电参量传感器.ppt

第三章电参量检测装置 电容式传感器 电感式传感器 电阻式传感器 序 3 0序 电参量检测装置中的传感器 按其能量变换的情况属于能量控制型传感器 需要外加电源 其输出端的能量是由外加的电源电压供给的 被测量对象的信号控制着由电源供给传感器输出端的能量 本章主要电阻式 电感式和电容式传感器 3 1电阻式传感器 电阻式传感器是一种电参量传感器 它的工作原理是通过转换元件将被测非电量转变为电阻值 通过转换电路将电阻值转换为电信号 再通过测量电信号达到测量非电量的目的 电阻应变式 压阻式 热电阻式 光敏电阻式传感器 应变 压力 位移 加速度和温度等非电量参数 电阻式应变式传感器是一种应用广泛的传感器 它由弹性元件 电阻应变片和测量电路构成 3 1 1应变式传感器 电阻应变片是用直径0 023mm的具有高电阻率的电阻丝制成的 1电阻应变效应 导体或半导体材料在外力作用下产生机械变形时 它的电阻值也相应地发生变化 这一物理现象称为电阻应变效应 利用电阻应变效应原理制成的 应用最为广泛的电阻式传感器 主要用于机械量的检测中 如力 压力等物理量的检测 2电阻的应变灵敏系数根据电阻的定义式 R 当有变化量 l S时 其相对变化率为 3 1 对于半径为r的圆柱形截面电阻丝 因为A r2 故 K0 1 2 应变灵敏系数 1 6 2 0 材料的泊松系数 0 3 0 5 3电阻应变片的类型及常用材料 根据应变片的质地 主要为金属电阻应变片 金属电阻应变片此类应变片的结构形式有丝式 箔式和薄膜式三种 a 丝式应变片如图3 1 1a所示 它是将金属丝按图示形状弯曲后用粘合剂贴在衬底上而成 基底可分为纸基 胶基和纸浸胶基等 电阻丝两端焊有引出线 使用时只要将应变片贴于弹性体上就可构成应变式传感器 它结构简单 价格低 强度高 但允许通过的电流较小 测量精度较低 适用于测量要求不很高的场合使用 b 箔式应变片该类应变片的敏感栅是通过光刻 腐蚀等工艺制成 箔栅厚度一般在0 003 0 01mm之间 它的结构如图3 1 1b所示 箔式应变片与丝式应变片比较其面积大 散热性好 允许通过较大的电流 由于它的厚度薄 因此具有较好的可绕性 灵敏度系数较高 箔式应变片还可以根据需要制成任意形状 适合批量生产 c 金属薄膜应变片它是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法 在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片 这种应变片有较高的灵敏度系数 允许电流密度大 工作温度范围较广 金属电阻应变片具有高分辨率 非线性误差小 温漂系数小 测量范围大 价格低廉 品种繁多 便于选择和大量使用等优点 因此在各行各业都广泛的应用 灵敏度低 应变片电阻通常有 60 120 200 350 500 1000 几种 其中以120 为最常用 电阻阻值越大 可以加大应变片承受的压力 因此输出的信也越大 但是电阻值大 敏感栅的尺寸也随之加大 4电阻应变片的测量电路 空载输出的直流电桥电路 1 直流电桥平衡条件 2 不平衡直流电桥的工作原理及输出电压 当电桥接入电阻应变片时 即为应变桥 当一个桥臂 两个桥臂 四个桥臂接入应变片时 相应的电桥为单臂桥 半桥和全臂桥 设电桥各臂电阻均有增量 不平衡输出电压为 等臂电桥 则有 当 时 忽略高阶增量 得 单臂电桥 R1为应变片 R2 R3和R4均为固定电阻 电桥输出为 差动半桥 R1 R2为应变片 R3和R4均为固定电阻 电桥输出为 差动全桥 R1 R2 R3和R4均为应变片电桥输出为 R1受拉 R2受压 R1和R4受拉 R2和R3受压 注意点 提高电桥得供电电压 增大应变片得灵敏系数 可以提高电桥的输出电压 差动电桥灵敏度为单臂电桥的两倍 全等臂电桥灵敏度为单臂电桥的四倍 相对两桥臂应变性一致 输出电压为两者之和 反之为两者之差 相临两桥臂应变性一致 输出电压为两者之差 反之为两者之和 为增大电桥的输出 1 4与 2 3的符号相反 5应变电阻传感器的应用 电阻应变片除可测量试件应力之外 还可制造成各种应变式传感器用于测量力 荷重 扭矩 加速度 位移 压力等多种物理量 应变式测力与荷重传感器传感器由弹性元件 应变片和外壳所组成 弹性元件是传感器的基础 把被测量转换成应变量的变化 弹性元件上的应变片是传感器的核心 它把应变量变换成电阻量的变化 传感器弹性元件的结构形式多种多样 根据被测量大小不同 常见的有柱式 悬臂梁式环式等等 如GX 1型悬臂梁称重传感器 结构外形如图3 1 5所示 结构尺寸如图3 1 6所示 图3 1 5GX 1型悬臂梁称重传感器 图3 1 6GX 1型悬臂梁称重传感器结构尺寸 3 1 2半导体应变片1 半导体的压阻效应半导体应变片是利用半导体材料的压阻效应而制成的一种纯电阻性元件 对一块半导体材料的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时 它的电阻率会发生变化 这种物理现象称为半导体的压阻效应 式中 l 半导体的压阻系数 E 半导体材料的弹性系数 沿半导体小条的应变 上式中第一项是由几何形状变化而引起的电阻的相对变化量 其数值很小 约为1 2 上式中第二项是由压阻效应引起的 其数值为第一项的50 70倍 故 第一项可以忽略 式中 K 半导体应变片的灵敏系数 半导体应变片突出的优点 灵敏度系数高 可测量微小的应变 一般600微应变以下 机械滞后小 动态效应好 体积小 缺点 电阻温度系数大 灵敏度系数K随着温度变化大 非线性严重 测量范围小 因此 在使用的需要采用温度补偿和非线性补偿措施 2 类型和结构半导体应变片有以下几种类型 a 体型半导体应变片这是一种将半导体材料硅或锗晶体按一定方向切割成的片状小条 经腐蚀压焊粘贴在基片上而成的应变片 其结构如图3 1 2所示 b 薄膜型半导体应变片这种应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积在带有绝缘层的试件上而制成 其结构示意图见图3 1 3 c 扩散型半导体应变片将P型杂质扩散到N型硅单晶基底上 形成一层极薄的P型导电层 再通过超声波和热压焊法接上引出线就形成了扩散型半导体应变片 图3 1 4为扩散型半导体应变片示意图 这是一种应用很广的半导体应变片 3测量电路 图恒压 流 源供桥电路 电桥供电电源可采用恒压源或者恒流源 对于恒压源 设四个桥臂由于应变电阻的变化为 R 四个桥臂由于温度变化引起的电阻值的增量为 Rt 则电桥输出电压为 桥路输出受到环境温度变化的影响 但是影响甚微 若电桥采用恒流源供电 则桥路的输出为 3 1 3热电阻传感器 热电阻传感器是利用导体或者半导体的电阻值随着温度变化的特性对与温度相关的参量进行测量的装置 测温范围主要在低中温区 200oC 630oC 测温的元件分为 金属热电阻和半导体热电阻 制造材料来分 普通型热电阻 铠装热电阻和薄膜热电阻 结构来分 工业用热电阻 精密的和标准热电阻 用途来分 它的主要特点是测量精度高 性能稳定 其中铂热式阻的测量精确度是最高的 它不仅广泛应用于工业测温 而且被制成标准的基准仪 主要用于对温度和温度有关的参量 如压力 流速 进行测量 1热电阻测温原理及材料热电阻测温是基于金属导体的电阻值随温度的增加而增加这一特性来进行温度测量的 热电阻大都由纯金属材料制成 目前应用最多的是铂和铜 此外 现在已开始采用镍 锰和铑等材料制造热电阻 2热电阻的类型1 金属热电阻 从热电阻的测温原理可知 被测温度的变化是直接通过热电阻阻值的变化来测量的 因此 热电阻体的引出线等各种导线电阻的变化会给温度测量带来影响 铂电阻 标准热电阻 工业常用 稳定性好 200 630oC 铜电阻 50 150oC 只作为工业用 镍电阻 60 180oC 只作为工业用 2 铠装热电阻铠装热电阻是由感温元件 电阻体 引线 绝缘材料 不锈钢套管组合而成的坚实体 它的外径一般为 2 8mm 最小可达 1mm 与普通型热电阻相比 它有下列优点 体积小 内部无空气隙 热惯性上 测量滞后小 机械性能好 耐振 抗冲击 能弯曲 便于安装 使用寿命长 3 端面热电阻端面热电阻感温元件由特殊处理的电阻丝材绕制 紧贴在温度计端面 它与一般轴向热电阻相比 能更正确和快速地反映被测端面的实际温度 适用于测量轴瓦和其他机件的端面温度 4 隔爆型热电阻隔爆型热电阻通过特殊结构的接线盒 把其外壳内部爆炸性混合气体因受到火花或电弧等影响而发生的爆炸局限在接线盒内 生产现场不会引超爆炸 3热电阻的应用1 热电阻温度计通常工业上用于测温是采用铂电阻和铜电阻作为敏感元件 测量电路用得较多的是电桥电路 为了克服环境温度的影响常采用图3 3所示的三导线四分之一电桥电路 由于采用这种电路 热电阻的两根引线的电阻值被分配在两个相邻的桥臂中 如果 则由于环境温度变化引起的引线电阻值变化造成的误差被相互抵消 2 热电阻式流量计图3 4是一个热电阻流量计的电原理图 两个铂电阻探头Rt1 Rt2 Rt1放在管道中央 它的散热情况受介质流速的影响 Rt2放在温度与流体相同 但不受介质流速影响的小室中 当介质处于静止状态时 电桥处于平衡状态 流量计没有指示 当介质流动时 由于介质流动带走热量 温度的变化引起阻值变化 电桥失去平衡而有输出 电流计的指示直接反映了流量的大小 3 热敏电阻的应用热敏电阻与简单的放大电路结合 就可检测千分之一度的温度变化 所以和电子仪表组成测温计 能完成高精度的温度测量 普通用途热敏电阻工作温度为 55 315 特殊低温热敏电阻的工作温度低于 55 可达 273 热敏电阻几乎在每一个部门都有使用 如家用电器 制造工业 医疗设备 运输 通信 保护报警装置和科研等 下面举个例子 介绍热敏电阻的应用情况 MF58型高精度负温度系数热敏电阻 特点 该传感器具有稳定性好 可靠性高 阻值范围宽 1 1000 k 阻值精度高 由于玻璃封装 可在高温和高湿等恶劣环境下使用 体积小 重量轻 结构坚固 便于自动化安装 在印制线路板上 热感应速度快和灵敏度高等优点 主要技术参数 额定零功率电阻值范围 R25 1 1000k R25允许偏差 1 2 3 5 10 B值范围 B25 85 1960 4480K B值允许偏差 0 5 1 2 耗散系数 2mW 在静止空气中 热时间常数 20s 在静止空气中 工作温度范围 55 300 额定功率 500mW 外形尺寸 mm 见图3 5 应用场合 家用电器如空调机 微波炉 电风扇 电取暖炉等的温度控制与温度检测 办公自动化设备如复印机 打印机 电子腾印机的温度检测或温度补偿 工业 医疗 环保 气象 食品加工设备的温度控制与检测 液面指示和流量测量 手提电话机电源 仪表线圈 集成电路 石英晶体振荡器和热电偶的温度补偿等许多地方 图3 5MF58型高精度负温度系数热敏电阻的外形结构 电感式传感器是利用被测量的变化引起线圈自感或互感系数的变化 从而导致线圈电感量改变这一物理现象来实现测量的 因此根据转换原理 电感式传感器可以分为自感式和互感式两大类 3 2 1自感式电感传感器 1结构和原理分析 变间隙型电感传感器的结构示意图如图3 6所示 传感器由线圈 铁芯和活动衔铁组成 其中铁芯和活动衔铁由导磁材料 如硅钢片或者坡莫合金 制成的 铁芯上绕有线圈 并加上交流励磁 铁芯和衔铁之间有空气隙 当衔铁上下移动时 气隙改变 磁路磁阻发生变化 从而引起线圈自感的变化 这种自感量的变化与衔铁位置有关 因此 只要测出自感量的变化 就能获得衔铁位移量的大小 这就是自感式变换原理 3 2电感式传感器 线圈匝数为N 通有交流电的有效值为I 产生的磁通为 电感线圈的电感量L为 3 2 根据磁路欧姆定律 式中 N为线圈匝数 Rm为磁路总磁阻 电感传感器的基本公式 线圈的电感可用下式表示 l1 S1 1分别为铁芯的气隙 m 截面积 m2 磁导率 H m l2 S2 2分别为衔铁的气隙 m 截面积 m2 磁导率 H m S0 0分别为气隙的气隙 m 截面积 m2 磁导率 H m 自感式电感传感器可分为变间隙型 变面积型和螺管型三种类型 以上三种形式的电感式传感器 I 变间隙型灵敏度较高 但非线性误差较大 且制作装配比较困难 II 变面积型灵敏度较前者小 但线性较好 量程较大 使用比较广泛 III 螺管型灵敏度较低 但量程大且结构简单易于制作和批量生产 是使用最广泛的一种电感式传感器 2变间隙性自感传感器灵敏度及特性分析 变间隙性自感传感器L 特性 当衔铁处于初始位置时 初始电感量为 当衔铁上移 时 传感器气隙减小 即 0 则此时输出电感为 2差动式电感传感器在实际使用中 常采用两个相同的传感线圈共用一个衔铁 构成差动式电感传感器 这样可以提高传感器的灵敏度 减小测量误差 图3 10是变间隙型 变面积型及螺管型三种类型的差动式电感传感器 差动式电感传感器的结构要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同 两个线圈的电气参数和几何尺寸完全相同 差动式结构除了可以改善线性 提高灵敏度外 对温度变化 电源频率变化等影响 也可以进行补偿 从而减少了外界影响造成的误差 3测量电路 交流电桥是电感式传感器的主要测量电路 它的作用是将线圈电感的变化转换成电桥电路的电压或电流输出 前面已提到差动式结构可以提高灵敏度 改善线性 所以交流电桥也多采用双臂工作形式 通常将传感器作为电桥的两个工作臂 电桥的平衡臂可以是纯电阻 也可以是变压器的二次侧绕组或紧耦合电感线圈 下图是交流电桥的几种常用形式 电阻平衡臂电桥电阻平衡臂电桥如图a所示 Z1 Z2为传感器阻抗 L1 L2 L 则有Z1 Z2 Z R jwL 另有R1 R2 R 由于电桥工作臂是差动形式 则在工作时 Z1 Z Z和Z2 Z Z 当ZL 时 电桥的输出电压为当 L R 时 上式可近似为 由上式可以看出 交流电桥的输出电压与传感器线圈电感的相对变化量是成正比的 变压器式电桥变压器式电桥如图b所示 它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组 当负载阻抗无穷大时输出电压为 由于是双臂工作形式当衔铁下移时 Z1 Z Z Z2 Z Z 则有 同理 当衔铁上移时 则有 由上面两式可见 输出电压反映了传感器线圈阻抗的变化 由于是交流信号 还要经过适当电路处理才能判别衔铁位移的大小及方向 4自电感式传感器的应用压力测量差动式电感测厚仪 3 2 2互感式传感器 1工作原理互感式传感器把被非电测量的变化转换为互感量的变化 这种传感器是根据变压器原理制成的 所以也叫差动变压器 差动变压器的结构形式主要有变间隙式 变面积式和螺线管式 虽然结构不同 但工作原理基本相同 在非电量测量中 应用较多的是螺线管式 它可以测量1 100mm的位移 具有测量精度高 灵敏度高 结构简单 性能可靠等优点 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有衔铁 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位移改变而变化 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 图3 12为差动变压器的结构示意图 广泛应用于位移 压力等非电量的测量中 差动变压器工作在理想情况下 忽略涡流损耗 磁滞损耗和分布电容等影响 它的等效电路如图3 13所示 U1为一次绕组激励电压 M1 M2分别为一次绕组与两个二次绕组间的互感 L1 R1分别为一次绕组的电感和有效电阻 L21 L22分别为两个二次绕组的电感 R21 R22分别为两个二次绕组的有效电阻 对于差动变压器 当衔铁处于中间位置时 两个二次绕组互相同 因而由一次侧激励引起的感应电动势相同 由于两个二次绕组反向串接 所以差动输出电动势为零 当衔铁移向二次绕组L21一边 这时互感M1大 M2小 因而二次绕组L21内感应电动势大于二次绕组L22内感应电动势 这时差动输出电动势不为零 在传感器的是量程内 衔动移越大 差动输出电动势就越大 同样道理 当衔铁向二次绕组L22一边移动差动输出电动势仍不为零 但由于移动方向改变 所以输出电动势反相 因此通过差动变压器输出电动势的大小和相位可以知道衔铁位移量的大小和方向 由图3 13可以看出一次绕组的电流为 二次绕组的感应动势为 由于二次绕组反向串接 所以输出总电动势为 其有效值为 当衔铁处于中间位置时 当衔铁向W21方向移动时 当衔铁向W22方向移动时 差动变压器的输出特性曲线如图3 14所示 图中E21 E22分别为两个二次绕组的输出感应电动势 E2为差动输出电动势x表示衔铁偏离中心位置的距离 其中E2的实线表示理想的输出特性 而虚线部分表示实际的输出特性 E0为零点残余电动势 这是由于差动变压器制作上的不对称以及铁心位置等因素所赞成的 零点残余电动势的存在 使得传感器的输出特性在零点附近不灵敏 给测量带来误差 此值的大小是衡量差动变压器性能好坏的重要指标 为了减小零点残余电动势可采取以下方法 I 尽可能保证传感器几何尺寸 线圈电气参数玫磁路的对称 磁性材料要经过处理 消除内部的残余应力 使其性能均匀稳定 II 选用合适的测量电路 如采用相敏整流电路 既可判别衔铁移动方向双可改善输出特性 减小零点残余电动势 采用补偿线路减小零点残余电动势 图3 15是几种减小零点残余电动势的补偿电路 在差动变压器二次侧串 并联适当数值的电阻电容元件 当调整这些元件时 可使零点残余电动势减小 2差动变压器的应用 微压力传感器差动式变压器加速度传感器 电涡流式传感器是一种建立在涡流效应原理上的传感器 电涡流式传感器可以实现非接触地测量物体表面为金属导体的多种物理量 如位移 振动 厚度 转速 应力 硬度等参数 这种传感器也可用于无损探伤 电涡流式传感结构简单 频率响应宽 灵敏度高 测量范围大 抗干忧能力强 特别是有非接触测量的优点 因此在工业生产和科学技术的各个领域中得到了广泛的应用 1结构原理与特性 当通过金属体的磁通变化时 就会在导体中产生感生电流 这种电流在导体中是自行闭合的 这就是所谓电涡流 电涡流的产生必然要消耗一部分能量 从而使产生磁场的线圈阻抗发生变化 这一物理现象称为涡流效应 电涡流式传感器是利用涡流效应 将非电量转换为阻抗的变化而进行测量的 如图3 16所示 一个扁平线圈置于金属导体附近 当线圈中通有交变电流I1时 线圈周围就产生一个交变磁场H1 置于这一磁场中的金属导体就产生电涡流I2 电涡流也将产生一个新磁场H2 H2与H1方向相反 因而抵消部分原磁场 使通电线圈的有效阻抗发生变化 3 2 3电涡流式传感器 一般讲 线圈的阻抗变化与导体的电导率 磁导率 几何形状 线圈的几何参数 激励电流频率以及线圈到被测导体间的距离有关 如果控制上述参数中的一个参数改变 而其余参恒定不变 则阻抗就成为这个变化参数的单值函数 如其他参数不变 阻抗的变化就可以反映线圈到被测金属导体间的距离大小变化 我们可以把被测导体上形成的电涡等效成一个短路环 这样就可得到如图3 17的等效电路 图中R1 L1为传感器线圈的电阻和电感 短路环可以认为是一匝短路线圈 其电阻为R2 电感为L2 线圈与导体间存在一个互感M 它随线圈与导体间距的减小而增大 根据等效电路可列出电路方程组 通过解方程组 可得I1 I2 因此传感器线圈的复阻抗为 由以看出 线圈与金属导体系统的阻抗 电感都是该系统互感平方的函数 而互感是随线圈与金属导体间距离的变化而改变的 1 高频反射式电涡流传传感器这种传感器的结构很简单 主要由一个固定在框架上的扁平线圈组成 线圈可以粘贴在框架的端部 也可以绕在框架端部的槽内 图3 18为某种型号的高频反射式电涡流传感器 电涡流传感器的线圈与被测金属导体间是磁性耦合 电涡流传感器是利用这种耦合程度的变化来进行测量的 因此 被测物体的物理性质 以及它的尺寸和开关都与总的测量装置特性有关 一般来说 被测物的电导率越高 传感器的灵敏度也越高 为了充分有效地利用电涡流效应 对于平板型的被测体则要求被测体的半径应大于线圈半径的1 8倍 否则灵敏度要降低 当被测物体是圆柱体时 被测导体直径必须为线圈直径的3 5倍以上 灵敏度才不受影响 2分类 2 低频透射式电涡流传感器这种传感器采用低频激励 因而有较大的贯穿深度 适合于测量金属材料的厚度 图3 19为这种传感器的原理图和输出特性 传感器包括发射线圈和接收线圈 并分别位于被测材料上 下方 由振荡器产生的低频电压u1加到发射线圈L1两端 于是在接收线圈L2两端将产生感应电压u2 它的大小与u1的幅值 频率以及两个线圈的匝数 结构和两者的相对位置有关 若两线圈间无金属导体 则L2的磁力能较多穿过L2 在L2上产生的感应电压u2最大 如果在两个线圈之间设置一金属板 由于在金属板内产生电涡流 该电涡流消耗了部分能量 使到达线圈L2的磁力线减小 从而引起u2的下降 金属板厚度越大 电涡流损耗越大 u2就越小 可见u2的大小间接反映了金属板的厚度 3电涡流式传感器的应用 厚度测量转速测量涡流风速仪涡流探伤 电感式传感器的典型应用 电感式传感器主要用于测量微位移 凡是能转换成位移量变化的参数 如压力 力 压差 加速度 振动 应变 流量 厚度 液位等都可以用电感式传感器来进行测量 一 位移测量 1induNCDT系列位移传感器图3 20是induNCDT系列位移传感器的外形图 它主要用于位移 振动 转速测量 传感器的前置放大器被集成安装在传感器壳体里 其输出信号与测量位移成正比 在传感器测量量程内线性精度优于 2 图3 20induNCDT系列位移传感器的外形图 2AP035系列差动变压器式位移传感器AP035差动变压器式位移传感器是由差动变压器和基本电路组成 它可对生产过程中位移 形变参数进行快速 准确可靠地测量 并可配用微机和其他装置进行打印或自动控制 本传感器还具有灵敏度高 稳定性好 连续工作时间长等一系列优点 因而它广泛用于冶金 建筑 石化 纺织 电站等各个部门 主要技术参数 I 测量范围 20 II 基本误差 III 输出讯号 IV 传感器工作环境 温度 2 相对湿度 RH RH V 灵敏度 0 45v mm VI 传感器供电电源为DC15V 外形尺寸 22 228 1RS9300低频振动速度传感器RS9300低频振动传感器是属于惯性式传感器 其外形如图3 21 它是利用磁电感应原理把振动信号变换成电信号 主要由磁路系统 惯性质量 弹簧阻尼等部分组成 在传感器壳体中刚性地固定着磁铁 惯性质量 线圈组件 用弹簧元件悬挂于壳体上 工作时 将传感器安装在机器上 在机器振动时 在传感器工作频率范围内 线圈与磁铁相对运动 切割磁力线 在线圈内产生感应电压 该电压信号正比于被测物体的振动速度值 对该信号进行积分放大处理即可得到位移信号 图3 21RS9300低频振动传感器 RS9300低频速度位移振动传感器 内部带积分器 输出位移电压信号 适用于水轮发电机组低频转动机械 工程建筑及桥梁的绝对振动测量 测量频响范围0 5HZ 200HZ 3dB 抗干扰性能强 能长期稳定可靠地工作于恶劣环境中 1 使用特点 I 传感器有很低的使用频率 可以适用于低转速的转动机器 II 相对于其它类型的振动传感器而言 RS9300传感器有较低的输出阻抗 较好的信噪比 它同一般通用交流电压表或示波器配合就能工作 对输出插头和传输电缆也无特殊要求 使用方便 III 传感器设计中取消了有摩擦的活动元件 因此使用寿命相对很长 传感器有一定抗横向振动能力 不大于10g 二 振动检测 1JM L电感式接近开关1 适用范围JM L系列接近开关适用于交流50Hz 额定工作电压90V 250V 除LM8L外 直流额定工作电压10V 30V的电路中 具有短路保护电路 起反连接保护电路之用 三 位置控制 2 型号及其含义 3 正常使用条件和安装条件 1 周围空气温度不超过 70 周围空气温度的下限为 25 2 安装地点的海拔不超过2000m 3 大气相对湿度在周围空气温度为 70 时不超过50 在较低的温度下可以允许有较高的相对湿度 例如在20 时达90 对由于温度变化偶尔产生的凝露应采取特殊的措施 4 污染等级 3级 4 安装尺寸 图JM L系列电感式传感器的安装尺寸 电感式传感器除上述三种用途外还可广泛应用于电力 石油 化工 冶金等行业和一些科研单位 如对加速度 振幅 转速及温度等非电量的测量的控制中 电容式传感器是把被测量转换为电容量变化的一种传感器 它具有结构简单 灵敏度高 动态响应特性好 适应性强 抗过载能力大及价格低廉等优点 因此 可以用来测量压力 力 位移 振动 液位等参数 但电容式传感器的泄漏电阻和非线性等缺点也给它的应用带来一定的局限 随着电子技术的不断发展 特别是集成电路的广泛应用 这些缺点也得到了一定的克服 进一步促进了电容式传感器的广泛应用 3 3 1电容式传感器的基本原理及性能特点 3 3电容式传感器 电容式传感器的基本工作原理可以用图3 22所示的平板电容器来说明 设两极板相互覆盖的有效面积为S m2 两极板间的距离为 m 极板间介质的介电常数为 F m 1 两块平行平板组成一个电容器 在忽略板极边缘影响的条件下 平板电容器的电容量C F 为 可以看出 S 三个参数都直接影响着电容量C的大小 如果保持其中两个参数不变 而使另外一个参数改变 则电容量就将发生变化 如果变化的参数与被测量之间存在一定函数关系 那被测量的变化就可以直接由电容量的变化反映出来 所以电容式传感器可以分为三种类型 改变极板面积的变面积式 改变极板距离的变间隙式 改变介电常数的变介电常数式 1变面积式电容传感器 图3 23是一直线位移型电容式传感器的示意图 当动极板移动 x后 覆盖面积就发生变化 电容量也随之改变 其值为 C b a x d C0 b x d电容因位移而产生的变化量为 其灵敏度为 可见 增加b或减小d均可提高传感器的灵敏度 图3 24是此类传感器的几种派生形式 图3 24a是角位移型电容式传感器 当动片有一角位移时 两极板间覆盖面积就发生变化 从而导致电容量的变化 即输出与输入呈线形关系 2变间隙式电容传感器 图3 24为变间隙式电容传感器的原理图 图中1为固定极板 2为与被测对象相连的活动极板 当活动极板因被测参数的改变而引起移动时 两极板间的距离d发生变化 从而改变了两极板之间的电容量C 设极板面积为A 其静态电容量为 当活动极板移动 x后 其电容量为 当 x d时 则可以看出电容量C与 x不是线性关系 只有当 x d时 才可认为是最近似线形关系 同时还可以看出 要提高灵敏度 应减小起始间隙d过小时 但当d过小时 又容易引起击穿 同时加工精度要求也高了 为此 一般是在极板间放置云母 塑料膜等介电常数高的物质来改善这种情况 在实际应用中 为了提高灵敏度 减小非线性 可采用差动式结构 3变介电常数式电容传感器 当电容式传感器中的电介质改变时 其介电常数变化 从而引起了电容量发生变化 此类传感器的结构形式有很多多种 这种传感器可用来测量物位或液位 也可测量位移 由图中可以看出 此时传感器的电容量为其中 设极板间无 2介质时的电容量为 当 2介质插入两极板间则有 表明 电容量C与位移x呈线性关系 3 3 2电容式传感器的应用 一 在物位测控中的应用 LP 5000系列电容物位变送器在石油 化工 电力 食品 水处理 冶金 水泥等的生产过程中 有许多的液位 料位需要测量 但是一些高压 真空 高温 低温 密封罐内的酸 碱 盐等强腐蚀液体 强震动等的液位 料位测量 却是许多种类的物 液位计望尘莫及的 LP 5000系列电容式物位变送器有多种结构 可以使用于导电 绝缘的液体或固体颗粒的工作介质中 不但适用于普通的液体 固体颗粒的容器 槽 筒仓或料斗的远距离连续料位测量 而且本产品以其能耐受恶劣的使用环境 高可靠等特点 可以应用于其它物 液位计工作困难的高压 真空 高温 低温 强腐蚀液体 强震动等环境的液位 料位测量 二 在压力测量中的应用 CCPS32陶瓷电容压力传感器1 概述CCPS32传感器是E H公司采用陶瓷材料经特殊工艺精制而成的干式陶瓷电容压力传感器 陶瓷是一种公认的高弹性 抗腐蚀 抗磨损 抗冲击和振动的材料 陶瓷的热稳定特性可以使它的工作温度范围高达 40 125 而且具有测量的高精度 高稳定性 其最大特点是 量程可以小到500Pa 抗过载能力可达量程的200倍 彻底解决了其它类型传感器没有小量程及在小量程时过载能力差的缺点 它除具有一般传感器的量程外 其最具特色的是它的正负表压功能 如 1kPa 10kPa等 CCPS32干式陶瓷电容厚膜压力传感器的高输出 广量程 特别适合制造高性能的工业控制用压力变送器 大圆形膜片表面平整 易安装 是欧美E H ABB SIEMENS H VEGA等公司压力变送器生产首选传感器 2 特点这种传感器具有许多优点 如它采用了坚固的陶瓷电容敏感膜片 自带放大电路 输出0 5 4 5V 平整的大圆形膜片 易安装 具有卓越的抗腐蚀 抗磨损性能 高精度 高稳定性 宽的工作温度范围 响应迅速 无迟滞 可进行无源标定等 3 工作原理抗腐蚀的干式陶瓷电容压力传感器没有液体的传递 过程压力直接作用在陶瓷膜片的前表面 衬底的电极与膜片电极的电容量变化比例与压力大小 使膜片产生0 03mm的位移 电容的变化值经激光微调 传感器专用信号调理电路ASIC放大输出高达4000mV的直流电压 内置的温度传感器不断测量介质的温度并进行温度补偿 过载时 膜片贴到陶瓷衬底上而不会损坏 当压力恢复到正常时 其性能不受任何影响 彻底解决了低量程过载能力差的缺点 是扩散硅传感器的升级换代产品 标准化的高输出具有极强的抗干扰能力 配专用线路板可进行大的量程迁移 10 1 传感器具有很高的温度稳定性和时间稳定性 自带温度补偿 20 80 并可以和绝大多数介质直接接触 CCPS32陶瓷传感器由于没有液体的传递作用 无任何填充液 不会产生工艺污染 因此在食品 医药等行业有着广泛的应用 加之是干式陶瓷膜片 故不受安装方向影响 以其作为敏感元件生产的压力变送器被广泛地应用在各种测量压力的场合 1151系列电容式变送器1151系列电容式变送器是引进美国罗斯蒙特公司技术制造的产品 具有设计原理新颖 品种规格齐全 安装使用简便 本质安全防爆等特点 尤以精度高 体积小 重量轻 坚固耐振 调整方便 长期稳定性高 单向过载保护特性好而著称 因此在国内外市场上享有很高的声誉 1151系列电容式变送器包括压力 差压 绝对压力 流量 液位等共九个品种及其选件 产品性能与美国罗斯蒙特公司完全一致 也与我国推行的 IEC 标准要求相符 其外形结构如图所示 图1151系列电容式变送器外形图 FB0802陶瓷电容型压力变送器 三 在位移测量中的应用 capaNCDT610电容式位移传感器capaNCDT 非接触电容位移传感器 电容位移测量原理的基础是由理想平板电容构成 两个平板电极是由传感器电极和相对应的被测体组成 其结构如图3 3 8所示 当恒定的交流加在传感器电容上 传感器产生的交流电压与电容电极之间的距离成正比 交流电压经检波器 与一个可设置的补偿电压叠加 经放大 作为模拟信号输出 1 应用领域capaNCDT610是为机器设备监控 工业过程质量监控而设计的 主要应用于以下六大领域 I 震动 偏心 裂纹 振荡 同心度 II 位移 移动 位置 膨胀 III 挠度 变形 波动 倾斜 IV 尺寸 公差 分选 零件识别 V 冲击 应变 轴向振动 轴承振动 油膜间隙 磨擦 偏心 图3 3 8capaNCDT610外形图 电容式指纹传感器 电容式指纹传感器有单触型和划擦型两种 是目前最新型的固态指纹传感器 它们都是通过在触摸过程中电容的变化来进行信息采集 这两类电容式指纹传感器的工作原理为 当指纹中的凸起部分置于传感电容像素电极上时 电容会有所增加 通过检测增加的电容来进行数据采集 传感器中的像素点为45平方微米 间隔为50微米 电容像素阵列的分辨率略高于500dpi 这类传感器基于一种标准的单 多晶硅三层金属CMOS工艺 并采用0 5微米工艺进行设计 金属互连的第三层构成电容像素层 由氮化钛制成并覆盖着一层氮化硅 厚度仅为7000埃米 这种硬金属电极与抗磨涂敷层组合形成的传感器十分坚实耐用 使用寿命可以达到很多年 它们的用途主要有 指纹检测人类的指纹由紧密相邻的凹凸纹路构成 通过对每个像素点上利用标准参考放电电流 便可检测到指纹的纹路状况 每个像素先预充电到某一参考电压 然后由参考电流放电 电容阳极上电压的改变率与其上的电容成下面的比例关系 Iref C dv dt 处于指纹的凸起下的像素 电容量高 放电较慢 而处于指纹的凹处下的像素 电容量低 放电较快 这种不同的放电率可通过采样保持 S H 电路检测并转换成一个8位输出 这种检测方法对指纹凸起和低凹具有较高的敏感性 并可形成非常好的原始指纹图像 采用复杂的软件算法可以进行指纹识别 这种软件采集原始的指纹图像 将图像信息数字化并提取其中的细节模板 然后进行测试 确定提取的细节模板是否与参考模板吻合 单触型传感器与划擦型传感器的尺寸和成本都不一样 接触式传感器较大 通常有效接触面为15 15mm 可迅速地采集最大的指纹或拇指指纹 这种传感器易于使用 并可将整个指纹图像以500dpi 自动指纹识别标准 的精度进行快速传输 这种传感器由256 列 300 行 微型金属电极组成 每一列连接到一对S H电路上 指纹图像依次逐行采集 每个金属电极均作为电容的一个极 与之接触的手指则是电容的另一个极 在器件表面有一层钝化层 作为两个电容极间的电介质层 将手指置于传感器上时 指纹上的凸起和低凹会在阵列上产生不同的电容值 并构成用于认证的一整幅图像 Synaptics公司采用低成本的Kapton划擦型传感器 从而避免了对硅传感器的需求 左 而富士通公司的划擦型硅传感器能提供8行256个像素 右 划擦型传感器是一种新型指纹采集器件 要求用户将手指在器件上划过 划擦型传感器的优点是尺寸小 如富士通的MBF300尺寸仅为3 6 13 3mm2 和成本低 这些器件主要用于移动设备的嵌入式安全识别应用 如手机和PDA 精密的图像重建软件以接近2000帧 秒的速度快速地从传感器上采集多个图像 并将每个帧的数据细节组织到一起 信息及认证毫无疑问 便携式低成本指纹识别技术对我们的生活意义深远 例如 今后警察可在一个犯罪高发区截住一名嫌疑人 要求其提供指纹而不是身份证或汽车驾照 此人则将其右手的第一 二或第三个手