传感器原理及应用第二章力传感器

教学目的与要求 要求学生了解常用力传感器的特点 应用 理解各种力传感器的测量电路 掌握典型力传感器的工作原理 教学重点 典型力传感器的工作原理教学难点 各种力传感器的测量电路 第二章力传感器 第二章力传感器 应变式传感器电感式传感器电容式传感器压电式传感器 力传感器指对力学量敏感的一类器件或装置 原理 测量电路 特点及应用 广泛应用于 第一节应变式传感器 电阻式应变传感器作为测力的主要传感器 测力范围小到肌肉纤维 大到登月火箭 精确度可到0 01 0 1 有拉压式 柱 筒 环元件 弯曲式 剪切式 应用范围 应变力 压力 转矩 位移 加速度 优点 精度高 测量范围广 频率响应特性较好 结构简单 尺寸小 重量轻 可在高 低 温 高速 高压 强烈振动 强磁场及核辐射和化学腐蚀等恶劣条件下正常工作 易于实现小型化 固态化 价格低廉 品种多样 便于选择 缺点 具有非线性 输出信号微弱 抗干扰能力较差 因此信号线需要采取屏蔽措施 只能测量一点或应变栅范围内的平均应变 不能显示应力场中应力梯度的变化等 不能用于过高温度场合下的测量 应变计 金属应变计 一 应变片工作原理 1 应变片结构敏感栅 高阻金属丝 金属箔基底 绝缘材料盖片 保护层 电阻应变片结构示意图 应变片式传感器的核心元件是应变片 它可将试件上的应变变化转换成电阻变化 b l 敏感栅由金属细丝绕成栅形 栅长 栅宽 应变片的标准名义电阻值 指应变片没有安装且不受力的情况下 在室温时测定的电阻值 通常为60 120 350 600 1000 等 应变片在相同的工作电流下 电阻值愈大 允许的工作电压亦愈大 可提高测量灵敏度 应变片栅长大小关系到所测应变的准确度 应变片测得的应变大小是应变片栅长和栅宽所在面积内的平均轴向应变量 应变片的尺寸制造厂常用b l表示 2 应变效应 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应 即金属导体在外力作用下发生机械变形时 其电阻值随着所受机械变形 伸长或缩短 的变化而发生变化现象 设有一根长度为l 截面积为S 电阻率为 的金属丝 其电阻R为 当电阻丝受到轴向拉力F作用时 电阻值 R的变化引起电阻的相对变化为 式中 电阻的相对变化 电阻率的相对变化 金属丝长度相对变化 用 表示 为金属丝的轴向应变 截面积的相对变化 dr r 金属丝半径的相对变化 即径向应变为 r S r2 dS S 2 dr r r 由材料力学知 将微分dR d 改写成增量 R 则 金属丝电阻的相对变化与金属丝的伸长或缩短之间存在比例关系 比例系数KS称为金属丝的应变灵敏系数 式中 为金属材料的泊松系数 KS由两部分组成 1 2 由材料的几何尺寸变化引起 一般金属 0 3 因此 1 2 1 6 电阻率随应变而引起的变化 称 压阻效应 金属材料 以前者为主 则KS 1 2 半导体 KS值主要由电阻率相对变化所决定 实验表明 在金属丝拉伸比例极限内 电阻相对变化与轴向应变成正比 通常KS在1 8 3 6范围内 金属应变片灵敏系数KS由材料的几何尺寸决定的应力 E 可见 应变 R R应力 R R通过弹性元件可将位移 压力 振动等物理量将应力转换为应变进行测量 这是应变式传感器测量应变的基本原理 压阻效应 半导体材料在受到应力作用后 其电阻率发生明显变化 这种现象称为压阻效应 半导体应变片又称压阻式传感器优点 灵敏度高 动态响应好 精度高 易于微型化和集成化等 缺点 受温度影响较大 半导体材料的灵敏系数 S主要由压阻效应引起的电阻率 的变化 灵敏系数远大于金属应变片的灵敏系数 对半导体 式中 压阻系数E 弹性模量 kS 50 100 按材料分 金属式 丝式 箔式 P37 薄膜型半导体式 体型 薄膜型 扩散型 外延型 PN结型按结构分 单片 双片 特殊形状按使用环境 高温 低温 高压 磁场 水下 3 应变片种类 丝式 0 025mm金属丝 康铜 镍铬合金 贵金属 做敏感栅箔式 用光刻腐蚀工艺 照相制版制作成厚0 003 0 01的金属箔栅薄膜式 真空溅射或真空沉积技术 在绝缘基片上蒸度几 几百纳米金属电阻薄膜 1 灵敏系数 金属丝做成应变片后电阻应变特性与单根金属丝不同 实验表明 金属应变片的电阻相对变化与应变 在很宽的范围内均为线性关系 三 应变片的主要特性 测量结果表明 应变片的灵敏系数K恒小于线材的灵敏系数KS 原因 胶层传递变形失真横向效应 丝绕式应变片敏感栅半圆弧形部分 b O l r r dl d 0 金属应变片由于敏感栅的两端为半圆弧形的横栅 测量应变时 构件的轴向应变 使敏感栅电阻发生变化 其横向应变 r也将使敏感栅半圆弧部分的电阻发生变化 除了 起作用外 应变片的这种既受轴向应变影响 又受横向应变影响而引起电阻变化的现象称为横向效应 2 横向效应 横向效应使灵敏系数K下降 横向效应系数H 横向灵敏系数与轴向灵敏系数之比值 由上式可见 r愈小 l愈大 则H愈小 即敏感栅越窄 基长越长的应变片 其横向效应引起的误差越小 为减小横向效应 常采用箔式应变片 应变片粘贴在被测试件上 当温度恒定时 其加载特性与卸载特性不重合 即为机械滞后 产生原因 a 应变片在承受机械应变后 其内部会产生残余变形 使敏感栅电阻发生少量不可逆变化 b 在制造或粘贴应变片时 如果敏感栅受到不适当的变形或者粘结剂固化不充分 机械滞后值还与应变片所承受的应变量有关 加载时的机械应变愈大 卸载时的滞后也愈大 所以 通常在实验之前应将试件预先加 卸载若干次 以减少因机械滞后所产生的实验误差 3 机械滞后 对于粘贴好的应变片 当温度恒定时 不承受应变时 其电阻值随时间增加而变化的特性 称为应变片的零点漂移 如果在一定温度下 使应变片承受恒定的机械应变 其电阻值随时间增加而变化的特性称为蠕变 4 零点漂移和蠕变 5 应变极限 在一定温度下 应变片的指示应变对测试值的真实应变的相对误差不超过规定范围 一般为10 时的最大真实应变值 6 动态特性当被测应变值随时间变化的频率很高时 需考虑应变片的动态特性 因应变片基底和粘贴胶层很薄 构件的应变波传到应变片的时间很短 估计约0 2 s 故只需考虑应变沿应变片轴向传播时的动态响应 不同栅长应变片对应的最高工作频率 四 应变片的测量电路 由于将应变等机械量转换为电阻的变化 此变化的数量是很微弱的 因此须采用高精度的测量电路 电桥 教材P39 电桥的作用 将电阻 电感 电容等微小电参量的变化转换为电压或电流的变化 电桥分类 直流电桥按电源性质分 交流电桥 按输出方式分 功率电桥 接低阻抗负载 电压电桥 接高阻抗负载 1 直流电桥 平衡条件 相对桥臂电阻之积相等 电桥的接法根据电桥工作中桥臂电阻值变化的情况 电桥可分为 半桥单臂 半桥双臂 全桥 讨论 设 电桥起始是平衡的 由于 电桥输出公式又可写成ey e0e0相邻相减 相对相加 上式为电桥加减特性表达式 全等臂电桥 单臂工作 即只有一只电阻R产生 R变化时 电桥输出电压 双臂工作 设R1产生正 R的变化 R 产生负 R的变化 且变化的绝对值相等 即 则电桥输出 即为单臂工作的2倍 电压与应变成线性关系 可以用电桥测量电压以测量应变 四臂工作 设R1 R3产生正 R的变化 R2 R4产生负 R的变化 且 R绝对值相等 即R1 R3产生正应变 R2 R4产生负应变 且应变的绝对值相等 则电桥的输出即为单臂工作的4倍 不同的电桥接法 输出电压不同 全桥接法可获得最大的输出 其灵敏度最高 工程上常利用电桥的加减特性 作温度补偿和提高灵敏度等 电桥加减特性的应用1 温度补偿温度变化引起应变片敏感栅电阻变化而产生附加应变 电桥加减特性的应用2 提高灵敏度 直流电桥优点 电源稳定 电路简单 仍是主要测量电路 缺点 直流放大器较复杂 存在零漂 工频干扰 交流电桥优点 放大电路简单 无零漂 不受干扰 为特定传感器带来方便 缺点 需专用测量仪器或电路不易取得高精度 交流电桥对供桥电源要求具有良好的电压波形和频率稳定性 2 交流电桥 不同的交流电桥 说明 加减特性对交流电桥形式也完全适用 动态电阻应变仪中电桥的阻容调节 电阻应变仪电阻应变片的电阻变化很小 测量电桥的输出信号也很小 教材P39 不足以推动显示和记录装置 因此需将电桥的输出信号用一个高增益的放大器进行放大 以便推动显示或记录装置 用于完成这一任务的仪器称应变仪 在测量前 应将电桥调平 但由于接入电桥的每个应变片不可能绝对相同 各桥臂的连接导线及接触电阻也不可能完全一样 因而需设置电阻平衡装置 对于交流电桥 还须设置电容平衡装置 以消除应变片线栅及接线分布电容的影响 电阻应变仪 按测量应变力的频率可分为静态应变仪和动态应变仪 按应变力频率又可细分为 静态 5Hz 静动态 几百Hz 动态 5KHz 超动态 几十KHz 交流电桥电阻应变仪主要由电桥 振荡器 放大器 相敏检波器 滤波器 转换和显示电路组成 交流电桥电阻应变仪工作原理框图 电桥 测20 200Hz应变力 输出调幅调制波 放大器 将电桥输出的调幅波放大 振荡器 产生等幅正弦波提供电桥电压和相敏检波器参考电压 相敏检波器 如果应变有拉应变和压应变 可通过相敏检波电路区分双相信号 相移器 相敏检波器的参考信号与被测信号有严格的相位关系 滤波器 为了还原被检测的信号用低通滤波器去掉高频保留低频应变信号 相敏检波电路 1 温度误差用作测量应变的金属应变片 希望其阻值仅随应变变化 而不受其它因素的影响 实际上应变片的阻值受环境温度 包括被测试件的温度 影响很大 由于环境温度变化引起的电阻变化与试件应变所造成的电阻变化几乎有相同的数量级 从而产生很大的测量误差 称为应变片的温度误差 又称热输出 因环境温度改变而引起电阻变化的两个主要因素 应变片的电阻丝 敏感栅 具有一定温度系数 电阻丝材料与测试材料的线膨胀系数不同 五 应变片的温度误差及其补偿 因此 由温度变化引起的总的相对电阻增量为或 可见 由于温度变化而引起附加电阻变化或造成了虚假应变 从而给测量带来误差 常用的温度补偿方法有三种 桥路补偿法 应变片的自补偿 热敏电阻 工作片R1粘贴在试件上需要测量应变的地方 补偿片R 粘贴在一块不受力的与试件相同材料上 采用原理 电桥的相邻相减原则 桥路补偿法 根据被测试件承受应变的情况 可以不另加专门的补偿块 而是将补偿片贴在被测试件上 这样既能起到温度补偿作用 又能提高输出的灵敏度 如图所示的贴法 构件受弯曲应力 构件受单向应力 应变片自补偿法粘贴在被测部位上的是一种特殊应变片 当温度变化时 产生的附加应变为零或相互抵消 这种特殊应变片称为温度自补偿应变片 选择应变片时 若应变片的敏感栅是用单一的合金丝制成 并使其电阻温度系数和线膨胀系数满足上式的条件 即可实现温度自补偿 具有这种敏感栅的应变片称为单丝自补偿应变片 必须在具有一定线膨胀系数材料的试件上使用 单丝自补偿应变片若使应变片在温度变化 t时的热输出值为零 必须使即 双金属敏感栅自补偿应变片这种应变片也称组合式自补偿应变片 这是利用两种电阻丝材料的电阻温度系数不同 一个为正 一个为负 的特性 将二者串联绕制成敏感栅 随温度变化而产生的电阻增量大小相等 符号相反 如图所示 热敏电阻Rt与应变片处在相同的温度下 当应变片的灵敏度随温度升高而下降时 热敏电阻Rt的阻值下降 使电桥的输入电压随温度升高而增加 从而提高电桥输出电压 选择分流电阻R5的值 可以使应变片灵敏度下降对电桥输出的影响得到很好的补偿 USC R2 R4 R1 R3 E Rt R5 热敏电阻补偿法 1 将应变片粘贴于被测构件上 直接用来测定构件的应变和应力 例如 为了研究或验证机械 桥梁 建筑等某些构件在工作状态下的应力 变形情况 可利用形状不同的应变片 粘贴在构件的预测部位 可测得构件的拉 压应力 扭矩或弯矩等 从而为结构设计 应力校核或构件破坏的预测等提供可靠的实验数据 2 将应变片贴于弹性元件上 与弹性元件一起构成应变式传感器 这种传感器常用来测量力 位移 加速度等物理参数 在这种情况下 弹性元件将被测物理量转换为成正比变化的应变 再通过应变片转换为电阻变化输出 电阻应变式传感器的应用主要体现在以下两个方面 六 应变式传感器应用 案例 桥梁固有频率测量 上海卢浦大桥通车应变试验 打桩船吊塔强度试验 金属应变片 除了测定试件应力 应变外 还制造成多种应变式传感器用来测定力 扭矩 加速度 压力等其它物理量 应变式传感器包括两个部分 一是弹性敏感元件 利用它将被测物理量 如力 扭矩 加速度 压力等 转换为弹性体的应变值 另一个是应变片作为转换元件将应变转换为电阻的变化 柱式力传感器梁式力传感器应变式压力传感器应变式加速度传感器 力传感器 测力与秤重 载荷和力传感器是工业测量中使用较多的一种传感器 传感器量程从几克到几百吨 测力传感器主要作为各种电子秤和材料实验的测力元件 或用于发动机的推动力测试 水坝坝体承载状态的监测等 力传感器的弹性元件有 柱式 梁式 环式 轮辐式等 1 柱式力传感器有空心 实心在圆筒 柱 上按一定方式粘贴应变片 圆柱 筒 在外力F作用下产生形变 测力与秤重 荷重传感器弹性元件形式 2 悬臂梁式力传感器 悬臂梁式传感器是一种高精度 性能优良的秤重测力传感器 采用弹性梁和应变片作转换元件 当力作用在弹性元件 梁 上时 金属与应变片一起变形使应变片的电阻变化 悬臂梁主要有两种形式 等截面梁 等强度梁 a 等截面梁 b 等强度梁 梁的形式较多 如平行双孔梁 工字梁 S型拉力梁等 a 双孔梁 b S形 各种平行双孔梁 案例 电子称 原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出 3 轮辐式测力传感器 剪切力 轮辐式传感器结构主要由五个部分组成 轮轱 轮圈 轮辐条 受拉和受压应变片 应变式压力传感器测量气体或液体压力的薄板式传感器 当气体或液体压力作用在薄板承压面上时 薄板变形 粘贴在另一面的电阻应变片随之变形 并改变阻值 这时测量电路中电桥平衡被破坏 产生输出电压 b a 应变式压力传感器 应变片 应变式加速度传感器由端部固定并带有惯性质量块m的悬臂梁及贴在梁根部的应变片 基座及外壳等组成 是一种惯性式传感器 L 应变片 质量块m 弹簧片 外壳 基座 a 应变式加速度传感器 当被测点的加速度沿图中箭头所示方向时 悬臂梁自由端受惯性力F ma的作用 使梁发生弯曲变形 应变片电阻也发生变化 产生输出信号 输出信号大小与加速度成正比 案例 振动式地音入侵探测器 适合于金库 仓库 古建筑的防范 挖墙 打洞 爆破等破坏行为均可及时发现 压阻式传感器有许多优点 灵敏度高 动态响应好 精度高 易于微型化和集成化等 压阻式传感器缺点 温度特性差 工艺复杂 微型硅应变压力传感器 七 压阻式传感器 利用硅的压阻效应和微电子技术制成的 是一种物性型传感器 应变测量 将半导体条制作成敏感元件粘贴在被测试件上 压力测量 与金属膜片式压力传感器原理相同 加速度测量 传感器弹性元件是硅梁 在硅梁的根部有四个扩散电阻 当硅梁的自由端因加速度受力作用时 惯性使梁弯曲 弯矩产生的应力使四个电阻值发生变化 应变范围在400 500 压阻式传感器应用领域 航空工业 用硅压力传感器测量机翼气流压力分布 发动机进气口处的动压畸变 生物医学 将10 m厚的硅膜片注射到生物体内 可做体内压力测量 插入心脏导管内测量心血管 以及颅内 眼球内压力 兵器工业 测量爆炸压力和冲击波 测量枪炮腔内压力 防爆检测 压阻式传感器所需电流小 在可燃体和气体许可值以下 是理想的防爆压力传感器 第二节电感式传感器 自感式传感器差动变压器 互感式 电涡流式传感器 电感式传感器利用电磁感应定律将被测非电量 如位移 压力 流量 振动 转换为电感或互感的变化 按传感器转换原理可分为 优点 结构简单 可靠 测量力小衔铁为0 5 200 10 4N时 磁吸力为 1 10 10 4N 分辨力高机械位移 0 1 m 甚至更小 角位移 0 1角秒 输出信号强 电压灵敏度可达数百mV mm 重复性好 线性度优良在几十 m到数百mm的位移范围内 输出特性的线性度较好 且比较稳定 不足 存在交流零位信号 不宜于高频动态测量 1 工作原理 电磁感应 一 自感式传感器有气隙型和螺管型两种结构 一 气隙型自感传感器 变气隙式 由这两式得 磁路总磁阻为 考虑到导磁体磁阻远比气隙磁阻小 可以忽略不计 故 则得 电感传感器的基本工作原理演示 F 220V 准备工作 电感传感器的基本工作原理演示 气隙变小 电感变大 电流变小 F 灵敏度 常数 1 变气隙式 变气隙式传感器的输出特性是非线性的 愈小 灵敏度愈高 为了减小非线性误差 通常规定 在较小的范围内工作 当S0固定不变 变化 时 L与 呈非线性 双曲线 关系 实际应用中 一般取 这种传感器适用于较小位移的测量 一般约为0 001 1mm 2 特性分析主要特性 灵敏度和线性度 2 变面积式 如将 固定 变化空气隙导磁截面积S0时 自感L与S0呈线性关系 变面积式传感器的输出特性是线性的 与变气隙式传感器比较灵敏度低 二 螺管式自感传感器单螺管线圈式当铁芯在线圈中运动时 将改变磁阻 使线圈自感发生变化 P51式2 48 螺管式电感传感器结构简单 制造容易 由于空气间隙大 磁路的磁阻高 因此灵敏度低 但线性范围大 易于测量较大位移 理论证明 只有在线圈中段才有可能获得较高的灵敏度 并且有较好的线性特性 以上三种传感器存在以下缺点1 测量精度低 易受外界干扰 温度 电源波动等 2 存在非线性 3 灵敏度低 在测试中经常采用的措施 一般将传感器接成差动形式提高测量灵敏度减小非线性误差减小外界干扰减小电磁吸力的影响 差动式原理 差动变隙式由两个电气参数和磁路完全相同的线圈组成 当被测量通过导杆使衔铁左右位移时 两个回路中磁阻发生大小相等 方向相反的变化 形成差动形式 双螺管线圈差动型传感器及测量电路 线圈电感L1 L2随铁芯位移而变化 并作为电桥两个相邻桥臂 双螺管线圈差动型 较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性 用于电感测微计上 其测量范围为0 300 m最小分辨力为0 5 m 三 测量电路1 交流电桥交流电桥是自感传感器的主要测量电路 为了提高灵敏度 改善线性度 自感线圈一般接成差动形式 交流电桥结构示意图等效电路 该电桥结构简单 其电阻R3 R4可用两个电阻和一个电位器组成 调零方便 因 输出电压为 2 变压器式交流电桥 衔铁偏离中间零点时 传感器衔铁移动方向相反时 空载输出电压 只能确定衔铁位移的大小 不能判断位移的方向 衔铁上下移动相同距离时 输出电压大小相等方向相差180 要判断衔铁方向就是判断信号相位 为了判别交流信号的相位 需接入专门的相敏检波电路 相敏检波电路 电路作用 辨别衔铁位移方向 U0的大小反映位移的大小 U0的极性反映位移的方向 3 谐振式 调幅 调频 调幅式电路输出幅值随电感L变化 调频电路电感L变化时谐振频率变化 谐振式调幅电路 电路的灵敏度很高 但是线性差 适用于线性要求不高的场合 图谐振式调幅电路 谐振点的自感值 传感器自感变化将引起输出电压频率的变化 G C L f 图调频电路 调频电路 f较大时有较高的精度 压力测量 被测压力经位移 电压两次转换输出 二 差动变压器 互感式 把被测的非电量变化转换成为线圈互感量的变化的传感器 一 结构原理与等效电路分气隙型和差动变压器两种 目前多采用螺管型差动变压器 1初级线圈 2 3次级线圈 4衔铁 1 2 4 3 1 2 3 a 气隙型 b 螺管型 基本元件有衔铁 初级线圈 次级线圈和线圈框架等 初级线圈作为差动变压器激励用 相当于变压器的原边 而次级线圈由结构尺寸和参数相同的两个线圈反相串接而成 相当于变压器的副边 等效电路 两个次级线圈必须反相串联 保证差动形式 如果线圈完全对称并且衔铁处于中间位置时两线圈互感系数相等电动势相等 差动输出电压为零 可见 输出电压大小和符号反映了铁心位移的大小和方向 若衔铁上移 若衔铁下移 当衔铁上下移动时 输出电压随衔铁位移变化 由此得到输出电压有效值为 可见输出电压与互感的差值有关 根据电磁感应定律 次级感应电动势分别为 铁芯向右移 输出与E2a同极性 铁芯向左移 输出与E2b同极性 输出电压的幅值取决于线圈互感即衔铁在线圈中移动的距离X Uo与Ui的相位由衔铁的移动方向决定 零点残余电压 由于两个次级线圈绕组电气系数 M互感L电感R内阻 不同 几何尺寸工艺上很难保证完全相同又因初级线圈中铜损电阻及导磁材料的铁损和材质的不均匀 线圈匝间电容的存在等因素 实际的特性曲线 在零点上总有一个最小的输出电压 从零点几mV到数十mV 这个铁芯处于中间位置时最小不为零的电压称为零点残余电压 零点残余电压的存在造成零点附近的不灵敏区 零点残余电压输入放大器内会使放大器末级趋向饱和 影响电路正常工作等 消除零点残余电压方法 1 从设计和工艺上保证结构对称性为保证线圈和磁路的对称性 首先 要求提高加工精度 线圈选配成对 采用磁路可调节结构 其次 应选高磁导率 低矫顽力 低剩磁感应的导磁材料 并应经过热处理 消除残余应力 以提高磁性能的均匀性和稳定性 由高次谐波产生的因素可知 磁路工作点应选在磁化曲线的线性段 2 选用合适的测量电路 采用相敏检波电路不仅可鉴别衔铁移动方向 而且把衔铁在中间位置时 因高次谐波引起的零点残余电压消除掉 3 采用补偿线路 由于两个次级线圈感应电压相位不同 并联电容可改变其一的相位 也可将电容C改为电阻 如图 a 由于R的分流作用将使流入传感器线圈的电流发生变化 从而改变磁化曲线的工作点 减小高次谐波所产生的残余电压 图 b 中串联电阻R可以调整次级线圈的电阻分量 调相位式残余电压补偿电路 并联电位器W用于电气调零 改变两次级线圈输出电压的相位 如图所示 电容C 0 02 F 可防止调整电位器时使零点移动 e1 e2 C R1 R2 W 电位器调零点残余电压补偿电路 R或L补偿电路 e1 e2 L0 W e1 e2 R0 W a b 接入R0 几百k 或补偿线圈L0 几百匝 绕在差动变压器的初级线圈上以减小负载电压 避免负载不是纯电阻而引起较大的零点残余电压 电路如图 二 测量电路 差动变压器输出交流信号 用交流电压表测量其输出值只能反映衔铁位移的大小 不能反映移动的方向 为正确反映衔铁位移大小和方向 常采用差动整流电路和相敏检波电路 1 差动整流电路 2 相敏检波电路图中调制电压er和e同频 经过移相器使er和e保持同相或反相 且满足er e 调节电位器R可调平衡 图中电阻R1 R2 R0 电容C1 C2 C0 输出电压为UCD 铁芯上移时输出电压UCD 0 当铁芯下移时 UCD 0 由此可见 该电路能判别铁芯移动的方向 测量电路 差动变压器结构形式 差动变压器位移传感器 应用举例 差动变压器式传感器可直接用于位移测量 也可以用来测量与位移有关的任何机械量 如振动 加速度 应变 厚度 角度 表面粗糙度 压力 液位等等 1 压差计当压差变化时 腔内膜片位移使差动变压器次级电压发生变化 输出与位移成正比 与压差成正比 P64图2 54 2 液位测量沉筒式液位计将水位变化转换成位移变化 再转换为电感的变化 差动变压器的输出反映液位高低 3 差动变压器式加速度传感器用于测定振动物体的频率和振幅时其激磁频率必须是振动频率的十倍以上 才能得到精确的测量结果 可测量的振幅为 0 1 5 mm 振动频率为 0 150 Hz 稳压电源 振荡器 检波器 滤波器 b a 220V 加速度a方向 a 输出 1 2 1 1弹性支承2差动变压器 案例 板的厚度测量 案例 张力测量 旁向式差动电感式传感器 总行程 1 5mm测量力 0 4 0 7N示值变动性 0 2 m 轴向式差动电感式传感器 总行程 3mm测量力 0 45 0 65N示值变动性 0 03 m 总行程 1 5mm测量力 0 12 0 18N示值变动性 0 05 m 轴向式差动变压器式传感器 总行程 100mm线性度 0 15 总行程 2 7mm测量力 0 9 1 2N示值变动性 0 5 m 电子卡规 塞规 特点 不仅可以测量微米级直径 而且通过其在孔内旋转和平移可以测量其椭圆度和圆柱度被测孔内径范围 25 120mm测量力 1 3 0 3N示值变动性 1 m 特点 不仅可以测量微米级直径 还可以测量轴的椭圆度和圆柱度被测轴直径范围 25 120mm测量力 4 1 5N示值变动性 1 m 特点 可单传感器测量 也可两个传感器进行和差演算测量 指标 电感测微仪 电感测微仪是一种能够测量微小尺寸变化的精密测量仪器 它由主体和测头两部分组成 配上相应的测量装置 例如测量台架等 能够完成各种精密测量 例如 检查工件的厚度 内径 外径 椭圆度 平行度 直线度 径向跳动等 被广泛应用于精密机械制造业 晶体管和集成电路制造业以及国防 科研 计量部门的精密长度测量 目前 国内常用的电感测微仪有指针式和数字式两种 电感式滚柱直径分选装置 测微仪 圆柱滚子 电感式滚柱直径分选装置 外形 滑道 分选仓位 轴承滚子外形 电感传感器在仿形机床中的应用 1 标准靠模样板2 测端 靠模轮 3 电感测微器4 铣刀龙门框架5 立柱6 伺服电动机7 铣刀8 毛坯 电感式圆度仪原理 该圆度计采用旁向式电感测微头 旋转盘 测量头 电感式轮廓仪 旁向式电感测微头 三 电涡流式传感器 原理 电涡流效应 电涡流效应演示 电涡流的应用 在我们日常生活中经常可以遇到 电磁炉内部的励磁线圈 电磁炉的工作原理 高频电流通过励磁线圈 产生交变磁场 在铁质锅底会产生无数的电涡流 使锅底自行发热 烧开锅内的食物 交流高频电流I1 交变线圈磁场B1 交变涡流I2 交变涡流磁场B2 B2与B1方向相反 B2总是抵抗B1的变化 原线圈的等效阻抗Z变化 涡流的大小与金属板的电导率 磁导率 厚度 金属板与线圈的距离x 激励电流等参数有关 若改变其中的某项参数 而固定其它参数不变 就可根据涡流的变化测量该参数 电涡流线圈受电涡流影响时的等效阻抗Z的函数表达式为 Z R j L f i1 f r x 等效阻抗与非电量的测量 检测深度的控制 由于存在集肤效应 电涡流只能检测导体表面的各种物理参数 改变f 可控制检测深度 激励源频率一般设定在100kHz 1MHz 频率越低 检测深度越深 间距x的测量 如果控制上式中的i1 f r不变 电涡流线圈的阻抗Z就成为间距x的单值函数 这样就成为非接触地测量位移的传感器 多种用途 如果控制x i1 f不变 就可以用来检测与表面电导率 有关的表面温度 表面裂纹等参数 或者用来检测与材料磁导率 有关的材料型号 表面硬度等参数 涡流式传感器可分为 高频反射式 测位移 低频透射式 测厚度 发射线圈 1 接收线圈 2 交变磁场 电涡流探头外形 CZF 1系列传感器的性能 分析上表请得出结论 探头的直径与测量范围及分辨力之间有何关系 大直径电涡流探雷器 1 电桥测量电路Z1 Z2为差动式传感器的两个线圈 或者一个是传感器线圈 一个是固定平衡线圈 桥路输出电压幅值随传感器线圈阻抗变化而变化 电涡流式传感器测量电桥 测量电路 石英振荡器产生稳频 稳幅高频振荡电压 100kHz 1MHz 用于激励电涡流线圈 金属材料在高频磁场中产生电涡流 引起电涡流线圈端电压的衰减 再经高放 检波 低放电路 最终输出的直流电压Uo反映了金属体对电涡流线圈的影响 例如两者之间的距离等参数 2 调幅式测量电路 当电涡流线圈与被测体的距离x改变时 电涡流线圈的电感量L也随之改变 引起LC振荡器的输出频率变化 此频率可直接用计算机测量 如果要用模拟仪表进行显示或记录时 必须使用鉴频器 将 f转换为电压 Uo 3 调频式测量电路 使用鉴频器可以将 f转换为电压 Uo 鉴频器的输出电压与输入频率成正比 机械工业出版社 鉴频器特性 位移测量包含 优点 可实现非接触测量 结构简单 使用方便 不受油污 介质影响 应用 位移 力 振动测量 测厚 材质判别 偏心 间隙 位置 倾斜 弯曲 变形 移动 圆度 冲击 偏心率 冲程 宽度等等 来自不同应用领域的许多量都可归结为位移或间隙变化 位移测量仪 数显位移测量仪及探头 4 20mA电涡流位移传感器外形 a 汽轮机主轴的轴向位移测量示意图 b 磨床换向阀 先导阀的位移测量示意图 c 金属试件的热膨胀系数测量示意图 位移测量 a 汽轮机和空气压缩机常用的监控主轴的径向振动的示意图 b 测量发动机涡轮叶片的振幅的示意图 c 通常使用数个传感器探头并排地安置在轴附近 振幅测量 偏心和振动检测 测量弯曲 波动 变形 对桥梁 丝杆等机械结构的振动测量 须使用多个传感器 测量尺寸 公差及零件识别 通过测量间隙来测定热膨胀引起的上下平移 测量注塑机开合模的间隙 间距 位移的标定方法 使用千分尺 逐一对照测量电路的输出电压及数显表读数 列出对照表 存入计算机 从而达到线性化的目的 电涡流位移传感器的距离与输出电压特性曲线 1 量程为10mm2 量程为16mm3 量程为20mm f 频率值 Hz n 旋转体的槽 齿 数 N 被测轴的转速 r min 转速测量 镀层厚度测量 由于存在集肤效应 镀层或箔层越薄 电涡流越小 测量前 可先用电涡流测厚仪对标准厚度的镀层和铜箔作出 厚度 输出 电压的标定曲线 以便测量时对照 电涡流涂层厚度仪 电涡流式通道安全检查门 安检门的内部设置有发射线圈和接收线圈 当有金属物体通过时 交变磁场就会在该金属导体表面产生电涡流 会在接收线圈中感应出电压 计算机根据感应电压的大小 相位来判定金属物体的大小 在安检门的侧面还安装一台 软x光 扫描仪 它对人体 胶卷无害 用软件处理的方法 可合成完整的光学图像 安检门演示 案例 无损探伤 原理裂纹检测 缺陷造成涡流变化 火车轮检测 油管检测 可以用来检查金属的表面裂纹 热处理裂纹以及用于焊接部位的探伤等 综合参数 x 的变化将引起传感器参数的变化 通过测量传感器参数的变化即可达到探伤的目的 在探伤时导体与线圈之间是有着相对运动速度的 在测量线圈上就会产生调制频率信号 涡流探伤 a 比较浅的裂缝信号b 经过幅值甄别后的信号 在探伤时 重要的是缺陷信号和干扰信号比 为了获得需要的频率而采用滤波器 使某一频率的信号通过 而将干扰频率信号衰减 用涡流探伤时的测量信号 滚子涡流探伤机 滚子涡流探伤机是由计算机控制的轴承滚子表面微裂纹探伤的专用设备 可探出深30 m的表面微小裂纹 用掌上型电涡流探伤仪检测飞机裂纹 案例 测厚 案例 零件计数 电感式接近开关 金属 接近开关又称无触点行程开关 它能在一定的距离 几毫米至几十毫米 内检测有无物体靠近 当物体与其接近到设定距离时 就可以发出 动作 信号 接近开关的核心部分是 感辨头 它对正在接近的物体有很高的感辨能力 电涡流接近开关原理框图 电涡流式接近开关俗称电感接近开关 属于一种开关量输出的位置传感器 它由LC高频振荡器和放大处理电路组成 利用金属物体在接近这个能产生交变电磁场的振荡感辨头时 使物体内部产生涡流 这个涡流反作用于接近开关 使接近开关振荡能力衰减 内部电路的参数发生变化 由此识别出有无金属物体接近 进而控制开关的通或断 这种接近开关所能检测的物体必须是导电性能良好的金属物体 第三节电容式传感器 电容器是电子技术的三大类无源元件 电阻 电感和电容 之一 利用电容器的原理 将非电量转换成电容量 进而实现非电量到电量的转化的器件或装置 称为电容式传感器 它实质上是一个具有可变参数的电容器 电容式传感器的特点是 小功率 高阻抗 本身发热影响小 电容器小几十 几百微法 具有高输出阻抗 静电引力小 极板间 工作所需作用力很小 可动质量小 具有高的固有频率动态响应特性好 可进行非接触测量 传统电容式传感器主要用于位移 振动 角度 加速度等机械量精密测量 现逐渐应用于压力 压差 液面 成份含量等方面的测量 各种电容式传感器 1 工作原理 将被测非电量的变化转化为电容量的变化 两平行极板组成的电容器 它的电容量为 当被测量 A或 发生变化时 都会引起电容的变化 如果保持其中的两个参数不变 而仅改变另一个参数 就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化 一 工作原理与类型 2 分类 a 变极距型 a 变极距型 传感器的灵敏度为 常数 极距愈小 灵敏度愈高 由于电容量C与极距 呈非线性关系 故这将引起非线性误差 一般当极距变化 或此时传感器的灵敏度近似为常数 实际应用中 为了提高传感器的灵敏度 增大线性工作范围和克服外界条件 如电源电压 环境温度等 的变化对测量精度的影响 常常采用差动型电容式传感器 b 面积变化型 当动极板有角位移时 电容变化量 灵敏度 常数 常用的有角位移型和线位移型两种 线位移型电容传感器有平面线位移型和圆柱线位移型两种 平面线位移型 灵敏度 常数 当动极板移动后 覆盖面积发生变化 由此产生的电容变化量 圆柱线位移型 当覆盖长度l变化时 电容的变化量 灵敏度 常数 面积变化型电容传感器的优点是输出与输入成线性关系 但与极板变化型电容式传感器相比 灵敏度较低 适用于较大量程范围的角位移和直线位移的测量 变面积电容式传感器由于存在边缘效应 仍然有非线性 变介电常数型电容传感器由于存在边缘效应 仍然有非线性 c 变介电常数型 变面积型 大位移测量 变介电常数型 温度 物位 液位等测量 电容传感器中电容值变化都很微小 电缆分布电容影响大 不能直接显示记录 必须将电容变化转换为电流 电压的变化 二 测量电路 转换电路 电容传感器的等效电路包括 传输线的电感L0 电阻R 小 传感器电容C0 A B两端分布电容Cp 极板等效漏电阻Rg 电容传感器的分布电容电容传感器等效电路 容抗 低频时 大 L R可忽略 高频时 小 L R不可忽略 工作频率10MHz以上要考虑电缆L的影响 原理是 连接电缆采用双层屏蔽内屏蔽与被屏蔽的导线的电位相同 从而消除引线与内屏蔽之间的电容 分布电容 每米可达几百皮法 常常比传感器电容 一般几十个皮法 还大 为克服分布电容影响 常采用双层屏蔽等位传输技术 又叫 驱动电缆技术 为提高电容传感器的稳定性 克服寄生电容耦合 不稳定值 所采取的屏蔽措施 1 电桥电路 由变压器副边 电容组成的交流电桥 电容变化转换为电桥电压输出 经放大 相敏检波 滤波后 再推动显示 记录仪器 2 谐振电路 电容传感器的电容作为谐振回路 L2 C2 CX 调谐电容的一部分 谐振回路通过电感藕合 从稳定的高频振荡器取得振荡电压 当传感器电容发生变化时 使得谐振回路的阻抗发生相应的变化 而这个变化被转换为电压或电流 再经过放大 检波 滤波即可得到相应的输出 为了获得较好的线性关系 一般谐振电路的工作点选在谐振曲线的线性区域内最大振幅70 附近的地方 且工作范围选在BC段内 3 二极管双T型电路 R R RL C2 C1 VD1 VD2 iC1 iC2 UE a 供电电压 幅值为 UE 周期为T 占空比为50 的方波 VD1 VD2 特性相同的二极管C1 C2 差动电容传感器R 固定电阻RL 负载 负载RL上的平均值电压 4 差动脉冲调宽电路利用对传感器电容的充放电使电路输出脉冲的宽度随传感器电容量变化而变化 通过低通滤波器得到对应被测量变化的直流信号 t uA uA uB uB uAB uAB UF UF UG UG Ur Ur Ur Ur U1 U1 T1 U1 U1 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 T2 U1 U1 U1 U1 T1 T2 t t t t t t t t t a b 差动脉冲调宽电路各点电压波形图 U0 UAB经低通滤波后 得到直流电压U0为 设R1 R2 R 则 因此 输出的直流电压与传感器两电容差值成正比 5 运算放大器电路 采用比例运算放大器电路 可以使变极距型电容式传感器输出电压与位移的关系转换为线性关系 三 应用 位移测量压力测量水分检测 粮食 油液位测量加速度测量 与电感传感器相比 可以对非金属材料测量 如涂层 油膜厚度 电介质的湿度 容量 厚度等 可检测塑料 木材 纸张 液体等电介质 C1 C C2 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 产品 电容式液位传感器 液位计 料位计 湿敏电容模块及传感器外形 湿敏电容传感器的安装使用 在野外的使用 带报警器的家庭使用型 电容测位移 液压差传感器 加速度传感器 测厚传感器应用 电容式传感器测钢带厚度 电容式差压变送器 高压侧进气口 低压侧进气口 电子线路位置 内部不锈钢膜片的位置 产品 陶瓷电容压力传感器 液体压力作用在陶瓷膜片的表面 使膜片产生位移 电容式接近开关 电容接近开关的规格 电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示 压电式传感器是一种典型的发电型传感器 以电介质的压电效应为基础 外力作用下在电介质表面产生电荷 从而实现非电量测量 压电式传感器可以对各种动态力 机械冲击和振动进行测量 在声学 医学 力学 导航方面都得到广泛的应用 第四节压电式传感器 当沿着一定方向施加力变形时 内部产生极化现象 同时在它表面会产生符号相反的电荷 当外力去掉后 又重新恢复不带电状态当作用力方向改变后 电荷的极性也随之改变 这种现象称压电效应 一 变换原理 压电式传感器是一种可逆型换能器 机械能电能 它的工作原理是基于某些物质的压电效应 石英晶体的压电效应演示 当力的方向改变时 电荷的极性随之改变 输出电压的频率与动态力的频率相同 当动态力变为静态力时 电荷将由于表面漏电而很快泄漏 消失 压电效应是可逆的在这些材料的极化方向施加电场 它们就在一定方向上产生机械变形或机械应力 当外电场撤去时 这些变形或应力也随之消失 这种现象称为 逆压电