电气测量-7.1 第六章 非电量电测量精简版

第六章 非电量电测量,第一节 非电量测量系统 第二节 传感器的静态特性和动态特性 第三节 非电量检测传感器 第四节 几种典型信号检测技术,第一节 非电量测量系统,概述非电量电测技术的主要特点非电量电测系统组成,应用电磁参数测量技术、理论和方法。关键技术是研究如何将非电量变换成电磁量传感技术；便于实现连续测量；容易传输、转换、记录、存贮和处理；可在极宽的范围内以较快的速度对被测非电量进行准确的测量；易于利用现代科技成果，如与计算机配合进行传感器输出非线性的校正、误差的计算与补偿，进而使仪器智能化；可完成用非电量方法无法完成的检测任务 。,非电量电测技术的主要特点,敏感元件(传感元件)感受被测非电量，并将其转换成电量信号调理元件(电桥，交流放大器)将来自敏感元件输出转换成适合进一步处理的信号信号处理元件（A/D,D/A,检波）将信号调理元件的输出转换成适于记录显示的信号数据显示记录元件将信号处理元件的输出以合适的方式显示或记录,非电量电测系统组成,举例：重量电阻,传感器的定义传感器的特性 静态特性 动态特性,第二节 传感器的静态特性 和动态特性,传感器的定义,IEC标准：“为测量的目的，将感受的物理量(一般为非电量)按照相应的关系，转换成另一种物理量(一般为电量)输出的装置”,一般化传感器结构模型,逆变换器,基本变换器,预变换器,电变换器,非电-非电,电-电,非电-电,电-非电,静态特性指当输入被测非电量为常数或极缓慢变化时，传感器输入-输出间的变换关系，主要指标有：线性度、灵敏度、迟滞、重复性、量程、测量范围、分辨率等动态特性指当输入非电量为典型信号(例如正弦信号、阶跃信号等)时的传感器输入-输出变换关系,传感器的特性,传感器的静态特性-线性度,实际传感器的输入-输出非线性：,理想的线性输出特性：,传感器的静态特性-线性度,非线性误差(线性度)的定义：,max：最大非线性绝对误差；： 基准(引用)非线性误差；ym： 输出满度值。,传感器非线性的处理技术：,线性化：采用直线拟合来近似实际的非线性特性(表1)； 采用非线性元件补偿传感器的非线性； 按照实际输入量进行非线性刻度等,常用拟合直线的方法,传感器的静态特性-灵敏度,灵敏度的定义：,S： 传感器的灵敏度； y：传感器输出电量的增量； x：传感器输入非电量的增量。,两种特殊情况：,输入-输出间的变换关系为,灵敏度为常数：,输入-输出间的变换关系为,按级数展开，可得灵敏度表达式：,差动式结构：,结构：采用特性相同的两个变换器，将它们接成差动工作方式，两个变换器得输出增量差作为整个变换器得输出。优点：灵敏度提高一倍，非线性的奇次项被抵消，从而改善了非线性变换特性。,为非线性函数,变换器1输出增量：,变换器2输出增量：,灵敏度：,差动增量：,传感器的静态特性-迟滞,迟滞的定义：,max,xmax,ymax,0,产生原因：,传感器分别在加载(输入量增大)和卸载(输入量减小)时输入-输出特性曲线不重合的程度,传感器机械部分存在不可避免的缺陷，如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材料内摩擦、积尘等,传感器的静态特性-重复性,重复性的定义：,max,xmax,ymax,0,传感器的输入按同一方向变化时，在全量程内连续进行重复测试时所得到的各条特性曲线的重复程度。多次重复测试的曲线越重合，说明重复性越好，误差越小。,传感器的动态特性,定义：,TF,t,T,0,一阶系统举例：,当传感器输入为典型信号时，其输出在时域或频域的特性。,温度传感器(热电偶或热电阻)对于阶跃温度变化的测量,二阶系统举例：,惯性测振仪通过测量相对位移得到被测加速度,第三节 非电量检测传感器,电阻式传感器,电容式传感器,光电式传感器,电感式传感器,热电偶,压电式传感器,两端集成温度传感器,半导体压阻式传感器,霍尔传感器,光纤传感器,1.电阻式传感器,分类按照输出电阻变化的大小分为：大电阻变化(电位器式传感器、热敏电阻)小电阻变化(应变式、热电阻式),电位器式传感器,应变式传感器,热电阻式传感器,热敏电阻式传感器,电位器式传感器(1),工作原理与结构：,变阻器：,分压器：,特点：,结构简单、输出特性精度高且稳定、受环境影响小电阻元件和电刷间有摩擦，影响可靠性及寿命，分辨率较低,电位器式传感器(2),电位器式传感器的应用,电位器式加速度计：,惯性质量片弹簧电阻元件电刷活塞阻尼器壳体,金属的电阻应变效应金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应。,应变式传感器（1）,K称为应变灵敏度系数主要取决于12u。电阻相对变化值与受力后的金属丝几何尺寸变化有关，与受力后电阻丝的电阻系数变化有关。,应变式传感器（2）,电阻丝式应变片及其敏感度系数,电阻丝式应变片（2）,电阻应变片温度误差,电阻丝电阻本身是温度的函数试件材料与应变片材料热膨胀系数不同总的电阻相对变化,电桥补偿原理,若桥臂电阻均在同一温度场，各电阻批号、规格、工艺相同，则温度变化引起的电阻相对变化相互抵消。即电桥对温度误差可进行补偿。注意：相邻应变片感受反向应变；温度引起的电阻变化要相同。,电阻应变仪框图,电阻应变仪双桥接线图,应变式传感器,热电阻式传感器(1),工作原理：,金属原子最外层的电子能自由移动。当加电压后，这些无规则移动的电子就按照一定的方向移动，形成电流。随着温度的增加，电子热运动剧烈，电子之间、电子与振动着的金属离子之间的碰撞机会不断增加，因而电子的定向移动受到阻碍，金属的电阻也随之增加。,设金属在温度T0时的电阻为R0，则在温度T时的电阻RT为：,和为温度系数，在温度变化不大时，最后一项可忽略，此时金属导线的灵敏度为：,热电阻式传感器(2),工业上通常使用电阻值稳定、并可再现的铂丝和铂丝温度计。温度计的阻值是标准化的，在0度时为100欧。此时的铂电阻称为PT100。测量范围为750度。,1.玻璃或陶瓷骨架2.双线绕制的铂电阻丝3.玻璃或陶瓷敷层4.引出线,测量空气中温度时，时间常数约为1min。,结构：,热电阻式传感器(3),测量电路：常用电桥,典型电阻温度计测量电路,R1-R3和RT组成电桥Rref为调0参考电阻值Rfs为调满刻度参考电阻值,热电阻式传感器(4),三线连接法,四线连接法,为消除连接导线电阻变化对测量准确度的影响，采用三线或四线连接法：,热敏电阻式传感器(1),在半导体中，原子核对价电子的约束力要比在金属中的大，因而自由载流子数相当少。当温度升高时，载流子就会增多，半导体的电阻也随之下降。利用这个性质，采用重金属氧化物或稀土元素氧化物的混合技术，并在高温下烧结成的特殊电子元件可以用来测量温度。此技术与工艺制成的敏感元件称为热敏电阻。,工作原理与结构：,热敏电阻式传感器(2),0-a段：电流小，功耗小，电阻温度不变，固定电阻a-b段：电流增加，功耗增加，阻值降低，非线性正阻区 b-c段：电流增加，电压到最大，电流继续增加，电阻迅速升温，阻值减小 c-d段：电阻的温度系数大，阻值减小速度超过电流增加速度，负阻区。,热敏电阻的伏安特性：,热敏电阻式传感器(3),测量电路(T-f)变换器：,2.电容式传感器,工作原理平板电容量与真空中介电常数0、电介质相对介电常数r、平板面积A和两极板间距离d相关： 分类变间距式、变面积式、变介质式测量电路 应用,变间距式电容传感器,令 则：,灵敏度：,变面积式电容传感器,令,灵敏度：,则：,变介质式电容传感器(1),令 则：,极板间充满一种介质,变介质式电容传感器(2),根据串联总电容公式有：,两种介质构成的电容串联形式的传感器,即：,用途：测量纸张、塑料薄膜等的厚度,变介质式电容传感器(3),根据电容并联公式有：,两种介质构成的电容并联形式的传感器,b0为极板宽度,用途：非导电液体和松散材料的物位测量,测量电路,初始状态：S=1, R=1, Q=0, Uc1=Uc2=0结果：A,B两点间电压Uab波形为上下对称的方波,振荡器振荡周期及Q维持高电平表达式：C1，C2对T1，T2有调宽作用,低通滤波输出,脉冲调宽电路与变间距电容传感器配用,脉冲调宽电路与变面积电容传感器配用,将C1，C2换成固定电容，R1，R2为变阻式传感器,将C1，C2换成电阻R1，R2， R1，R2换成电感式传感器L1，L2,电容传感器的应用,3.电感式传感器,特点基于电磁感应定律，把被测非电量转换成自感L或互感M变化 分类自感型电感传感器互感型电感传感器 应用,自感型传感器-可变磁阻式,组成：线圈、铁心、衔铁,原理：,线圈电流i,磁通m,磁路定律,电磁感应定律,忽略铁心磁阻,N： 线圈匝数L： 比例系数Ni： 磁动势Rm：磁阻,S： 铁心导磁截面积S0： 空气隙导磁截面积l ： 铁心导磁长度l 0： 空气隙： 铁心导磁率0： 空气导磁率,自感型传感器-涡流式,原理：利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应,互感型电感传感器,典型应用：差动变压器式传感器LVDT,组成： 初级线圈W 完全相同串联反接的次级线圈W1和W2铁心P,原理：通过铁心P的移动在W1和W2上产生不同大小的感应电压e1和e2，从而获得代表铁心移动位置的输出电压e,特点：测量精度高、线性范围大、稳定性好、使用方便。,电感式传感器的应用,非磁性层厚度的测量,高压蒸汽管道中阀门位置测量,4.热电偶,热电效应回路中两种材料焊接处有两个结。若这两个结处在不同的温度场中，则回路中会有维持一定量的电流存在。,即若有两种材料构成回路并且有两个结，这两个结处于不同的温度时，则回路中有热点势产生，这种效应称为热电效应。,热电偶基本定律,正确使用热电偶,冷端延长线要注意的问题(1)延长线只能与相应型号的热电偶配用(2)极性不能接反，否则会产生更大的误差(3)延长线的热电极连接处两结点温度必须相同，且不能超过规定范围。,5.压电式传感器,压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。常用压电材料有石英、人工合成的多晶陶瓷。压电效应分为正向和逆向压电效应。正向压电效应：某些晶体在一定方向上受到机械力作用时，相应地在晶体表面上会产生电荷，或者说晶体内部的应力或应变会引起晶体内部的电场，而当去除外力时，晶体的内部电场或晶体表面的电荷也随之消失。逆向压电效应：当某些晶体沿一定方向受到电场作用时，相应地在一定的晶轴方向将产生机械变形或机械应力；当去掉外电场时，晶体内部的应力或变形也随之消失。,压电力传感器,压电加速度计,电荷放大器,测量电路应为高阻抗测量仪器电荷放大器原理：放大器为理想放大器，则反相端输入电流0，电压0（虚地点），因此无电流流过Re和Ce。,1,6.光电式传感器物性型传感器,光电器件是利用光电效应把辐射能转换为电量变化的器件。光电效应1.光电发射效应：当光照射到金属的光电发射材料上时，光子的能量传给光电发射材料表面的电子，如果入射到表面的光能使电子获得足够的能量，电子就会克服阻力，脱离金属表面而进入外界空间。外光电效应2.光电导效应：光向物质照射时，吸收光子的能量后物质的电阻或电导发生变化。内光电效应。 3.有PN结的光电效应：当半导体PN结或有阻挡层的器件受到光照射时，吸收光子能量后产生载流子 ，或使PN结产生电动势，或使PN结的光电流增加。,光电器件特性,1.光电特性及光照特性：在光电器件两端加电压，当光线照射在光敏面上时，器件产生电流变化。这种因光产生和增加的电流称为光电流。光电器件电压一定时，I与光通量间的关系称为光电特性。I与照度的关系称为光照特性。2.光谱特性：光电器件两端电压一定，若照射的是波长一定的单色光，对相同的入射功率，输出的光电流I随波长不同而变化。I与入射光波长的关系称光谱特性。决定了光电器件应用范围。3.伏安特性：在给定光通量或照度条件下，I与U关系。4.频率特性：同样电压同样幅值光强度下，当入射光强度以不同正弦交变频率调制时，I会随频率f而变化。,光敏元件,1.光电管与光电倍增管2.光电导元件（光敏电阻）3.光敏晶体管（二极管，三极管）4.硅光电池,举例：光电管结构,光电传感器应用,7.半导体压阻式传感器,工作原理：半导体的电阻率随应力变化应用领域：测量压力特点：灵敏度高、动态响应快、测量准确度高、稳定性好、工作温度范围宽、易小型化、易成批生产,半导体压阻效应,对金属材料，l/l和S/S较大， / 较小可忽略不计。对半导体材料，l/l和S/S较小可忽略不计， / 较大。即电阻相对变化主要取决于电阻率相对变化。半导体压阻效应：由于应力产生形变，改变了半导体材料晶格之间的相互作用，从而改变它们之间的势场，改变半导体材料的载流子浓度和迁移率，最终导致半导体电阻率发生变化。,压阻式力学量传感器,扩散型压阻式压力传感器（硅杯式，同一块硅材料上制作应变计，并形成支撑环）,配用电路恒压源,Ui-供电电压Rt-温度变化引起电阻增量U0-电桥输出电压R-初始电阻 R-电阻绝对增量,配用电路恒流源,U0与R成正比U0与输入电流Ii成正比与温度无关,霍尔传感器原理,霍尔效应导电材料中的电流与磁场相互作用而产生电动势。,霍尔传感器误差,分类：零位输出误差、温度误差、热电势误差、元件噪声误差。零位电势：当控制磁感应强度为零，控制电流为额定值时，霍尔元件间的空载电势。原因：霍尔电极安装位置不正确半导体材料不均匀控制电极接触不良使控制电流不均匀分布,霍尔传感器补偿,霍尔传感器注意事项,直流激励时，输出电极串连交流激励时，加入互感线圈安装工艺要求高，良好散热条件,光纤传感器原理,临界入射角,光纤性质参数,归一化频率：确定光纤传输模式的参数,数值孔径：表示光纤接收来自光纤端面入射光的能力。,a:光纤半径,:光波长，2.4，单膜光纤,光纤传感器结构,1.传感型：利用光纤与光波本身特性受被测对象状态影响而发生变化的特点。主要应用光纤作为基本功能的转换。2.传输型：利用光线的低损耗与细线性特点。主要应用光纤的不受干扰、真实传输信号的功能。3.组合型：将上述两种情况组合。,传感光纤型：利用被测对象的状态来改变光纤的传输参数或使通过光纤的光波发生变化，再根据光纤光波振幅、相位、偏振面或频率变化检测出来。但有些实用问题未得到解决。传输光纤型：利用光纤固有功能，很多地方得到成功应用。,光纤传感器的应用,1.测量转速2.测量温度3.测量风向、风速,应用,1.位移测量特点：小量程。主要用于微位移的测量(12mm)。惯性小、响应快。2.电机内部磁场测量特点：磁通计灵敏度高，尺寸小。,第四节 几种典型信号 检测技术,温度检测,运动量检测,力与力矩检测,位移检测,温度检测分类,1.按测温方法：接触式，非接触式2. 按温度测量范围：超低温010k、低温10800k、中高温5001600度、高温16002500度、超高温2500度以上,温度检测方法,热电阻(镍0150度,铂0750度,接触)热敏电阻(-50150度,接触)热电偶(-501600度,特殊材料-1802800度,接触)光电传感器( 8002000度,非接触)光纤传感器(非接触),速度、转速、加速度测量,电位器式传感器（加速度）应变式传感器（加速度）电容式传感器（加速度）压电式传感器（加速度）压阻式传感器（加速度）光电式传感器（速度）霍尔式传感器（转速）光纤传感器（速度）,速度测量,1.微积分电路法：速度是位移对时间的微分，对加速度的积分。2.平均速度测量法：通过已知位移和相应时间间隔来测量平均速度3.磁电感应式测速度法：测量振动速度4.激光测速法：多普勒原理（若波源或接收波的观测者相对于传播媒质而运动，则观测到的频率不仅取决于波源频率，还有波源或观测者的运动速度的大小和方向）,转速测量,1.离心式转速表2.磁性转速表:电磁感应原理，将转速变为转角3.测速发电机:电磁感应原理，把转动的机械能转换为电信号4.频率量输出的转速测量系统:把转速变成频率脉冲（磁电感应式，电涡流式，霍尔式，磁敏二极管三极管式，光电式）,力的测量,1.力平衡式测量。用一个已知力来平衡被测力。平衡力可为重力、电磁力、气动力等。2.通过测量加速度测量力。3.通过测量压力测量力。4.通过测量位