阻抗型传感器PPT演示课件

第四章阻抗型传感器,1,了解阻抗型传感器的常见类型理解常见阻抗型传感器的基本工作原理掌握常见阻抗型传感器的测量电路,基本要求：,2,4.1电阻式传感器,将被测量如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等物理量转换式成电阻值这样的一种器件。,3,4,4.1.1电位器式传感器,利用电位器为传感元件可制成电位器式传感器，可以测量线位移或角位移;还可测量一切可以转换为位移的物理量参数，如压力、加速度等。,电位器式传感器是由电阻元件及电刷(活动触点)两个基本部分组成。,5,电位器式传感器,6,一、组成原理,7,把电位器作为变阻器用，(c)图有：,把电位器作为变压器用，(d)图有：,8,二、电位计分类及特点,电位计分类,按输出-输入特性,按结构形式,线性电位计,非线性电位计,线绕式在传感器中应用较多,薄膜式具有较高的精度和线性特性,光电式无摩擦和磨损，分辨率高,9,10,优点：精度、寿命、分辨率、可靠性高、阻值范围宽,缺点：温度范围窄、输出电流小、输出阻抗较高结构复杂、体积和重量大,11,三、输入输出特性,1.线性特性线性电位器假定全长为的电位器的阻值为，电阻沿长均匀分布，则当电刷由A向B移动后，则：若变阻器式：若分压式：,12,2非线性特性非线性电位器,13,例：一电位计式位移传感器及接线图如图所示，变阻器有效长度为L，总电阻R，读数仪表电阻RL，活动触点位置x=L/5。求：读数仪表的指示值？,14,四、电位器式传感器的应用,电位器式传感器常用来测量位移、压力、加速度等。,15,电位计式压力传感器,16,案例：玩具机器人,原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化,17,总结,18,4.1.2电阻应变式传感器-应变片,利用电阻应变片将应变转换为电阻变化的传感器。电阻应变片是电阻应变式传感器中的传感元件，简称应变片。,19,20,应变片一种是金属导体材料，另一种是半导体材料。工作原理是基于金属导体的应变效应，或者是基于半导体材料的压阻效应。应变效应：金属导体在外力的作用下产生机械形变时，它的电阻值随着所受机械形变（伸长或缩短）的变化而变化的物理现象。压阻效应：半导体受到应力时，其电阻率发生变化的物理现象。,21,一、导电材料的应变电阻效应,22,轴向线应变,23,（1）金属材料的应变电阻效应,金属材料的电阻相对变化与线应变成正比,24,（2）半导体材料的应变压阻效应,其中：压阻系数；：作用于材料的轴向应力；E：半导体材料的弹性模量,半导体材料的电阻相对变化与线应成正比,25,（3）导电丝材的应变电阻效应,金属,半导体,金属丝材的应变电阻效应以结构尺寸变化为主，Km=1.84.8,半导体材料的应变电阻效应主要基于压阻效应,26,二、电阻应变片,1.组成结构,敏感栅（金属丝）：是应变片内实现应变-电阻转换的敏感元件。,基底：为了保持敏感栅固定的形状、尺寸和位置，通过粘合剂将其固定在基底上。,引线：起着敏感栅与测量电路之间的连接作用。,盖片：覆盖在敏感栅上的保护层。,粘合剂：用粘合剂将盖片、敏感栅和基底牢固地粘合在一起。,27,28,(1)金属丝式应变片：敏感栅由直径0.015mm0.05mm的金属丝绕成栅状。,29,(2)金属箔式应变片：敏感栅由金属箔经光刻腐蚀成栅状，具有横向效应小，精度高，散热好等优点。,30,(3)薄膜应变片,其厚度在0.1m以下。采用真空蒸发或真空沉积等方法，将电阻材料在基底上制成一层各种形式敏感栅而形成应变片。灵敏系数高，易实现工业化生产，是一种很有前途的新型应变片。实际使用中的主要问题，是尚难控制其电阻对温度和时间的变化关系。,31,3.安装,应变片粘贴在被测试件表面（应使应变片轴向与所测应变方向一致）将应变片贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。,32,4、应变片灵敏系数,应变片电阻相对变化与试件表面上安装应变片区域的轴向应变之比,应变片灵敏系数k小于制作应变片的应变电阻材料灵敏系数K0,主要原因就是存在横向效应。,33,横向效应,敏感栅通常是呈栅状，由轴向纵栅和圆弧横栅两部分。,试件承受单向应力时，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。,纵栅主要感受轴向应变x（纵栅受拉伸）、横栅主要感受横向应变y（横栅受压缩），从而引起应变片总电阻的变化为：,34,式中：,kx：轴向灵敏系数,ky横向灵敏系数,H=ky/kx,双向应变灵敏系数比，称为横向效应系数,=y/x,双向应变比（横向应变与轴向应变比）,实验证明：y/x=-00双向应变比系数,式中：k=kx(1-0H),35,三、测量电路,测量过程,电压或电流的变化并显示和记录,36,37,1.直流电桥,(1)平衡电桥,R1、R2、R3及R4为桥臂电阻，RL为负载电阻。,38,当RL时，电桥输出电压为,当电桥平衡时，Uo=0，则有,R1R4=R2R3,或,结论：欲使电桥平衡，其相邻两臂电阻的比值应相等，或相对两臂电阻的乘积应相等。,39,（2）非平衡电桥,初始状态时电桥平衡，没有输出电压；电桥工作时，电桥失去平衡，有输出电压，为非平衡电桥。,令,输出电压为：,40,略去二阶微量，近似为,非线性误差：,41,a)单臂工作电桥,设R2=R3=R4R0，,R1=R0R,若R0R,则：,电桥的灵敏度为：,非线性误差：,42,b)双臂工作电桥,若且R3=R4R0，则：,非线性误差：,电桥的灵敏度为：,43,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：,44,结论：,电桥接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电桥连接的规律电阻变化符号相反的连入相邻臂中电阻变化符号相同的连入相对臂中,45,2、交流电桥,交流电桥的结构与直流电桥相同，但电源电压为交流电压，桥臂用阻抗表示，即,设电桥输出接高阻抗放大器，电桥输出视为开路。,46,3.应变电桥,（1）单应变片工作：一个工作应变片接入电桥的一臂,另外三个臂接固定电阻。,R2=R3=R4R0,R1为工作应变片且,则输出为：,47,（2）双应变片工作：为减小和克服非线性误差，采用差动电桥，在试件上安装两个工作应变片，一个受拉应变，一个受压应变，接入电桥相邻桥臂.,R3=R4R0,R1，R2为工作应变片且,则输出为：,48,（4）四应变片工作：,若将电桥四臂接入四片应变片，即两个受拉应变，两个受压应变，将两个应变符号相同的接入相对桥臂上，构成全桥差动电路。,R1，R4受拉，R2，R3受压，即,则输出为：,49,四、温度误差及其补偿,1.温度误差产生原因,应变片电阻随温度变化,Rt温度t时电阻值;R0温度0度电阻值；应变片电阻的温度系数；温度变化值，,当温度变化时，应变片电阻的变化值为,50,试件材料与应变片的线膨胀系数不一致,试件和敏感栅线膨胀系数不同，环境温度的变化，敏感栅产生附加变形，产生附加电阻。,温度为0度时长度均为,线膨胀系数分别为和，若两者不粘贴，在温度改变时，则它们的长度分别为,51,当应变片粘贴到试件材料的表面后，应变片被迫从拉长到,产生附加变形为：,即附加应变为：,产生的电阻的变化为：,温度引起的总电阻变化为：,52,相应的虚假应变输出:,温度变化引起的总电阻变化,53,2.电阻应变片的温度补偿方法,单丝自补偿法自补偿法组合式自补偿法线路补偿法电桥补偿法、热敏电阻,温度补偿,54,2.电阻应变片的温度补偿方法,电桥补偿方法,55,差动电桥法,两应变片型号参数、环境温度及所粘贴材料均相同，将两应变片接入电桥的相邻两臂，就可消除温度变化引起的测量误差。,56,电桥补偿法特点,优点：简单、方便，在常温下补偿效果较好；缺点：温度变化梯度较大条件下，很难做到工作片与补偿片处于温度完全一致，影响补偿效果。,57,应变片的自补偿法,温度自补偿应变片粘贴在被测部位上的一种特殊应变片，温度变化时，产生的附加应变为零或相互抵消。a.选择式自补偿应变片b.双金属敏感栅自补偿应变片,58,五、电阻应变式传感器的应用,1）将应变片粘贴于被测构件上，直接用来测定构件的应力或应变。例如，为了研究或验证机械、桥梁、建筑等某些构件工作状态下的受力、变形情况，利用应变片，粘贴在构件的预测部位，测得构件的拉、压应力、扭矩或弯矩等。,59,2）应变片粘贴于弹性元件上，与弹性元件一起构成应变式传感器。常用来测量力、位移、压力、加速度等物理参数。该情况下，弹性元件得到与被测量成正比的应变，再通过应变片转换成电阻的变化后输出。,测物体产生位移时，悬臂梁产生于位移相等的挠度，应变片产生相应的应变。在小挠度情况下，挠度与应变情况成正比。,60,电子称,原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。,61,冲床生产记数和生产过程监测,62,总结,63,64,4.1.3热电阻和热敏电阻,电阻式温度传感器利用电阻随温度变化的特性制成的传感器。1)金属热电阻-热电阻2)半导体热敏电阻-热敏电阻,65,一热电阻,1、热电阻材料特点,（1）高温度系数、高电阻率（2）较宽测量范围内具有稳定的物理和化学性质（3）良好的输出特性（4）良好工艺性,66,Rt、R0温度为t和0时的电阻；A=3.94010-2/B=-5.8410-7/2C=-4.2210-12/4,分度表R0=10和100时的Rtt关系,67,(2)、铜电阻,A=4.2889910-3/;B=-2.13310-7/;C=1.23310-9/3,国际温标规定：259.34630.74，以铂电阻为温度基准器,优点：（1）易提纯；（2）在高温和氧化性介质中性能稳定；（3）输出近线性；（4）测量精度高。,-50150,模型1：精确计算时,68,模型2：简便计算，常用二项式计算,69,70,二热敏电阻,1、热敏电阻的结构和特点,金属氧化物：钴Co、锰Mn、镍Ni等的氧化物采用不同比例配方、高温烧结而成。,优点：（1）结构简单、体积小、可测点温度；（2）电阻温度系数大，灵敏度高（10倍）；（3）电阻率高、热惯性小、适宜动态测量。,71,2热敏电阻的温度特性,72,(1)NTC的R-T特性,B:热敏电阻的材料常数，又可称为热灵敏指标，通常B=20005000K。,73,(3)NTC的温度系数,74,三、热电阻测温电路,r=0，导线电阻r对测量无影响,平衡：,r：电桥电源；2r：相邻臂,75,（1）不受其它条件约束；（2）恒流源I稳定。,76,四、热敏电阻测温电路,77,课堂练习题：已知铂电阻温度计，0C时电阻为100，1000C时电阻为139。当它与热介质接触时，电阻值增至281。试确定该介质的温度。,78,4.2电容式传感器,79,一、基本工作原理,1、平板电容器,80,2、同轴圆筒形,81,二、变间隙型电容传感器,设极板面积为S，初始时：动极板上移,1、单一式,单一式变极距型电容传感器的灵敏度为：,82,2、差动式,初始时上下两电容器电容相等：,动极板上移,差动电容公式为：,灵敏度为：,83,三、变面积型电容传感器,84,初始时：,移动后：,电容因位移而产生的变化量为：,其灵敏度为,85,四、变介电常数式电容传感器,大多用于测量电介质的厚度、位移、液位等。,设静态时极板长为，宽为，间距为，极板间空气的介电常数为。有一个固体介质长、宽分别为、，厚为，且其相对介电常数为，初始时固体介质居中，则电容为：,介质（）块右移时,86,故：,同理,所以,结论：电容传感器的灵敏系数为常数，即输出与输入呈线性关系。,87,五、测量电路,1、比例运算电路,应用于单一变极距式电容传感器,88,应用于变面积式电容传感器,89,应用于差动变面积式和差动变介质式电容传感器,90,2、交流电桥,91,92,七、电容式传感器应用,电容式压力传感器,具有预张力的金属膜片作为感压敏感元件，同时作为可变电容的动极板。采用蒸镀工艺将电容的两个定极板蒸镀在弧形玻璃衬底上，构成传感器的两个差动电容。,93,智能型差压/压力变送器,94,电容式测厚仪:测量金属带材在轧制过程中厚度,C1、C2工作极板与带材之间形成两个电容，其总电容为C=C1+C2。当金属带材在轧制中厚度发生变化时，将引起电容量的变化。通过检测电路可以反映这个变化，并转换和显示出带材的厚度。,95,电容式转速传感器,当齿轮转动时，电容量发生周期性变化，通过测量电路转换为脉冲信号，则频率计显示的频率代表转速大小。,设齿数为m,频率为f,则转速为:,96,97,电感式传感器,4.3.2电感式传感器,98,特点：,优点结构简单、工作可靠、测量精度高、零点稳定、输出功率较大等；,缺点灵敏度、线性度和测量范围相互制约；传感器自身频率响应低，不适用于快速动态测量。,99,4.3.1自感式传感器,一、工作原理及分类,组成：铁芯，线圈，活动街铁,测物理量时，衔铁随被测量变化而移动时，铁心与衔铁之间的气隙磁阻随之变化，引起线圈自感系数L变化.,100,空气导磁率,101,类型：1、变所隙式变化L变化2、变面积式A变化L变化3、螺管插铁式变化L变化,102,二、输入输出特性,设初始气隙为，则初始电感为,工作时，若衔铁移动使气隙长度减少，则电感增加，,1变气隙式自感传感器,输出与输入的关系为非线性。为了减小非线性误差，在实际应用中，通常的办法是采用差动结构。,103,采用前面分析方法可得：,差动电感为：,104,2变面积式自感传感器,105,输出与输入的关系为线性关系。,106,3螺管插铁式自感传感器,它由螺管线圈1、衔铁3和磁性套筒2等组成。,单一式：,特点：测量范围大，数百毫米，灵敏度低，大量程直线位移。,107,差动式：,较单一式有较高灵敏度及线性，被用于电感测微计上，其测量范围为0300m，最小分辨力为0.5m。,108,变气隙长度式、变气隙面积式和螺管式三种类型自感传感器相比较，变气隙长度式灵敏度最高，螺管式最低。变气隙式的主要缺点是：非线性严重，而且制造装配困难。变气隙面积式和螺管式的有点是具有较好的线性，自由行程可按需要安排，制造装配也较方便。,特点比较：,109,三、测量电路,110,开路（ZL时）输出电压都为,若图中、为两个电感式传感器，则,应用于所以差动式电感传感器。,111,3、比例电路适用于单一式自感传感器,112,四、应用,可以测位移，压力等。,变隙电感式压力传感器结构图,113,变隙式差动电感压力传感器,114,1、生产线工件的计数,2、机械手的限位,115,4.3.2互感式传感器（差动变压器）,互感型传感器的工作原理是利用电磁感应中的互感现象，将被测位移量转换成线圈互感的变化。由于常采用两个次级线圈组成差动式，故又称差动变压器式传感器。,116,4.3.2互感式传感器（差动变压器）,一、互感与自感,紧耦合时所以,117,二、互感式传感器（差动变压器）组成原理,衔铁在初始平衡位置,被测体位移衔铁位移,118,差动变压器也有变气隙式、变面积式为螺管式三种类型。,119,120,2、差动变压器输出特性,以变气隙型差动变压器为例来推导,设上对线圈和之间的互感为,设下对线圈和之间的互感为,121,若，,当次级线圈开路时，设初级线圈的电流为；,则两个次级线圈的感应电压分别为：,122,若激励频率过低，使，则输出,灵敏度：,K随着w增加而增加。,若w超过某一值时，K会下降。,若w增加，使，K为常数；,123,结论：应选取合适的较高的激励频率，以保持灵敏度不变。,124,三、测量电路,1、反串电路,125,2、桥路,为调零的电位器，当桥臂电阻相等时，空载输出为,126,四、应用,测位移,127,测压力,差动变压器式测力传感器,128,测加速度,差动变压器式加速度传感器,129,液面高度测量,浮筒式液位计原理图,130,4.3.3电涡流式传感器,131,一、电涡流效应,1、电涡流的产生：成块金属置于交变磁场中或在固定磁场中运动，金属导体内产生环形感应电流电“涡流”。,132,图中1为产生交变磁场的激励线圈，2为金属导体，离激励线圈的距离为X，则金属导体上的电涡流强度为：,2、电涡流的强度,电涡流强度与X及D有关。,133,3.电涡流贯穿深度,电涡流只能在金属导体靠近线圈一侧的表面薄层内形成，其轴向渗透深度为h，h的定义为涡流强度减小到表面涡流强度1/e时厚度：,：金属导体的电阻率；：金属导体的磁导率；：激磁频率。,134,4.电涡流形成范围,分布区域在金属导体靠近激励线圈一侧的表面环形区域,2r=0.525D2R=1.39D,电涡流的内径为r，外径为R，与激励线圈外径D的关系为：,在内无涡流。,135,二、分类,高频反射式电涡流传感器涡流环产生的磁场抵消一部分原激励磁场,136,低频透射式电涡流传感器涡流环产生的磁场在另一侧线圈中产生新地感应电压,137,三、高频反射式涡流传感器,1、组成：传感器线圈、被测金属导体,138,2工作原理：被测非电量使其中一个参数(其余参数不变)变化，反射式电涡流传感器便称为测定这个可变参量的传感器。,3、应用：,1距离x作变量测位移，厚度，振动，转速；2电阻率为变量测温度，判别材质，探测金属；3导磁率作变量测应力，硬度；4x作变量探伤。,139,四、低频透射式涡流传感器,1、组成：发射线圈、接收线圈，位于金属导体两侧被测金属导体,140,2、工作原理,d-金属板厚度；h-贯穿深度；k-比例常数。,一般它的应用是通过测量U2确定金属数厚度d。,结论：U2随d、f增大而下降,因为：,所以：,141,3、激励频率f的选择,1为使U2与d接近线性关系，f应选低些；2测薄板时，f应选高些；3测厚板时，f应选低些；,142,五