现代检测技术导论-3电参量检测.ppt

1、现代检测技术导论 第三章电参量检测 3.1电阻式传感器 3.2电感式传感器 3.3电容式传感器,电参量检测系统的工作原理,电参量检测系统中的传感器属于能量控制型传感器，传感器需要外加电源才能工作。 主要有电阻式、电感式和电容式等。 工作原理：先由转换元件将被测量转换为电参量（电阻、电感、电容等），然后由转换电路进一步转换为电压或电流信号后输出。,电阻式传感器是通过转换元件将被测量转变为电阻值，通过转换电路将电阻值转换为电信号，通过测量电信号达到测量非电量的目的。 主要有电位器式、电阻应变式、压阻式、热电阻式、磁电式、光敏电阻式等 可以用来测量位移、形变、压力、加速度、温度等,3.1 电阻式传感

2、器,3.1.1电位器式传感器,把机械位移转换成与其成一定函数关系的电阻 可用于测量线位移、角位移和液位等 结构：电位器由电阻器和电刷两部分组成 原理：当电刷触电C在电阻器RAB上移动时，AC间的阻值会发生变化。且RAC与触点的直线位移或角位移成一定的函数关系。,特点： 结构简单、受环境因素（温湿度、电磁干扰等）影响小、稳定性好、输出信号大 易于达到较高的线性度和实现各种非线性特性 特性曲线呈阶梯状 阶梯误差、分辨率低、耐磨性差,由弹性元件、电阻应变片和测量电路构成 当弹性元件感受到被测量（力）时，其表面产生形变，粘贴在弹性元件表面的电阻应变片的阻值随之发生变化，通过电桥进一步将电阻的变化转换为

3、电压或电流的变化 通过检测电压或电流的变化实现测量的目的,3.1.2 应变式传感器,应变电阻效应：导体或半导体在受到外界力（拉力或压力）作用时，产生机械形变，机械形变会导致阻值的变化，这种因形变使阻值发生变化的现象称为“应变电阻效应”,应变片的基本结构,金属应变片主要有丝式、箔式等 箔式电阻应变片 采用照相制版或光刻腐蚀技术，将电阻箔材（1-10um）制在绝缘基地上制成，易于批量制造 传递应变性能好、横向效应小、散热性能好、允许通过电流大,温度误差和补偿 产生温度误差的因素：电阻温度系数，材料热膨胀 温度补偿可分为自补偿和电桥补偿法 电桥补偿法 R1和RB为特性一致的应变片，其中， R1为工作

4、应变片，B为补偿应变片，他们处于同一温度场中，且仅R1承受应变。,当温度变化T时， R1和RB因温度变化引起的阻值变化相同，电桥仍处于平衡状态,若此时有应变，则工作应变片电阻R1有新的增量R1 R1K，而补偿应变片不承受应变，电阻不变，则电桥的输出为：,可见，电桥输出只与轴向应变有关，而与温度变化无关。,电阻应变片的测量 电桥平衡条件,当R1R4=R2R3， 即R1/R2=R3/R4时 电桥处于平衡状态， U0=0,不平衡电桥的工作原理 当4个桥臂均接入应变片，且都有变化时,当R1=R2=R3=R4=R时,因为Ri Ri ，忽略高阶增量,单臂桥： R1为应变片，R2 、R3、R4为固定电阻,差

5、动半桥：R1、R2为应变片，R3、R4为固定电阻 R1受拉， R2受压,差动全桥：R1、R2 、R3、R4均为应变片 R1 、R4受拉， R2 、R3受压,电阻应变片式传感器的应用 结构形式：柱式、悬臂梁式等 柱（筒）式力传感器 布片：围绕柱（筒）轴线均匀分布，纵向横向各贴4片应变片 组桥：纵向对称的R1和R3串联，R2和R4串联，横向的R5和R7串联，R6和R8串联，并置于电桥相对桥臂上 纵向对称两两串接为了减小偏心载荷和弯矩的影响，横向贴片作温度补偿用,悬臂梁式力传感器 R1和R2贴在悬臂梁的上表面，R3和R4贴在悬臂梁的下表面 接成全桥时， R1和R2接在对边， R3和R4接在对边,金属

6、电阻应变片性能稳定、测量精度高，但灵敏度系数低、阻值小 半导体应变片灵敏度系数是金属应变片的几十倍，在微变测量中应用广泛 半导体应变片的工作原理是基于半导体的压阻效应 压阻效应：半导体材料受到应力作用时，其电阻率会发生变化，这种现象称为“压阻效应” 半导体应变片的特点： 优点：灵敏度系数大，横向效应和机械滞后小 缺点：非线性大，温度稳定性差,3.1.3 压阻式传感器,测量电路与温度补偿 4片应变片组成全桥 其中，一对对角电阻受拉，另一对对角电阻受压，电桥输出电压最大,电桥供电采用恒压源或恒流源 对于恒压源 设4个桥臂由于应变引起的电阻变化为R，由于温度变化引起的电阻变化为Rt，,桥路输出受到环

7、境温度变化的影响，但由于Rt R，影响甚微,对于恒流源,桥路输出与电阻的变化成正比，与恒流源的电流成正比，与温度无关，消除了环境温度的影响,半导体电阻式传感器的应用 压阻式气体压力传感器 核心是一块圆形硅膜片，膜片四周用一个圆环（硅杯）固定 在膜片上利用集成电路工艺制作4个阻值相等的电阻，用低阻导线连接成平衡电桥 膜片两边有两个压力腔，一个是与被测系统相连的高压腔，一个是与大气相通的低压腔 当膜片两边存在压力差时，膜片产生形变，膜片上各点产生应力,4个电阻的配置位置按膜片上的径向应力和切向应力的分布情况： 当r=0.635r0时，径向应力为零；当r0.635r0时，径向应力为压力 设计时，根据

8、应力分布，合理安排电阻位置，组成差动电桥，可输出较高电压 沿径向对称于0.635r0两侧制作4个电阻，其中、R1、R4接于电桥对角线上，R2、R3接于电桥另一对角线上 当膜片两边存在压力差时，膜片上各点产生应力，电阻在应力作用下阻值发生变化，电桥失衡，产生电压输出 输出的电压与膜片两边的压力差成正比,热电阻传感器是利用导体或半导体的电阻随温度变化的特性而制成的温度敏感元件 测温范围主要在中低温区（200630） 主要金属热电阻和半导体热敏电阻两大类,3.1.4 热电阻传感器,铂热电阻 优点：物理、化学性能及其稳定，测温精度高 缺点：温度系数小，不能在还原性介质中使用 热电特性 铂热电阻使用范围

9、200630,A、B、C为与纯度有关的常数 工业用铂热电阻有Pt100 （R0=100欧姆） Pt1000 （R0=1000欧姆） Pt500 （R0=500欧姆）,铜热电阻 在测量精度要求不高且温度较低的场合可使用铜热电阻 铜热电阻使用范围50150 热电特性,工业用铜热电阻有Cu50 （R0=50欧姆） Cu100 （R0=100欧姆） 适用于在无水分及非腐蚀性介质中使用,热电阻的结构 由电阻体、绝缘管、保护套管、引线和接线盒组成 电阻体由电阻丝和电阻支架组成 电阻丝采用双线无感绕法绕制在具有一定形状的云母、石英或陶瓷塑料支架上,半导体热敏电阻 半导体与金属有完全不同的导电机理。 由于半导

10、体中参与导电的载流子比金属中的自由电子的密度小得多。所以半导体的电阻率大。 随温度的升高， 一方面半导体的价电子受热激发产生新的电子空穴对，使载流子数增加，电阻率减小； 另一方面，半导体载流子运动速度升高，阻碍载流子定向运动能力增强，电阻率增大。 因此，半导体热敏电阻有正温度系数（PTC）热敏电阻和正温度系数（NTC）热敏电阻,热电特性： 半导体热敏电阻的温度系数远高于金属丝的温度系数 半导体热敏电阻的阻值与温度关系近似成指数规律,伏安特性：加在热敏电阻两端的电压与流过的电流之间的关系 当流过热敏电阻的电流较小时，其伏安特性符合欧姆定律 当电流增大到一定值时，电流引起热敏电阻自身温度升高，出现

11、负阻特性 使用时，应尽量减小流过它的电流，减少自热效应的影响,热敏电阻传感器的应用： 测量电流采用电桥 为了减小引线电阻带来的误差，常采用三线制或四线制测量电路 三线制测量电路 热敏电阻一端接一根引线，连接电桥的一个臂；另一端接两根引线，分别接于干路（电源）和电桥的另一个臂 采用恒流源或恒压源供电 由于电桥相邻的那个臂增加了相同的导线电阻，差动输出后，可消除导线电阻的影响,R、R0、Rtr,消除了导线电阻的影响,四线制测量电路 热敏电阻两端各接两根引线 两根引线通过电阻接于恒流源 另两根接于运算放大器的输入端 热敏电阻将温度的变化转换为电阻的变化，流过热敏电阻的恒定电流将电阻变化转换为电压的变

12、化，输入到差动运放，放大后输出 输出与导线电阻无关,典型应用：温度控制 Rt负温度系数热敏电阻 低于设定温度Rt阻值大VT1 、VT2导通继电器线圈K得电、LED点亮触点K1吸合电热丝加热 高于设定温度Rt阻值小VT1 、VT2截止继电器线圈K失电、LED熄灭触点K1断开电热丝断电,光敏电阻传感器是基于半导体光电效应制成的敏感元件 光敏电阻的结构 在玻璃基板上均匀涂上一层半导体材料（硫化镉等），然后在半导体两端装上电极，封装在塑料壳体内 为了增大光照面积，获得更高的灵敏度，一般采用梳状结构,3.1.5 光敏电阻传感器,无光照时，光敏电阻的阻值很大，在兆欧级以上，将光敏电阻接入电路，电路的暗电流

13、很小 当受到一定波长范围的光照射时，其阻值急剧下降，可达千欧级一下，电路中的电流增大 选用时，光敏电阻的暗电阻越大、亮电阻越小，性能越好 光敏电阻有很高的灵敏度和很好的光谱特性，光谱响应从紫外一直到红外，广泛应用于防盗报警和火灾报警中,伏安特性：一定的光照下，光敏电阻两端的电压与电流之间的关系，称为伏安特性 在给定偏压下，光照度越大，光电流越大 当光照一定时，偏压越大，光电流也越大，且没有饱和现象 但使用时，要注意所加偏压不能大于最大工作电压,光照特性：光敏电阻的光电流（亮电流和暗电流之差）与光通量（光照度）之间的关系 光敏电阻的光照特性是非线性的，不宜作检测元件 一般作为开关式传感器，如被动

14、式人体红外检测、路灯开关,光谱特性：光敏电阻的相对灵敏度与入射波长的关系称为光谱特性 不同材料，峰值波长不同，光谱特性不同 硫化镉的峰值波长在可见光区 硫化铅的峰值波长在红外光区 使用时应根据光源性质选择合适的光电器件,温度特性：作为半导体器件的光敏电阻，受温度影响较大 温度升高暗电流和灵敏度下降 峰值波长随温度上升向波长短的方向移动 使用时，为了提高灵敏度或保持光谱特性（能够接受红外辐射），需要采取降温措施,电感式传感器是利用电磁感应原理将被测量的变化转换为线圈的自感或互感变化的器件 常用来测量位移、压力、振动、应变、流量、比重等 按原理可分为自感式、互感式等 优点：结构简单、工作可靠，灵敏

15、度高、线性好、精度高、性能稳定，输出电阻小、输出功率大，抗干扰能力强，适用于恶劣环境 缺点：频响低，不宜快速动态测量,3.2 电感式传感器,结构： 自感式传感器由线圈、铁心和活动衔铁组成 铁心和衔铁由导磁材料（如硅钢片或坡莫合金）制成 线圈绕在铁心上，并加交流激励 工作原理： 铁心与衔铁之间有空气隙， 当衔铁上下移动时，气隙改变， 磁路磁阻发生变化， 从而引起线圈自感的变化 自感量的变化与衔铁位置有关， 只要测出自感量的变化，就能 获得衔铁位移量的大小,3.2.1 自感式传感器,自感式传感器基本特征方程：,当线圈的匝数N确定后，只要气隙或气隙截面积S0发生变化，电感即发生变化，即L=f(，S0

16、) 因此电感式传感器结构形式上有变气隙式和变面积式 在圆筒型线圈中放圆柱形衔铁，当衔铁上下移动时，电感量也发生变化，可构成螺线管式电感传感器。,为了减小非线性误差，提高灵敏度，常采用差动式变气隙传感器 差动电感传感器的结构特点是两个完全对称的简单电感传感元件合用一个活动衔铁 测量时，衔铁通过导杆与被测位移量相连，当被测体上下移动时，导杆带动衔铁也以相同的位移上下移动 从而使两个磁回路中磁阻发生大小相等，方向相反的变化，导致一个线圈的电感量增加，另一个线圈的电感量减小，形成差动,与简单式电感传感器相比，差动式电感传感器 灵敏度提高一倍 非线性误差由/减小为(/)2 克服温度等外界共模影响,电感式

17、传感器测量电路 变压器电桥电路(Z=jwL)：Z1、Z2是自感传感器的两个线圈的阻抗，另两臂是电源变压器二次侧线圈,初始时，Z1=Z2=Z,当电感变化量为L时，,输出电压与电感的变化成线性关系 由于输出为交流电压所以电路只能确定衔铁位移的大小，不能判断位移的方向 为了判断位移的方向，要在后续电路中配置相敏检波电路,带相敏检波电路的电桥电路 电桥由差动电感传感器线圈Z1、Z2和平衡电阻R1、R2组成，R1=R2，VD1-VD4构成相敏整流器 电桥的一个对角线加交流激励电压，另一个对角线输出电压 设衔铁下移时，Z1增大，Z2减小 当电源U为A正B负时，VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，电阻R

18、1上的电压大于电阻R2上的电压，u00 当电源U为A负B正时，VD1、VD4截止，VD2、VD3导通，电阻R1上的电压小于电阻R2上的电压，u00 在一个电源周期内输出电压始终为正,同理，当衔铁上移时，在一个电源周期内输出电压始终为负 使用相敏检波电路，输出电压的大小反映衔铁位移大小，极性反映位移方向 由于二极管的整流作用，相敏检波电路还能够消除零点残余电压影响,电感式传感器的应用 压力测量 采用变气隙差动传感器 当被测压力p变化时，弹簧管的自由端产生位移，带动与自由端刚性相连的自感传感器衔铁发生移动，使差动自感传感器电感值一个增加，一个减小。 传感器采用变压器电桥供电，输出电压的大小反映衔铁

19、位移大小,差动式电感测厚仪 开始测量之前，先调节测微螺杆至给定厚度（由度盘读出） 测量时，被测带材在上下测量滚轮之间通过 当刚带厚度偏离给定厚度时，上测量滚轮将带动测微螺杆上下移动，通过杠杆将位移传递给衔铁，使L1、L2变化 电感传感器的两个线圈L1、L2 构成电桥的两个桥臂，C1、C2 构成电桥的另两个桥臂 4个二极管VD1-VD4和4个电阻组成相敏检波电路，输出电流由电流表指示 R5是调零电位器，R6用于调节电流表的满刻度，R7、C3、C4起滤波作用，HL为工作指示灯,互感式传感器是根据变压器原理制成的，也称差动变压器 主要有变气隙武、变面积式和螺线管式 应用较多的是螺管式，可测量1-10

20、0mm的位移 结构简单、性能可靠、灵敏度高、精度高 螺线管式差动变压器的结构 由绝缘骨架、绕在骨架上的一个一次初级侧线圈、对称于初级线圈的两个二次侧线圈和插在线框中的圆柱铁心组成 两个二次侧线圈反向串联（差动连接）,3.2.2 互感式传感器,在一次侧线圈加交流激励，根据变压器原理，两个二次侧线圈产生感应电动势 由于两个二次侧线圈对称，当衔铁处于中间时，产生的感应电动势相等 由于两个二次侧线圈反接，故输出为零 当被测量带得衔铁移动时，两个二次侧线圈的感应电动势随衔铁移动的位移而变化 差动输出电压为两个二次侧线圈输出电压的合成，呈V字形,由于两个二次侧线圈实际参数不对称，使两个二次输出的感应电动势

21、不能完全抵消，从而存在零点残余电压 减小零点残余电压 在制作工艺上力求结构对称、磁路对称、线圈对称、铁心和材料均匀 采用电阻、电容补偿电路、差动整流电路 电阻可以改变二次侧线圈输出电压的大小，对基波正交分量有很好的补偿效果 并联电容对高次谐波有很好的滤波和抑制作用,差动整流电路 一次侧线圈激励电压正半周时，两个二次侧线圈输出电压a正b负，c正d负，经电桥整流后，2正4负，6正8负 一次侧线圈激励电压负半周时，两个二次侧线圈输出电压a负b正，c负d正，经电桥整流后，2正4负，6正8负。极性不变 衔铁在零位时，U24=U68，U2=0 衔铁上移时， U24U68，U20 衔铁下移时， U24U68

22、，U20 所以，输出电压的大小反映衔铁位移的大小，极性反映位移的方向。R0用于零点残余电压调零,测量电路 差动变压器只能反映位移大小，不能反映位移反方向 为了能够分辨位移方向，消除零点残余电压，测量中采用差动整流电路和相敏检波电路,相敏检波电路 4个性能相同的二极管和电阻组成环形电桥 差动变压器输出电压通过变压器T1加到环形电桥的对角线AB上 与差动变压器激励电压同频同相的参考电压经变压器T2加到环形电桥的另一个对角线CD上 输出电压由T1、T2的中间抽头引出 参考电压的幅值us远大于差动变压器输出u2，二极管的导通状态取决于参考电压 u2由位移X调幅调相,设位移X为正时，us和u2同频同相

23、us和u2正半周时，VD1、VD4截止，VD2、VD3导通，输出电压u0为正,设位移X为负时，us和u2同频反相，不论us和u2为正半周还是负半周，负载RL上的电压u0始终为负,us和u2负半周时，VD1、VD4导通，VD2、VD3截止，输出电压u0为正,所以，相敏检波电路输出电压的大小反映位移的大小，极性反映位移的方向,差动变压器的应用 微压力传感器 被测压力为零时，膜盒在初始位置，固接在膜盒中间的衔铁位于差动变压器线圈的中间位置，输出电压为零 被测压力由接头传人膜盒时，中央自由端产生一个正比于被测压力的位移，带得衔铁在差动变压器中移动，使差动变压器产生输出电压 输出电压经相敏检波和滤波后，其直流电压反映被测压力的大小 由于输出电压较大，线路中不需要放大器,电容式传感器是一种将被测量的变化转换为电容量变化的器件 常用来测量位移、压力、加速度、液位、振动和湿度等 优点：结构简单、体积小、测量精度高，可实现非接触测量，能在高温、辐射、振动等恶劣条件下工作 可分为变极距式、变面积式和变介电常数式等,3