第3章 电参量检测装置.ppt

主要内容,3.1,3.2,3.3,电阻式传感器,电容式传感器,电感式传感器,3.1电阻式传感器,电阻式传感器组成,电阻式传感器分类电阻应变式、压阻式、热阻式、光敏电阻式、磁敏电阻等。,一、应变式传感器,电阻应变式传感器定义它是利用弹性敏感元件将被测量转变为其应变,再通过粘贴在其上的电阻应变片将应变转换为电阻变化，最后通过测量电路（电桥）转换为输出电压的装置。,应变片：利用金属丝的电阻应变效应或半导体的压阻效应制成的一种转换传感元件。,分类：电阻丝应变片和半导体应变片。,1、电阻丝的应变效应,金属丝受拉时，l变长、r变小，导致R变大。,金属丝沿轴向受到拉伸或压缩，其阻值增大或减小，此现象为电阻应变效应。电阻变化（应变）与伸长量的关系？,图3-1电阻丝的应变效应,1.电阻丝的应变效应,设有一长度为、截面积为S、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R可表示为当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时，上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。例如金属丝受拉时，l将变长、r变小，均导致R变大；又如，某些半导体受拉时，将变大，导致R变大。,实验证明，电阻丝及应变片的电阻相对变化量RR与材料力学中的轴向应变的关系在很大范围内是线性的，即,对于不同的金属材料，K略微不同，一般为2左右。而对半导体材料而言，由于其感受到应变时，电阻率会产生很大的变化，所以灵敏度比金属材料大几十倍。,在材料力学中，称为电阻丝的轴向应变，也称纵向应变，是量纲为1的数。通常很小，常用10-6表示之。例如，当为0.000001时，在工程中常表示为110-6或m/m。在应变测量中，也常将之称为微应变()。对金属材料而言，当它受力之后所产生的轴向应变最好不要大于110-3，即1000m/m，否则有可能超过材料的极限强度而导致断裂。,应变片用于测量力F的计算公式,由材料力学可知，=F/（SE），所以R/R又可表示为如果应变片的灵敏度K和试件的横截面积A以及弹性模量均为已知，则只要设法测出R/R的数值，即可获知试件受力的大小，例如可用于电子秤的称重。,2、电阻丝应变片的结构与类型,图3-2电阻丝应变片结构,（1）结构,箔式应变片的外形,敏感栅感受应变，并将应变转换为电阻的变化。,基底绝缘及传递应变。由纸薄、胶质膜等制成。,粘结剂敏感栅与基底、基底与试件、基底与覆盖层之间的粘结。,覆盖层保护作用。防湿、蚀、尘。,引线（低阻易焊）连接电阻丝与测量电路，输出电参量。,应变片的使用面积和阻值表示其规格。如（310）mm2，120。,根据制栅工艺的不同分为丝式、箔式和薄膜式。丝式制作：粘贴工艺。箔式制作工艺：照相制版或光刻技术。薄膜式制作工艺：真空蒸发或真空沉积。应变片的选择根据测量精度、允许工作电流、散热、体积、是否批量等要求查手册选择。,（2）电阻丝应变片的种类,图3-3箔式电阻丝应变片结构,应变片的粘贴：1.去污：采用手持砂轮工具除去构件表面的油污、漆、锈斑等，并用细纱布交叉打磨出细纹以增加粘贴力，用浸有酒精或丙酮的纱布片或脱脂棉球擦洗。,2.贴片：在应变片的表面和处理过的粘贴表面上，各涂一层均匀的粘贴胶，用镊子将应变片放上去，并调好位置，然后盖上塑料薄膜，用手指揉和滚压，排出下面的气泡。,3.测量：从分开的端子处，预先用万用表测量应变片的电阻，发现端子折断和坏的应变片。,4.焊接：将引线和端子用烙铁焊接起来，注意不要把端子扯断。,5.固定：焊接后用胶布将引线和被测对象固定在一起，防止损坏引线和应变片。,3、电阻应变片的特性,（1）应变片的灵敏系数K,=0,285钢件,确定方法：实验测定,确定过程：,应变片,F,F,应力仪测出X,电位差计测R/R,图3-4应变片K确定方法,敏感栅是由n条直线段和（n1）个半径为r的半圆组成,若该应变片承受轴向应力而产生纵向拉应变x时,则各直线段的电阻将增加,但在半圆弧段则受到从+x到x之间变化的应变。即从拉应变过渡到压应变。,（2）横向效应,定性分析,图3-5应变片的轴向受力与横向效应,a点：只有X。b点：既有X，又有Y。c点：只有Y。,圆弧段横向收缩引起阻值减小量对轴向伸长引起阻值增加量起着抵消作用。因而同样应变阻值变化减小，K值减小，此现象为横向效应。,减小横向效应加长敏感栅纵栅，加宽缩短横栅，消除圆弧。箔式和薄膜式应变片横向效应可忽略。,定量分析应变片置于二维应力场，即有，又有。,（3-9）,4、应变片的温度误差及补偿（1）温度误差由于测量现场环境温度的改变而给测量带来的附加误差,称为应变片的温度误差。,产因之一:电阻丝温度系数的影响,（3-10）,产因之二:试件材料与电阻丝材料的线膨胀系数的影响,（3-11）,（3-12）,（3-13）,（3-15）,（3-14）,（3-16）,（3-17）,（2）温度补偿,方法一:应变片的自补偿法,特种应变片T0T=0,电阻丝材料与被测材料配合恰当。,选择式应变片的自补偿法,（3-18）,两段敏感栅的电阻大小选择,双金属敏感栅自补偿应变片,（3-19）,R1,R2,图3-6双金属敏感栅自补偿,方法二:桥路补偿法补偿原理：桥路相临两臂增加相同电阻，对电桥输出无影响。,电桥输出,U0=A（R1R4RBR3）,温度补偿条件是什么？,（2-20）,电桥输出Uo=A（R1+R1t）R4(RB+RBt)R3=0,电桥输出电压为Uo=AR1R4KUo与成单值函数关系。与温度变化无关。结论：单臂桥加补偿片可实现温度补偿。,应变输出R1=R1K,（2-21）,金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。例如，有一金属箔式应变片，标称阻值R0为100，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=21011N/m2，所受拉力F=0.2t，受拉后应变片的阻值R的变化量仅为0.2，所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。下面分析该桥式测量转换电路是如何将R/R转换为输出电压Uo的。,5、电阻应变片的测量电路,图3-8不平衡直流电桥,U0=？等臂电桥四个桥臂均为应变片，感受应变。U0=？,（3-22）,四个臂为应变片工作时，其电阻变化R,（1）不平衡电桥电路的输出,（3-23）,当RiR(i=1,2,3,4)时，略去上式中的高阶微量,（3-24）,单臂电桥,R1,F,U0,R1R1,R4,R3,U,R2,图3-10单臂电桥,图3-9悬臂梁应变,（3-25）,半桥差动电桥,图3-11差动直流电桥,（3-26）,R2R2,R4R4,全桥差动电路,图3-12全桥差动电路,（3-27）,调节RP，最终可以使R1/R2=R4/R3（R1、R2是R1、R2并联RP后的等效电阻），电桥趋于平衡，Uo被预调到零位，这一过程称为调零。图中的R5是用于减小调节范围的限流电阻。,结论：Ri1.387。,使用场合:不宜在还原性介质中使用。,（3-48）,（2）铜热电阻,测量范围为-50+150。热电特性为：,Rt=R0（1+t）,Cu50(R0=50)和Cu100（R0=100）。,分度号,不宜在氧化性介质中使用。适于在无水分及侵蚀性介质的温度测量。,使用场合,（3-49）,（3）热电阻的结构,图3-19热电阻结构图,图3-19（a）铜热电阻结构图,图3-19（b）铂热电阻结构图,利用半导体材料的电阻率随温度变化而变化的性质而制成的温度敏感元件。,定义,随着温度的升高，一方面，半导体的价电子受热激发跃迁到较高的能级产生新的电子空穴对，使载流子数增加，电阻率减小；另外一方面，半导体材料的载流子的平均运动速度升高，阻碍载流子定向运动能力增强，电阻率增大。,工作机理,2、热敏电阻,半导体热敏电阻主要类型,正温度系数热敏电阻PTC和负温度系数热敏电阻NTC。,主要用于控温、保护等场合。如半导体器件的过热保护。电机、变压器、音响设备的安全保护等。,PTC的应用场合,NTC热敏电阻主要用于测温和温度补偿。,NTC的应用场合,RT=R0eB(1/T1/T0),（1）热电特性（RTT）,T=373.15K(100)，T0=293.15K(20)R20、R100已知，计算B,材料常数B的确定,温度灵敏度的确定,（3-50）,（3-51）,（3-52）,不同型号的热敏电阻B值不同，它反映T0与T温度之间电阻值变化大小。,（2）热敏电阻的伏安特性,图3-20热敏电阻的伏安特性,工业用铂电阻采用三线制测量电路和四线制测量电路。,3、热电阻传感器的应用（1）金属热电阻传感器,温度测量，测量电路采用电桥电路。,图3-21三线制测量电路,三线制补偿原理电桥的相临两个桥臂增加了相同导线电阻，差动输出后，可消除导线电阻的影响。,输出电压,（3-53）,图3-22四线制测量电路,四线制补偿原理,当实际温度低于设定温度时，热敏电阻阻值较大，VT1的基射极间的电压大于导通电压，TV1导通，VT2也导通，继电器J线圈得电，其常开触点J1吸合，电热丝加热。发光二极管发光，指示电路处于加热状态。当实际温度高于设定温度时，热敏电阻阻值较小，VT1的基射极间的电压小于导通电压，TV1截止，VT2也截止，继电器J1线圈失电，其常开触点J1断开，电热丝断电。小温度范围的温度控制。,（2）热敏电阻传感器,温度控制,图3-25温度控制器,将负温度系数的热敏电阻与小阻值锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联。,温度补偿,补偿原理,温度变化T，零件阻值变化R1，热敏电阻并联电路阻值变化R2，合理选择电路参数，使,补偿方法,锰铜丝电阻,R2,R1,被补偿元件,RT,图3-26温度补偿电路,当光敏电阻受到光照时，阻值减小。,四、光敏电阻,光敏电阻演示,当光敏电阻受到光照时，光生电子空穴对增加，阻值减小，电流增大。,暗电流（越小越好）,、光敏电阻的结构与工作原理,光敏电阻的结构,图3-27光敏电阻的电极图案,光照射到本征半导体上，材料中的价带电子吸收了光子能量跃迁到导带，激发出电子、空穴对，增强了导电性能，使阻值降低。光照停止，电子空穴对又复合，阻值恢复。,图3-28光敏电阻工作原理图,工作原理,、光敏电阻的主要参数和基本特性,（2）基本特性伏安特性一定光照，R一定，I正比于U。一定电压，I随着光照E增强而增大。ERI。,（1）主要参数,图3-29光敏电阻的伏安特性,光照特性（IE）光敏电阻的光照特性为非线性，不宜作检测元件，主要用于自动控制中。如光照度计：农作物日照时数测定。,图3-30光敏电阻的光照特性,无光照V0=VL。有光照V0=VH。输出接单片机的I/O口，每2分钟对此口查询1次，为高电平，计数一次，为低电平，不计数。1天查询720次。,图3-31光敏电阻的应用,图3-32光敏电阻的光谱特性,光谱特性（Kr%）,光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性。亦称为光谱响应。,不同材料，其峰值波长不同。同一种材料，对不同波长的入射光，其相对灵敏度不同，响应电流不同。应根据光源的性质，选择合适的光电元件，使光电元件得到较高得相对灵敏度。,频率特性光敏电阻受到（调制）交变光作用，光电流与频率的关系。反映光敏电阻的响应速度。,3-33调制原理图,转盘,3-34光敏电阻的频率特性,3-35光敏电阻的温度特性,3-36光敏电阻的光谱温度特性,电感式传感器的工作基础：电磁感应即利用线圈自感或互感的改变来实现非电量测量,按转换原理分为自感式、互感式、电涡流式等特点：工作可靠、寿命长灵敏度高，分辨力高精度高、线性好性能稳定、重复性好,a)变间隙式气隙型b)变面积式截c)螺管式螺管型3-37自感式传感器原理图,一、自感式传感器,1、原理,线圈、铁芯和衔铁三部分组成,气隙变小，电感变大，电流变小,当铁心的气隙较大时，磁路的磁阻Rm也较大，线圈的电感量L和感抗XL较小，所以电流I较大。当铁心闭合时，磁阻变小、电感变大，电流减小。,原理式的推导,铁心的结构和材料确定后，自感是气隙厚度和气隙截面积的函数。,螺管式电感传感器建立在磁路磁阻随着衔铁插入深度不同而变化的基础上。,2、变气隙式自感传感器灵敏度,气隙的磁阻远大于铁芯和衔铁的磁阻,当衔铁上移时,传感器气隙减小,即=0,则此时输出电感为L=L0+L,（1）简单变气隙式自感传感器灵敏度,线圈的电感为,3-38变间隙式电感传感器L-特性,当/0。当位移x0,不论u2与uS是正半周还是负半周，负载RL两端得到的电压u0始终为正。,当x0时,u2与uS为同频反相。不论u2与uS是正半周还是负半周,负载电阻RL两端得到的输出电压u0表达式总是为,相敏检波器输出电压的变化规律不仅反映了位移变化的大小，而且反映了位移的方向。,结论：位移XC2C1充电速度慢于C2充电速度，UA持续时间长于UB的持续时间。,图3-82脉宽调制电路电压波形,C1充电时，零状态响应,输出电压的推导,对变间隙传感器,对变面积电容传感器,结论,2、转换效率高直流供电,经过低通滤波器就有较大的直流输出,且调宽频率的变化对输出没有影响。,1、适用于变极板距离以及变面积式差动式电容传感器,并具有线性特性。,四、电容式传感器的应用,一、电容式液位计,棒状电极（金属管）外面包裹聚四氟乙烯套管，当被测液体的液面上升时，引起棒状电极与导电液体之间的电容变大。,聚四氟乙烯外套,电容式液位限位传感器,液位限位传感器与液位变送器的区别在于：它不给出模拟量，而是给出开关量。当液位到达设定值时，它输出低电平。但也可以选择输出为高电平的型号。,液位限位传感器的设定,智能化液位传感器的设定方法十分简单：用手指压住设定按钮，当液位达到设定值时，放开按钮，智能仪器就记住该设定。正常使用时，当水位高于该点后，即可发出报警信号和控制信号。,设定按钮,电容式接近开关,接近开关又称无触点行程开关。它能在一定的距离（几毫米至几十毫米）内检测有无物体靠近。当物体与其接近到设定距离时，就可以发出“动作”信号。,电容式接近开关,被检测物体可以是导电体、介质损耗较大的绝缘体、含水的物体（例如饲料、人体等）；可以是接地的，也可以是不接地的。调节接近开关尾部的灵敏度调节电位器，可以根据被测物不同来改变动作距离。,电容式接近开关在物位测量控制中的使用演示,3-83电容式差压传感器,1、电容式差压传感器,压力差使膜片变形产生位移时，两个电容器电容量发生变化。,配合差动变压器电桥或脉冲调宽电路,1、结构,传感器上下两个极板与金属板上下表面间构成电容传感器。,图3-84差动电容测厚传感器