过实测来确定 敏感栅是由N条长度为l1的直线段和直线段端部的N 1个半径为r的半圆圆弧或直线组成 当受纵向拉力 直线段和圆弧段 变化小 应变不一致 因而其灵敏系数K较整长电阻丝的灵敏系数K0要小 这种现象称为应变片的横向效应 为了减小横向效应产生的测量误差 现在一般多采用箔式应变片 a 应变片及轴向受力图 b 应变片的横向效应图 图应变片轴向受力及横向效应 电阻应变式传感器 2 横向效应 3 应变片的电阻值R0应变片未粘贴时 在室温下所测得的电阻值 称为应变片的电阻值R0 一般情况下 R0越大 允许的工作电压也越大 有利于灵敏度的提高 R0的大小常用的有60 120 250 350 1000 等 其中以120 最为常用 4 绝缘电阻值应变片绝缘电阻是指已粘贴的应变片的敏感栅以及引出线与被测件之间的电阻值 绝缘电阻越大越好 通常要求绝缘电阻在50M 100M 以上 绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低 使应变片的指示应变产生误差 绝缘电阻的大小取决于粘结剂及基底材料的种类及固化工艺 在常温使用条件下要采取必要的防潮措施 而在中温或高温条件下 要注意选取电绝缘性能良好的粘结剂和基底材料 电阻应变式传感器 5 最大工作电流 允许电流 最大工作电流是指已安装的应变片允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流Imax 工作电流大 输出信号也大 灵敏度越高 但工作电流过大会使应变片过热 灵敏系数产生变化 零漂及蠕变增加 甚至烧毁应变片 工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定 通常静态测量时取25mA左右 动态测量或使用箔式应变片时可取75mA 100mA 箔式应变片散热条件好 电流可取得更大一些 在测量塑料 玻璃 陶瓷等导热性差的材料时 电流可取得小一些 最大工作电流与应变片本身 试件 粘合剂以及环境等因素有关 6 应变极限在温度一定时 应变片的指示应变值和真实应变的相对误差不超过10 的范围内 应变片所能达到的最大应变值称为应变极限 7 应变片的机械滞后在温度保持不变的情况下 对粘贴有应变片的试件进行循环加载和卸载 应变片对同一机械应变量的指示应变的最大差值称为应变片的机械滞后 为了减小机械滞后 测量前应该反复多次循环加载和卸载 电阻应变式传感器 四 电阻应变片的选择 因为不同用途的应变片 对其工作特性的要求往往不同 所以选择电阻应变片时 应该根据测量环境 试件状况 应变性质等具体使用要求 有针对性的选用具有相应功能和性能的应变片 如温度的选择 康铜最高使用温度300 卡玛丝最高使用温度450 尺寸的选择见表1 电阻值的选择 60 120 250 350 1000 在不考虑价格的前提下 选择大电阻应变片对提高精度是有利的 结构形式的选择 一维 二维 三维力 电阻应变式传感器 电阻应变式传感器 五 测量电桥电路 由于机械应变一般都很小 要把微小应变引起的微小电阻变化测量出来 同时要把电阻相对变化 R R转换为电压或电流的变化 因此 需要有专用测量电路用于测量应变变化而引起电阻变化的测量电路 通常采用直流电桥或交流电桥 电桥是由无源元件电阻R 或电感L 电容C 组成的四端网络 它在测量电路中的作用是将组成电桥各桥臂的电阻R 或L C 等参数的变化转换为电压或电流输出 若将组成桥臂的一个或几个电阻换成电阻应变片 就构成了应变测量电桥 图4 5直流电桥根据电桥供电电压的性质 测量电桥可以分为直流电桥和交流电桥 如果按照测量方式 测量电桥又可以分为平衡电桥和不平衡电桥 下面介绍直流电桥 电阻应变式传感器 1 直流电桥的平衡条件 直流电桥如图4 5所示 E为供电电源 R1 R2 R3及R4为桥臂电阻 RL为负载电阻 当电桥平衡时 则有 或 上式就是直流电桥的平衡条件 E 电阻应变式传感器 2 电压灵敏度令R1为电阻应变片 R2 R3 R4为电桥固定电阻 这就构成了单臂电桥 应变片工作时 其电阻值变化很小 电桥相应输出电压也很小 一般需要加入放大器放大 由于放大器的输入阻抗比桥路输出阻抗高很多 所以电桥输出近似开路情况 当产生应变时 若应变片电阻变化为 R1 其他桥臂固定不变 电桥输出电压Uo 0 则电桥不平衡输出电压为 电阻应变式传感器 式 1 设桥臂比n R2 R1 R4 R3 通常 R1 R1 忽略分母中的 R1 R1项 并考虑到电桥平衡条件R2 R1 R4 R3 则式 1 可写为 电桥电压灵敏度定义为 从上式可以看出 1 电桥电压灵敏度正比于电桥供电电压E 供电电压越高 电桥电压灵敏度越高 而供电电压的提高受到应变片允许功耗的限制 所以要作适当选择 2 电桥电压灵敏度是桥臂电阻比值n的函数 恰当地选择桥臂比n的值 保证电桥具有较高的电压灵敏度 电阻应变式传感器 令dKU dn 0 即 可求得n 1时 KU有最大值 即在电桥电压确定后 当R1 R2 R3 R4时 电桥电压灵敏度KU最高 即等臂电桥 单臂工作 可以看出 当电源电压E和电阻相对变化量 R1 R1一定时 电桥的输出电压及其灵敏度也是定值 并且与各桥臂电阻值大小无关 电阻应变式传感器 等臂电桥 双臂工作 一般接成差动电桥 如R1和R2同时为应变片 但是力的方向相反 其输出电压为 等臂电桥 四臂工作 则构成全桥电路 其输出电压为 R1和R3同向 R2和R4同向 R1和R2反向 电阻应变式传感器 7 图为一直流应变电桥 E 4V R1 R2 R3 R4 350 求 R1为应变片其余为外接电阻 R1增量为 R1 3 5 时输出U0 R1 R2是应变片 感受应变极性大小相同其余为电阻 电压输出U0 R1 R2感受应变极性相反 输出U0 R1 R2 R3 R4都是应变片 对臂同性 邻臂异性 电压输出U0 电阻应变式传感器 解 1 2 3 4 电阻应变式传感器 3 2 3温度补偿 应变片的敏感栅是由金属或半导体材料制成的 因此工作时既能感受应变 又是温度的敏感元件 因为应变引起的电阻值变化很小 所以要提高测量精度 就必须消除或减小温度的影响 1 应变片的温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差 称为应变片的温度误差 产生应变片温度误差的主要因素有以下两方面 1 电阻温度系数的影响敏感栅的电阻丝阻值随温度变化的关系可用下式表示 电阻应变式传感器 温度为t 时的电阻值 温度为t0 时的电阻值 温度为t0 时金属丝的电阻温度系数 2 试件材料和电阻丝材料的线膨胀系数的影响当试件与电阻丝材料的线膨胀系数相同时 不论环境温度如何变化 电阻丝的变形仍和自由状态一样 不会产生附加变形 当试件和电阻丝线膨胀系数不同时 由于环境温度的变化 电阻丝会产生附加变形 从而产生附加电阻 设电阻丝和试件在温度为0 时的长度均为L0 它们的线膨胀系数分别为 s和 g 若二者不粘贴 则它们的长度分别为 当二者粘贴在一起时 电阻丝产生的附加变形 L 附加应变和及附加电阻变化分别为 折合成附加应变量或虚假的应变有 电阻应变式传感器 只要选择合适的材料 可以为0 2 电阻应变片的温度补偿方法电阻应变片的温度补偿方法通常有线路补偿法和应变片自补偿两大类 1 线路补偿法电桥补偿是最常用的且效果较好的线路补偿法 电桥补偿法的原理如图所示 电桥输出电压与桥臂参数的关系为 U0 KC R1R4 RBR3 式中KC 由桥臂电阻和电源电压决定的常数 R1 工作应变片 RB 补偿应变片 图电桥补偿法 电阻应变式传感器 当被测试件不承受应变时 R1和RB又处于同一环境温度为t 的温度场中 调整电桥参数 使之达到平衡 有 U0 KC R1R4 RBR3 0 工程上 一般按R1 RB R3 R4选取桥臂电阻 当温度升高或降低 t t t0时 两个应变片因温度相同而引起的电阻变化量相等 R1t RBt 电桥仍处于平衡状态 即 U0 KC R1 R1t R4 RB RBt R3 0 若此时被测试件有应变的作用 则工作应变片电阻R1又产生新的增量 R1 R1K R1变为R1 R1t R1 R1 R1t R1K 而补偿片因不承受应变 故不产生新的增量 此时电桥输出电压为 Uo KC R1 R1t R1K R4 RB RBt R3 KCR1R4K 由上式可知 电桥的输出电压Uo仅与被测试件的应变 有关 而与环境温度无关 电阻应变式传感器 2 温度补偿法 温度补偿法是利用自身具有温度补偿作用的应变片 称之为温度自补偿应变片 由前面的分析可知 温度和材料折合的应变为 要实现温度自补偿 必须有 o K0 也就是说 当被测试件的线膨胀系数已知 如果合理选择敏感栅材料 即温度和材料膨胀系数引起的应变应该大小相同 方向相互反 从而达到温度自补偿的目的 or 电阻应变式传感器 七 电阻应变片的步片与组桥 电阻应变片是将外力作用引起的应变转换成电阻值的变化 再通过测量电桥将电阻值的变化转化为电压信号 从而确定外力的大小 所以应变片粘贴的位置合理与否 接入电桥的方式恰当与否等均会影响最终的测量结果 因此对电阻应变片的步片与组桥应该遵循以下原则 1 根据弹性元件受力后的应力应变分布情况 应变片应该布置在弹性元件产生应变最大的位置 且沿主应力方向贴片 贴片处的应变尽量与外载荷呈线性关系 同时注意使该处不受非待测力的干扰影响 2 根据电桥的和差特性 将应变片布置在弹性元件具有正负极性的应变区 并选择合理的接入电桥方式 以使输出灵敏度最大 同时又可以消除或减小非待测力的影响并进行温度补偿 电阻应变式传感器 圆柱 筒 式力传感器 电阻应变式传感器 八 电阻应变式传感器的应用 当被测物理量为荷重或力的应变式传感器时 统称为应变式力传感器 其主要用途是作为各种电子称与材料试验机的测力元件 发动机的推力测试 水坝坝体承载状况监测等 应变式力传感器要求有较高的灵敏度和稳定性 当传感器在受到侧向作用力或力的作用点少量变化时 不应对输出有明显的影响 1 柱 筒 式力传感器 2 应变式加速度传感器 电阻应变式传感器的应用实例1 应变片构成八角环测量三维力测量原理 一 应变片构成八角环测量三维力测量原理 二 应变片构成八角环测量三维力测量演示 金属材料弹性元件受力后产生应变 将电阻应变片 电阻应变式传感器 粘贴于金属弹性材料的特殊部位 一般粘贴于应变较大的部位 本测试仪器是利用其基本原理 设计成特殊的八角环结构 将电阻应变片粘贴在受力后应变最大的四个耳环上 该仪器制成能测三个相互垂直的方向的力 因此将粘贴在各自特定部位的电阻应变片组成各自的电桥桥路 经过滤波器 动态应变仪 数据采集器和计算机组成三组各自独立的测力系统 动画 动画 电子皮带秤称重测量过程 电阻应变式传感器的应用实例2 在电子皮带称中应用了两个力学感测器 一個是测力感测器 它通过皮带下方的称架感知称量区间 L 的物料重量 另一個位测速感测器 它用来检测皮带的运行速度 这样只要将测力感测器所输出 经放大的讯号V1和测力感测器测得的速度讯号V2 用乘法器将V1和V2相乘便可得知皮带在特定单元时间的输送量 再将此值经积分器积分 便可得到某個时间段内输送物料的总重量 该数值可以直接显示在显示器上 第一次实验 实验一金属箔式应变片 单臂电桥性能实验实验二金属箔式应变片 半桥性能实验实验三金属箔式应变片 全桥性能实验实验四直流全桥的应用 电子秤实验实验五交流全桥的应用 振动测量实验实验六扩散硅压阻压力传感器差压测量实验 金属箔式应变片测力实验 三运放结构的精密放大电路 金属箔式应变片测振动实验 实验结果 理论 放大器输出相敏输出 滤波器输出 电容式传感器是以各种类型的电容器作为敏感元件 将被测物理量的变化转换为电容量的变化 再由转换电路 测量电路 转换为电压 电流或频率 以达到检测的目的 因此 凡是能引起电容量变化的有关非电量 均可用电容式传感器进行电测变换 电容式传感器不仅能测量荷重 位移 振动 角度 加速度等机械量 还能测量压力 液面 料面 成分含量等热工量 这种传感器具有结构简单 灵敏度高 动态特性好等一系列优点 在机电控制系统中占有十分重要的地位 4 2电容式传感器 一 电容式传感器工作原理与特性 1 电容式传感器的工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器 如果不考虑边缘效应 其电容量为 电容式传感器 a 变极距式电容传感元件 b 变面积式电容传感元件 c 变介质式电容传感元件 电容式传感器可分为变极距型 变面积型和变介电常数型三种 当传感器的介电常数和A为常数 初始极距为d0时 可知其初始电容量C0为 若电容器极板间距离由初始值d0缩小了 电容量增大了 则有 电容式传感器 变极距型电容式传感器原理图 变极距型电容式传感器只有在 d d0很小时 才有近似的线性关系 2 变极距型电容式传感器 放置云母片的电容器 电容式传感器 上式可以看出 在d0较小时 对于同样的 d变化所引起的 C可以增大 从而使传感器灵敏度提高 但d0过小 容易引起电容器击穿短路 为此 极板间可采用高介电常数的材料 云母 塑料膜等 作介质 云母片的相对介电常数是空气的7倍 其击穿电压不小于1000kV mm 而空气仅为3kV mm 因此有了云母片 极板间起始距离可大大减小 补充 差动电容传感器 在实际压力测量中 常使用差动电容传感器 不但提高了灵敏度 也改善了非线性 提高了灵敏度 同时改善了非线性 一般情况下 变极板间距离电容式传感器的初始电容在C0 20 100 pF 最大位移应小于间距的1 10 通常 d 0 01 0 1 d0 极板间距离在25 m 200 m的范围内 变极板间距离电容式传感器的优点是灵敏度高 可以进行非接触式测量 并且对被测量影响较小 所以适宜于对微位移的测量 它的缺点是具有非线性特性 所以测量范围受到一定限制 另外传感器的寄生电容效应对测量精度也有一定的影响 电容式传感器 变极距型电容式传感器总结 3 变面积型电容式传感器要改变电容器极板的面积 通常采用线位移型和角位移型两种形式 电容式传感器 优点是输入与输出之间呈线性关系 但灵敏度较低 所以适宜于测量较大的直线位移和角位移 4 变介质型电容式传感器变介质型电容式传感器可以用来测量纸张 绝缘薄膜等的厚度 测量粮食 纺织品 木材或煤等非导电固体介质的湿度 变介质型电容式传感器常用于对容器中液面的高度 溶液的浓度以及某些材料的厚度 湿度 温度等的检测 式中L0和b0 极板的长度和宽度 L 第二种介质进入极板间的长度 电容式传感器 可见 电容量的变化与电介质的移动量L成线性关系 调频式测量电路原理框图 1调频测量电路 电容式传感器 二 电容式传感器测量电路 C 振荡回路的总电容 C C1 C2 Cx 其中C1为振荡回路固有电容 C2为传感器引线分布电容 Cx C0 C为传感器的电容 调频电容传感器测量电路具有抗干扰能力强 灵敏度高等优点 可以测量高至0 01 m级位移变化量 2运算放大器式测量电路运算放大器的放大倍数很大 输入阻抗Zi很高 输出电阻小 所以运算放大器作为电容式传感器的测量电路是比较理想的 电容式传感器 说明运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系 运算放大器式电路解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题 3二极管双T形交流电桥测量电路 电容式传感器 二极管双T形交流电桥 若传感器输入信号不为0 则C1 C2 I1 I2 此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零 因此产生输出电压 输出电压在一个周期内的平均值为 式中f 电源频率 当RL已知 式中 常数 则上式可改写为 电容式传感器 4桥式电路 2 差动接法 1 单臂接法 电容式传感器 5差动脉冲调宽电路差动脉冲调宽电路属脉冲调制电路 它利用对电容传感器充放电使输出脉冲的宽度随电容量的变化而变化 再经低通滤波器可得对应被测量变化的直流信号 输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 电容式传感器 当接通电源时 双稳态触发器的Q端及A点为高电平 Q非端为低电平 因此A点通过R1对C1充电 直到F点的电位等于参考电压U 比较器A1输出脉冲 使双稳态触发器翻转 Q端变为低电平 而Q端为高电平 此时F点的电平经过VD1短路迅速放电至0 同时B点的高电平通过R2对C2充电 使C2两端的电位达到U时 双稳态触发器翻转 周而复始 则在A B两点分别输出宽度C1 C2调制的矩形脉冲 电容式传感器 电容式传感器 三 电容式传感器的应用 电容测微仪动画 电容式传感器 电容式传感器应用实例1 利用谐振原理测量振动幅度和频率 或微小位移 电容式传感器 电容式传感器应用实例2 容栅长度测量动画 整个传感器由两组条状电极群相对放置组成 一组为动栅 另一组为定栅 动栅和定栅通过静电耦合来实现其位移的测量 电感式传感器是利用线圈自感或互感系数的变化来实现非电量电测的一种装置 利用电感式传感器 能对位移 压力 振动 应变 流量等参数进行测量 它具有结构简单 灵敏度高 输出功率大 输出阻抗小 抗干扰能力强及测量精度高等一系列优点 因此在机电控制系统中得到广泛的应用 它的主要缺点是响应较慢 不宜于快速动态测量 而且传感器的分辨率与测量范围有关 测量范围大 分辨率低 反之则高 电感式传感器种类很多 一般分为自感式和互感式两大类 习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器 而互感式传感器由于是利用变压器原理 又往往做成差动形式 所以常称为差动变压器式传感器 电感式传感器 一 差动螺管式 自感式 传感器 工作原理自感式传感器是把被测量的变化转换成自感L的变化 通过一定的转换电路转换成电压或电流输出 按磁路几何参数变化形式的不同 目前常用的自感式传感器有变气隙式 变截面积式和螺线管式三种 电感式传感器 电感式传感器 如果空气隙 较小 且不考虑磁路的铁损 则线圈的自感可按下式计算 因为导磁体的磁导率远大于空气磁导率 即气隙磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻 所以线圈的自感为 当线圈匝数一定时 电感量与空气隙厚度成反比 与空气隙相对截面积成正比 2 自感式电感传感器 3 差动电感传感器1 电感式传感器 为了保证一定的测量范围和线性度 一般取 从图可知 若衔铁向上移动时 差动式电感传感器的电感变化量为电感的相对变化量为 可见 灵敏度提高了1倍 电感式传感器 非线性误差减小了一个数量级 电感式传感器 电感式传感器种类很多 一般分为自感式和互感式两大类 习惯上讲的电感式传感器通常指自感式传感器 而互感式传感器由于是利用变压器原理 又往往做成差动形式 所以常称为差动变压器式传感器 电感式传感器 3 差动电感传感器2 电感式传感器 从上式可以看出 为了得到较大的L0值 lc和rc值必须取得大些 但是为了得到较高的灵敏度 lc值却不宜取得太大 通常取lc 1 2 铁芯材料的选取取决于激励电源的频率 一般情况下 当激励电源的频率在500Hz以下时 铁芯材料多用合金钢 当激励电源的频率在500Hz以上时 铁芯材料可用坡莫合金 当激励电源的频率在更高频率下使用时 可以选用铁氧体 差动变压器是把被测的非电量变化转换成线圈互感量的变化 这种传感器是根据变压器的基本原理制成的 并且次级绕组用差动的形式连接 故称之为差动变压器式传感器 可以测量1mm 100mm机械位移 并具有测量精度高 灵敏度高 结构简单 性能可靠等优点 二 差动变压器 互感式 传感器 电感式传感器 螺线管式差动变压器 螺线管式差动变压器结构 1 差动螺线管式传感器1 螺线管式差动变压器的工作原理螺线管式差动变压器的结构如图所示 主要由一个初级线圈 两个次级线圈和插入线圈中央的圆柱形铁芯等组成 1 活动衔铁 2 导磁外壳 3 骨架 4 匝数W1 5 匝数W2a 6 匝数W2b 电感式传感器 螺线管式差动变压器的等效电路差动变压器输出电压特性曲线 电感式传感器 理想情况下 当衔铁位于中心位置时 两个次级线圈感应电压大小相等 方向相反 差动输出电压为零 但实际情况是差动变压器输出电压往往并不等于零 这个不为0的电压称为零点残余电压 它主要是由传感器的两个次级绕组的电气参数和几何尺寸不对称 以及磁性材料的非线性等引起的 2 基本特性差动变压器等效电路如图所示 假设在初级线圈加上角频率为w 大小为U的激励电压 在初级线圈中产生的电流为I1 并且初级线圈的直流电阻和漏电感分别为r1 L1 则当次级开路时 有 根据电磁感应定律 次级绕组中感应电势的表达式分别为 式中 M1 M2为初级绕组与两次级绕组的互感 由于次级两绕组反相串联 且考虑到次级开路 则由以上关系可得 电感式传感器 输出电压的有效值为 1 当活动衔铁处于中间位置时 M1 M2 M 则Uo 0 2 当活动衔铁向上移动时 M1 M M M2 M M 则 且与E2a同极性 电感式传感器 3 当活动衔铁向下移动时 M1 M M M2 M M 则 可见 差动变压器输出电压的大小反映了铁芯位移的大小 输出电压的极性反映了铁芯运动的方向 且与E2b同极性 2 差动变压器式传感器测量电路差动变压器的输出是交流电压 若用交流电压表测量 只能反映衔铁位移的大小 不能反映移动的方向 另外 其测量值中将包含零点残余电压 为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的 实际测量时 常常采用差动整流电路和相敏检波电路 电感式传感器 a 半波电压输出 b 半波电流输出差动整流电路 电感式传感器 1 差动整流电路下图所示是两种半波整流差动输出电路的形式 差动变压器的两个次级输出电压分别进行半波整流 将整流后的电压或电流的差值作为输出 图 a 适用于交流阻抗负载 图 b 适用于低阻抗负载 电阻R用于调整零点残余电压 2 相敏检波电路根据变压器的工作原理 考虑到O M分别为变压器T1 T2的中心抽头 则 式中 n1 n2分别为变压器T1 T2的变压比 电感式传感器 可见 VD3和VD4导通形成两条通路 其等效电路如图所示 由于 x 0 即铁芯向上 U21增加 U22减小 所以U0为上正下负 电感式传感器 x 0Us U2同相正半周Us U2 可见 VD1和VD2导通形成两条通路 其等效电路如图所示 由于 x 0 即铁芯向上 U21增加 U22减小 所以U0仍然为上正下负 电感式传感器 x 0Us U2同相负半周Us U2 Us2 电感式传感器 综上所述 当铁芯向上 U21增加 U22减小 Us U2同相 不管他们在正半周还是负半周 都会在RL上形成向下的电流 使得U0始终为上正下负 如果Us U2反相 能使得U0始终为上负下正 那么 U0的大小可以判断位移的大小 U0的极性就可以判断位移的方向 以同样的方法 判定铁芯向下 思考题 电感式传感器 相敏检波器的电压波形 被测位移变化波形图 差动变压器激磁电压波形 差动变压器输出电压波形 相敏检波解调电压波形 相敏检波输出电压波形 补充另外一个相敏电路 补充另外一个相敏电路 电涡流效应和电涡流式传感器金属导体置于变化着的磁场中 导体内就会产生感应电流 这种电流像水中旋涡那样在导体内转圈 所以称之为电涡流或涡流 这种现象就称为涡流效应 应用 若在金属圆柱体上绕一线圈 当线圈中通入交变电流时 金属圆柱体便处在交变磁场中 设想金属圆柱体由一系列不同半径的圆柱形薄壳所构成 每层金属薄壳就是一个闭合回路 在交变磁场中有感应电流流通 这些感应电流在金属圆柱体内汇集出强大的涡流 释放出大量的焦耳热 可使金属自身熔化 这就是高频感应炉冶炼金属的原理形成涡流必须具备下列两个条件 1 存在交变磁场 2 导电体处于交变磁场中 电涡流式传感器 属于电感传感器 按照电涡流在导体内贯穿的情况 可以把电涡流传感器分为高频反射式和低频透射式两类 其工作原理是相似的 电涡流式传感器 2 工作原理将一个通以正弦交变电流I1 频率为f 外半径为ras的扁平线圈置于金属导体附近 则线圈周围空间将产生一个正弦交变磁场H1 使金属导体中感应电涡流I2 I2又产生一个与H1方向相反的交变磁场H2 如图所示 Z F r f x 电涡流式传感器 根据能磁定律 H2的反作用必然削弱线圈的磁场H1 由于磁场H2的作用 涡流要消耗一部分能量 导致传感器线圈的等效阻抗发生变化 线圈阻抗的变化取决于被测金属导体的电涡流效应 线圈等效电阻 磁导率 激励电源频率 线圈与被测物体的尺寸因子 涡流式传感器的结构示意图 电涡流式传感器 式中 线圈激磁电流角频率 R1 L1 线圈电阻和电感 L2 短路环等效电感 R2 短路环等效电阻 M 互感系数 由上式解得等效阻抗Z的表达式为 电涡流式传感器 电涡流式传感器数学模型 电涡流在金属表面形成的短路环等效于渔歌电感和一个电感的串联 式中Req 线圈受电涡流影响后的等效电阻 即 Leq 线圈受电涡流影响后的等效电感 即 线圈的等效品质因数Q值 即感抗与阻抗的比值 为 电涡流式传感器 h称为电涡流的贯穿深度 可由下式求得 式中f 线圈激磁电流的频率 真空的磁导率 被测金属导体的相对磁导率 说明 电涡流的贯穿深度与频率成反比 频率越高 贯穿深度越小 故低频透射 高频反射 电涡流式传感器 3电涡流的形成范围1 电涡流的径向形成范围线圈 导体系统产生的电涡流密度既是线圈与导体间距离x的函数 又是沿线圈半径方向r的函数 当距离x一定时 电涡流密度J与线圈半径r的关系曲线如图所示 J0为金属导体表面电涡流密度 即电涡流密度最大值 Jr为半径r处的金属导体表面电涡流密度 可知 电涡流式传感器 电涡流密度在ri 0处为零 在距离传感器线圈外径ras的1 8 2 5倍范围内 电涡流密度则大约衰减为最大值的5 2 电涡流径向形成范围大约在传感器线圈外径ras的1 8 2 5倍范围内 且分布不均匀 3 为了充分利用涡流效应 被测导体的平面尺寸不应该小于传感器线圈外径的2倍 否则灵敏度将下降 4 若被测导体为圆柱体时 当其直径为传感器线圈外径的3 5倍以上时 则传感器的灵敏度近似为常数 5 可以用一个平均半径为的短路环来集中表示分散的电涡流 图中阴影部分 2 电涡流强度与距离的关系 当x改变时 电涡流密度也发生变化 即电涡流强度随距离x的增大而迅速减小 根据线圈 导体系统的电磁作用 可以得到金属导体表面的电涡流强度为 式中I1 激励线圈中的电流 I2 金属导体中涡流的等效电流 x 激励线圈到金属导体表面的距离 ras 线圈的外径 电涡流式传感器 以上分析表明 1 电涡流强度与距离x呈非线性关系 且随着x ras的增加而迅速减小 2 当利用电涡流式传感器测量位移时 只有在x ras1 一般取0 05 0 15 的条件下才能得到较好的线性和较高的灵敏度 3 电涡流的轴向贯穿深度电涡流不仅沿导体径向分布不均匀 而且导体内部产生的涡流由于趋肤效应 贯穿金属导体的深度也有限 仅作用于表面薄层和一定的径向范围内 磁场进入金属导体后 强度随距离表面的深度的增大按指数规律衰减 并且导体中产生的电涡流强度也是随导体厚度的增加按指数规律下降的 如图所示电涡流密度轴向分布曲线所谓贯穿深度是指把电涡流强度减小到表面强度的1 e处的表面厚度 其按指数衰减分布规律可用下式表示 式中d 金属导体中某一点与表面的距离 Jd 沿H1轴向d处的电涡流密度 J0 金属导体表面电涡流密度 即电涡流密度最大值 h 电涡流轴向贯穿的深度 趋肤深度 电涡流式传感器 可见 电涡流密度主要分布在表面附近 d Jd 4 电涡流传感器的测量电路用于电涡流传感器的测量电路主要有调频式 调幅式电路两种 1 调频式电路 电涡流式传感器 当金属导体远离或去掉时 LC并联谐振回路谐振频率即为石英振荡频率fo 回路呈现的阻抗最大 谐振回路上的输出电压也最大 当金属导体靠近传感器线圈时 线圈的等效电感L发生变化 导致回路失谐 从而使输出电压降低 L的数值随距离x的变化而变化 因此 输出电压也随x而变化 输出电压经放大 检波后 由指示仪表直接显示出x的大小 2 调幅式电路由传感器线圈L 电容器C和石英晶体组成的石英晶体振荡电路如图所示 石英晶体振荡器起恒流源的作用 给谐振回路提供一个频率 f0 稳定的激励电流io LC回路输出电压为 式中 Z为LC回路的阻抗 电涡流式传感器 电感式传感器的应用实例 电感测微仪动画 测量振动 电涡流式传感器 感应同步器测量原理动画 测量位移 电涡流测微仪动画 测量振动 电涡流式转速传感器 磁敏式传感器是基于磁电转换原理的传感器 是对磁场参量 B H 敏感的元器件或装置 具有把磁学物理量转换为电信号的功能 磁敏式传感器主要有磁敏电阻 磁敏二极管 磁敏三极管和霍耳式磁敏传感器 一 磁电效应及敏感材料 某些材料 如金属或半导体材料 当其受到一定强度和方向上的磁场作用时 会产生一定的电动势或者产生电阻率的变化 这种现象称为磁电效应 相应地 在磁场作用下产生电动势的现象称为霍耳效应 而产生电阻率变化的现象称为磁阻效应 目前常用的磁电效应敏感材料主要有锗 Ge 硅 Si 砷化镓 GaAs 砷化姻 InAs 锑化铟 InSb 等 其中N型硅具有良好的温度特性和线性度 灵敏度高 应用较多 磁敏式传感器 二 磁敏电阻 磁敏电阻是一种电阻随磁场变化而变化的磁敏元件 也称MR元件 其工作原理是基于磁阻效应 1 磁阻效应置于磁场中的载流金属导体或半导体材料 其电阻值随磁场变化的现象 称为磁致电阻变化效应 简称为磁阻效应 磁阻效应与材料性质 几何形状等因素有关 在磁场中 电流的流动路径会因磁场的作用而加长 使得材料的电阻率增加 当温度恒定时 磁阻效应与磁场强度 载流子的迁移率和几何形状之间的关系可表示为 磁敏式传感器 可以看出 在磁场一定时 载流子的迁移率越高 其磁阻效应越明显 当材料中仅存在一种载流子时磁阻效应几乎可以忽略 此时霍耳效应更为强烈 若在电子和空穴都存在的材料如锑化铟 InSb 中 则磁阻效应很强 所以磁敏电阻通常选用锑化铟 InSb 砷化铟 InAs 锑化镍 NiSb 等半导体材料 2 磁阻元件的主要特性1 灵敏度特性磁阻元件的灵敏度特性是用在一定磁场强度下的电阻变化率来表示的 即磁场 电阻特性的斜率 常用K表示 在计算时常用磁场强度为0 3T 或1T 时的磁阻元件电阻值RB与零磁场时的磁阻元件电阻值R0的比值求得 即 K RB R0这种情况下 一般磁阻元件的灵敏度大于2 7 通常情况下 磁阻元件的灵敏度是非线性的 并且受温度影响较大 所以使用时应该根据灵敏度特性进行温度补偿 磁敏式传感器 2 磁场 电阻特性材料不同 磁敏电阻的阻值相对变化率通常也不相同 磁敏电阻的阻值相对变化率通常与磁场的极性无关 它只随磁场强度的增加而增加 如图4 45所示 在B0 3T时则呈线性关系 a S N级之间电阻特性 b 电阻变化率特性 磁敏式传感器 3 电阻 温度特性由于磁敏电阻是由半导体材料制成的 因此它受温度影响很大 图4 46所示的是一般半导体磁阻元件的电阻 温度特性曲线 从图中可以看出 半导体磁阻元件的温度特性不好 图中的电阻值在35 的变化范围内减小了1 2 因此在应用时 一般都要采取温度补偿措施 磁敏式传感器 4 标称阻值和额定功率磁敏电阻大部分与半导体电路配合使用 其电阻值通常为50 500 额定功率在环境温度低于80 时一般为几毫瓦 5 频率特性磁敏电阻的工作频率范围通常在1MHz 10MHz 3 磁敏电阻的应用磁敏电阻可以用来作为电流传感器 磁敏接近开关 角速度 角位移传感器 磁场传感器等 可用于开关电源 UPS 变频器 伺服电机驱动器 家庭网络智能化管理 电度表 电子仪器仪表 工业自动化 智能机器人 电梯 智能住宅 机床 工业设备 断路器 防爆电机保护器 家用电器 电子产品 电力自动化 医疗设备 机床 远程抄表 仪器 自动测量 地磁场的测量 探矿等 磁敏式传感器 接近开关 当磁场接近磁敏电阻 电阻增加 VT1门极电压增加 VT1导通 磁敏电阻组成的无触点开关电路 磁敏式传感器 下图所示的是用磁敏电阻组成的无触点开关电路 当永久磁铁接近磁敏电阻时会使磁敏电阻的阻值增大 根据需要将信号进行放大或直接驱动晶体管 即可实现无触点开关功能或实现计数功能 三 磁敏二极管和磁敏三极管 磁敏二极管 三极管是继霍耳元件和磁敏电阻之后迅速发展起来的新型磁电转换器件 它们具有输出信号大 磁灵敏度高 磁灵敏度比霍耳元件高数百倍甚至数千倍 工作电流小 体积小 电路简单 能识别磁场的极性等特点 因而在磁场 转速 探伤等检测与控制等方面得到普遍应用 磁敏式传感器 a 结构 b 电路符号 磁敏式传感器 1 磁敏二极管1 磁敏二极管的结构磁敏二极管有硅磁敏二极管和锗磁敏二极管两种 磁敏二极管的结构是平面P i N 型结构的二极管 PN结的基区 i区 很长 大于载流子的扩散长度 R区为高复合区 载流子在此全部复合 磁敏二极管与普通二极管的区别是 普通二极管PN结的基区很短 以避免载流子在基区里复合 磁敏二极管的PN结却有很长的基区 大于载流子的扩散长度 但基区是由接近本征半导体的高阻材料构成的 一般锗磁敏二极管用 40 cm左右的P型或N型单晶做基区 锗本征半导体的 50 cm 在它的两端有P型和N型锗 并引出电极 2 磁敏二极管的工作原理 a 无外加磁场 b 外加正向磁场 c 外加反向磁场电阻增加电阻减小 磁敏式传感器 当磁敏二极管受到外界正向磁场H 的作用时 i区的载流子 电子和空穴 受到洛伦兹力的作用向r区偏转 因为r区的电子和空穴复合速度比i区快 从而使i区的载流子数目减少 i区电阻增大 压降增加 所以形成磁敏二极管的正向电流I减小 电阻增大 当磁敏二极管受到外界负向磁场H 的作用时 结果与施加正向磁场的情况相反 因此形成磁敏二极管的正向电流I增大 电阻减小 随着磁场大小和方向的变化 可产生正负输出电压的变化 特别是在较弱的磁场作用下 可获得较大输出电压 若r区和r区之外的复合能力之差越大 那么磁敏二极管的灵敏度就越高 磁敏二极管反向偏置时 则在r区仅流过很微小的反向漏电流 显得几乎与磁场无关 因而二极管两端电压不会因受到磁场作用而有任何改变 利用磁敏二极管随磁场强度变化而变化的关系 可以实现磁电转换 并且由于磁敏二极管在正 负向磁场作用下输出信号增量的方向不同 因此利用磁敏二极管可以判别磁场的方向 2 磁敏三极管1 磁敏三极管的结构与工作原理NPN型磁敏三极管是在弱P型或弱N型本征半导体上 用合金法或扩散法形成发射极 基极和集电极的半导体元件 如图所示 磁敏三极管的特点是基区较长 基区结构类似于磁敏二极管 也有高复合率的r区和本征区i区 在长基区的侧面制成一个复合速率很高的高复合区r 长基区分为运输基区和复合基区两部分 a 结构 b 符号 磁敏式传感器 当不受磁场作用 如图 a 所示时 由于磁敏三极管的基区宽度大于载流子有效扩散长度 因而注入的载流子除少部分输入到集电极c外 大部分通过e i b而形成基极电流 显而易见 基极电流大于集电极电流 所以 电流放大系数 Ic Ib 1 当受到H 磁场作用 如图 b 所示时 由于洛伦兹力作用 载流子向发射结一侧偏转 从而使集电极电流明显下降 当受到H 磁场作用 如图 c 所示时 载流子在洛伦兹力作用下 向集电结一侧偏转 使集电极电流增大 磁敏三极管工作原理 磁敏式传感器 从上述分析可以看出 磁敏三极管与磁敏二极管的工作原理完全相同 只是因为i区较长 当没有外磁场作用时 在横向电场作用下 发射极电流大部分形成基极电流 小部分形成集电极电流 在正向或负向磁场作用下 会引起集电极电流的减少或增加 因此可以用磁场方向控制集电极电流的增加或减少 用磁场的强弱控制集电极电流的变化量 3 磁敏二极管和磁敏三极管的应用由于磁敏管有较高的磁灵敏度 体积和功耗都很小 且能识别磁极性等优点 是一种新型半导体磁敏元件 它有着广泛的应用前景 利用磁敏管可以做成磁场探测仪器 如高斯计 漏磁测量仪 地磁测量仪等 用磁敏管做成的磁场探测仪 可测量10 7T左右的弱磁场 根据通电导线周围具有磁场 而磁场的强弱又取决于通电导线中电流大小的原理 因而可利用磁敏管采用非接触方法来测量导线中电流 而用这种装置来检测磁场还可确定导线中电流值大小 既安全又省电 因此是一种备受欢迎的电流表 此外 利用磁敏管还可制成转速传感器 能测高达每分钟数万转的转速 无触点电位器和漏磁探伤仪等 磁敏式传感器 四 霍耳传感器 1 霍耳效应 霍耳材料 霍耳元件1 霍耳效应 磁敏式传感器 置于磁场中的静止载流导体 当它的电流方向与磁场方向不一致时 载流导体上平行于电流和磁场方向上的两个面之间产生电动势 这种现象称为霍耳效应 该电动势称为霍尔电势 此时 每个电子受洛伦兹力fL的作用 fL的大小为 式中e 电子电荷 v 电子运动平均速度 B 磁场的磁感应强度 fL eBv UH霍尔电势I控制电流强度B磁感应强度d霍尔片的厚度RH霍尔常数KH霍尔片的灵敏度 洛伦兹力fL与电场力fH平衡时 为了提高灵敏度 霍耳元件常制成薄片形状 霍耳元件的结构很简单 它是由霍耳片 四根引线和壳体组成的 如 a 所示 霍耳片是一块矩形半导体单晶薄片 引出四根引线 1 1 两根引线加激励电压或电流 称为激励电极 或控制电极 2 2 引线为霍耳输出引线 称为霍耳电极 霍耳元件的壳体是用非导磁金属 陶瓷或环氧树脂封装的 磁敏式传感器 2 霍耳元件及检测电路 通常 霍耳电势的转换效率比较低 为了获得更大的霍耳电势输出 可以将若干个霍耳元件串联起来使用 而在霍耳元件输出信号不够大的情况下 可以采用运算放大器对霍耳电势进行放大 当然 最好还是采用集成霍耳传感器 霍耳元件的串联霍耳电势的放大 磁敏式传感器 1 额定激励电流使霍耳元件温升10 时所施加的激励电流称为额定激励电流 以元件允许最大温升为限制所对应的激励电流称为最大允许激励电流 因霍耳电势随激励电流增加而线性增加 所以使用中希望选用尽可能大的激励电流以获得较高的霍耳电势输出 但是由于受到最大允许温升的限制 可以通过改善霍耳元件的散热条件 使激励电流增加 2 灵敏度KH霍耳元件在单位磁感应强度和单位激励电流作用下的空载霍耳电势值 称为霍耳元件的灵敏度 3 输入电阻和输出电阻霍耳元件激励电极间的电阻值称为输入电阻 霍耳电极输出电势对电路外部来说相当于一个电压源 其电源内阻即为输出电阻 以上电阻值是在磁感应强度为零 且环境温度在20 5 时所确定的 磁敏式传感器 2 霍耳元件的主要特性参数 4 不等位电势和不等位电阻当磁感应强度为零 霍耳元件的激励电流为额定值时 则其输出的霍耳电势应该为零 但实际不为零 用直流电位差计可以测得空载霍耳电势 这时测得的空载霍耳电势称为不等位电势 产生不等位电势的主要原因有 霍耳电极安装位置不对称或不在同一等电位面上 半导体材料不均匀造成了电阻率不均匀或是几何尺寸不均匀 激励电极接触不良造成激励电流不均匀分布等 磁敏式传感器 不等位电势示意图霍耳元件的等效电路 磁敏式传感器 可以看出 不等位电势就是激励电流流经不等位电阻r0所产生的电压 不等位电势也可用不等位电阻 零位电阻 表示 即 式中U0 不等位电势 r0 不等位电阻 I 激励电流 5 寄生直流电势在外加磁场为零 霍耳元件用交流激励时 霍耳电极输出除了交流不等位电势外 还有一直流电势 称为寄生直流电势 产生寄生直流电势的原因有 激励电极与霍耳电极接触不良 形成非欧姆接触 造成整流效果 两个霍耳电极大小不对称 则两个电极点的热容不同 散热状态不同而形成极间温差电势 寄生直流电势一般在1mV以下 它是影响霍耳片温漂的原因之一 6 霍耳电势温度系数在一定磁感应强度和激励电流下 温度每变化1 时 霍耳电势变化的百分率称为霍耳电势温度系数 它同时也是霍耳系数的温度系数 它与霍耳元件的材料有关 一般约为0 1 左右 磁敏式传感器 1 不等位电势的补偿不等位电势与霍耳电势具有相同的数量级 有时甚至超过霍耳电势 而实用中要消除不等位电势是极