传感器2(电容、电感、热电、压电).ppt

第二章 检测技术与传感器 0 真空的介电常数 0 8 854 10 12F m S 极板的遮盖面积 m2 极板间介质的相对介电系数 在空气中 1 两平行极板间的距离 m 2 3电容传感器 一 电容式传感器的变换原理 极距变化型 面积变化型 介质变化型 第二章 检测技术与传感器 二 极距变化型电容传感器 当极板间距离变化 第二章 检测技术与传感器 灵敏度 线性度 差动电容 第二章 检测技术与传感器 第二章 检测技术与传感器 灵敏度 单个电容传感器 灵敏度提高 非线性分量减小 偶次项消失 三 面积变化型电容传感器 第二章 检测技术与传感器 面积变化型电容传感器的输入 输出关系在理论上是线性的 当覆盖面积对应的中心角为 极板半径为r时 第二章 检测技术与传感器 角位移型 线位移型 宽度为b的动板沿箭头x方向移动时 覆盖面积变化 电容量也随之变化 灵敏度 第二章 检测技术与传感器 x 外圆筒与内圆筒覆盖部分长度 m r2 r1 外圆筒内半径与内圆筒 或内圆柱 外半径 即它们的工作半径 m 灵敏度 面积变化型电容传感器的输出与输入成线性关系 但与极距变化型相比 灵敏度较低 适用于较大角位移及直线位移的测量 第二章 检测技术与传感器 第二章 检测技术与传感器 差动电容 四 介质变化型电容传感器 测量电介质的厚度 图a 位移 图b 液位 C 还可根据极板间介质的介电常数随温度 湿度 容量的改变来测量温度 湿度 容量 图d 等 第二章 检测技术与传感器 五 电容传感器应用 第二章 检测技术与传感器 C1 C2工作极板与带材之间形成两个电容 其总电容为C C1 C2 当金属带材在轧制中厚度发生变化时 将引起电容量的变化 通过检测电路可以反映这个变化 并转换和显示出带材的厚度 第二章 检测技术与传感器 当齿轮转动时 电容量发生周期性变化 通过测量电路转换为脉冲信号 则频率计显示的频率代表转速大小 设齿数为z 频率为f 则转速为 第二章 检测技术与传感器 六 电容传感器等效电路 严格条件下 电容元件的损耗和电感效应不可忽略 RP为并联损耗电阻 代表极板间的泄漏电阻和介质损耗 低频影响较大 RS为引线电阻 极板电阻和电容支架电阻 高频时有影响 L为引线电感和自身电感 等效电容 与引线电感等有关 使用时必须与标定条件相同 电感式传感器是把被测量转化为电感量变化的一种装置 一 可变磁阻式电感传感器 2 电感式传感器 第二章 检测技术与传感器 1 磁路及磁路欧姆定律 工程上把主要有铁磁物质所组成 能使磁力线集中通过的整体成为磁路 设无分支磁路横截面积为A 平均长度为l 磁导率为 磁通量为 线圈匝数为W 线圈电流I 第二章 检测技术与传感器 磁路欧姆定律 对应电路 2 磁阻分析 当线圈中通以电流i时 产生磁通 其大小与电流成正比 即 W为线圈匝数 L为比例系数 也称之为自感 被测量变化 变化 L变化 第二章 检测技术与传感器 灵敏度 为非线性关系 适用于较小位移的测量 一般约为0 001 1mm 为线性关系 第二章 检测技术与传感器 第二章 检测技术与传感器 自感L与面积成线性关系 这种传感器灵敏度较低 第二章 检测技术与传感器 单螺管线圈型 当铁芯在线圈中运动时 将改变磁阻 使线圈自感发生变化 这种传感器结构简单 制造容易 但灵敏度低 适用于较大位移 数毫米 测量 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 被用于电感测微计上 其测量范围为0 300 m 最小分辨力为0 5 m 这种传感器的线圈接于电桥上 构成两个桥臂 线圈电感L1 L2随铁芯位移而变化 第二章 检测技术与传感器 输出特性 二 涡流式电感传感器 1 原理及特性 涡流效应 金属板置于激励线圈产生的交变磁场中 导体内产生感应电流 这种电流呈闭合曲线 称为 涡流 这种现象称为涡流效应 第二章 检测技术与传感器 涡流的大小与金属板的电阻率 磁导率 厚度h 金属板与线圈的距离 激励电流角频率 等参数有关 第二章 检测技术与传感器 2 低频透射式 第二章 检测技术与传感器 发射线圈 1和接收线圈 2分别置于被测金属板材G的上 下方 由于低频磁场集肤效应小 渗透深 当低频 音频范围 电压e1加到线圈 1的两端后 所产生磁力线的一部分透过金属板材G 使线圈 2产生感应电动势e2 由于涡流消耗部分磁场能量 使感应电动势e2减少 当金属板材G越厚时 损耗的能量越大 输出电动势e2越小 因此 e2的大小与G的厚度及材料的性质有关 试验表明 e2随材料厚度h的增加按负指数规律减少 因此 若金属板材料的性质一定 则利用e2的变化即可测量其厚度 第二章 检测技术与传感器 2 涡流传感器的应用 第二章 检测技术与传感器 转速测量 穿透式测厚 第二章 检测技术与传感器 表面裂纹测量 零件计数器 第二章 检测技术与传感器 径向振动测量 轴心轨迹测量 三 差动变压器式电感传感器 1 原理及特性 差动变压器式电感传感器是常用的互感型传感器 其结构形式有多种 以螺管形应用较为普遍 线圈包括一个初级线圈和两个反接的次级线圈 当初级线圈输入交流激励电压时 次级线圈将产生感压电动势e1和e2 由于两个次级线圈极性反接 因此 传感器的输出电压为两者之差 即ey e1 e2 互感型电感传感器是利用互感M的变化来反映被测量的变化 这种传感器实质上是一个输出电压可变的变压器 当变压器初级线圈输入稳定交流电压后 次级线圈便产生感应电压输出 该电压随被测量的变化而变化 第二章 检测技术与传感器 衔铁居中M1 M2ey e1 e2 0 衔铁偏移M1 M2ey e1 e2 0 第二章 检测技术与传感器 第二章 检测技术与传感器 2 差动变压器的测量电路 图示为用于小位移的差动相敏检波电路的工作原理 当没有信号输入时 铁芯处于中间位置 调节电阻R 使零点残余电压减小 当有信号输入时 铁芯移上或移下 其输出电压经交流放大 相敏检波 滤波后得到直流输出 由表头指示输入位移量的大小和方向 第二章 检测技术与传感器 2 热电式传感器 一 热电偶及热电效应 两种不同材料的导体连接成闭合回路 当两个接触点温度T和T0不相同时 回路中就会产生热电势 这种把热能转换成电能的现象称为热电效应 这两种材料的组合称为热电偶 第二章 检测技术与传感器 热电势 接触电势 温差电势 两种导体接触的时候 由于导体内的自由电子密度不同 如果NA NB 电子密度大的导体A中的电子就向电子密度小的导体B扩散 从而由于导体A失去了电子而具有正电位 导体B由于接收到了扩散来的电子而具有负电位 这样在扩散达到动态平衡时A B之间就形成了一个电位差 这个电位差称为接触电势 K为玻耳兹曼常数 e为电子电荷量 NA T NB T 为A B两种材料在温度T时的自由电子密度 第二章 检测技术与传感器 对单一导体 如果两端的温度不同 则两端的自由电子就具有不同的动能 温度高则动能大 动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散 失去了电子的这一端就处于正电位 而低温端由于得到电子处于负电位 这样两端就形成了电位差 称为温差电势 为汤姆逊系数 与材料性质及两端温度有关 第二章 检测技术与传感器 温度相同无热电势产生 材料相同无热电势产生 第二章 检测技术与传感器 1 均质导体定律由均质材料构成的热电偶 热电动势的大小只与材料及结点温度有关 与热电偶的大小尺寸 形状及沿电极温度分布无关 如材料不均匀 由于温度梯度的存在 将会有附加电动势产生 二 热电偶基本定律 第二章 检测技术与传感器 2 中间导体定律 将A B构成的热电偶的T0端断开 接入第三种导体C 只要保持第三导体两端温度相同 接入导体C后对回路总电势无影响 第二章 检测技术与传感器 3 中间温度定律 热电偶在接点温度为T T0时的热电动势 等于该热电偶在接点温度为T Tc和Tc T0时热电动势的代数和 即 两端点在任意温度时的热电势为 热电偶回路电势与两端温度有关 测量T端温度时 T0端温度要保持恒定或进行补偿 第二章 检测技术与传感器 三 热电偶误差 四 晶体管温度传感器 1 分度误差非线性 2 冷端温度误差冷端温度为零 3 测量线路及仪表误差与传感器配套 4 干扰和漏电误差附加电势 利用晶体管PN结的伏安特性与温度有关可以构成温度检测元件 第二章 检测技术与传感器 2 压电式传感器 具有压电效应的物质 物体 称为压电材料 或称为压电元件 常见的压电材料可分为两类 压电单晶体和多晶体压电陶瓷 第二章 检测技术与传感器 截取石英晶片 若对其施力 则有几种不同的效应 纵向压电效应 沿电轴 x铀 方向施加作用力 横向压电效应 沿机械轴 y轴 方向施加作用力 在光轴 z轴 方向的作用力不产生压电效应 沿相对两棱加力时 则产生切向效应 压电式传感器主要是利用纵向压电效应 第二章 检测技术与传感器 纵向压电效应 沿电轴施加作用力 在与电轴垂直平面产生电荷 压电系数 与变形方向有关 第二章 检测技术与传感器 横向压电效应 沿机械轴施加作用力 仍在与电轴垂直平面产生电荷 极性相反 a为压电晶片长度 b为压电晶片厚度 第二章 检测技术与传感器 在压电晶片的两个工作面上进行金属蒸镀 形成金属膜 构成两个电极 二 压电式传感器及其等效电路 当压电晶片受到压力作用时 在两个极板上积聚数量相等极性相反的电荷 形成电场 因此 压电传感器可以看作是一个电荷发生器 也可以看成是一个电容器 等效电路 电荷源 电容器 并联时 传感器的电容量大 输出电荷量大 时间常数大 故这种传感器适用于测量缓变信号及电荷量输出情号 串联时 传感器本身的电容量小 响应较快 输出电压大 故这种传感器适用于测量以电压作输出的信号和频率较高的信号 元件的串并联 第二章 检测技术与传感器 第二章 检测技