电阻式传感器PPT演示课件

1,第2章电阻式传感器,2.1电阻应变式传感器2.2压阻式传感器,2,第2章电阻式传感器,电阻式传感器是将被测的非电量转换成电阻值变化的器件或装置。,由于构成电阻的材料种类很多，例如，导体、半导体、电解质等，引起电阻变化的物理原因也很多，例如，材料的应变或应力变化、温度变化等，就产生了各种各样的电阻式传感器。,被测量,电阻式传感器,电阻,3,第2章电阻式传感器,电阻式传感器包括：热电阻,湿敏电阻,热敏电阻,气敏电阻,光敏电阻,4,磁敏电阻,电阻应变式传感器,压阻式传感器。,电位器式传感器,压敏电阻,5,第2章电阻式传感器,电阻式传感器包括：热电阻。热敏电阻。光敏电阻。湿敏电阻。气敏电阻。磁敏电阻。压敏电阻。电位器式传感器。电阻应变式传感器。压阻式传感器。,6,2.1电阻应变式传感器,电阻应变式传感器是利用电阻应变效应做成的传感器,是常用的传感器之一。由电阻应变片、弹性元件和测量电路组成。应变式传感器的核心元件是电阻应变片(计)。,电阻应变片,弹性元件,信号调节电路,7,2.1电阻应变式传感器,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性2.1.3电阻应变片的测量电路2.1.4电阻应变式传感器举例,8,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,长为L、截面积为A、电阻率为的金属或半导体丝，电阻为,若导线沿着轴线方向受到力的作用而产生变形，则其电阻值也随之发生变化，这一现象称为电阻应变效应。,1.金属的电阻应变效应,9,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,将式(2.1)两边微分得,经推导可得：,10,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,KS称为电阻应变敏感材料的灵敏系数，即,KS表示当发生应变时，其电阻变化率与其应变的比值。KS的大小由两个因素引起，第一项是由几何尺寸的改变所引起的，第二项是受力后材料的电阻率发生变化而引起的(称压阻效应)。,11,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,由于,其中，为材料中的应力，E为材料的弹性模量(杨氏模量)，为材料的压阻系数。对金属来说，E很小，可忽略不计，KS的第一项起主要作用，=0.250.5，故KS1.52。对半导体而言，压阻系数=(4080)10-11m2/N，杨氏模量E=1.671011N/m2，则E50100，故第一项可忽略不计。可见，半导体灵敏系数要比金属大得多。,12,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,2.电阻应变片的结构,l称为应变片的标距，或称工作基长；b称为应变片的基宽，或称工作宽度。lb称为应变片的使用面积。,平均效应,如PJ-120型金属电阻应变片的规格为13mm5mm，120。,13,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,电阻丝较细，一般在0.0150.06mm，两端焊有较粗的低阻镀锡铜丝(0.10.2mm)作为引线，以便与测量电路连接。图中，l称为应变片的标距，或称工作基长；b称为应变片的基宽，或称工作宽度。lb称为应变片的使用面积。应变片的规格一般是以使用面积和电阻来表示的，如PJ-120型金属电阻应变片的规格为13mm5mm，120W。,14,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,应变片的分类应变片有很多品种系列：从尺寸上讲，长的有几百mm，短的仅0.2mm；由结构形式上看，有单片、双片、应变花和各种特殊形状的图案；就使用环境上说，有高温、低温、水、核辐射、高压、磁场等；而安装形式，有粘贴、非粘贴、焊接、火焰喷涂等。,15,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,主要的分类方法是根据敏感元件材料的不同，将应变片分为金属式和半导体式两大类。从敏感元件的形态又可进一步分成不同类型。,16,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,(1)金属应变片金属丝式应变片金属丝弯曲部分可作成圆弧、锐角或直角。弯曲部分作成圆弧(U)形是最早采用的一种形式，制作简单但横向效应较大。直角(H)形两端用较粗的镀银铜线焊接，横向效应相对较小，但制作工艺复杂，将逐渐被横向效应小、其他方面性能更优越的箔式应变片所代替。,17,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,箔式应变片它是利用照相制版或光刻腐蚀法将电阻箔材在绝缘基底上制成各种图形的应变片(厚度一般在0.0030.01mm)。,18,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,箔式应变片与金属丝式应变片相比有如下特点：i.敏感栅尺寸准确、线条均匀，故大批量生产时，电阻值离散程度小。并且可根据不同测量要求制成任意形状。ii.可制成基长很小的应变片。iii.敏感栅弯头横向效应可忽略。iv.箔式应变片敏感栅截面为长方形，表面积大，散热性能好，在相同断面积情况下能通过较大的工作电流，从而能增大输出信号。v.疲劳寿命长，机械滞后小，蠕变小。vi.便于批量生产，而且生产效率高。,19,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,薄膜式应变片薄膜式应变片是采用真空溅射或真空沉积等镀膜技术将应变电阻材料镀在基底材料上而形成的应变片(厚度在零点几纳米到几百纳米)。这类应变片的显著特点是灵敏系数大，允许电流密度大，工作温度范围广(-197317)，也可用于核辐射等特殊情况下，易实现工业化批量生产。,20,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,(2)半导体应变片体型半导体应变片。,21,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,薄膜型半导体应变片是利用真空沉积技术将半导体材料沉积于绝缘体或蓝宝石基片上制成的。扩散型半导体应变片是将P型杂质扩散到高阻的N型硅基片上，形成一层极薄的敏感层制成的。外延型半导体应变片是在多晶硅或蓝宝石基片上外延一层单晶硅制成的。,22,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,半导体应变片有如下优点:灵敏度高。比金属应变片的灵敏度大几十倍。工作时，不必用放大器就可用电压表或示波器等简单仪器记录测量结果。体积小，耗电省。具有正、负两种符号的应力效应(即在拉伸时P型硅应变片的灵敏度系数为正值，而N型硅应变片的灵敏度系数为负值)。机械滞后小，可测量静态应变、低频应变等。,23,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,3.电阻应变片的工作原理,弹性元件变形,应变片变形,电阻改变,F,e,e,DR,力,f(F)的形式与弹性元件有关。,24,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,4.电阻应变片的特点(1)优点：测量精度高，测量应变的误差小于1%。能测12me的应变。测量范围广，应变测量范围一般可由数个me至数千个me。从弹性变形一直可测至塑性变形。变形范围从1%20%。分辨力高，通常可达1me,25,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,频率响应特性好，一般电阻应变片响应时间约为10-710-11s，若能在弹性元件设计上采取措施，则电阻应变式传感器可测几十甚至上百kHz的动态过程。尺寸小(超小型应变片的敏感栅尺寸为0.2mm2.5mm)、重量轻、结构简单，测试时对试件的工作状态及应力分布基本上没有影响，适合动、静态测量。环境适应性强，可在高温、低温、高压、高速、水下、强烈振动、强磁场、核辐射及化学腐蚀等各种恶劣环境条件下使用。便于实现多点测量及远距离传送。,26,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构,(2)缺点：在大应变状态下具有较大的非线性，半导体应变片的非线性更为显著。应变片的输出信号较微弱，故其抗干扰能力较差，因此，对信号连接导线要认真屏蔽。虽然应变片尺寸较小，但测出的仍是应变片敏感栅范围内的平均应变，不能完全显示应力场中应力梯度的变化。应变片的温度系数较大。,27,2.1电阻应变式传感器,2.1.1电阻应变片的基本原理与结构2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性2.1.3电阻应变片的测量电路2.1.4电阻应变式传感器举例,28,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,1.电阻应变片的主要参数(1)电阻值应变片的电阻值是指应变片在安装前及室温下测定的电阻值，也称为初始电阻值。应变片的电阻值是一个系列，有60W、90W、120W、250W、350W、600W和1000W等，其中以120W和350W应用较多。电阻值越大，DR=RKSe也就越大，从而输出信号就能增大，但敏感栅尺寸也要随之增大。,29,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,(2)几何尺寸应变片的标距(或工作基长)l相对于工作宽度b较小时横向效应较大，所以通常情况下尽量用l值较大的应变片。但在应变变化梯度大的场合(如应力集中处)，则应该使用小标距的应变片。目前应变片的最小标距可做到0.2mm，最大标距可达300mm以上。应变片的基宽(或工作宽度)b值小时应变片的整体尺寸可减小，但其过小将使散热性能变差。,30,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,(3)灵敏系数应变片灵敏系数(以下用K表示)的定义为：将应变片安装在处于单向应力状态的试件表面，试件由泊松比=0.285的钢构成。使其灵敏轴线与应力方向平行时，应变片电阻值的相对变化与沿轴向的应变之比值，称为应变片的灵敏系数。即,31,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,应变片的灵敏系数是一个无量纲的量，它是应变片的重要技术参数。K值的误差大小是衡量应变片质量好坏的主要依据之一，其准确性又直接影响着应变片的测量精度。因一般应变片粘贴到试件上后不能取下再用，故只能在每批产品中提取一定百分比(如5%)的产品进行测定，取其平均值作为这一批产品的灵敏系数。这就是产品包装盒上注明的灵敏系数，或称“标称灵敏系数”。,32,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,例2.1如果将100W的电阻应变片贴在弹性试件上，试件受力横截面积S=0.510-4m2，弹性模量E=21011N/m2，若有F=5104N的拉力引起应变片电阻变化为1W。试求该应变片的灵敏系数。,解,33,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,(4)绝缘电阻绝缘电阻是指应变片引出线与粘贴该应变片的试件之间的电阻值。它是检查应变片粘贴质量、粘合剂是否完全干燥或固化的重要指标。绝缘电阻越高越好，一般应大于104MW。,34,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,(5)允许电流允许电流是指允许通过应变片敏感栅而不影响其工作特性的最大工作电流。它与应变片敏感栅的形状和尺寸、基底尺寸和材料、粘合剂的材料及试件的热性能有关。为了保证测量精度，在静态测量时，允许电流一般为25mA，箔式应变片允许电流较大一些。在动态测量时，允许电流为75100mA。最大工作电流选取的依据是使应变片的零漂不超过允许值。,35,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,(6)应变极限应变极限是指在一定温度条件下，应变片指示的应变值与试件真实应变的相对差值不超过10%时的最大真实应变值。影响应变极限大小的主要因素是粘合剂和基底材料的性能。,36,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,(7)疲劳寿命疲劳寿命是指粘贴在试件表面上的应变片，在恒定幅值的交变应力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数。该参数反映了应变片适应动态应变的能力。在标定应变片疲劳寿命时，交变应力的特性及大小，以及所谓疲劳损坏都有明确的规定。,37,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,(8)机械滞后应变片安装在试件上后，在一定温度下，其加载、卸载特性不重合，在同一机械应变值eg下，其对应的指示应变ei不一致。加载特性曲线与卸载特性曲线的最大差值称应变片的机械滞后。,38,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,(9)零漂和蠕变粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定、不承受机械应变时，其电阻值随时间而变化的特性，称为应变片的零漂。如果在一定温度下，使其承受恒定的机械应变，其电阻值随时间变化的特性，称为应变片的蠕变。一般蠕变的方向与原应变量变化的方向相反。,39,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,(10)线性度试件的应变e和电阻的相对变化DR/R在理论上呈线性关系。但实际上，在大应变时会出现非线性关系。应变片的非线性度一般要求在0.05%或1%以内。,40,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,2.横向效应应变片由于圆弧处感受横向应变而使电阻变化率减少并使应变片灵敏系数降低的现象称为应变片的横向效应。原因在于圆弧段感受到的轴向应变从ex到-mex。,ey=-mex,41,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,由于横向效应的存在，使灵敏系数减小。敏感栅愈窄、圆弧半径越小、基长愈长的应变片，其横向效应引起的误差越小。最好采用直角丝栅式金属丝应变片或箔式应变片。另外，当电阻应变片用来测量泊松比m不等于0.285之试件的应变时，如果仍然按应变片的标称灵敏系数来计算应变，必然带来测量误差。,42,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,应变片的粘贴应变片的粘贴工艺对于传感器的精度起着关键作用。应变片通常是用粘合剂粘贴到试件上的，在做应变测量时，是通过粘合剂所形成的胶层将试件上的应变准确无误地传递到应变片的敏感栅上去的。因此，粘合剂的选择和粘贴质量的好坏直接关系到应变片的工作情况，影响测量结果的准确性。所以，对粘合剂有如下要求：,43,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,(1)有一定的粘结强度。(2)能准确传递应变。(3)蠕变小。(4)机械滞后小。(5)耐疲劳性能好。(6)具有足够的稳定性能。(7)对弹性元件和应变片不产生化学腐蚀作用。(8)有适当的储存期。(9)应有较大的温度使用范围。(10)绝缘、防湿、防油。,44,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,3.温度效应及其补偿(1)温度效应把应变片安装在自由膨胀的试件上，即使试件不受任何外力作用，如果环境温度发生变化，应变片的电阻也将发生变化，这种现象称为应变片的温度效应。由温度变化引起的应变输出称为热输出，它是虚假应变，在测量中须设法予以消除。,45,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,产生温度误差的原因有二：敏感栅金属丝本身的电阻随温度变化。电阻与温度的关系可由下式表示,若由于电阻值随温度变化引起的应变误差记作De1，则由式(2.6)可得,46,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同引起附加变形而使电阻变化。,附加变形,47,由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同引起附加变形而使电阻变化。关系式可用下式表示：,式中bg试件材料的线膨胀系数；bs敏感栅材料的线膨胀系数。若由于敏感栅材料与试件材料的线膨胀系数不同而使电阻变化造成的应变误差记作De2，则,48,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,由于温度效应而造成的附加应变(热输出)为：,（2）温度补偿温度补偿就是消除热输出对应变测量的影响。温度补偿方法通常有桥路补偿法、应变片自补偿法和热敏电阻补偿法。,49,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,桥路补偿这种补偿方法的原理是用两个参数相同的应变片，其中R1为工作应变片，R2为补偿应变片。R1粘贴在试件上，R2粘贴在和试件材料相同、处于同一温度的补偿块上。测量时，使二者接入电桥的相邻臂上。,50,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,有时根据被测试件的应变情况，亦可不专门设补偿试件，而将补偿片亦贴在被测试件上，使其既能起到温度补偿作用，又能提高灵敏度、补偿非线性。例如，构件作纯弯曲形变时。,非纯弯曲变形也近似适用。,51,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,应变片自补偿法。这种补偿方式是利用自身具有温度补偿作用的特殊应变片(称为温度自补偿应变片)，它是通过选配敏感栅材料及其结构参数制成的。i.单丝自补偿应变片。由式(2.11),可知，欲使由于温度效应而造成的应变误差为零，只须满足条件,52,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,ii.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。它是利用两种电阻温度系数符号相反的电阻丝材料，将二者串联绕制成敏感栅。若两段敏感栅R1和R2由于温度变化而产生的电阻变化DR1T=-DR2T，就可实现温度补偿。R1与R2的关系可由下式决定：,53,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,也可采用两种电阻温度系数符号相同的丝材。R1是工作臂，R2与外接串联电阻R5(温度系数很小)组成补偿臂。适当调节它们之间的长度比和外接电阻R5的数值，使,54,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,但是，工作栅灵敏系数也被抵消了一部分。因此补偿栅材料通常选用电阻温度系数大且电阻率小的铂或铂合金，这样只要几欧的铂电阻就能达到温度补偿，使应变片的灵敏系数少损失一些。只要适当调节R1，就可在不同线膨胀系数的试件上实现温度自补偿，所以比较通用，这是它的优点。但必须每片都接成半桥线路，并要外接一个高精度电阻R5，在测量点很多的情况下，使用较麻烦。,55,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,热敏电阻补偿法。热敏电阻RT处在与应变片R1相同的温度条件下，当温度升高时，热敏电阻RT的值下降，使电桥的输入电压U随温度升高而增加，从而提高电桥的输出Uo，补偿因工作应变片R1阻值增加而引起的Uo下降。适当选择分流电阻R5的值，可得到良好的补偿效果。,56,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,辅助测温元件微型计算机补偿法。该方法的基本思想是在传感器内靠近敏感测量元件处安装一个测温元件，用以检测传感器所在环境的温度。常用的测温元件有半导体热敏电阻以及PN结二极管等。测温元件的输出经放大及A/D转换送到计算机。计算机在处理传感器数据时，即可消除温度变化对传感器的影响，以达到提高测量精度的目的。,57,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,4.应变片的动态特性在测量频率较高的动态应变时，应考虑其动态响应特性。在动态情况下，应变以波动形式在材料中传播，传播速度为声速(钢材声速为5000m/s)。应变波由试件经过胶层和基片传到敏感栅的时间约为210-7s，可忽略不计。但是，应变波沿应变片长度方向传播经过敏感栅需要比较长的时间，应当考虑其影响。,58,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,(1)对正弦应变波的响应当测量按正弦规律变化的应变波时，应变片的输出所反映的是在应变片敏感栅长度内感受到的应变量的平均值，因此应变片输出的波幅将低于真实应变波，从而带来一定误差。显然，这种误差将随应变片基长的增加而加大，当基片一定时将随频率的增加而加大。,59,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,如图所示，显然，当应变片两端坐标满足下面条件时，其输出最大。,60,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,此时应变片在其基长l内测得的平均应变ep达到最大值。其值为,故可得(幅值)测量误差为,61,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,当l/l较大时,由上式可知，测量误差e与比值l/l有关，如图所示。l/l愈大，误差e愈小。一般可取l/l=1020，其误差e小于1.60.4%。,62,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,为了求在一定测量误差下应变片的最高测量频率f，令l/l=n，根据l=u/f，得,当n确定时则测量误差也确定。对于钢材，u=5000m/s，若要e=1%，对l=1mm的应变片，其允许的最高工作频率为,63,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,(2)对阶跃波的响应图(a)所示的阶跃波沿敏感栅轴向传播时，应变片的理论响应特性如图(b)所示。但是，由于应变片粘合层对应变波中高次谐波的衰减作用，实际波形如图(c)所示。如以输出从最大值的10%上升到90%的这段时间为上升时间，则,64,2.1.2电阻应变片的主要参数及工作特性,最高测量频率经验公式为,实际上tk值是很小的。例如，应变片基长l=20mm，应变波速u=5000m/s时，tk=3.210-6s，f=110kHz。,65,2.1.3电阻应变片的测量电路,电阻应变片工作时，其电阻变化很微小。例如，1片K=2，初始电阻120W的应变片，受到1000me的应变时，其电阻变化仅0.24W。常用电桥电路来精确地测量这个微小的电阻变化。,66,2.1.3电阻应变片的测量电路,1.直流电桥(1)平衡电桥图中R1为应变片。可认为电源供给的电流I在工作过程中是不变的。假定电压源内阻为零。若Rg为检流计内阻，则检流计中流过的电流Ig和电桥各参数之间的关系为：,67,2.1.3电阻应变片的测量电路,Ig=0时，电桥平衡，平衡条件为,如果在测量前电桥平衡，在测量中应变片阻值发生改变后通过调节其他桥臂的阻值使电桥恢复平衡，从而确定应变片阻值的改变量，则称为零读法。,68,2.1.3电阻应变片的测量电路,当采用零读法时，初始时电桥平衡。在应变片承受应变的情况下，其阻值由R1变为R1+R1，从而破坏了电桥原来的平衡，使检流计中有电流流过，此时可调节其它桥臂的电阻值，重新使Ig=0，即电桥重新平衡。比如调节R2，使其值变为R2+R2后电桥重新平衡，则有,69,2.1.3电阻应变片的测量电路,当恒定R3、R4时，根据DR2的值可求得DR1。R2称为调节臂。R3、R4称为比例臂，改变它们的比值，可改变DR1的测量范围。平衡电桥通常用在静态应变测量中。(2)不平衡电桥法(偏转法)不平衡电桥法用在动态应变测量中。其输出量可以是电流，也可以是电压。应变片承受应变的情况下，其阻值R1变为R1+DR1，将其代入式(2.21)后，就可得到Ig与DR1的关系式，通过读取Ig，就可求得DR1，此时输出量是电流。下面以输出电压为例进行分析。,70,2.1.3电阻应变片的测量电路,设供桥电压为U，R1为应变片，R2、R3、R4为固定电阻。当应变片未承受应变时，R1R4=R2R3，电桥平衡，输出电压Uo=0。当应变片承受应变后，其阻值变为R1+DR1，电桥的不平衡输出为（电桥输出开路）,71,2.1.3电阻应变片的测量电路,设R2/R1=n，又因DR1R1(分母上忽略DR时一定要在通分之后)，R1R4=R2R3，上式简化为：,电桥的电压灵敏度为(相对灵敏度),72,2.1.3电阻应变片的测量电路,电桥的电压灵敏度与供桥电压U成正比，供桥电压越高，电压灵敏度越高。但是供桥电压的提高，受到应变片允许工作电流的限制，所以供桥电压通常为15V。电桥电压灵敏度与桥臂电阻比值n有关。在U一定时，由灵敏度取极值的条件，可求得n=1时Su为最大。这就是说，在电桥电压一定，当R1=R2，R3=R4时，电桥的电压灵敏度最高。通常这种情况称为电桥的第一种对称形式。,73,2.1.3电阻应变片的测量电路,此时,而R1=R3，R2=R4则称为电桥的第二种对称形式。第一种对称形式有较高的灵敏度，第二种对称形式线性较好。等臂电桥是其中的一个特例。,74,75,2.1.3电阻应变片的测量电路,(3)电桥电路的非线性误差补偿以上讨论电桥电路时都是基于DR1m0，所以,所以,188,3.1.1自感式传感器的工作原理,(2)自感的特性分析由式(3.3)可作出特性曲线。传感器的初始气隙记作d0，衔铁的位移量即气隙变化量记作Dd，与之相对应的自感变化量记作DL1(或DL2)，衔铁处于起始位置时的电感值为,189,3.1.1自感式传感器的工作原理,当衔铁上移Dd时，传感器气隙减小Dd，即d=d0-Dd，则此时电感为,当Dd/d01时，可将上式展开成级数形式,190,3.1.1自感式传感器的工作原理,由上式可求得电感增量DL1和相对增量DL1/L0的表达式为,191,3.1.1自感式传感器的工作原理,DL1和Dd的关系是非线性的，减少非线性的方法减少Dd，但测量范围也减少；增加d0，但灵敏度降低。仅取线性项，得,(相对)灵敏度为,192,3.1.1自感式传感器的工作原理,当d0增加时，灵敏度下降。由此可见，变间隙式电感传感器的非线性与测量范围和灵敏度相矛盾。所以变间隙式电感传感器一般用于测量微小位移，通常取Dd/d0=0.10.2。为了减小非线性误差，实际测量中广泛采用差动变间隙式电感传感器。,193,3.1.1自感式传感器的工作原理,当衔铁向上移动Dd时，上面线圈的电感L1由式(3.6)给出，下面线圈的电感则为,194,3.1.1自感式传感器的工作原理,在差动使用时，两个电感线圈接成交流电桥的相邻桥臂，另两个桥臂由电阻组成，电桥输出电压与DL有关。DL的具体表达式为,仅取线性项，得,195,3.1.1自感式传感器的工作原理,灵敏度为,与单线圈变间隙式电感传感器相比灵敏度高一倍。线性度得到明显改善。为了使输出特性得到有效改善，构成差动的两个变间隙式电感传感器在结构尺寸、材料、电气参数等方面均应完全一致。,196,3.1自感式传感器,3.1.1自感式传感器的工作原理3.1.2变面积型自感传感器3.1.3等效电路3.1.4螺管型自感传感器3.1.5测量电路3.1.6自感式传感器的零位残余电压,197,3.1.2变面积型自感传感器,变面积型自感传感器如图所示。其气隙长度d保持不变，令磁通截面积随被测量而变(衔铁水平方向移动)，即构成变面积型自感传感器。,198,3.1.2变面积型自感传感器,由式(3.3)得,可见，变面积型传感器在忽略气隙磁通边缘效应的条件下，输出特性呈线牲，因此可望得到较大的线性范围。与变气隙型相比较，其灵敏度较低。欲提高灵敏度，需减小气隙长度d和增加线圈匝数N，但同样受到工艺和结构的限制，气隙长度d的选取与变气隙型相同。,199,3.1自感式传感器,3.1.1自感式传感器的工作原理3.1.2变面积型自感传感器3.1.3等效电路3.1.4螺管型自感传感器3.1.5测量电路3.1.6自感式传感器的零位残余电压,200,3.1.3等效电路,研究其等效电路的目的是为了分析铁心线圈的电气参数及它们对线圈特性的影响，对了解与分析变磁阻式传感器以及选择传感器参数有帮助。将传感器线圈等效成图示电路。,Rc线圈的铜耗电阻。Rv涡流损耗电阻。Rh磁滞损耗电阻。C线圈匝间电容和电缆分布电容。,201,3.1.3等效电路,(1)线圈的品质因数Q为,(2)铜损电阻设导线直径为d、电阻率为r、线圈匝数为N，平均匝长为l，当忽略导线趋肤效应与邻近效应时，线圈电阻为,202,3.1.3等效电路,(3)涡流损耗电阻涡流损耗电阻Rv是因为频率为f的交变电流激励产生的交变磁场，会在线圈铁心中造成涡流损耗。根据经典的涡流损耗计算公式知，为降低涡流损耗，叠片式铁心的片厚应薄；高电阻率有利于损耗的下降，而高磁导率却会使涡流损耗增加。(4)磁滞损耗电阻磁滞损耗电阻Rh是因为铁磁物质在交变磁化时，磁分子来回翻转需要克服阻力，类似摩擦生热的能量损耗。,203,3.1.3等效电路,(5)并联寄生电容主要由线圈绕组的固有电容与电缆分布电容所构成。为便于分析，先不考虑寄生电容C，并将等效电路中的线圈电感与并联铁损电阻(Re=Rh/Rv)等效为串联铁损电阻Re与串联电感L的等效电路。,204,3.1.3等效电路,根据,得,上式表明，铁损的串联等效电阻Re与L有关。因此，当被测非电量的变化引起线圈电感量改变时，其电阻值亦发生不希望有的变化。要减少这种附加电阻变化的影响，比值Re/(wL)应尽量小，以使Re1时，1/Q2可以忽略，上式可简化为,206,3.1.3等效电路,写成,下降了。电感的相对变化为,增加了。,则RS和LS相对于R和L都增加了。而有效品质因数为,207,3.1.3等效电路,由此可知，并联电容C的存在，使有效串联损耗电阻与有效电感均增加，有效Q值下降并引起电感的相对变化增加，即灵敏度提高。因此，从原理而言，按规定电缆校准好的仪器，如更换了电缆，则应重新校准或采用并联电容加以调整。实际使用中因大多数变磁阻式传感器工作在较低的激励频率下(f10kHz)，上述影响常可忽略，但对于工作在较高激励频率下的传感器(如反射式涡流传感器)，上述影响必须引起充分重视。,208,3.1.3等效电路,例3.1图3.5所示为变气隙型电感式传感器，衔铁截面积S=4mm4mm，气隙总长度ld=0.8mm，衔铁最大位移Dld=0.08mm，激励线圈匝数N=2500匝，导线直径d=0.06mm，电阻率r=1.7510-6Wcm。当激励电,源频率f=4000Hz时，忽略漏磁及铁损，计算：线圈电感值；电感的最大变化量；当线圈外截面积为11mm11mm时，求其直流电阻值；线圈的品质因数；当线圈存在200pF分布电容与之并联后其等效电感变化多大？,209,图3.5,和图3.1的区别：dld/2，所以：,210,解：由图可知变气隙型电感的计算公式为,211,所以当衔铁最大位移变化0.08mm时相应电感变化量L=L2-L1=196-131=65mH。,当衔铁最大位移l=0.08mm时，分别计算l=+0.08mm时的电感值L1,l=-0.08mm时的电感值L2,212,线圈直流电阻,式中lCP为线圈平均每匝长度。根据铁心截面44mm2及线圈外截面1111mm2取平均值，按截面为7.57.5mm2计算每匝总长lCP=47.5=30mm。,213,线圈品质因数,当线圈存在分布电容C=200pF时引起电感变化可按下式计算,214,3.1自感式传感器,3.1.1自感式传感器的工作原理3.1.2变面积型自感传感器3.1.3等效电路3.1.4螺管型自感传感器3.1.5测量电路3.1.6自感式传感器的零位残余电压,215,3.1.4螺管型自感传感器,螺管型自感传感器由线圈、衔铁和磁性套筒组成。随着衔铁插入线圈深度的不同将引起线圈漏磁路径中磁阻变化，从而使线圈的电感发生变化。,216,3.1.4螺管型自感传感器,螺管型自感传感器属大气隙型传感器。磁通由沿轴向贯穿整个线圈后闭合的主磁通fm和经过圆柱形磁心侧面气隙闭合的侧磁通fs(又称漏磁通)两部分组成。因气隙较大，故磁性材料的磁阻可忽略不计。,217,3.1.4螺管型自感传感器,(1)主磁通设衔铁处于图示位置。这时，线圈电流I产生的主磁通和主磁链分别为,式中R为磁通作用半径。,218,3.1.4螺管型自感传感器,磁通作用半径R由磁心半径ra和端部空气隙d=l-la的大小决定，R=(1+a)ra，a为修正系数，可由图示曲线查得。,d=l-la,219,3.1.4螺管型自感传感器,(2)侧磁通侧磁通fs通过衔铁侧面与线圈交链。交链部分只是衔铁侧面遮盖部分的线圈。在线圈的轴向不同位置处，磁动势INx是不同的，且交链到的线圈匝数也不一样。离线圈端面x处的磁动势为,根据两同心圆柱面磁极间的磁导计算公式，可得半径为ra的衔铁与内径为D的磁性套筒间的比磁导(单位长度的磁导)为,220,3.1.4螺管型自感传感器,于是，微分单元磁导为ldx，x处的微分单元磁通为dfx=Fxldx。此微分单元磁通交链的线圈匝数为Nx=Nx/l，故微分单元磁链为,整个线圈的侧磁链为,221,3.1.4螺管型自感传感器,总磁链为,由此可得线圈的电感为,由于传感器轴向气隙较大，存在磁通边缘效应，故可认为在衔铁移动的一定范围内主磁通近似不变，即街铁位移仅引起侧磁通变化。传感器的灵敏度为,式中，Ls=Ys/I=N2lla3/(3l2)，为侧磁链引起的电感。,222,3.1.4螺管型自感传感器,螺管式自感传感器与前两种传感器相比有以下特点(1)由于空气隙大，磁路磁阻大，故灵敏度较前两种低，欲提高灵敏度，可提高ra/r、la/l及增加匝数，但前者受结构与非线性限制，后者受稳定性限制。(2)从磁通分布看，只要满足主磁通不变与线圈绕组排列均匀的条件，可望得到较大的线性范围。,223,3.1.4螺管型自感传感器,224,3.1自感式传感器,3.1.1自感式传感器的工作原理3.1.2变面积型自感传感器3.1.3等效电路3.1.4螺管型自感传感器3.1.5测量电路3.1.6自感式传感器的零位残余电压,225,3.1.5测量电路,1.变压器电桥Z1、Z2为差动传感器两线圈的阻抗，另两臂为电源变压器次级线圈。输出空载电压为,226,3.1.5测量电路,初始时电桥处于平衡状态，Z1=Z2=Z0，输出为零。当铁心偏离平衡位置时，Z1=Z0+DZ，Z2=Z0-DZ，则,当传感器铁心的移动方向改变时，输出电压的相位随之反相，由此可判别衔铁移动的方向。整流后的输出为,227,3.1.5测量电路,因为线圈的阻抗变化|DZ|是由于损耗电阻变化DR及感抗变化wDL引起，即,将|DZ|的表达式代入前面式子，并考虑到Q=wL/R，得,228,3.1.5测量电路,当Q值选得很高时，式(3.23)可写成下式,变压器电桥使用元件少，输出阻抗小(变压器次级线圈的阻抗可忽略，输出阻抗为传感器两线圈阻抗的并联)，因而获得了广泛应用。,229,3.1.5测量电路,特性曲线如图所示。,230,3.1.5测量电路,2.调幅电路传感器电感L与一个固定电容C和一个变压器T串联在一起，接入外接电源U后，变压器的二次线圈将有电压Uo输出，输出电压的频率将与电源频率相同，幅度随L变化。,这种电路灵敏度很高，但线性较差。,231,3.1.5测量电路,3.调频电路一般是把传感器电感L和一个固定电容C接入一个振荡回路中。图中G表示振荡回路，其振荡频率为,当L变化时，振荡频率随之变化，根据f的大小即可测出被测量之值。,232,3.1.5测量电路,当L有了微小改变DL后，频率变化Df为,由于f和L之间存在严重非线性关系，要求后续电路作适当处理。调频电路只有在f较大的情况下才能达到较高精度。,233,3.1.5测量电路,4.调相电路左图是一个相位电桥，一臂为传感器L，另一臂为固定电阻R。设计时，使电感线圈具有高的品质因数，忽略其损耗电阻，线圈可看作一个纯电感。则电感线圈上的压降向量与固定电阻上的压降向量互相垂直，如右图所示。,234,3.1.5测量电路,当L改变时，的值随之变化，C点的轨迹是以AB为直径的半圆，连接OC，则向量OC为调相电路输出电压，显然OC幅值是不变的，而其相位为,j与L之间的关系如下图所示。可得,235,3.1自感式传感器,3.1.1自感式传感器的工作原理3.1.2变面积型自感传感器3.1.3等效电路3.1.4螺管型自感传感器3.1.5测量电路3.1.6自感式传感器的零位残余电压,236,3.1.6自感式传感器的零位残余电压,当电感传感器的衔铁位于初始平衡位置时，测量电桥的输出理论上应为零，但实际上总存在零位不平衡电压输出，从而造成零位误差。这个零位时输出的最小电压称作零位残余电压，并用e0表示。,237,自感式传感器的零位残余电压,x,V,e0,零位残余电压,0,238,3.1.6自感式传感器的零位残余电压,左图是从示波器上观察到的零位残余电压的波形，是由很多幅值和频率互不相同的谐波组成的。基波包括与电源电压同相的同相分量及与电源电压正交的正交分量(通常是主要的)。高次谐波中主要有偶次谐波和三次谐波。另外还有幅值较小的外界电磁干扰波。,239,零位残余电压的影响,1、零位误差；2、灵敏度、线性下降；3、误动作；4、放大器饱和。,240,3.1.6自感式传感器的零位残余电压,1.产生零位残余电压的原因差动式电感传感器的电气参数及结构尺寸不可能完全对称；传感器具有铁损，即磁化曲线的非线性；电源电压中含有高次谐波；线圈具有寄生电容，线圈与外壳、铁心间有分布电容。,241,3.1.6自感式传感器的零位残余电压,2.减小零位残余电压的措施衔铁、骨架等零件应保证足够的加工精度，两线圈绕制要一致，必要时可选配线圈。保证电、磁、几何对称。减小电源中谐波成分。减小电感传感器的励磁电流，使之工作在磁化曲线的线性段。注意利用外壳进行电磁屏蔽。采用电路措施来减小零位电压。,242,3.1.6自感式传感器的零位残余电压,3.补偿电路如图所示，串联电阻Ra用来消除基波同相分量；并联电阻Rb用来消除高次谐波分量；并联电容C用来消除基波正交分量或高次谐波分量。为了制造与调节方便，可在c、d间加接一电位器Rw，利用Rw与Ra的差值对基波正交分量进行补偿。,243,3.1.6自感式传感器的零位残余电压,如图所示是一种实际补偿电路。,c,d,Rw,244,3.1.6自感式传感器的零位残余电压,另一种有效的方法是采用外接测量电路来减小零位电压。如相敏检波电路，它能有效地消除基波正交分量与偶次谐波分量，减小奇次诣波分量，使传感器零位电压减至极小。此外还可采用磁路调节机构(如可调端盖)保证磁路的对称性，来减小零位电压。,245,3.1自感式传感器,3.1.1自感式传感器的工作原理3.1.2变面积型自感传感器3.1.3等效电路3.1.4螺管型自感传感器3.1.5测量电路3.1.6自感式传感器的零位残余电压,246,第3章电感式传感器,3.1自感式传感器3.2差动变压器式传感器3.3电涡流式传感器3.4压磁式传感器3.5应用举例,247,3.2差动变压器式传感器,3.2.1结构与工作原理3.2.2螺管型差动变压器3.2.3测量电路,248,3.2.1结构与工作原理,差动变压器式传感器是一种常用的互感式传感器，其初、次级线圈互感随衔铁位移变化而变化。和一般变压器不同的是：后者一般为闭合磁路，前者一般为开磁路；后者初、次级间的互感为常数，前者初、次级间的互感随衔铁移动而变；两个次级绕组反向串接按差动方式工作，因此又称为差动变压器。,249,3.2.1结构与工作原理,差动变压器式传感器类型变气隙型。灵敏度较高，但测量范围小，一般用于测量几m到几百m的位移。,250,3.2.1结构与工作原理,变面积型。一般可分辨零点几角秒以下的微小角位移，线性范围达10。,251,3.2.1结构与工作原理,螺管型。可测量几mm到1m的位移，但灵敏度稍低。其示值范围大，自由行程可任意安排、制造装配也较方便。,252,3.2差动变压器式传感器,3.2.1结构与工作原理3.2.2螺管型差动变压器3.2.3测量电路,253,254,差动变压器,255,256,257,3.2.2螺管型差动变压器,1.结构特点螺管型差动变压器结构形式虽有多种，但不外乎包括线圈组件、铁心和衔铁三部分。铁心的作用是提供闭合回路、磁屏蔽和机械保护。活动衔铁和铁心用同种材料制造，通常选用电阻率大、导磁率高、饱和磁感应强度大的材料。,258,3.2.2螺管型差动变压器,线圈组件由初、次级线圈和骨架组成。线圈通常用高强度漆包线密绕而成。根据一次、二次线圈排列形式不同，有一节式、二节式、三节式、四节式和五节式等形式。常用的是二节式和三节式。骨架通常采用圆柱形，对其材料的要求是：高频损耗小、抗潮湿、温度膨胀系数小。,259,3.2.2螺管型差动变压器,2.输出特性分析(1)等效电路为便于研究差动变压器的灵敏度、温度特性、频率特性等，可忽略铁损、导磁体磁阻和线圈间寄生电容，得等效电路如图所示。,260,3.2.2螺管型差动变压器,次级回路的输出开路电压为,即,令tp=L1/R1，代入上式可得差动变压器的输出特性为,261,3.2.2螺管型差动变压器,(1)铁心处于中间位置时，Ma=Mb=M0，则Uo=0。(2)铁心上升时，Ma=M0+DM，Mb=M0-DM，得,(3)铁心下降时，Ma=M0-DM，Mb=M0+DM，得,262,3.2.2螺管型差动变压器,输出电压还可以写成,式中，Uo0为铁心处于中间平衡位置时单个次级线圈的感应电势。,263,264,3.2.2螺管型差动变压器,要提高灵敏度可从以下几个途径着手提高线圈的品质因数，为此可增大差动变压器的尺寸，一般线圈长度为直径的1.52.0倍为恰当。选择较高的激励频率。增大铁心直径，使其接近线圈架内径，但不触及线圈架。铁心尽量采用导磁率高、铁损小、涡流损耗小的材料。在不使初级线圈发热的条件下，应尽量提高激励电压。,(2)灵敏度,265,3.2.2螺管型差动变压器,(3)频率特性根据式(3.32),当激励频率很低时，wL1R1时，灵敏度与频率无关，是一个常数。即,当w继续增加到某一数值(此值和铁心的材料有关)，由于趋肤效应和铁损使灵敏度下降。通常差动变压器的激励频率取50Hz10kHz较为适当。,267,3.2.2螺管型差动变压器,例3.2试分析下图所示差动变压器零点残余电压U0补偿电路原理，并画出向量图。,268,3.2.2螺管型差动变压器,解补偿前，设|e21|e22|，并且e21超前e22的相角为q，此时可采用如图所示的补偿方法，在e21回路中串联电位器R与电容C来调节。,269,3.2.2螺管型差动变压器,补偿前，零点残余电压U0如图所示。,加入补偿电阻R、补偿电容C后，电阻上电压eR与电容上电压eC的矢量和为e21，如图所示。,270,3.2.2螺管型差动变压器,图中，S点在以e21为直径的半圆上。调节R，可改变S点的位置，但始终有eR垂直于eC。,271,3.2.2螺管型差动变压器,以-e22为半径画一圆，与上述半圆必定有一交点。调节R，总可以使S点与上述交点重合，此时，|eC|=|e22|，即使eC与e22之间有相位差，也远远小于q，eC与-e22的矢量和也远远小于U0。若eC与e22之间的相位差正好为零，则零点残余电压完全消除。,也可使S点在-e22的反向延长线上,272,3.2差动变压器式传感器,3.2.1结构与工作原理3.2.2螺管型差动变压器3.2.3测量电路,273,3.2.3测量电路,1.差动整流电路这种电路是把差动变压器的两个线圈电压分别整流，然后将它们整流后的电压或电流的差值作为输出。这种电路简单，不需要参考电压，不用考虑相位调整和零位电压的影响，对感应电容和分布电容影响不敏感。此外，由于经差动整流后变成直流输出，便于远距离输送，因此应用广泛。,274,3.2.3测量电路,275,3.2.3测量电路,+,-,+,-,+,-,-,+,276,3.2.3测量电路,2.差动相敏检波电路相敏检波电路要求：参考电压与差动变压器次级输出电压频率相同；相位相同或相反，因此常需接入移相电路；为了提高检波效率，参考电压的幅值常取为信号电压的35倍。对于测量小位移的差动变压器，若输出信号过小，电路中可接入放大器。若正位移时参考电压与差动变压器次级输出电压相位相同，则负位移时相位相反。两种情况下，电流方向相反，所以可判别位移方向。,277,3.2.3测量电路,二极管相敏检波电路如图所示。u1为差动变压器输出电压，u2为与u1同频的参考电压。且u2u1，它们作用于相敏检波电路的两个变压器B1和B2。u1与u2同相时，B