工程测试第三章传感器.ppt

1、3.3.2 电感式传感器,电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。,分类:,电感式传感器,1、自感式,(1)、可变磁阻式 由电磁感应原理，则在其中产生磁通m，其大小与所加电流i成正比： 式中W线圈匝数； L比例系数，称为自感(H)。 又据磁路欧姆定律有 式中Wi磁动势（A） Rm磁阻（H-1） 将上式代入得自感,当不考虑磁路的铁损且当气隙较小时，则该磁路的总磁阻 式中 l铁芯的导磁长度(m); 铁芯磁导率 (H/m); A铁芯导磁截面积,A=ab(m2); 气隙宽(m); 0空气导磁率, 0=410-7(H/m); A0空气隙导磁横截面积(m2) 忽略第一项情况下可

2、得总磁阻Rm近似为,图3-21 可变磁阻式传感器基本原理 1线圈 2铁芯 3衔铁,将上式代入则有 当A0固定，变化时，L与成非线性变化关系，此时传感器灵敏度 灵敏度S与的平方值成反比，由于不是常数，因此会产生非线性误差。因此这种传感器常规定在较小气隙变化范围内工作。 S此时为一定值，输出与输入近似成线性关系。实际应用中常选取/0.1。这种传感器适宜于测量小位移，一般为0.0011mm。,常见的变磁阻式传感器按结构形式的不同分为三种：变气隙式、变面积式、螺管式电感器（当铁芯在线圈中运动时，改变线圈磁路的磁阻，使线圈自感发生变化）。,变气隙式,单螺管线圈型 双螺管线圈差动型 图3-22 可变磁阻式

3、自感传感器结构原理,图3-23 双螺管线圈差动型电桥电路及输出特性,自感式传感器应用 图(a)测量透平轴与其壳体间的轴向相对伸长； 图(b)用于确定一磁性材料上非磁性涂覆层的厚度； 图(c)测量在一高压蒸汽管道中阀的位置。 电感式接近传感器（金属）,图自感式传感器应用例,磁弹性测力传感器,不存在气隙时，磁阻变为 ， 因此自感公式变为： 由于传感器的绕组（W）、截面积A和导磁长度l均不变化，因此自感L便是导磁率的单一函数。由此便可利用L的变化来测量应力的变化。,磁弹性测力传感器 （a）铁镍合金导磁率随所受法向力的变化情况； （b）传感器截面图 1-铁磁体， 2-线圈， 3-磁力线,（2） 涡流式

4、,原理:涡流效应,定义：当金属导体置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，在金属导体内部会产生感应电流，这种电流在金属导体内是自身闭合的，称之为涡电流或涡流。 原理：当线圈中通以一交变高频电流 时，会引起一交变磁通。在靠近线圈的金属表面内部产生一感应电流i1，该电流i1即为涡流。根据楞次定律，由该涡电流产生的交变磁通1将与线圈产生的磁场方向相反，亦即1将抵抗的变化。由于该涡流磁场的作用，会使线圈的等效阻抗发生变化，其变化的程度除了与两者间的距离有关外，还与金属导体的电阻率、磁导率以及线圈的激磁电流圆频率等有关。,电涡流传感器分类： 高频反射式：测量位移、振动 低频透射式：测定材料厚度，,低频透射

5、式涡流传感器测定材料厚度,低频(音频范围)电压el加到线圈W1的两端后，在周围空间产生一交变磁场，并在被测材料G中产生涡流i，此涡流损耗了部分能量，使贯穿W2的磁力线减少，从而使W2产生的感应电势e2减小。 e2的大小与G的厚度及材料性质有关。,涡流传感器的测量电路一般有阻抗分压式调幅电路及调频电路。,a）谐振曲线 b）输出特性,图3-26 阻抗分压式调幅电路的谐振曲线及输出特性,图3-25 涡流测振仪分压调幅电路,图3-27 涡流测振仪调频电路工作原理,涡流式电感传感器的应用：,图3-28 电涡流式传感器应用例,案例：无损探伤,原理 裂纹检测，缺陷造成涡流变化。,火车轮检测,油管检测,3.3

6、.2 电感式传感器,用来测量位移和角度： 当图中的短路环相对于线圈1移动或转动时，由于产生的涡流作用，将影响磁通量的变化，该变化的量则正比于所移动的距离或转动的角度。,涡流传感器测量 （a）位移； （b）角度 1线圈； 2运动短路环,测量磁性材料或介质（液体或气体）的温度： 原理：导体的电阻率随温度变化而变化： 1温度为t1时导体的电阻率； 0温度为t0时导体的电阻率； 导体的电阻温度系数。 当导体的电阻率随温度发生变化时，涡流传感器的输出亦将发生变化，其变化量正比于温度变化值。,电涡流温度计结构示意图,磁性及非磁性材料的温度特性,2 互感型-差动变压器,3.3.2 电感式传感器,差动变压器测

7、量电路,3.3.2 电感式传感器,差动变压器位移传感器,3.3.2 电感式传感器,案例：板的厚度测量,3.3.2 电感式传感器,案例：张力测量,3.3.2 电感式传感器,3.4 磁电式、压电式及热电式传感器 3.4.1磁电式传感器,1.变换原理:,磁电式传感器是把被测量的物理量转换为感应电动势的一种转换器。,感应线圈的感应电动势e为,磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变感应电动势。,2 分类,磁电式,动圈式,磁阻式,线速度型,角速度型,3.4.1 磁电式传感器,动圈式传感器,线速度型,3.4.1 磁电式传感器,角速度型,测速电机,3.4.1 磁电式传感器,磁

8、阻式传感器,3.4.1 磁电式传感器,3.4.2压电式传感器,1.变换原理:压电效应,某些物质，如石英，受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部会被极化，表面产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。,压电式传感器利用压电材料的压电效应实现能量的转换。 当压电材料受到外力作用时，其表面将产生电荷，将机械能转变成电能。 利用压电材料可以制成力敏元件，用来测量力和能转变成力的各种物理量。,由于压电效应是可逆的，在压电材料的一定方向施加电场，它就会产生变形，因此压电传感器是双向传感器。,正压电效应 ：有些材料，当沿着一定方向对其施力而使它变形时，内部就产生极化现象，

9、同时在它的两个表面上产生符号相反的电荷； 当外力去除后，又重新恢复为不带电的状态。当作用力的方向改变时，电荷的极性随之改变。,逆压电效应 :在这些材料的极化方向施加电场，它们就会产生变形，这种现象称为“逆压电效应”，或称为“电致伸缩效应”。,压电材料 :具有压电效应的材料称为压电材料。,压电常数 压电材料的性能常用压电常数d来表征。,石英晶体是常用的压电材料之一。其中纵轴ZZ称为光轴， XX轴称为电轴，而垂直于XX轴和ZZ轴的YY轴称为机械轴。沿电轴XX方向作用的力所产生的压电效应称为纵向压电效应，而将沿机轴YY方向作用的力所产生的压电效应称为横向压电效应。当沿光轴ZZ方向作用有力时则并不产生

10、压电效应。,石英晶体 （a）左旋石英晶体的外形 （b）坐标系 （c）切片,qxx垂直于晶轴X-X的平面上产生的电荷量。 可得 当石英晶体切片受X向压力作用时，所产生的电荷量qxx与作用力Fx成正比，但与切片的几何尺寸无关。,概括： 设有一用晶体制成的压电传感器受到力F作用，在其相应表面上产生表面电荷Q，力F与电荷Q之间存在如下关系,式中 d 压电常数。,压电效应结论： （1）有正压电效应的压电晶体，必有相应的逆压电效应。晶体中，哪个方向上有正压电效应，则此方向上必定存在逆压电效应。 （2）逆压电效应的压电常数与正压电效应的压电常数相等。,压电晶体分类：,单晶体：石英晶体等 多晶体：压电陶瓷等,

11、（1）石英晶体,石英晶体有天然的石英和人工石英单晶体两种。 石英晶体的相对介电常数较小，温度稳定性很好，机械强度很高，性能稳定，没有热释电效应（由于温度变化导致电荷释放），绝缘性能好。,2、 压电材料及压电传感器结构形式,（2）压电陶瓷,压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它由无数细微的单晶组成。 1）极化前,它具有类似铁畴材料磁畴结构的“电畴”结构。,原始的压电陶瓷是一个非压电体，它不具有压电性质。 2）极化处理：所谓极化处理，就是在一定 温度下，对压电陶瓷施加强电场，使极性转动到接近电场的方向如图（b）所示。,压电陶瓷稳定性较石英晶体差。,当这种经极化后的铁电体在受到外力作用时，其剩余极化强

12、度将随之变化，所以也表现出压电特性。,3、 压电式传感器及其等效电路 压电传感器是用压电材料制成的力电转换元件。 当压电传感器受到外力作用时，就会在垂直于电轴或垂直于极化方向的表面上产生电荷，在一个表面上聚集正电荷，在另一个表面上聚集等量的负电荷。因此，可以把压电式传感器看作一个静电电容器。,其电容量为,元件等效电路 电荷源 等效成为一个电荷源和一个电容的电荷等效电路： 电容器上的电压Ua（开路电压）、电荷Q与电容Ca之间存在着以下关系：,提高灵敏度的方法 在压电式传感器中，压电传感器常用两片或两片以上组合在一起。由于存在极性，因此有两种连接方法。 1）并联法,两压电片的负极都集中在中间电极上

13、，正电极在两边的电极上，这种连接方法称为并联。输出电容C为单片电容的 倍；输出电压U等于单片电压Ua； 极板上电荷量Q为单片电荷量Q的n倍，即 Q=nQ U=Ua C= n Ca,2)串联法,正电荷集中在上极板，负电荷集中在下极板，而中间的极板上片产生的负电荷与下片产生的正电荷相互抵消，这种接法称为串联。 Q=Q U=nUa C=,3）比较： 并联接法输出电荷大，本身电容大（因而接上负载后时间常数大），宜用于以电荷作为输出量的场合，相对来说允许被测对象变化频率稍低。 串联接法输出电压大，本身电容小，宜用于以电压作为输出量的场合，要求后续电路有较大的输入阻抗。,4）压电传感器等效电路,Ra为传感

14、器的漏电阻； Cc为连接电缆的分布电容； Ri为相连放大器的输入电阻； Ci为相连放大器的输入电容。,5）压电传感器的灵敏度,压电式传感器的灵敏度有两种表示方式：电荷灵敏度、电压灵敏度。 电压灵敏度：单位机械量（力）作用时的传感器输出电压值； 电荷灵敏度：单位机械量（力）作用时的传感器输出电荷量。,4 测量电路,1）由于压电传感器的输出信号非常微弱，需将其输出电信号进行放大才能测量出来； 2）压电传感器的内阻抗相当高，不是普通放大器能放大的，需进行阻抗匹配； 3）连接电缆的长度、噪声对系统输出有明显影响。,传感器的输出信号先由低噪声电缆输入高输入阻抗的前置放大器。,前置放大器 电荷放大器，其输

15、出电压与输入电荷成比例。,电荷放大器 电荷放大器是压电式传感器专用的前置放大器。它能将高内阻的电荷源转换为低内阻的电压源，而且输出电源正比于输入电荷。,一般电荷放大器同样也起着阻抗变换的作用，其输入阻抗高达10101012， 而输出阻抗小于100。,原理：电荷放大器实际上是一个具有深度电容负反馈的高增益放大器。 A是放大器的开环增益,电荷放大器的输入级采用了场效应晶体管，因此放大器的输入阻抗极高，放大器输入端几乎没有分流，电荷Q只对反馈电容Cf充电，充电电压接近等于放大器的输出电压，即,Uy放大器输出电压； Ucf反馈电容两端的电压。,电荷放大器的输出电压只与输入电荷量和反馈电容有关，而与放大

16、器的放大系数的变化或电缆电容等均无关系 。,推导过程：,压电传感器产生电荷Q不仅对反馈电容充电，同时也对其它所有电容充电。因此可得放大器的输出电压 设 C= Ca+Ci+Cc 有 Q=Qf+Qc Ui= Qc =Ui C 电容Cf 的两端电压Uf为： Uf= Qf = Uf Cf Q= Ui C + Uf Cf Uf= Ui-Uy Ui= Uf+ Uy Uy=-A Ui Uf=（1+A）Ui Q= Ui c+（1+A） Cf ,可见：输出电压是与电缆电容有关的。只有在放大器的开环增益A足够高，以致满足以下条件：,放大器的输出电压为,在反馈电容的两端并联一个大电阻Rf(约108 1010 )，其

17、功能是提供直流反馈，减小零漂，使电荷放大器工作稳定。,产品,压力变送器,加速度计,力传感器,3.4.2压电式传感器,1. 热电温度计(热电偶),热电效应,热电偶是当前热电测温中普遍使用的一种感温元件，它的工作原理是基于热电效应 两种不同材料的金属丝两端牢靠地接触在一起，组成图所示的闭合回路，当两个接触点(称为结点)温度t和t0不相同时，回路中既产生电势，并有电流流通，这种把热能转换成电能的现象称为热电效应。,3.4.3 热电式传感器,称回路电势为热电势。两金属丝称为偶极或热电极。两个结点中与被测介质接触的一个称为测量结成工作端、热端，另一个称为参考端或自由端、冷端。,两种导体的接触产生接触电动

18、势,两种导体接触的时候，由于导体内的自由电子密度不同，如果NANB电子密度大的导体A中的电子就向电子密度小的导体B扩散，从而由于导体A失去了电子而具有正电位。相反导体B由于接收到了扩散来的电子而具有负电位。这样在扩散达到动态平衡时A、B之间就形成了一个电位差。这个电位差称为接触电动势。 表示为：EAB（T）,单一导体中的温差电动势 对单一金属导体，如果两端的温度不同，则两端的自由电子就具有不同的动能。温度高则动能大，动能大的自由电子就会向温度低的一段扩散。失去了电子的这一端就处于正电位，而低温端由于得到电子处于负电位。这样两端就形成了电位差，称为温差电动势。 表示为：EA（T，T0）,综上所述

19、，在整个闭合回路中产生的总电动势EAB(T,T0)可表示为,由式可知，热电偶总电动势与电子密度NA、NB及两节点温度T、T0有关，电子密度取决于热电偶材料的特性。当热电偶材料一定时，热电偶的总电动势EAB(T，T0)成为温度T和To的函数差，即,8种标准化热电偶型号 标志 材料 使用温度 S 铂铑10铂 -501768 R 铂铑13铂 -501768 B 铂铑30铂铑 601820 K 镍铬镍硅 -2701372 N 镍铬硅镍硅 -2701300 E 镍铬 铜镍合金（康铜） -2701000 J 铁铜镍合金（康铜） -2101200 T 铜铜镍合金（康铜） -270400 分度表：t0=0度时

20、，不同t时的热电势（mv级）表,标准化热电偶：性能符合专业标准或国家标准，具有统一分度表的热电偶。,热电偶测温基本定律,1)均质导体定律 由一种均质导体组成的闭合回路，不论导体的横截面积、长度以及温度分布如何均不产生热电动势。,2)中间导体定律 在热电偶回路中接入第三种材料的导体，只要其两端的温度相等，该导体的接入就不会影响热电偶回路的总热电动势。,3.4.3 热电式传感器,T0,4)中间温度定律： 热电偶A、B在接点温度t,t0时的热电势等于该热电偶在接点温度t,t1 与t1,t0时的热电势之和。即： EAB(t,t0)= EAB(t,t1)+ EAB(t1,t0),。,3）热电势定律 热电

21、偶的热电势只和接点温度有关,而和其它部位的温度无关。,该定律的两点启发： 1）热电偶的分度都是在冷端为00C的条件下制定的，当冷端温度不是零度时，也可使用该分度表。 如用铜-镍热电偶测定某未知温度，冷端温度取200C，测得的热电势E2为6.418mV，而当接点温度为200C和00C时可查表得热电势为E1=0.789 mV，则接点温度为00C和未知测量温度时有E3=E1+E2=7.207 mV，由此可查出响应的温度值为1600C,5）.标准电极定律(参考电极定律) 有三种金属A、B、C两两相接，当接点温度分别为T1和T2时，金属A和C的热电势为EAC，金属C和B的热电势为ECB，则金属A和B的热电势： EAB=EAC+ECB,使用补偿线法 为使热电偶冷端温度保持不变，不受热源的影响，往往需要使冷端远离工作点，为了不使用过多的贵重的热电偶导线，往往采用价格低廉的导线来替代部分热电偶导线，如图。A、 B这就是补偿线法。要求补偿导线的热电性质与所用热电偶相同或相近。 用它将热电偶的参比端延长到需要的地方，而且不会对热电偶回路引入超出允许的附加测温误差。,在温度T2-T0的范围内，要求 EAB（T2，T0）=E AB（T2，T0） 由中间温度定律： EAB（T1，T0）=