A-2013工程测试与信号处理技术02-常用传感器原理.ppt

22 04 2013 第二章工程常用传感技术 1 第二章工程常用传感技术 2 1概述 能感受或响应规定得被测量并按照一定规律转换成可用信号输出的器件或装置 称为 传感器 被测量 应变 位移 速度 加速度 温度 压力 流量 噪声等等 有用信号 电压 电流 开关量等等 2 2应变式电阻传感器 2 2 1金属电阻应变片的传感原理 原理 应变效应 应变 材料的相对线变形量 单位 1微应变 me 1 106 取自然对数 两边微分得到 小变形情况下 近似有 2 1 22 04 2013 第二章工程常用传感技术 2 假设电阻丝的线变形量 即 沿电阻丝方向的应变量为 电阻丝被拉长的同时 直径会按一定比例缩小 式中m称为 柏松比 康铜的柏松比约为0 35 于是 电阻丝长度被拉延后 横截面积改变量 金属丝拉延后其电阻率变化率为 将以上结果代入 2 1 式子 得到电阻变化率 即 电阻的变化率正比大大于线变形量 即 应变量 常用应变片的灵敏系数K 2 通常由厂家通过实验确定 注明在产品说明书中 2 01 其中 系数C因材料而异 22 04 2013 第二章工程常用传感技术 3 2 2 2金属电阻应变片的结构及参数 桥式测量电路 栅区伸缩引起桥臂阻值变化 得到正比变化的输出电压v 应变片结构 基底 电阻丝 覆盖层 焊盘和引线 厚度0 05毫米左右 应变片基本参数 灵敏系数 一般2左右 标称阻值 常用有120W 350W 1000W 通常偏差为 0 2W 栅距 机械0 5 10mm 土木10 100mm 供桥电压 常用1 10V直流 22 04 2013 第二章工程常用传感技术 4 应变片粘贴工艺 引线和保护 在应变片附近粘贴接线端子板桥接导线 若无条件则应设法固定导线以避免拉断应变片引线 涂抹凡士林 润滑脂或覆盖一层石蜡防潮 电阻值检查和分组 用万用表测量 阻值应该在标称阻值及给定误差范围内 用于组成一个电桥不同桥臂的各个应变片的阻值应该尽量选配一致 被测物体表面处理 首先清理待测区域表面的油漆 锈斑 氧化层 油污 灰尘等 清理干净后用沙纸打磨平整 再用丙酮或无水酒精擦拭干净 标记定位线 用钢针在测点处画十字定位线 交叉点为应变片栅区中心 粘合剂选用 短期测试 数月范围内 可用502胶水及其改性产品 长期测试则应采用厂家提供的专用胶水 并采用指定的粘贴固化工艺流程 所用粘合剂固化后应该有足够硬度 不能用凝固后呈显弹性状态的粘合剂 粘贴应变片 在粘贴区上涂抹适量粘合剂 将应变片放置在胶液上轻轻移动 使粘贴面沾满粘合剂 用拇指隔着一层塑料薄膜滚压应变片 把应变片与粘贴表面之间的胶液尽量挤压出来 只剩一层均匀而稀薄的粘合剂 检查 待粘合剂充分固化后 组成电桥并连接仪器 用橡皮擦子挤压应变片 不应有明显应变值 尤其不能出现明显信号跳变 否则 粘贴失败 22 04 2013 第二章工程常用传感技术 5 2 2 3测量电路及应变值与信号电压之间的换算关系 电桥的输出信号 时 电桥输出电压 当 应变片灵敏系数 电阻变化率与长度变化率之比 工作方式 1 4桥 单臂 被测应变只引起一个应变电阻的阻值发生变化 1 2桥 被测应变同时引起测量电桥中两个应变电阻的阻值发生变化 全桥 被测应变同时引起测量电桥中全部四个应变电阻的阻值发生变化 电桥平衡条件 22 04 2013 第二章工程常用传感技术 6 1 1 4桥 即 单臂工作的桥路输出电压 假设 即1 4桥工作方式下 桥路输出电压与被测应变之间关系 2 03 2 02 应变引起的电阻变化量远小于应变片的标称电阻 组桥用的4个应变片的阻值非常接近 组桥时要匹配应变片的电阻 使四个电阻值尽可能接近 被测应变越大 误差越大 同样被测应变的情况下 供桥电压越高 灵敏度越高 应变片的灵敏系数越大 灵敏度越高 应变片的标称阻值大小 不影响测量灵敏度 22 04 2013 第二章工程常用传感技术 7 1 2桥 即 半桥工作 情况1 得到 2 05 假设 2 04 其中 12 10 23 第二章工程常用传感技术 8 其中 情况2 同样得到 12 10 23 第二章工程常用传感技术 9 全桥工作 其中 略去平方项 2 06 最后得到 2 07 12 10 23 第二章工程常用传感技术 10 应变电桥的一般工作方式 初始状态 即 平衡状态 任意一个桥臂 应变引起的电阻变化为 对应于应变片承受拉应变 电阻变大 对应于应变片承受压应变 电阻变小 电桥输出电压与应变之间关系可统一表示为 相邻相减 相对相加 关系 2 08 例如 弯曲应变测试 得到 电桥输出为 例如 四个桥臂贴在同一处 温度引起的电阻变化相同 于是 电桥输出为 12 10 23 第二章工程常用传感技术 11 2 2 4电桥的预调平衡以及温度补偿方法 W 电位器 可选100 500K Rt 20 50K 1 预调平衡阻值选择 2 温度对测量过程和测量结果的影响 电桥的温度漂移 温度变化会引起桥臂电阻值改变 当四个桥臂受到的温度影响不同时其电阻值的改变量也不同 由此形成的虚假输出称为温度漂移 信号调理电路的热稳定性 温度引起供桥电压变化或放大电路增益改变而造成的测量结果偏离实际值 应变片温度效应之一 应变片电阻丝的电阻率随温度变化而改变 应变片温度效应之二 应变片热膨胀系数与被测材料不同 应变片不能随着被测对象同步膨胀或收缩而被拉伸或压缩 引起应变片的阻值发生改变 解决温度影响的常用措施 适当选择应变片和组桥方式 使得相邻桥臂的温度影响相同 12 10 23 第二章工程常用传感技术 12 热应变 温度变化引起被测对象热涨冷缩而形成的应变 例如 空调管路应变测量 该测量是管道沿其轴向的应变量 为了消除温度影响 做一块与管道材料相同的温度补偿块 涂抹导热硅脂附着在被测管道上 将不工作桥臂粘贴在温度补偿块上 于是 四个桥臂受到的温度影响相同 温度变化不会改变电桥输出 应变片的温度效应与热应变的区别 二者均是温度引起的桥臂电阻值改变 但前者直接取决于温度变化量 而后者取决于温度引起的应变量 例如 温度升高后铸铁套受铜材圆柱膨胀作用的径向增加量 铜线膨胀系数17ppm K 铸铁11 2ppm K 测量方法 用一个材质和结构完全相同的铸铁套作为补偿件 将待测件和补偿件置于同温环境下 改变温度 进行测量应变 12 10 23 第二章工程常用传感技术 13 例如 梁式称重传感器 截面1 2处的应变值e1和e2正比于待测重力F及其作用距离 桥臂R1的电阻增加值和桥臂R2的电阻减小值取决于应变值e1 桥臂R4的电阻增加值和桥臂R3的电阻减小值取决于应变值e2 代入公式 2 8 于是 图示结构和组桥方法 信号电压v正比于作用力F 而与力的作用位置无关 其中 系数kc只取决于梁的结构尺寸有关 可以根据材料力学进行适当设计 然后 可通过试验进行精确 标定 得到 C是由梁的材料及尺寸决定的常数 12 10 23 第二章工程常用传感技术 14 2 2 5应变测量信号调理电路的基本原理 供桥电压 或电流 设定 恒流 I 供桥 则实际供桥电压为 电流供桥的优点 桥压不受导线电阻的影响 量程范围E 输出电压范围U给定时 5V或 10V 实测应变e与输出电压Vo之间的比例关系为 灵敏系数K 假定 系统的放大倍数为A则 A Q V K E U 工作方式Q 全桥 半桥 1 4桥 于是 直流放大器的增益应为 12 10 23 第二章工程常用传感技术 15 2 3压电式传感器参考书 p81 85 2 3 1压电效应简介 变形量正比于作用力 电荷量正比于变形量 电压 正比于电荷量 C为压电材料的电容量 取决于材料特性和结构尺寸的常数 构成回路后 随着电流从 极流向 极 电压也将随之下降 最终趋于0 当电荷放大器输入阻抗非常高 被测信号波动很快的时候 可以近似认为电压v t 受电流流失的影响忽略不计 电压v t 正比于被测作用力F t 由此可见 这种传感器只能检测动态信号 12 10 23 第二章工程常用传感技术 16 2 3 2压电式传感器 1 压电式力传感器 用于动态力的测试 其输出信号需要经过电荷放大器放大后以电压输出 即 信号调理电路为电荷放大器 2 压电式压力 压强 传感器 工业上所谓 压力 指的是 压强 其原理和力传感器基本相同只是结构上有所区别 同样只能用于动态压力的测试 且 调理电路也是电荷放大器 3 压电式加速度传感器 安装在被测对象上后 当底座随着被测对象上下运动时 质量块以相应的惯性力作用于压电晶体上 从而形成与惯性力成比例的电荷输出 再经电荷放大器放大并转换后 成为正比于加速度的电压信号 压电式加速度传感器不能测量恒定不变的加速度 可测的频率下限是加速度计的一个重要参数 12 10 23 第二章工程常用传感技术 17 4 IEPE加速度传感器 加速度的单位 量程 可测的加速度范围 例如 20g 196 2m s2 激励电流 常用2mA或4mA 由厂家给出 灵敏度 例如 500mV g 即 在额定激励电流下 每一g加速度输出0 5V电压 通常满量程输出为 5V 所以 由灵敏度也可以推知量程范围 反之亦然 分辨率 传感器可感知的最小加速度值 如 0 04mg 0 3924mm s2 12 10 23 第二章工程常用传感技术 18 2 4 1自感式传感器原理 2 4电感式传感器参考书 p69 72 线圈的自感量为 N为线圈匝数 Rm为磁路的磁阻 对于图示结构的磁阻为 磁阻 可与电路中的电阻类比 将磁场强度 线圈中电流与匝数乘积 比作电压 磁回路中的磁感应强度比作电流 那么 磁路对磁力线的传导能力即可用 磁阻 表示 磁力线经过一段等截面 柱型导体时所受到的磁阻与路径长度成正比 与材料的导磁率和截面积成反比 线圈的自感量为 相对于气隙来说铁芯的磁阻可以忽略不计 于是 气隙d与电感L成反比 因此 可以通过检测电感变化间接测得距离d 2 09 12 10 23 第二章工程常用传感技术 19 差动式位移传感器1 两个完全对称的差动线圈和完全对称的耦合线圈构成一个电感电桥 当衔铁处在对称位置时 电感L1 L2 于是 流过电阻R上的电流DI 0 输出电压Uout 0 两次级线圈上的感应电压Uin完全相等 当衔铁偏离对称位置时 电感发生变化L1 DL L2 DL 于是 DI 0 输出电压 Uout 0且与位移成正比 差动式位移传感器2 两个完全对称的差动线圈和两个完全对称的电阻构成电桥 采用交流电源U供桥 当衔铁处在对称位置时 电感L1 L2 阻抗Z1 Z2 电桥平衡 输出电压Uout 0 当衔铁偏离对称位置时 电感发生变化L1 DL L2 DL 阻抗Z1 Z2 输出电压 Uout 0且与位移成正比 电感式位移传感器 量程200毫米时分辨率可达1mm 是一种量程相对较大 分辨率较高的位移传感器 缺点是属于接触式传感器 不能检测高速运动轴面 12 10 23 第二章工程常用传感技术 20 两个完全对称的次级线圈同名端相对连接 次级输出电压为 衔铁处在对称位置时 两次级线圈上的感应电压幅度相同 相位相反 输出为0 通常会有一些偏置 图中电压E0 当衔铁偏离对称位置时 两次级线圈上的感应电压幅度发生变化 相位仍然相反 输出信号的有效值 且正比于位移d 2 4 2差动变压器式 互感式 位移传感器 2 4 3电感式位移传感器信号调理电路原理 交流激励电压U 电压放大 相位鉴波输出 kc 系统标定系数 毫米 伏 12 10 23 第二章工程常用传感技术 21 2 4 4电涡流式位移传感器及其信号调理电路原理 等效电路 被测金属表面的涡流效应等效为一个互感线圈 其磁场抵消原线圈所产生的磁场 减弱原线圈的自感L1 涡流效应 由于存在互感M 激励电压U及其频率w给定后 线圈与被测表面之间距离d变化将而引起线圈阻抗Z1变化 变化量很小时d与Z1之间近似为线性关系 测量电路 初始位置时 调整补偿电阻Rt 使电桥平衡 距离d变化时引起线圈阻抗Z1变化 从而引起电桥输出改变 放大后得到信号电压Vout d的变化范围很小时 Vout与d成正比 特点 非接触 高分辨 高速 小量程 如 真尚有0 5SU 分辨率0 1微米 量程 0 5毫米 输出电压 5V 12 10 23 第二章工程常用传感技术 22 2 5热电式传感器参考书 p103 112 热电偶和热敏电阻等温度传感器 2 5 1热电偶温度传感器 接触电势 温差电势 热电偶回路电势 以其中一个端点 例如右侧端点的温度作为参考点 例如 将右侧端点置于冰水混合液中 即 恒有T2 273 16K 于是 回路电势就只是另一端点温度T1的函数 信号形式 与热电偶的材料有关 如铂铑热电偶的热电势约为10 575mV C 具体可查 分度表 调理电路 工程上称为 温度变送器 输出为 5V 10V 电压或4 20mA电流形式 12 10 23 第二章工程常用传感技术 23 常用热电偶 1990年国际温标 规定了8种热电偶 热电极 O 氧化气氛 N 为中性气氛 R 为还原气氛 V 为真空 12 10 23 第二章工程常用传感技术 24 热电偶的冷端补偿 0 C恒温法 将冷端置于冰点槽中 槽内为冰水混合物 准确度高 但工艺麻烦 通常用于实验室环境 或 用于温度传感器标定 修正法 冷端置于某已知温度T0环境中 则 实测温度的热电势为 EAB T T0 冷端置于参考温度T0环境下实测得到的热电势 EAB T0 0 参考温度T0相对于0 C的热电势 可预先实测或查表得到 电桥补偿法 利用一不平衡电桥产生的电势补偿冷端温度引起的电势 12 10 23 第二章工程常用传感技术 25 有源电路补偿 将冷端置于0 C环境时 冷端接触电势等价于一个电动势固定的微电池 因此 可以用一个电路形成一个与冷端电动势相同的电压源模拟冷端特性 AD592与负载电阻构成精密电压源 为热电偶提供参考电压 2 5 2热敏电阻温度传感器 金属丝热电阻 利用金属材料的电阻温度特性 即 金属材料电阻率随温度变化而改变的特性 T 待测温度 R0 0 C时的电阻值 a 材料的温度系数 正温度系数的材料a 0 铂热电阻 线性稍差 但稳定性很好 应用非常广泛 12 10 23 第二章工程常用传感技术 26 常用型号 Pt100 Pt10等 其0 C的电阻值分别100W和10W Pt100常用测量范围在 200 C 600 C之间 Pt10用于600 C以上的高温环境 参数W100 铂热电阻100 C时阻值与0 C时阻值之比 一般要求 精度指标 国产 A级 误差 0 25 B级 误差 0 5 日本 A级 0 06 B级 0 12 C级 0 24 D级 0 6 热电阻信号调理电路 两线制 三线制电桥电路 导线电阻自补偿 12 10 23 第二章工程常用传感技术 27 热敏电阻 分为正温度系数热敏电阻 PTC 和负温度系数热敏电阻 NTC 由半导体材料制成 温度系数很大 因此 灵敏度和分辨率高 指数函数拟合 T 待测温度 T0 参考温度 R0 参考温度时的电阻值 R 待测温度下的电阻值 B 热敏电阻的材料常数 由实验测得 通常在2000K 6000K之间 热敏电阻的温度系数 电阻的相对变化率 线性化 模拟电路补偿 数字化补偿 温度测试用于温度控制时 可以借助作为系统核心的计算机 以数学模型为依据进行补偿 12 10 23 第二章工程常用传感技术 28 2 6 1光敏电阻 2 6光电式传感器参考书 p85 103 光敏电阻 硫化镉半导体 电阻随光照强度而减小 电导增加 不同光敏材料 敏感的波长范围不同 可实现选择性敏感 硫酸铅的中心波长为2 3mm 红外波段 调理电路实例 光控开关电路 光电编码器 12 10 23 第二章工程常用传感技术 29 2 6 2光敏晶体管 光敏二极管 截止状态下 没有光照时反向电流很小 称为 暗电流 随着光照增加反向电流急剧增加形成 光电流 光电流与照度成正比 光敏三极管 由两个PN结组成 但基极没有引出线 其 光电流 比只有一个PN结的光敏二极管大b倍 特点 体积小 灵敏度高 但一致性和稳定性差 2 6 3光电位置传感器 PSD PositionSensitiveDetector 一维PSD工作特点 入射光点的位置决定了两输出极的电流比例 12 10 23 第二章工程常用传感技术 30 2 6 4光纤光栅应变传感器简介 Bragg光栅 反射某一频率的入射光 反射光的波长取决于光栅的栅距d 光栅应变传感器 应变引起光栅栅距改变 检测发射光波长可得到应变值大小 特点1 没有电磁干扰 环境耐受能力强 稳定性好刻长期使用 特点2 多路复用 同步检测 单条光纤上刻蚀多个光栅 连续 同步 快速采集应变信号 多路复用 在同一条光纤上刻蚀多个光栅 每个光栅的栅距不同 无应变