自动检测技术及应用3(力学传感器及力学量检测).ppt

自动检测技术及应用 力学传感器 杨柳yl9165Q 398530543 项目三力 压力传感器及应用 了解力的概念及力的测量原理 掌握常用力 压力传感器的测量原理 掌握电阻应变片的测量电路及补偿原理掌握电容式传感器的测量原理熟悉应变式 压电式 电容式等传感器的应用 学习要点 2 1概述 力是物质之间的一种相互作用 物体之间相互作用的结果 使物体产生变形 在物体内产生应力 应变 改变物体的机械运动状态 改变物体所具有的动能和势能 力传感器的组成 力是一种非电物理量 不能用电工仪表直接测量 需要借助某一装置将力转换为电量进行测量 能实现这一功能的装置就是力传感器 力传感器主要由力敏感元件 转换元件和测量电路组成 如图2 1所示 图2 1力传感器测量示意图 力的计量单位及测量原理 力的计量单位为牛顿 力的测量的原理 力的静力效应 力的动力效应 指弹性物体受力后产生变形的一种物理现象 由胡克定律知 如在弹性范围内 弹性物体在力的作用下产生的变形 x 与所受的力F成正比 k为弹性元件的劲度系数 因此 只要通过一定的手段测出物体的弹性变形量 就可间接确定物体所受力的大小 指具有一定质量的物体受到力的作用时 其动量将发生变化 从而产生相应加速度的物理现象 由牛顿第二定律可知 当物体质量 m 确定后 物体受到的力 F 与所产生的加速度 a 成单值对应关系 只要测出物体的加速度 就可间接测得物体所受到力的大小 测量力的方法 其中大多需要弹性敏感元件或其它敏感元件的转换 测量力的方法 电阻式 电位器式 电阻应变片式 电感式 自感 互感 涡流 电容式 压电式 压磁式 压阻式 返回本章目录 2 2弹性敏感元件 弹性敏感元件把力或压力转换成了应变或位移 然后再由转换电路将应变或位移转换成电信号 弹性敏感元件是力传感器中一个关键性的部件 应具有良好的弹性 足够的精度 应保证长期使用和温度变化时的稳定性 2 2 1弹性敏感元件的特性 1 刚度 抵抗变形的能力刚度是弹性元件在外力做用下变形大小的量度 一般用表示 式中F 作用在弹性元件上的外力 x 弹性元件产生的变形 2 1 2 灵敏度 灵敏度 弹性敏感元件在单位力作用下产生变形的大小 在弹性力学中称为弹性元件的柔度 它是刚度的倒数 用K表示 2 2 在测控系统中希望它是常数 3 弹性滞后 实际的弹性元件在加载 卸载的正反行程中变形曲线是不重合的 这种现象称为弹性滞后现象 它会给测量带来误差 如图2 2所示 原因 弹性元件在工作过程中分子间存在内摩擦 当比较两种弹性材料时 应都用加载变形曲线或都用卸载变形曲线来比较 这样才有可比性 图2 2弹性滞后 4 弹性后效 当载荷从某一数值变化到另一数值时 弹性元件变形不是立即完成相应的变形 而是经一定的时间间隔逐渐完成变形的 这种现象称为弹性后效 图2 3弹性后效 弹性后效造成的结果由于弹性后效的存在 弹性敏感元件的变形始终不能迅速地跟上力的变化 在动态测量时将引起测量误差 造成这一现象的原因是由于弹性敏感元件中的分子间存在内摩擦 2 2 2弹性敏感元件的分类 弹性敏感元件分类 力转换为应变或位移的变换力的弹性敏感元件 压力转换为应变或位移的变换压力的弹性敏感元件 1 变换力的弹性敏感元件 图2 4变换力的弹性敏感元件 2 变换压力的弹性敏感元件 图2 5变换压力的弹性敏感元件 1 弹簧管弹簧管又叫布尔登管 它是弯成各种形状的空心管 管子的截面形状有许多种 但使用最多的是C形薄壁空心管 如图2 5a所示 C形弹簧管的一端密封但不固定 成为自由端 另一端连接在管接头上且固定 当流体压力通过管接头进入弹簧管后 在压力F作用下 弹簧管的横截面力图变成圆形截面 截面的短轴力图伸长 使弹簧管趋向伸直 一直伸展到管弹力与压力的作用相平衡为止 这样自由端便产生了位移 通过测量位移的大小 比可得到压力的大小 1 弹簧管 各种波纹管敏感元件的外形 波纹管是有许多同心环状皱纹的薄壁圆管 返回本章目录 2 3电阻应变式传感器 电阻应变式传感器是一种利用电阻材料的应变效应 将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器 此类传感器主要是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成 通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形 然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化 再通过测量电路进一步将电阻的改变转换成电压或电流信号输出 可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测 如力 压力 加速度 力矩 重量等 在机械加工 计量 建筑测量等行业应用十分广泛 2 3 1电阻应变片的结构 电阻应变片的作用是把导体的机械应变转换成电阻变化 电阻应变片的典型结构如图2 6所示 由敏感栅 基底 覆盖层和引线等部分组成 敏感栅由直径约为0 01 0 05mm 高电阻系数的细丝弯曲而成栅状 基地的作用应能保证将构件上的应变准确地传递到敏感栅上去 因此必须做得很薄 一般为0 03 0 06mm 图中l为应变片的工作基长 b为应变片的基宽 l b为应变片的有效使用面积 应变片规格一般是以有效使用面积和敏感栅的电阻值来表示 如3 100mm2 120 350 等 图2 6电阻应变片的结构 电阻应变片测试原理 测试时 将应变片用粘接剂牢固的粘贴在被测试件的表面上 随着试件受力变形 应变片的敏感栅也获得同样的变形 从而使其电阻随之发生变化 而此电阻的变化是与试件应变成比例的 因此如果通过一定的测量线路将这种电阻的变化转换为电压或电流变化 然后再用显示记录仪表将其显示记录下来 就能知道被测试件应变量的大小 其原理图如图2 7所示 图2 7电阻应变片测试与原理图 2 3 2电阻应变片的分类 半导体应变片 应变片分类 箔式 薄膜式 丝式 金属电阻应变片 按其敏感栅不同 按使用温度 按用途可分为 单向力测量应变片平面应力分析应变片 应变花 特殊用途应变片等 低温常温中温高温应变片 应变片形状 图2 9应变花的形状 图2 8电阻应变片类型 箔式应变片外形 2 3 3电阻应变片工作原理 电阻应变片式传感器是利用了金属和半导体材料的 应变效应 应变效应 金属和半导体材料的电阻值随它承受的机械变形大小而发生变化的现象就称为 应变效应 如图2 10所示 当电阻丝受到拉力F时 其阻值发生变化 材料电阻值的变化 一是受力后材料几何尺寸变化 二是受力后材料的电阻率也发生了变化 图2 10金属电阻丝应变效应 电阻应变片的工作原理 金属丝受拉时 l变长 r变小 导致R变大 以圆柱形导体为例 电阻R 根据电阻的定义式 电阻丝变形过程 图2 10金属电阻丝应变效应 电阻丝半径 电阻丝长度 电阻丝截面积 电阻丝电阻率 当导体因某种原因产生应变时 其长度L 截面积A和电阻率 的变化为dL dA d 相应的电阻变化为dR 对式 2 3 全微分得电阻变化率dR R为 2 4 由材料力学得 为电阻丝材料的泊松比 即横向收缩与纵向伸长之比 即 径向应变 轴向 纵向 应变 金属材料的灵敏度系数 表示单位应变所引起的电阻相对变化 主要取决于其几何效应 取1 7 3 6 材料的电阻率 随应变所引起的变化 压阻效应 这是由于材料发生变化时 其自由电子的活动能力和数量均发生了变化的缘故 电阻丝几何尺寸形变所引起的变化 几何效应 材料的轴向应变 电阻应变片的灵敏系数 当我们将金属丝做成电阻应变片后 电阻 应变特性与金属单丝是不同的 实验证明 电阻的相对变化与应变的关系在很大范围内仍然有很好的线性关系 即 2 6 电阻应变片的灵敏系数 其值恒小于金属单丝的灵敏度系数 究其原因 除了应变片使用时胶体粘贴传递变形失真外 另一重要原因是由于存在着所谓横向效应的缘故 2 3 4电阻应变片的测量电路 电阻应变片传感器输出电阻的变化较小 一般为 要精确的测量出这些微小电阻的变化 常采用桥式测量电路 如 有一金属箔式应变片 标称阻值R0为100 灵敏度K 2 粘贴在横截面积为9 8mm2的钢质圆柱体上 钢的弹性模量E 2 1011N m2 所受拉力F 0 2t 受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0 2 所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量 弹性模量E是指材料在外力作用下产生单位弹性变形所需要的应力 根据电桥电源的不同 电桥可分为直流电桥和交流电桥 可采用恒压源或恒流源供电 由于直流电桥比较简单 交流电桥原理与它相似 所以我们只分析直流电桥的工作原理 恒压源供电的直流电桥的工作原理 如图2 11a所示为恒压源供电的直流电桥测量电路 其特点是 当被测量无变化时 电桥平衡时输出为零 当被测量发生变化时 电桥平衡被打破 有电压输出 输出的电压与被测量的变化成比例 电桥的输出电压为 图2 11a 当输出电压为零时 电桥平衡 因此或为电桥平衡条件 为了获得最大的电桥输出 在设计时常使 称为等臂电桥 当四个桥臂电阻都发生变化时 电桥的输出为 调零电桥 实际应用时 不可能严格成比例关系 所以即使在未受力时 桥路输出也不一定为零 因此一般测量电路都设有调零装置 如图2 11b所示 调节RP可使电桥达到平衡 输出为零 图中是用于减小调节范围的限流电阻 2 恒流源供电的直流电桥的工作原理 如图2 12所示为恒流源供电的直流电桥测量电路 电桥输出为 恒压源电桥输出 图2 12恒流源供电的电桥测量电路 1 单臂电桥的工作原理与输出 在四臂电桥中 R1为工作应变片 由于应变而产生相应的电阻变化 R1 R2 R3及R4为固定电阻 Uo为电桥输出电压 初始状态下 电桥是平衡的 Uo 0 从而可得到电桥平衡条件为 R1R3 R2R4 得出单臂电桥输出 电桥总输出 根据电桥输出公式 图2 13a 2 差动电桥 消除非线性误差的方法 采用差动电桥 在试件上安装两个工作应变片 一片受拉 一片受压 它们的阻值变化大小相等 符号相反 接入电桥相邻臂 这时输出电压Uo与 R1 R1成严格的线性关系 没有非线性误差 而且电桥灵敏度比单臂提高一倍 还具有温度误差补偿作用 设初始时R1 R2 R3 R4 R1 R2则 图2 13b 3 差动全桥 差动全桥设初始时R1 R2 R3 R4 R1 R2 R3 R4 图2 13C 双臂电桥输出灵敏度是单臂电桥的两倍 全桥输出是双臂电桥的两倍 并且采用双臂和全桥测量 可以补偿由于温度变化引起的测量误差 则 2 3 5应变片的温度误差及补偿 1 应变片的温度误差电阻应变片传感器是靠电阻值来度量应变的 所以希望它的电阻只随应变而变 不受任何其他因素影响 但实际上 虽然用作电阻丝材料的铜 康铜温度系数很小 大约在 2 5 5 0 10 5 但与所测应变电阻的变化比较 仍属同一量级 如不补偿 会引起很大误差 这种由于测量现场环境温度的变化而给测量带来的误差 称之为应变片的温度误差 造成温度误差的原因主要有下列两个方面 1 敏感栅的金属丝电阻本身随温度变化 2 试件材料与应变片材料的线膨胀系数不一致 使应变片产生附加变形 从而造成电阻变化 另外 温度变化也会影响粘接剂传递变形的能力 从而对应变片的工作特性产生影响 过高的温度甚至使粘接剂软化而使其完全丧失传递变形的能力 也会造成测量误差 但以上述两个原因为主 2 电阻应变片的温度补偿方法 应变片的温度补偿方法通常有两种 即线路补偿和应变片自补偿 图2 14电桥补偿法 温度变化后电路仍呈平衡 2 应变片自补偿利用自身具有补偿作用的应变片 称之为温度自补偿应变片 来补偿的 这种自补偿应变片制造简单 成本较低 但必须在特定的构件材料上才能使用 不同材料试件必须用不同的应变片 1 线路补偿 在不测应变时电路呈平衡 即 全桥的温度补偿原理 当环境温度升高时 桥臂上的应变片温度同时升高 温度引起的电阻值漂移数值一致 可以相互抵消 所以全桥的温漂较小 半桥也同样能克服温漂 2 3 6应变片的粘接剂及粘贴 固化和检查 1 粘接剂的种类常用的粘接剂可分为有机粘接剂和无机粘接剂两大类 有机粘接剂通常用于低温 常温和中温 无机粘接剂用于高温 选择时要根据基底材料 工作温度 潮湿程度 稳定性要求 加温加压的可能性和粘贴时间的长短等因素来考虑 主要粘接剂牌号有 万能胶 501 502 914 509 J06 2 JSF 2 1720 J 12 30 14 GJ 14 LN 3 P10 6等 2 应变片的粘贴 固化和检查 1 去污试件表面的处理粘贴之前 应先将试件表面清理干净 用细砂纸将试件表面打磨平整 再用丙酮 四氯化碳彻底清洗试件表面的灰尘 油渍 清理面积约为应变片的3 5倍 2 应变片的粘贴方法 在清理的试件表面上均匀涂刷一薄层粘接剂作为底层 待其干燥固化后 再在此底层及应变片基地的地面上均匀涂刷一薄层粘接剂 等粘接剂稍干 即将应变片贴在画线位置 用手指滚压 把气泡和多余的粘接剂挤出 注意 应变片的底面也要清理 3 粘贴后测量 从分开的端子处 预先用万用表测量应变片的电阻 寻找端子折断和损坏的应变片 4 焊接 将引线和端子用烙铁焊接起来 注意不要把端子扯断 5 固定 焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起 防止损坏引线和应变片 实训一应变片单臂 半桥 全桥电路特性及比较实验 一 实验目的 1 了解电阻应变片的工作原理与应用并掌握应变片测量电路 2 了解应变片半桥 双臂 工作特点及性能 3 了解应变片全桥工作特点及性能 4 比较单臂 半桥 全桥输出时的灵敏度和非线性度 得出相应的结论 实训一应变片单臂 半桥 全桥电路特性及比较实验 二 基本原理 电阻应变式传感器是在弹性元件上通过特定工艺粘贴电阻应变片来组成 一种利用电阻材料的应变效应将工程结构件的内部变形转换为电阻变化的传感器 此类传感器主要是通过一定的机械装置将被测量转化成弹性元件的变形 然后由电阻应变片将变形转换成电阻的变化 再通过测量电路将电阻的变化转换成电压或电流变化信号输出 可用于能转化成变形的各种非电物理量的检测 如力 压力 加速度 力矩 重量等 应用十分广泛 实训一应变片单臂 半桥 全桥电路特性及比较实验 测量电路为了将电阻应变式传感器的电阻变化转换成电压或电流信号 在应用中一般采用电桥电路作为其测量电路 电桥电路具有结构简单 灵敏度高 测量范围宽 线性度好且易实现温度补偿等优点 能较好地满足各种应变测量要求 因此在应变测量中得到了广泛的应用 电桥电路按其工作方式分有单臂 双臂和全桥三种 单臂工作输出信号最小 线性 稳定性较差 双臂输出是单臂的两倍 性能比单臂有所改善 全桥工作时的输出是单臂时的四倍 性能最好 因此 为了得到较大的输出电压信号一般都采用双臂或全桥工作 实训一应变片单臂 半桥 全桥电路特性及比较实验 实训一应变片单臂 半桥 全桥电路特性及比较实验 三 需用器件与单元 机头中的应变梁 振动台 主板中的F V电压表 4V电源 箔式应变片输出口 电桥 差动放大器 砝码 实训一应变片单臂 半桥 全桥电路特性及比较实验 四 需用器件与单元介绍 熟悉需用器件与单元在传感器箱中机头与主板的布置位置 参阅以上说明书二 实验箱组成图 1 图1 4为主板中的电桥单元 图中 菱形虚框为无实体的电桥模型 为实验者组桥参考而设 无其它实际意义 R1 R2 R3 350 是固定电阻 为组成单臂应变和半桥应变而配备的其它桥臂电阻 W1电位器 r电阻为电桥直流调节平衡网络 W2电位器 C电容为电桥交流调节平衡网络 2 主板中的差动放大器单元 图中 左图是原理图 其中 IC1 1AD620是差动输入的测量放大器 仪用放大器 IC1 2为调零跟随器 右图为实验面板图 五 实验步骤 1 差动放大器调零点 按图示意接线 放大器输入为0 将F V表的量程切换开关切换到2V档 合上实验箱主电源开关 将差动放大器的拨动开关拨到 开 位置 将差动放大器的增益电位器按顺时针方向轻轻转到底后再逆向回转半圈 调节调零电位器 使电压表显示电压为零 差动放大器的零点调节完成 关闭主电源 2 应变片单臂电桥特性实验 将主板上传感器输出单元中的箔式应变片 标有上下箭头的4片应变片中任意一片为工作片 与电桥单元中R1 R2 R3组成电桥电路 电桥的一对角接 4V直流电源 另一对角作为电桥的输出接差动放大器的二输入端 将W1电位器 r电阻直流调节平衡网络接入电桥中 W1电位器二固定端接电桥的 4V电源端 W1的活动端r电阻接电桥的输出端 如图示意接线 检查接线无误后合上主电源开关 在机头上应变梁的振动台无砝码时调节电桥的直流调节平衡网络W1电位器 使电压表显示为0或接近0 有小的起始电压也无所谓 不影响应变片特性与实验 在应变梁的振动台中心点上放置一只砝码 20g 只 读取数显表数值 依次增加砝码和读取相应的数显表值 第一次可以将10只砝码全部放上 调整放大器增益开关至一设定值 反复调整W1电位器和放大器增益开关至合适值后 固定增益开关不再调节 根据砝码数量的变化 记下实验数据填入表1 3 应变片双臂电桥特性实验 将主板上传感器输出单元中的箔式应变片 标有上下箭头的4片应变片中任意两片为工作片 与电桥单元中R1 R2组成电桥电路 电桥的一对角接 4V直流电源 另一对角作为电桥的输出接差动放大器的二输入端 将W1电位器 r电阻直流调节平衡网络接入电桥中 W1电位器二固定端接电桥的 4V电源端 W1的活动端r电阻接电桥的输出端 如图示意接线 检查接线无误后合上主电源开关 在机头上应变梁的振动台无砝码时调节电桥的直流调节平衡网络W1电位器 使电压表显示为0或接近0 有小的起始电压也无所谓 不影响应变片特性与实验 在应变梁的振动台中心点上放置一只砝码 20g 只 读取数显表数值 依次增加砝码和读取相应的数显表值 根据砝码数量的变化 记下实验数据填入表1中双臂电桥的数据 3 应变片全臂电桥特性实验 同上两步骤接线并记录全桥电路数据 根据表1数据画出实验曲线并计算灵敏度S V W V输出电压变化量 W重量变化量 和非线性误差 用最小二乘法 m yFS 100 式中 m为输出值 多次测量时为平均值 与拟合直线的最大偏差 yFS满量程输出平均值 此处为200g 根据实验所得的结果进行单臂 半桥和全桥输出的灵敏度和非线性度分析比较 注意 实验一 二 三中的放大器增益必须相同 实验完毕 关闭电源 作业 P159三1 4实验报告1 准备1 传感器的标定 P151 准备2 电容式传感器的测量原理 分类和特点 P163 准备3 电容式传感器的测量转换电路 上网找 准备4 电容式传感器的应用 差动电容式差压变送器 上网找 1 利用全桥电路测量桥梁的上下表面应变 R1 R3与R2 R4感受到的应变绝对值相等 符号相反 R1t R2t R3t R4t 因而应变片R1 R4产生的电阻增量合并为4倍的 R Rt则相互抵消 2 3 7电阻应变片传感器的应用 2 应变式力传感器制成的电子秤工作示意图 电子秤中的各种弹性敏感元件 荷重传感器上应变片工作示意图 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形 轴向变短 径向变长 图2 18荷重传感器上应变片工作示意图 荷重传感器原理演示 荷重传感器上的应变片在重力作用下产生变形 轴向变短 径向变长 应变式力传感器 应变式力传感器 F F F F 各种悬臂梁 F F 固定点 固定点 电缆 应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置 F 应变式荷重传感器外形及受力位置 续 F F 汽车衡 电子秤 磅秤 超市打印秤 远距离显示 电子天平 电子天平的精度可达十万分之一 人体秤 吊钩秤 便携式 应变式数显扭矩扳手 可用于汽车 摩托车 飞机 内燃机 机械制造和家用电器等领域 准确控制紧固螺纹的装配扭矩 量程2 500N m 耗电量 10mA 有公制 英制单位转换 峰值保持 自动断电等功能 电阻应变仪 下图所示的静态应变仪测量范围 19999 分辨率 1 电桥电压 直流2 5V 应变片 120 或其他阻值 测量点数 8 16点 材料应变的测量 斜拉桥上的斜拉绳应变的测量 返回本章目录 12 1传感器的静态标定和动态标定 12 1 1标定标定 对新研制或生产的传感器进行全面的技术检定称为标定 校准 将传感器在使用中或存放后进行的性能复测称为校准 传感器的标定是指在明确传感器的输出与输入关系的前提下 利用某种标准器具对传感器进行标度 标定的基本方法 利用标准仪器产生已知的非电量 如压力 位移等 作为输入量 输入到待标定的传感器中 然后将传感器的输出量与输入的标准量相比较 获得一系列校准数据或曲线 有时输入的标准量是利用一个标准传感器检测而得 这时的标定实质上是待标定传感器与标准传感器之间的比较 传感器的标定系统一般由以下几部分组成 1 被测非电量的标准发生器 如活塞式压力计 测力机 恒温源等 2 被测非电量的标准测试系统 如标准压力传感器 标准力传感器 标准温度计等 3 待标定传感器所配接的信号调节器 显示器和记录器等 其精度是已知的 为了保证各种量值的准确一致 标定应按计量部门规定检定规程和管理办法进行 各种标准量值都有一个传递系统 图12 1给出了力值传递系统 按此系统 只能用上一级标准装置检定下级传感器及配套的仪器 如果待定的传感器精度较高 可以跨级使用更高级的标准装置 工程测试所用传感器的标定应在与其使用条件相似的环境下进行 有时为了获得较高的标定精度 可将传感器与其配用的电缆 放大器等测试系统一起标定 有些传感器标定时还应注意规定安装技术条件 图12 1力值传递系统 12 1 2静态标定 静态标定是指在静态标准条件下 对传感器的静态特性 静态灵敏度 非线性 迟滞 重复性等性能指标的确定 1 静态标准条件静态标准条件是指没有加速度 振动 冲击 除非这些参数本身是被测量 环境温度一般为 20 5 相对湿度不大于85 大气压力为101 308 7 998KPa的情况 2 标准仪器设备的精度等级的确定 按照国家规定 各种量值传递系统在标定传感器时所用的标准仪器及设备至少要比被标定的传感器的精度高一个等级 只有这样 通过标定确定的传感器的静态性能才是可靠的 所确定的精度才是可信的 1 标准器 标准器应有足够的精度 其允许的基本误差不应超过被校传感器允许基本误差的1 5 1 10 并具有计量部门周期检定的合格证书 2 电源 按传感器要求配备 其稳定度按传感器技术要求确定 一般应为被校传感器精度的1 5 1 10 3 读数记录和数据处理装置 要求其精度为被校传感器精度的1 3 1 10 对以上三部分设备的共同要求是 具有合适的测量范围 性能稳定可靠 操作使用方便 3 对被校传感器的要求 1 外观完整 并附有生产厂家按技术条件所规定的技术指标或铭牌 铭牌应标明传感器名称 制造厂 型号 规格 出厂编号 出厂年月 2 传感器电源输入线和输出线应有明显区别 并给出线路连接图 标定时应同时将与传感器配套的设备 电缆一起标定 4 标定过程及步骤 1 将传感器全量程 测量范围 分成若干个等间隔点 2 按照等间隔点 由小到大逐一输入标准量值 并记录下与各输入值相对应的输出值 3 再由大到小逐一输入标准量值 同时记录对应的各输出值 4 按 2 3 所述过程 对传感器进行正 反行程反复循环多次测试 将得到的输出 输入测试数据用表格列出或画成曲线 5 对测试数据进行必要的处理 根据处理结果 可以确定传感器的线性度 灵敏度 滞后和重复性等静态特性指标 12 1 3动态标定 传感器的动态标定主要是研究传感器的动态响应及与动态响应有关的参数 对一阶传感器只有一个时间常数对二阶传感器则有固有频率和阻尼比两个参数 1 标准仪器设备的精度等级的确定 对于动态校准系统 除具备静态标定对仪器设备精度等级要求外 还必须具有足够的动态响应范围 一般要求动态系统的工作频率范围应大于被校准传感器的5 10倍 上升时间应小于被校准传感器上升时间的1 5 如 标准传感器的精度为0 01 被校传感器的精度可在0 03 0 05 之内 标准传感器的精度为 0 1 被校 0 3 0 5 2 传感器进行动态标定常用的标准激励源 1 周期性函数 如正弦波 三角波等 以正弦波信号为常用 2 瞬变函数 如阶跃函数 半正弦波等 以阶跃信号为常用 3 标定方法 对被标定传感器输入标准激励信号 测得输出数据 做出输出值与时间的关系曲线 由输出曲线与输入标准激励信号比较可以标定传感器的动态响应时间常数 幅频特性及相频特性等 2 5 4电容式传感器测量转换电路 电容式传感器把被测物理量转换为电容变化后 还要经测量转换电路将电容量转换成电压或电流信号 以便记录 传输 显示 控制等 常见的电容式传感器测量转换电路有桥式电路 调频电路 运算放大器电路等 2 5电容式传感器 电容式传感器是指能将被测物理量的变化转换为电容变化的一种传感元件 电容式传感器的测量原理框图如图2 33所示 图2 33电容式传感器的测量原理框图 一个平行板电容器 如果不考虑其边缘效应 则电器的容量 上式中 哪几个参量是变量 可以做成哪几种类型的电容传感器 电容式传感器的分类及特点 特点 电容式传感器的结构简单 分辨率高 工作可靠 非接触测量 并能在高温 辐射 强烈振动等恶劣条件下工作 易于获得被测量与电容量变化的线性关系 可用于力 压力 压差 振动 位移 加速度 液位 料位 成分含量等测量 平板形圆柱形 变间隙式变面积式变介电常数式 分类 电容式传感器的各种结构 图2 35电容式传感元件的各种结构类型 当动极板受被测物体作用引起位移时 改变了两极板之间的距离d 从而使电容量发生变化 实际使用时 总是使初始极距d0尽量小些 以提高灵敏度 但这也带来了变间隙式电容器的行程较小的缺点 2 5 1变间隙式电容传感器 变间隙式电容传感器的特性曲线 从图中可以看到 为了提高灵敏度 应使当d0小些还是大些 当变间隙式电容传感器的初始极距d0较小时 它的测量范围变大还是变小 a 结构示意图b 电容量与极板距离的关系1 定极板2 动极板 为了提高测量的灵敏度 减小非线性误差 实际应用时常采用差动式结构 图2 38差动式电容器结构 输出灵敏度提高了一倍 变极距式电容传感器特点 起始电容在20 100pF之间 只能测量微小位移 微米级 25 200um d0过小时 电容容易击穿 可在极板间放置云母片来改善 云母片的相对介电常数是空气的7倍 击穿电压不小于1000kV mm 而空气仅为3kV mm 有了云母片 极板间起始间距可大大减小 传感器的输出线性度可得到改善 d0 25 200um d0 10 2 5 2变面积式电容传感器 图2 39变面积式电容传感器结构原理 电容量变化为 其灵敏度 变面积式电容传感器的特性 变面积式电容传感器的输出特性是线性的 灵敏度是常数 这一类传感器多用于检测直线位移 角位移 尺寸等参量 请画出变面积式电容传感器的输出特性曲线 2 圆柱形变面积电容传感器 当外力使电容器的动极板 内圆柱 发生位移后 电容器的电容量变为 电容量的相对变化为 扇形面积 3 半圆形变面积电容传感器 设两极板全重合 0 时的电容量为C0 动片转动角度 后 电容量变为C 角度的变化与电容的变化成线性关系 电容量变化 由上述三种类型的变面积电容传感器可以看出 电容的相对变化与位移的大小成正比 但方向相反 因为面积变化总是在减小 变面积电容式位移传感器的特点 可以测量较大位移的变化 常为厘米级位移量 为了提高测量灵敏度 变面积电容传感器也常做成差动式结构 这样其输出灵敏度可提高一倍 提高灵敏度的方法 差动连接 平板差动电容器 旋转形差电容器 圆柱形差动电容器 图2 40变面积差动电容传感器结构 因为各种介质的相对介电常数不同 所以在电容器两极板间插入不同介质时 电容器的电容量也就不同 几种介质的相对介电常数 2 5 3变介电常数式电容传感器 c 液位传感器 圆筒式液位传感器 首先 与被测液位hx成线性关系 2 5 4电容式传感器测量转换电路 电容式传感器把被测物理量转换为电容变化后 还要经测量转换电路将电容量转换成电压或电流信号 以便记录 传输 显示 控制等 常见的电容式传感器测量转换电路有桥式电路 调频电路 运算放大器电路等 单臂电桥 电容Cx1 C2 C3 C4构成电桥的四臂 Cx1为电容传感器 当Cx1改变时 U0 0 有输出电压 由于电桥输出电压与电源电压成比例 因此要求电源电压波动极小 需要采用稳幅 稳频等措施 1 桥式测量电路 2 43桥式测量电路 设初始状态下 双臂电桥 当桥臂电容 发生变化时 电桥输出为 电桥的输出与电容的相对变化量成正比 且差动电桥输出是单臂电桥的两倍 2 调频电路 将电容传感器接入高频振荡器的LC谐振回路中 作为回路的一部分 当被测量变化使传感器电容改变时 振荡器的振荡频率随之改变 即振荡器频率受传感器电容所调制 因此称为调频电路 调频振荡器的振荡频率由下式决定 图2 44调频电路系统原理框图 3 运算放大器测量电路 将电容传感器接入开环放大倍数为A的运算放大电路中 作为电路的反馈组件 图中Ui是交流电源电压 C是固定电容 Cx是传感器电容 Uo是输出信号电压 输出电压U0与动极片机械位移dx成线性关系 作业 准备1 电容式传感器的应用 上网找 准备2 自感式传感器的测量原理 上网找 准备3 自感式传感器的测量转换电路 上网找 准备4 差动变压器传感器 P169 2 5 5电容式传感器的应用 1 电容测厚仪电容测厚仪是用来测量金属带材在轧制过程中的厚度的传感器 其工作原理如图2 46所示 在被测带材的上下两边对称放置两个平行极板 与带材组成变间隙式差动电容传感器 把两块极板用导线连起来就成为一个极板 而带材则是电容器的另一极板 其总电容 当带材的厚度发生变化时 导致带材与两个极板的间距发生变化 总电容也发生相应的改变 图2 46电容式测厚仪原理图 2 电容式液位计 棒状电极 金属管 外面包裹聚四氟乙烯套管 当被测液体的液面上升时 引起棒状电极与导电液体之间的电容变大 聚四氟乙烯外套 电容式液位限位传感器 液位限位传感器与液位变送器的区别在于 它不给出模拟量 而是给出开关量 当液位到达设定值时 它输出低电平 但也可以选择输出为高电平的型号 液位限位传感器的设定 智能化液位传感器的设定方法十分简单 用手指压住设定按钮 当液位达到设定值时 放开按钮 智能仪器就记住该设定 正常使用时 当水位高于该点后 即可发出报警信号和控制信号 设定按钮 智能化液位限位传感器的设定按钮 超限灯 正常工作指示灯 设定按钮 电源指示灯 3 硅微加工加速度传感器 图示加速度传感器以微细加工技术为基础 既能测量交变加速度 振动 也可测量惯性力或重力加速度 其工作电压为2 7 5 25V 加速度测量范围为数个g 可输出与加速度成正比的电压也可输出占空比正比于加速度的PWM脉冲 硅微加工加速度传感器原理 1 加速度测试单元2 信号处理电路3 衬底4 底层多晶硅 下电极 5 多晶硅悬臂梁6 顶层多晶硅 上电极 利用微电子加工技术 可以将一块多晶硅加工成多层结构 在硅衬底上 制造出三个多晶硅电极 组成差动电容C1 C2 图中的底层多晶硅和顶层多晶硅固定不动 中间层多晶硅是一个可以上下微动的振动片 其左端固定在衬底上 所以相当于悬臂梁 当它感受到上下振动时 C1 C2呈差动变化 与加速度测试单元封装在同一壳体中的信号处理电路将 C转换成直流输出电压 它的激励源也做在同一壳体内 所以集成度很高 由于硅的弹性滞后很小 且悬臂梁的质量很轻 所以频率响应可达1kHz以上 允许加速度范围可达10g以上 如果在壳体内的三个相互垂直方向安装三个加速度传感器 就可以测量三维方向的振动或加速度 加速度传感器在汽车中的应用 加速度传感器安装在轿车上 可以作为碰撞传感器 当测得的负加速度值超过设定值时 微处理器据此判断发生了碰撞 于是就启动轿车前部的折叠式安全气囊迅速充气而膨胀 托住驾驶员及前排乘员的胸部和头部 装有传感器的假人 气囊 汽车气囊的保护作用 使用加速度传感器可以在汽车发生碰撞时 经控制系统使气囊迅速充气 汽车气囊对驾驶员的保护作用 利用加速度传感器实现延时起爆的钻地炸弹 传感器安装位置 4 电容式压力传感器 图2 47所示为差动式电容压力传感器的结构原理图 图中所示膜片为动电极 两个在凹形玻璃上的金属镀层为固定电极 从而构成差动电容器 将两个电容分别接在电桥的两个桥臂上 构成差动电桥 图2 47差动电容式压力传感器结构原理 差动电容式差压变送器结构示意图 1 高压侧进口气2 低压侧进口气3 过滤片4 进液腔5 柔性不锈钢波纹隔离膜片6 导压硅油7 玻璃圆片8 镀金电极9 弹性平膜片10 空腔11 铝合金外壳12 限位波纹盘13 过保护悬浮波纹膜片14 公共参考线 图1所示是通用型差动电容式差压变送器的结构示意图 它的核心部分是一个差动变极距式电容式传感器 它以热胀冷缩系数很小的两个凹形玻璃圆片上的镀金薄膜作为顶级板 两个凹形镀金薄膜与夹紧在它们中间的弹性平膜片组成C1和C2 当被测压力P1和P2由两侧的内螺纹压力接头进入各自的空腔时 该压力通过不锈钢波纹隔离膜以及热稳定性好的灌充液传导到空腔 弹性膜片由于受到两侧的压力之差 而凸向压力小的一侧 弹性膜片的微小位移就可以使电容量变化100pF以上 差动电容式传感器将被测物理量转换成电容变化后 必须采用测量转换电路将其转换为电压 电流或频率信号 电容式压力传感器测量电路常采用双T形电桥电路 如图2所示 图2中 e为对称方波的高频信号源 C1和C2为差动式电容式传感器的一对电容 RL为测量仪表的内阻 VD1和VD2为两个二极管 R1和R2为固定电阻 当e为正半周时 VD1导通 VD2截止 电容C1充电电压E 电流经R1流向R1 与此同时 C2通过R2向RL放电 当e为负半周时 VD2导通 VD1截止 电容C2充电电压E 电流经R2流向R1 与此同时 C1通过R1向RL放电 当C1 C2 亦即没有压力输出传感器时 在e的一个周期内流过负载RL的平均值为零 RL上无信号输出 当有压力作用在膜片上时 C1 C2 在负载电阻上的平均电流不为零 RL上有信号输出 经以上测量转换电路 将电容量转换成4 20mA的标准电流信号 通过信号电缆线输出二次仪表 目前大多数压力变送器自带液晶数码显示器 可以在现场读取测量值 5 电容式荷重传感器 图2 49所示为电容式荷重传感器结构示意图 它是在镍铬钼钢块上加工出一排等尺寸等间距的圆孔 在圆孔内壁上粘贴上有绝缘支架的平板式电容器 再将每个电容器并联连接 当钢块上有外力作用时 将产生变形 从而使圆孔中的电容器极板间距发生变化 电容器的电容发生变化 电容的变化量与作用力成正比 图2 49电容式荷重传感器结构示意图 返回本章目录 电容式传感器的位移特性实验 一 实验目的 了解电容传感器的结构及特点二 实验仪器 电容传感器 电容传感器模块 测微头 数显直流电压表 直流稳压电源 绝缘护套 实验内容与步骤1 按图将电容传感器安装在电容传感器模块上 将传感器引线插入实验模块插座中 电容式传感器的位移特性实验 电容式传感器的位移特性实验 2 将电容传感器模块的输出UO接到数显直流电压表 3 接入 15V电源 合上主控台电源开关 将电容传感器调至中间位置 调节Rw 使得数显直流电压表显示为0 选择2V档 Rw确定后不能改动 4 旋动测微头推进电容传感器的共享极板 下极板 每隔0 5mm记下位移量X与输出电压值V的变化 填入下表 电容式传感器的位移特性实验 五 实验报告 1 根据表的数据计算电容传感器的系统灵敏度S和非线性误差 f 2 4压电传感器 压电式传感器是一种典型的有源传感器 它以某些电介质的压电效应为基础 在外力作用下 材料受力变形时 其表面会有电荷产生 从而实现非电量检测的目的 压电传感元件是一种力敏感元件 凡是能够变换为力的物理量 如应力 压力 振动 加速度等 均可进行测量 但不能用于静态力测量 由于压电效应的可逆性 压电元件又常用作超声波的发射与接收装置 压电传感器具有体积小 重量轻 工作频带宽 灵敏度及测量精度高等特点 又由于没有运动部件 因此结构坚固 可靠性和稳定性高 在各种动态力 机械冲击与振动测量 以及声学 医学 力学 宇航等领域得到越来越广泛的应用 传感器的标定 P151 准备1 扩散硅压阻式压力传感器工作原理和特点 P177 准备2 压电式传感器工作原理 P145 准备3 压电材料及其特点 P147 准备4 压电式传感器测量电路 P148 准备5 压电式传感器应用 P150 准备6 电容式传感器的测量原理 分类和特点 P163 167 准备7 电容式传感器的测量转换电路 上网找 准备8 电容式传感器的应用 差动电容式差压变送器 上网找 准备 准备1 通用量具的种类及应用场合 使用注意事项 上网找 准备2 游标卡尺原理 读数及使用 上网找 准备3 外径千分尺原理 读数及使用 上网找 准备4 自感式传感器工作原理和测量电路 上网找 准备5 差动变压器式传感器工作原理和测量电路 P169 准备6 电感式传感器的应用 上网找 准备7 电涡流式传感器及其应用 P90 上网找 2 4 1压电传感器工作原理 压电效应 某些晶体受一定方向外力作用而发生机械变形时 相应地在一定的晶体表面产生符号相反的电荷 外力去掉后 电荷消失 力的方向改变时 电荷的符号也随之改变 这种现象称为压电效应 压电正向效应 压电材料还具有与此效应相反的效应 即在电介质的极化方向施加交变电场 它会产生机械变形 当去掉外加电场 电介质变形随之消失 这种现象称为压电逆向效应 电致伸缩效应 压电材料的分类 高分子压电材料 近年来发展的新型材料 压电材料或元件的分类 单晶压电晶体 如石英晶体 天然存在 极化的多晶压电陶瓷 如钛酸钡 锆钛酸钡等 人工制造 石英晶体 天然形成的石英晶体外形 石英晶体切片及封装 石英晶体薄片 双面镀银及封装 1 石英晶体的压电效应 石英晶体是一种应用广泛的压电晶体 它是二氧化硅单晶 属于规则的正六角棱柱体 图2 21是天然石英晶体的外形图 石英晶体有三个相互垂直的晶轴 Z轴 光轴 它与晶体的纵轴线方向一致 X轴 电轴 它通过六面体相对的两个棱线并垂直于光轴 y轴 机械轴 它垂直于两个相对的晶柱棱面 图2 21石英晶体结构 石英晶体压电效应演示 力的方向改变时 电荷的符号也随之改变 外力去掉后 电荷消失 石英晶体压电效应产生的过程 在正常情况下 石英晶体的每一个晶体单元中 有三个硅离子和六个氧离子 正负离子分布在正六边形的顶角上 当无外力作用时 正 负电荷中心重合 对外不显电性 图2 22石英晶体的结构及压电效应 当在X轴向施加压力时 各晶格上的带电粒子均产生相对位移 氧离子挤入两个硅离子之间 而硅离子也挤入两个氧离子之间 正电荷中心向B面移动 负电荷中心向A面移动 因而B面呈现正电荷 A面呈现负电荷 当在X轴向施加拉力时 各晶格上的带电粒子均沿X轴向外产生位移 因而A面呈现正电荷 B面呈现负电荷 在Y方向施加压力时 晶格沿y轴被向内压缩 A面呈现正电荷 B面呈现负电荷 在Y方向施加拉力时 晶格在y向被拉长 X向缩短 B面呈现正电荷 A面呈现负电荷 若沿Z轴方向施加力的作用时 由于硅离子和氧离子是对称的平移 故在表面没有电荷出现 因而不产生压电效应 这就是适应晶体压电效应产生的过程 从晶体上沿XYZ轴线切下一片平行六面体的薄片称为晶体切片 当沿着X轴对压电晶片施加力时 将在垂直于X轴的表面上产生电荷 这种现象称为纵向压电效应 沿着y轴施加力的作用时 电荷仍出现在与X轴垂直的表面上 这称之为横向压电效应 当沿着Z轴方向受力时不产生压电效应 石英晶体的纵 横向压电效应 纵向压电效应 纵向压电效应产生的电荷为QXX dXXFX 2 14 式中 QXX为垂直于X轴平面上的电荷 dXX为纵向压电系数 下标的意义为产生电荷的面的轴向及施加作用力的轴向 FX为沿晶轴X方向施加的压力 由上式看出 当晶片受到X向的压力作用时 QXX与作用力Fx成正比 而与晶片的几何尺寸无关 如果作用力Fx改为拉力时 则在垂直于X轴的平面上仍出现等量电荷 但极性相反 如果沿Y轴方向作用压力Fy时 电荷仍出现在与X轴相垂直的平面上 横向压电效应产生的荷量为式中 QXY为在垂直于X轴平面上的电荷 dXY为在垂直于X轴平面上产生电荷时的压电系数 横向压电系数 FY为沿晶轴Y方向施加的压力 根据石英晶体的对称条件dXY dXX 所以 横向压电效应 石英晶体的电气性能 石英晶体是一种单晶体结构 有天然和人工培养两种 温度稳定性好 压电常数几乎不随温度变化 自振频率高 动态响应好 线性范围宽 机械强度好 灵敏度低 介电常数小 多用于标准传感器或使用温度较高的传感器中 石英晶体振荡器 晶振 石英晶体在振荡电路中工作时 压电效应与逆压电效应交替作用 从而产生稳定的振荡输出频率 晶振 石英晶体的应用 用于制造选择和控制频率的电子元器件 广泛应用于电子信息产业各领域 如彩电 空调 电脑 DVD 无电线通讯等 尤其在高性能电子设备及数字化设备中应用日益扩大 2 压电陶瓷 压电陶瓷是人工制造的一种多晶压电体 它有无数的单晶组成 各单晶的自发极化方向是任意排列的 如图2 23a所示 因此 虽然每个单晶具有强的压电性质 但组成多晶后 各单晶的压电效应却互相抵消了 所以 原始的压电陶瓷是一个非压电体 不具有压电效应 为了使压电陶瓷具有压电效应 就必须进行极化理 所谓极化处理就是在一定的温度条件下 对压电陶瓷施加强电场 使极性轴转动到接近电场方向 规则排列 如图2 23b所示 这个方向就是压电陶瓷的极化方向 这时压电陶瓷就具有了压电性 在极化电场去除后 留下了很强的剩余极化强度 当压电陶瓷受到力的作用时 极化强度就发生变化 在垂直于极化方向上的平面上就会出现电荷 对于压电陶瓷 通常取它的极化方向为Z轴 二 压电陶瓷的特点 压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料 它比石英晶体的压电灵敏度高得多 而制造成本却较低 因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷 其材料种类很多 应用最广泛的是锆钛酸铅 PZT 无铅压电陶瓷及其换能器外形 应用 压电点火器 移动X光电源 炮弹引爆装置 电子打火机 机械品质因子较低 电损耗较大 稳定性差 因而适合于大功率换能器和宽带滤波器等应用 但对高频 高稳定应用不理想 例子 当你在点燃煤气灶或热水器时 就有一种压电陶瓷已悄悄地为你服务了一次 生产厂家在这类压电点火装置内 藏着一块压电陶瓷 当用户按下点火装置的弹簧时 传动装置就把压力施加在压电陶瓷上 使它产生很高的电压 进而将电能引向燃气的出口放电 于是 燃气就被电火花点燃了 压电陶瓷的这种功能就叫做压电效应 3 高分子的压电材料 高分子的压电材料是一种新型的材料 有聚偏二氟乙烯 PVF2 聚偏氟乙烯 PVDF 聚氟乙烯 PVF 改性聚氟乙烯 PVC 等 其中以PVF2和PVDF的压电常数最高 有的材料比压电陶瓷还要高几十倍 其输出脉冲电压有的可以直接驱动CMOS集成门电路 高分子压电材料的最大特点是具有柔软性 可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状 经极化处理后就现出压电特性 它不易破碎 具有防水性 动态范围宽 频响范围大 但工作温度不高 一般低于100 且随温度升高 灵敏度降低 机械强度也不高 容易老化 因此常用于对测量精度要求不高的场合 例如水声测量 防盗 震动测量等方面 可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板 2 4 2压电式传感器的等效电路 由压电传感器的工作原理可知 只要测得压电元件上的电荷量 就可得知作用力的大小 压电元件就