阻抗型传感器ppt课件

第4章阻抗传感器，理解阻抗传感器的常见类型，理解常见阻抗传感器的基本工作原理，掌握常见阻抗传感器的测量电路，基本要求：4.1电阻传感器，转换测量的物理量如位移、变形、力、加速度、湿度、温度等的装置。变成电阻值。嘿。4.1.1电位计传感器，利用电位计作为传感元件可制成电位计传感器，可测量线性位移或角位移；它还可以测量所有可以转换成位移的物理参数，如压力、加速度等。电位计传感器由两个基本部分组成：电阻元件和电刷(活动触点)。电位计型传感器，1。构图原理，2。使用电位计作为变阻器，3。使用电位计作为变压器，4。使用电位计作为变压器，和4。电位计的分类和特性。电位计的分类，根据输出-输入特性，根据结构形式，5。线性电位计、非线性电位计、线绕式-广泛用于传感器，而薄膜式-具有更高的精度和线性特性。光电式-无摩擦和磨损，高分辨率，优点：精度、寿命、分辨率、高可靠性、宽电阻范围、缺点：温度范围窄、输出电流小、输出阻抗高、结构复杂、体积和重量大，3，投入产出特性，1。线性特性线性电位计假设全长电位计的电阻为，且电阻沿长度均匀分布，则当电刷从a移动到b时，如果变阻器为变阻器类型，如果分压类型为，则为2。非线性特性非线性电位计，例如，电位计式位移传感器和接线图如图所示。变阻器的有效长度为L，总电阻r，读数计电阻R1，可动触点位置x=1/5。问：抄表的指示值是多少？电位计传感器的应用，通常用于测量位移、压力、加速度等。案例：玩具机器人，原理直接将关节驱动电机旋转角度的变化转化为电阻阻值的变化，总结，4.1.2电阻应变传感器-应变仪，利用电阻应变仪将应变转化为电阻变化传感器。电阻应变仪是电阻应变传感器的传感元件，简称应变仪。一种应变仪是金属导体材料，另一种是半导体材料。其工作原理是基于金属导体的应变效应或半导体材料的压阻效应。应变效应：当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值会随着机械变形(伸长或缩短)的变化而变化。压阻效应：一种物理现象，其中半导体的电阻率在受到压力时会发生变化。(1)导电材料的应变电阻效应，(2)轴向线应变，(1)金属材料的应变电阻效应，金属材料电阻的相对变化与线成正比，(2)半导体材料的应变压阻效应，其中：压阻系数；作用在材料上的轴向应力；e:半导体材料的弹性模量，半导体材料电阻的相对变化与线成正比，以及(3)导线材料的应变电阻效应，金属、半导体和金属导线材料的应变电阻效应主要是基于结构尺寸的变化，Km=1.84.8，半导体材料的应变电阻效应主要是基于压阻效应，2)电阻应变计，1)组合结构，敏感栅(金属线):是应变计中实现应变-电阻转换的敏感元件。基底：为了保持敏感栅格的固定形状、尺寸和位置，通过粘合剂将其固定在基底上。引线：在敏感栅极和测量电路之间起连接作用。覆盖层：覆盖敏感栅极的保护层。粘合剂：使用粘合剂将盖板、感光格栅和基底牢固粘合在一起。(1)金属线应变仪：传感栅由直径为0.015mm 0.05mm的金属线缠绕而成。(2)金属箔应变仪：通过光刻金属箔将敏感栅刻蚀成栅状，具有横向效应小、精度高、散热好、灵敏度高，易于实现工业化生产。这是一种很有前途的新型应变仪。实际使用中的主要问题是仍然难以控制其电阻与温度和时间之间的关系。安装时，将应变片粘贴在被测件表面(应变片的轴向应与测得的应变方向一致)，并将应变片粘贴在弹性元件上，与弹性元件一起构成应变传感器。应变片的灵敏度系数，应变片电阻的相对变化与应变片安装在试件表面区域的轴向应变之比，应变片的灵敏度系数k小于制作应变片的应变电阻材料的灵敏度系数K0，主要原因是横向效应的存在。敏感网格通常呈网格状，由轴向纵向网格和弧形横向网格组成。当试样受到单向应力时，表面处于平面应变状态，即轴向(拉伸)应变x和横向(收缩)应变 y，纵向网格主要感测轴向应变x(纵向网格被拉伸)，横向网格主要感测横向应变y(横向网格被压缩)，从而使应变片的总电阻变化为：式中：kx:轴向灵敏度系数，ky横向灵敏度系数，H=ky/kx，双向应变灵敏度系数比，称为横向效应系数，=y/x，双向应变比(横向应变与轴向应变之比)，实验表明，y/x=-00双向应变比系数，其中k=kx(1-0H)，3。测量电路、测量过程、电压或电流的变化并显示和记录，1。直流电桥，(1)平衡电桥，R1、R2、R3和R4是桥臂电阻，RL是负载电阻。当R1，电桥的输出电压为，当电桥平衡时，Uo=0，则有，R1R4=R2R3，或，结论：为了平衡电桥，其相邻两臂的电阻之比应相等，或相对两臂的电阻之积应相等。(2)不平衡电桥。在初始状态下，电桥是平衡的，没有输出电压。当电桥工作时，电桥失去平衡，并有一个输出电压，这是一个不平衡的电桥。因此输出电压为：忽略二阶曲线，近似为非线性误差：a)单臂操作电桥，设置R2=R3=R4=r0，R1=r0R，如果R0R，则：电桥的灵敏度为：非线性误差：b)双臂工作电桥，如果R3=R4=r0，则：非线性误差：电桥的灵敏度为：C)四臂工作电桥(全差动等臂电桥)，电桥的灵敏度为：非线性误差：结论：电桥法与电桥灵敏度的关系：s半桥单臂：s半桥双臂：s全桥=1: 2: 4电桥连接的常规电阻变化符号相反，并连接到相邻臂中具有相同电阻变化符号的对侧臂，2.交流电桥，交流电桥的结构与DC电桥相同，但电源电压为交流电压，桥臂用阻抗表示，即电桥输出连接到高阻抗放大器，电桥输出被视为开路。(1)单应变片操作：一个工作应变片连接到电桥的一个臂上，另外三个臂连接到固定电阻上。R2=R3=R4=r0，R1是工作应变仪，输出为：(2)双应变片工作：为了减少和克服非线性误差，采用差动电桥，在试件上安装两个工作应变片，一个拉伸应变片和一个压缩应变片，并连接到电桥的相邻桥臂上。R3=R4=r0，R1和R2是工作应变仪，输出为：(4)四个应变计工作：如果桥的四个臂连接到四个应变计，即两个拉伸应变和两个压缩应变，则两个应变符号相同并连接到相对的桥臂，R1、R4被拉动，R2、R3被按压，即输出：嘿。4.温度误差及其补偿。1.温度误差的原因，1。应变仪电阻随温度变化，电阻值在Rt温度t；R0温度0度电阻值；应变仪电阻的温度系数；温度变化值，当温度变化时，应变片电阻的变化值为，线性膨胀系数当温度为0度时，长度为，线性膨胀系数分别为和。如果两者未粘贴，当温度变化时，长度分别为、和。当应变片粘贴在试件材料表面时，应变片被迫从拉伸到，导致额外的变形，即，额外的应变，导致电阻变化，温度引起的总电阻变化，对应的假应变输出：温度引起的总电阻变化，2.电阻应变片的温度补偿方法，单丝自补偿法，自补偿法，组合自补偿法，线补偿法(电桥补偿法，热敏电阻)，温度补偿法，温度补偿法，2。电阻应变计的温度补偿方法，1。电桥补偿法，2。差分电桥法，两个应变片的模型参数、环境温度和粘贴材料相同，通过将两个应变片连接到电桥的相邻两臂上，可以消除温度变化引起的测量误差。该电桥补偿方法简单方便，常温下补偿效果好。缺点：在温度变化梯度大的情况下，很难保证工件和补偿件完全处于同一温度，从而影响补偿效果。(2)应变片的自补偿方法，温度自补偿应变片是粘贴在被测零件上的一种特殊应变片。当温度变化时，产生的额外应变为零或相互抵消。a .选择性自补偿应变片b .双金属传感网格自补偿应变片，5.电阻应变传感器的应用1)在被测部件上粘贴应变片，以直接测量部件的应力或应变。例如，为了研究或验证诸如机械、桥梁和建筑物的一些部件在工作条件下的应力和变形，应变仪被应用于部件的预测部分，以测量部件的拉伸应力、压缩应力、扭矩或弯曲力矩。应变仪粘贴在弹性元件上，并与弹性元件一起形成应变传感器。它通常用于测量力、位移、压力和加速度等物理参数。在这种情况下，弹性元件获得与测量应变成比例的应变，然后通过应变仪将其转换成电阻变化并输出。当被测物体产生位移时，悬臂梁产生等位移的挠度，应变片产生相应的应变。在小挠度的情况下，挠度与应变成正比。根据电子秤的原理，通过悬臂梁转换结构将物品的重量转换成电量，然后通过应变片转换成电量输出。电阻温度传感器是利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。1)金属热阻-热阻2)半导体热阻-热阻，1)热阻，1)热阻材料的特性，(1)高温度系数和高电阻率，(2)在宽测量范围内稳定的物理和化学性质，(3)良好的输出特性，(4)良好的可制造性，在室温和0的R0温度下的电阻；A=3.94010-2/B=-2.13310-7/;C=1.23310-9/(2)在高温氧化介质中性能稳定；(3)输出接近线性；(4)测量精度高。-50150，型号1:精确计算，模型2:简单计算，常用二项式计算，两个热敏电阻，1。热敏电阻、金属氧化物的结构和特性：钴、锰、镍等氧化物。通过在高温下以不同的比例烧结来制备。优点：(1)结构简单，体积小，可测量点温度；(2)电阻温度系数大，灵敏度高(10倍)；(3)电阻率高，热惯性小，适合动态测量。(1)1)NTC的电阻-温度特性，(B:热敏电阻的材料常数，也称为热敏性试着确定介质的温度。4.2电容式传感器，1。基本工作原理，1。平板电容器，2。同轴圆筒，2。可变间隙型电容传感器，将板面积设置为S，初始：向上移动板，1。单型、单型变极距型电容传感器灵敏度：1。差动式，上下电容器的初始电容相等：向上移动极板，差动电容公式：灵敏度，(3)可变面积电容传感器，(1)初始，(2)移动后，(3)电容因位移而变化，(4)其灵敏度为，(4)可变介电常数电容传感器主要用于测量介电厚度、位移、液位等。在静态下，极板被设置为在极板之间具有空气的长度、宽度、间距和介电常数。有一种固体介质，其长度、宽度和厚度分别为，其相对介电常数为，开始时，固体介质居中，则电容为：当介质()块向右移动时，so:类似地，so，结论：电容传感器的灵敏度系数为常数，即输出和输入呈线性关系。测量电路，1。比例运算电路，适用于单变极距电容传感器，适用于变面积电容传感器，适用于差动变面积电容传感器和差动变介质电容传感器，适用于差动变面积电容传感器。交流电桥，适用于电容式传感器，适用于电容式压力传感器，适用于以预紧力作为压力传感元件的金属膜片，适用于可变电容的活动板。电容器的两个固定板通过蒸发工艺在电弧玻璃基板上蒸发，形成传感器的两个差动电容器。智能压差/压力变送器，电容式测厚仪：测量轧制过程中金属带材的厚度，在C1和C2工作板与带材之间形成两个电容器，总电容为C=C1C2。当金属带的厚度在轧制过程中改变时，电容也会改变。这种变化可以通过检测电路反映出来，并且条带的厚度可以被转换和显示。电容式速度传感器当齿轮转动时，电容周期性变化，并由测量电路转换成脉冲信号，频率计显示的频率代表速度。如果齿数为m，频率为f，则转速为：感应传感器，4.3.2感应传感器，特点：结构简单、工作可靠、测量精度高、零点稳定、输出功率高等优点。缺点-灵敏度、线性和测量范围相互制约；传感器本身具有低频响应，不适合快速动态测量。自感传感器，1。工作原理和分类，组成：铁芯、线圈和活动铁条。当测量物理量时，当电枢随着测量的变化而移动时，铁芯和电枢之间的气隙磁阻相应地变化，导致线圈自感系数l变化。透气性，类型：1。可变间隙类型改变L改变2，可变面积类型改变L改变3，线圈插入铁类型改变L改变，第二，输入输出特性，设置初始气隙为，初始电感为，当工作时，如果电枢移动减少气隙长度，电感增加，1。可变气隙式自感知传感器，输出和输入之间的关系是非线性的。为了减小非线性误差，实际应用中通常采用微分结构。利用上述分析方法，微分电感为，2。可变面积自感知传感器在输出和输入之间具有线性关系。螺线管插入式铁型自感知传感器由螺线管线圈1、电枢3和磁性套筒2组成。单型：特点：测量范围大，数百毫米，灵敏度低