3计算机测控系统_常用传感器介绍

计算机测控系统 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室 吴义鹏yipeng wu 常用传感器及信号调理电路 主要内容 机械结构力学及控制国家重点实验室 2 4 常用传感器及信号调理电路4 1测控系统传感器的地位与作用4 2几种常见的传感器介绍4 3几种常见的信号调理电路介绍 机械结构力学及控制国家重点实验室 3 4 1测控系统传感器的地位与作用 计算机测控时代 被测控参数 A D 传感器 调理电路 D A 执行器 调理电路 计算机 机械结构力学及控制国家重点实验室 4 4 1测控系统传感器的地位与作用 传感器的定义 传感器 Transducer Sensor 是能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可输出信号的器件或装置 目前 传感器转换后的信号大多为电信号 因而从狭义上讲 传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置 机械结构力学及控制国家重点实验室 5 4 1测控系统传感器的地位与作用 传感器的定义 现代信息技术的基础有三个主要方面 信息采集 传感器技术 信息传输 通信技术 信息处理 计算机技术 包括软件和硬件 机械结构力学及控制国家重点实验室 6 4 1测控系统传感器的地位与作用 传感器的构成 传感器由敏感器件 转换元件和基本转换电路组成 敏感器件的作用是感受被测物理量 并对信号进行转换输出 转换元件和基本转换电路则是对敏感器件输出的电信号进行放大 阻抗匹配 以便于后续仪表接入 被测信息 敏感元件 转换元件 辅助电源 基本转换电路 输出信息 机械结构力学及控制国家重点实验室 7 4 1测控系统传感器的地位与作用 传感器的分类 1 按被测物理量或生化量分类 机械量 长度 厚度 位移 速度 加速度 旋转角 转数 质量 重量 力 压力 真空度 力矩 风速 流速 流量 声 声压 噪声 磁 磁通 磁场 温度 温度 热量 比热 光 亮度 色彩 机械结构力学及控制国家重点实验室 8 4 1测控系统传感器的地位与作用 传感器的分类 2 按被测量分类 位移传感器 力传感器 滑觉传感器 压力传感器 流量传感器 温度传感器等 机械结构力学及控制国家重点实验室 9 4 1测控系统传感器的地位与作用 传感器的分类 3 按信号变换特征分类 能量转换型和能量控制型 能量转换型 直接由被测对象输入转换为电能例如 热电偶温度计 压电式加速度计能量控制型 从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化 例如 电阻应变片 机械结构力学及控制国家重点实验室 10 4 1测控系统传感器的地位与作用 传感器的分类 3 按工作原理分类 电阻应变式传感器 电容传感器 磁电式传感器 光电式传感器 光纤式传感器等 机械结构力学及控制国家重点实验室 11 4 1测控系统传感器的地位与作用 传感器的选用 根据灵敏度 线性度 重复性 稳定性 精确度 动态特性 环境参数等指标选用 主要内容 机械结构力学及控制国家重点实验室 12 4 常用传感器及信号调理电路4 1测控系统传感器的地位与作用4 2几种常见的传感器介绍4 3几种常见的信号调理电路介绍 机械结构力学及控制国家重点实验室 13 4 2几种常见的传感器介绍 1 电阻式传感器 把被测量转换为电阻变化的一种传感器 是能量控制型传感器 金属应变片的电阻为 上述任何一个参数变换均会引起电阻变化 机械结构力学及控制国家重点实验室 14 4 2几种常见的传感器介绍 1 电阻式传感器 上述任何一个参数变换均会引起电阻变化 金属丝横截面 机械结构力学及控制国家重点实验室 15 4 2几种常见的传感器介绍 1 电阻式传感器 金属丝体积不变 灵敏系数 机械结构力学及控制国家重点实验室 16 4 2几种常见的传感器介绍 1 电阻式传感器 对于金属材料 导电率不变 机械结构力学及控制国家重点实验室 17 4 2几种常见的传感器介绍 1 电阻式传感器 电阻应变式传感器 机械结构力学及控制国家重点实验室 18 4 2几种常见的传感器介绍 1 电阻式传感器 电阻应变式传感器 机械结构力学及控制国家重点实验室 19 4 2几种常见的传感器介绍 1 电阻式传感器 优点 应变片的尺寸小 重量轻 因而具有良好的动态特性 而且应变片粘贴在试件上对其工作状态和应力分布没有影响 适用于静态测量和动态测量 测量应变的灵敏度和精确度高 可测1 2微应变 误差小于1 测量范围大 既可测量弹性变形 也可测量塑性变形 变形范围从1 20 能适应各种环境 可在高 低 温 超低压 高压 水下 强磁场以及辐射和化学腐蚀等恶劣环境下使用 机械结构力学及控制国家重点实验室 20 4 2几种常见的传感器介绍 1 电阻式传感器 变阻式传感器 机械结构力学及控制国家重点实验室 21 4 2几种常见的传感器介绍 1 电阻式传感器 变阻式传感器 x L 机械结构力学及控制国家重点实验室 22 4 2几种常见的传感器介绍 1 电阻式传感器 变阻式传感器 机械结构力学及控制国家重点实验室 23 4 2几种常见的传感器介绍 1 电阻式传感器 变阻式传感器 若测量时仪器带有负载 则被测电压与位移变化的物理量关系如何 机械结构力学及控制国家重点实验室 24 4 2几种常见的传感器介绍 1 电阻式传感器 变阻式传感器 机械结构力学及控制国家重点实验室 25 4 2几种常见的传感器介绍 2 电感式传感器 它是利用电磁感应原理 通过线圈子感和互感的变化 实现非电量电测 用途及特点 常用来测量位移 振动 压力 应变 流量 比重等物理量参数 优点 具有结构简单 工作可靠 寿命长 使用范围广缺点 存在交流零位信号 不适宜高频动态测量 分类 按工作原理分为自感式 互感式和电涡流式三种 机械结构力学及控制国家重点实验室 26 4 2几种常见的传感器介绍 2 电感式传感器 自感式 自感式电感传感器是一种改变自感系数的传感器 它由线圈 铁芯及衔铁组成 在铁芯和衔铁之间有空气隙 机械结构力学及控制国家重点实验室 27 4 2几种常见的传感器介绍 2 电感式传感器 自感式 根据电磁感应定律 当线圈中通以电流i时 产生磁通 其大小与电流成正比 即 根据磁路欧姆定律 磁通为 磁路总磁阻为 机械结构力学及控制国家重点实验室 28 4 2几种常见的传感器介绍 3 电涡流式传感器 金属板与线圈之间间距为 线圈通入交变电流i 便产生交变磁通量 根据电磁感应原理 金属板切割磁力线 产生电场 由于金属板等效为闭合回路 交变磁场中会产生感应电流i1 称之为 涡电流 或 涡流 涡流的大小与金属板的电阻率 磁导率 厚度 金属板与线圈的距离 激励电流角频率等参数有关 若改变其中某一参数 而固定其他参数不变 就可根据涡流的变化测量该参数 机械结构力学及控制国家重点实验室 29 4 2几种常见的传感器介绍 3 电涡流式传感器 原线圈的等效阻抗Z变化 机械结构力学及控制国家重点实验室 30 4 2几种常见的传感器介绍 3 电涡流式传感器 若采用高频 lMHz 激励电流 产生的高频磁场作用于金属板的表面 由于集肤效应 在金属板表面将形成涡电流 高频反射式涡流传感器多用于位移测量 若采用低频激励电流 集肤效应小 渗透深 可用于检测金属板材的厚度 机械结构力学及控制国家重点实验室 31 4 2几种常见的传感器介绍 3 电涡流式传感器 测量汽轮机主轴的轴向位移 液压先导阀的位移和金属试件的热膨胀系数等 测量位移范围可以从0 1mm到0 22mm 分辨率为0 1 m 电涡流式传感器可以对各种振动的振幅频谱分布进行无接触地测量 可以进行金属元件合格检验 通过测量元件的厚度 金属元件计数 轴的位移和径向 轴向振动的测量 磨床的精密定位等 机械结构力学及控制国家重点实验室 32 4 2几种常见的传感器介绍 4 电容式传感器 以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理 在忽略边缘效应的情况下 平板电容器的电容量为 根据电容器参数变化的特性 电容式传感器可分为 极距变化型 面积变化型和介质变化型三种 机械结构力学及控制国家重点实验室 33 4 2几种常见的传感器介绍 4 电容式传感器 介质变化型 被测介质插入的深度不同 等效介质不一样 机械结构力学及控制国家重点实验室 34 4 2几种常见的传感器介绍 5 压电式传感器 压电效应 某些物质如石英 铁酸钡等 当受到外力作用时 不仅几何尺寸会发生变化 而且内部也会被极化 表面上也会产生电荷 当外力去掉时又重新回到原来的状态 这种现象称之为压电效应 逆压电效应 如果将这些物质置于电场中 其几何尺寸也会发生变化 这种由外电场作用导致物质产生机械变形的现象 称之为逆压电效应 压电材料 具有压电效应的物质称为压电材料 机械结构力学及控制国家重点实验室 35 4 2几种常见的传感器介绍 5 压电式传感器 dij为压电常数 机械结构力学及控制国家重点实验室 36 4 2几种常见的传感器介绍 5 压电式传感器 将测振仪直接固定在被测振动物体的测点上 当传感器外壳随被测振动物体运动时 由弹性支承的惯性质量块m将与外壳发生相对运动 惯性式测振传感器是由与传感器壳体之间用弹簧和阻尼器联系着的惯性质量块组成的单自由度振荡系统 机械结构力学及控制国家重点实验室 37 4 2几种常见的传感器介绍 5 压电式传感器 壳体相对于惯性块的振动与被测振动之间的关系可由振动理论推出 y表示质量块的绝对位移 x表示被测物体的绝对位移 z表示质量块相对于被测物体的位移 则有z y x 机械结构力学及控制国家重点实验室 38 4 2几种常见的传感器介绍 5 压电式传感器 若被测物体的振动为谐振动 则有 根据二阶系统响应特性得到传感器输出位移量应为 机械结构力学及控制国家重点实验室 39 4 2几种常见的传感器介绍 5 压电式传感器 因此有 机械结构力学及控制国家重点实验室 40 4 2几种常见的传感器介绍 5 压电式传感器 由上式可以得到传感器的输出z与被测振动x以及传感器参数之间的关系 z与x的波形完全一致 而灵敏度和相位差是传感器参数与被测振动频率之比的函数 上两式统称为传感器的频率特性 由传感器的输出z和 可以求出振动的位移x和频率 机械结构力学及控制国家重点实验室 41 4 2几种常见的传感器介绍 5 压电式传感器 幅频特性 相频特性 机械结构力学及控制国家重点实验室 42 4 2几种常见的传感器介绍 5 压电式传感器 1 一般取 n 3 5 即传感器惯性系统的固有频率远低于被测振动的下限频率 2 若选择适当阻尼 可以抑制 n 1处的共振峰 使幅频特性平坦部分扩展 从而扩大下限频率 增大阻尼 能迅速衰减固有振动 对测量冲击和瞬态过程较为重要 但是不适当的选择阻尼会使相频特性恶化 引起波形失真 当 0 6 0 7时 相频曲线 n 1附近接近直线 称为最佳阻尼 3 振幅计的上限频率理论上是无限的 但是实际应用中则要受到具体一起结构和元器件的限制 因此上限不能太高 下限频率则受到弹性元件的强度和惯性快尺寸 质量的限制 使 n不能过小 作业 机械结构力学及控制国家重点实验室 43 1 从狭义上讲 传感器是把外界输入的 信号转换成 信号的装置 2 按被测量分 传感器可以分为哪几类 3 按工作原理分 传感器可以分为哪几类 4 传感器一般有哪些重要的指标 5 电阻应变片的变形测量范围是多少 是否可以测金属材料的塑形变形 6 请推导直线位移变阻式传感器的输出电压与位移变化的关系式 若测量设备的输入阻抗为Rm 请推导此时位移与输出电压的关系式 作业 机械结构力学及控制国家重点实验室 44 7 电感式传感器按工作原理可以分为哪几种 8 一般采用高频电涡流传感器可以测量金属板材的厚度 9 电容式传感器可以分为哪几种 一般测角位移物理量的电容式传感器选用哪一种 测液体深度的电容式传感器选用哪一种 10 压电式传感器采用的是压电材料的逆压电效应 11 压电式加速度传感器一般工作频率是其谐振频率的多少倍 主要内容 机械结构力学及控制国家重点实验室 45 4 常用传感器及信号调理电路4 1测控系统传感器的地位与作用4 2几种常见的传感器介绍4 3几种常见的信号调理电路介绍 机械结构力学及控制国家重点实验室 46 4 3几种常见的信号调理电路介绍 电阻应变式传感器测量电路与温度补偿 下图是直流电桥电路 电桥的一个对角线接入电源电压Ui 另一个对角线为输出电压Uo 为了使电桥在测量前的输出为零 应该选择四个桥臂电阻使R1R3 R2R4直流电桥的平衡条件当每个桥臂电阻变化值 Ri Ri 电桥负载电阻为无限大时 电桥电压可近似用下式表示 直流电桥 R1 R2 R4 R3 U0 Ui 机械结构力学及控制国家重点实验室 47 4 3几种常见的信号调理电路介绍 电阻应变式传感器测量电路与温度补偿 通常采用的是全等臂形式工作 即初始电阻均相等 机械结构力学及控制国家重点实验室 48 4 3几种常见的信号调理电路介绍 电阻应变式传感器测量电路与温度补偿 1 单臂电桥 即R1为应变片 其余各臂为固定电阻 机械结构力学及控制国家重点实验室 49 4 3几种常见的信号调理电路介绍 电阻应变式传感器测量电路与温度补偿 2 双臂电桥 相邻臂 即R1 R2为应变片 其余各臂为固定电阻 机械结构力学及控制国家重点实验室 50 4 3几种常见的信号调理电路介绍 电阻应变式传感器测量电路与温度补偿 4 全桥 四个桥臂都为应变片 机械结构力学及控制国家重点实验室 51 4 3几种常见的信号调理电路介绍 电阻应变式传感器测量电路与温度补偿 如何进行温度补偿 因为温度变化引起的电阻变化是一致的 可以利用 差 的特性进行温度补偿 机械结构力学及控制国家重点实验室 52 4 3几种常见的信号调理电路介绍 电阻应变式传感器测量电路与温度补偿 若用半桥测量时进行温度补偿 测量应采用两片型号 初始电阻值和灵敏度都相同的应变片Rl和R2 Rl贴在试件的测试点上 R2贴在试件的应变为零处 或贴在与试件材质相同的不受力的补偿块上 Rl和R2处于相同温度场 接成双臂电桥 相邻臂 形式 当试件受力并有温度变化时 应变片Rl的电阻变化率为 补偿片R2的电阻变化率为 机械结构力学及控制国家重点实验室 53 4 3几种常见的信号调理电路介绍 电阻应变式传感器测量电路与温度补偿 双臂电桥 相邻臂 形式 温度补偿片 应变片 机械结构力学及控制国家重点实验室 54 4 3几种常见的信号调理电路介绍 电阻应变式传感器测量电路与温度补偿 应变片的灵敏度系数随温度的升高而减小 进而引起输出电压的减小 为了补偿该影响 在桥电路中接入热敏电阻Rt 与应变片处于相同温度环境 当温度升高时Rt的阻值减小 供桥电压随着温度上升而增大 从而使电桥的输出电压增大 合理选择分流电阻R0值 可使供桥电压随温度升高的速率与应变片灵敏度系数下降的速率相同 达到温度补偿的目的 热敏电阻法进行温度补偿 机械结构力学及控制国家重点实验室 55 4 3几种常见的信号调理电路介绍 压电式传感器放大电路 电压放大电路 等效电容为 C Ca Cc Ci 等效电阻为 输出电压 机械结构力学及控制国家重点实验室 56 4 3几种常见的信号调理电路介绍 压电式传感器放大电路 电压放大电路 输出电压 电缆电容对电压放大线路的影响也是一个主要因素 电缆电容Cc是随导线长度和种类而变化的 所以 随着电缆种类和长度的改变 将引起输入电压的改变 从而使电压灵敏度 频率下限也发生变化 当测量静态参数时 0 则um 0 即压电式加速度传感器没有输出 所以它不能测量静态参数 当测量频率足够大时 1 R 则um dxFmR 即电压放大器的输入电压是频率的函数 随着频率的下降而下降 机械结构力学及控制国家重点实验室 57 4 3几种常见的信号调理电路介绍 压电式传感器放大电路 电荷放大电路 机械结构力学及控制国家重点实验室 58 4 3几种常见的信号调理电路介绍 压电式传感器放大电路 电荷放大电路 电荷放大器是高增益放大器 K 1 电荷放大器的输入电压为 电荷放大器的输出电压与加速度传感器产生的电荷成正比 与反馈电容CF成反比 而且受电缆电容的影响很小 这是电荷