參數式傳感器:傳感器的關鍵性能參數

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參數式傳感器:傳感器的關鍵性能參數相關推薦WDA角度位移傳感器命名規范和主要參數傳感器是一種檢測裝置,能感受到被測量的信息,并能將感受到的信息,按一定規律變換成為電信號或其他所需形….發表于2020-09-0910:50?0次閱讀研究人員開發新型電子人造皮膚,可感知疼痛人工皮膚使用可拉伸的電子元件,將氧化物材料與生物相容性的硅膠結合起來,創造出一種透明

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參數式傳感器:傳感器的關鍵性能參數

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參數式傳感器:傳感器的關鍵性能參數  第2張

參數式傳感器:參數式傳感器與其應用.ppt

問題: 1.電阻式傳感器可以測量什么機械量? 2.電容式傳感器有幾種類型?各自的特點是什么? 3.電渦流傳感器的工作原理是什么? 1)基本概念 重要作用: 機械量檢測中不可缺少的首要環節 它直接影響測試系統的整體測試精度 工程實際中俗稱測量頭、檢測器等,也稱為一次儀表 傳感器 Transducer/Sensor/probe 2) 組成 基本特性 包括靜態特性與動態特性兩大類性能指標。 靜態特性 如量程、精度、靈敏度、非線性等。 動態特性 可用頻率范圍 動態放大比 輸入量分類法 可分為溫度、壓力、位移、速度、濕度等傳感器。 該分類法適合于用戶和銷售商,便于很明確地根據用途選用傳感器。 輸出量分類法 可分為參數式傳感器和發電式傳感器兩類。 該分類法適合研發者和學習者,以便于掌握傳感器的工作原理。 將輸入的工程參數變化轉變為電參數變化的傳感器。 常用的有電阻、電感和電容式三種基本參數傳感器。 這種傳感器由于在工作時其本身沒有內在的能量轉換,而不能產生電信號輸出,故常常也被稱之為無源傳感器。 將輸入的工程參數信號直接轉變為電信號輸出的傳感器。 常用的有壓電式、磁電式、光電式、霍爾式以及熱電式等基本類型傳感器。 在工作時其本身就有內在的能量轉換,且能夠產生電信號輸出,故它常常也被稱之為有源傳感器。 2、電阻式傳感器 定義:將非電量變化轉換為電阻變化的傳感器 分類: 敏感元件 . 彈性元件、熱敏元件、滑塊 轉換元件 電阻 轉換電路 直流電橋 分析電阻率變化 金屬材料 一般ν≈0.3,C≈1,因此金屬材料的電阻應變效應主要來自結構尺寸的變化——尺寸效應,且靈敏系數較小,約為2.0左右。 金屬應變片與半導體應變片的性能比較 應變片結構 應變片式傳感器的應用 3) 鍺電阻 鍺是最常用的半導體材料,純鍺在低溫下電阻率太大,對溫度的靈敏度也不高,因此必須摻雜微量的雜質. 特點: 具有負的電阻溫度系數:溫度降低時,其電阻值增加,靈敏度增大 電阻溫度關系很穩定,重復性很好——迄今所研究過的半導體中最理想的低溫測量元件 標定一次可長期使用,而且它的測量精度可達到0.005K 許多國家將鍺電阻溫度計作為4.2K~20K之間的標準測溫儀表 4)熱敏電阻: 種類繁多; 由單晶、多晶以及玻璃、塑料等半導體材料制成 PNC、CNC熱敏電阻隨溫度變化阻值變化劇烈,常用開關元件 測量靈敏度較高、成本低、體積?。c溫度測量),可滿足不同測溫對象的要求,而且適合動態測量 缺點是性能不穩定,互換性差,導致測量精度不高——空調系統的溫控元件 回顧電阻式傳感器 傳感器 定義:感受特定量、一定規律、可用輸出信號 組成:敏感元件、轉換元件 電阻式傳感器 1)應變式傳感器 原理: 結構尺寸效應、壓阻效應 類型:金屬材料、半導體材料 特點:測量范圍寬、可實現靜動態測量、必須溫度補償 2)熱電阻傳感器 原理:熱阻效應 類型:金屬材料、半導體材料(NPC、PTC、CTC) 特點:結構簡單 3)電位計傳感器 原理:滑動觸頭位移改變阻值 特點:可測大位移 (1)變極距式 兩極板在被測對象作用下,間隙δ發生變化 電容量C與極距δ呈非線性關系,為了減小非線性誤差,通常極距變化范圍/?0?0.01~0.1。此類電容傳感器僅適于微小位移的測量(0.001mm~零點幾毫米); 靈敏度s與極距的平方成反比,極距越小,靈敏度越高,為了提高靈敏度,極距應盡可能小,但極距減小受限制:一是非線性誤差增大;二是容易發生電容極板間的電擊穿。一般初始極距?0=0.1~1mm左右。 用于非接觸測量 性能改進方法——差動方式 兩個變極距電容傳感器,被測位移使動片變化,引起極距差動變化,兩個輸出電容也差動變化:一個增大、一個減小。 如果在電路設計上實現:輸出量與兩個電容變化量之差成比例,則差動方式的靈敏度就是原來2倍。 差動電容傳感器常采用交流電橋進行放大:兩個電容就是電橋的相鄰兩個橋臂 差動變極距式電容傳感器性能分析: 對于兩個極板構成的平行極板電容器,見圖(a), 假設動極板上移時, 極板間距由初始距離 變為 ,電容變化: 7)電容式傳感器典型結構 變極距式電容傳感器產品參數式傳感器:傳感器的關鍵性能參數  第3張

參數式傳感器:參數式傳感器及其應用.pptx

測試技術—— 參數式傳感器及其應用;內容 ;基本概念
;基本概念
信息檢測的不可缺少的首要環節,它的直接影響測試系統的整體測試精度
工程實際中俗稱測量頭、檢測器等,也稱為一次儀表
傳感器 Transducer/Sensor/probe

;基本概念
信息檢測的不可缺少的首要環節,它的直接影響測試系統的整體測試精度
工程實際中俗稱測量頭、檢測器等,也稱為一次儀表
傳感器 Transducer/Sensor/probe
國家標準(GB7665—87)對傳感器定義:
感受規定的被測量并按一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置
一個指定的傳感器,只能感受規定的物理量(電量、非電量)
傳感器的輸出信號中載有被測量信息,且能遠距離傳送
電信號、光信號、氣動信號
輸入輸出關系服從一定規律,可以復現——公認、標準
;組成
感受規定的被測量并按一定的規律轉換成可用輸出信號的器件或裝置;敏感元件
力、轉矩?應變
轉換元件
應變?電阻;基本特性
測試系統的一個基本單元,具有:
靜態特性
測量范圍、靈敏度、精度等
動態特性
帶寬
頻響曲線;分類
用途/輸入量:適合于用戶
機械量:位移、力、速度、加速度、振動
熱工量:溫度、壓力、流量、流速
光學量:光強、光通量、輻射能
能量關系
能量轉換型/有源型:熱電偶、光電池、壓電式、慣性式
能量控制型:獲取的信息能量來控制、調制外部激勵
渦流、R、L、C參數型;分類
輸出量性質:適合于研發
電參數型/參數式:R、L、C
工程參數?電參數
基本類型:電阻、電感和電容式
無源傳感器:本身沒有內在的能量轉換
電量型/發電式:電壓、電流、電荷
工程參數?電信號
基本類型:壓電式、磁電式、光電式、霍爾式以及熱電式
有源傳感器:本身就有內在的能量轉換;定義:將非電量變化轉換為電阻變化的傳感器
測量的物理量
應變——應變片
熱——熱敏電阻
位移/距離——電位器
轉換元件
電阻R
轉換電路
直流電橋;應變片式傳感器
工作原理:應變效應
應變片的電阻:
l——長度
A——截面、半徑r
ρ——電阻率
微應變
材料在軸向受力的作用,產生機械變形/結構變形——微應變
;應變片式傳感器
工作原理
微應變
結構尺寸變化

應變單位:με(1με=1x10-6m/m)
ν材料的泊松比;應變片式傳感器
工作原理
電阻率變化
金屬材料
ν材料的泊松比
C常數
半導體材料
л半導體材料在受力方向壓阻系數
E半導體材料的彈性模量;應變片式傳感器
工作原理
金屬材料
一般ν≈0.3,C≈1,因此金屬材料的電阻應變效應主要來自結構尺寸的變化——尺寸效應,且靈敏系數較小,約為2.0左右。
半導體材料
лE>>(1+ν),因此半導體材料的電阻變化主要來自壓阻效應,靈敏系數較大,約為50~200,且分散性大。;應變片式傳感器
應變片技術參數
;應變片式傳感器
應變片技術參數
(金屬)應變片材料
康銅:常用的電阻絲材料
卡瑪合金:適用于長時間靜態測量,比康銅具有更長的疲勞壽命和更寬的溫度范圍
鉑鎢合金:具有極長的疲勞壽命
絕緣電阻:應變片絕緣電阻R是指已粘貼的應變片與被測試件之間的電阻值,一般要求R>108Ω
最大工作電流Imax 已安裝的應變片敏感柵允許通過的不影響其工作特性的最大電流值.通常靜態測量取25mA左右,動態測量可取75~100mA;應變片式傳感器
應變片結構
;柱式;應變片式傳感器
應變片的安裝
安裝——力傳遞——測量效果
受力的方向——應變片縱向
安裝方法有三種:粘貼法、焊接法和噴涂法,其中粘貼法最為常用;應變片式傳感器
溫度誤差
溫度引起的測量誤差
Rt、R0—應變片在溫度t、t0時電阻值
α—應變片電阻絲的電阻溫度系數
β—電阻絲材料和試件材料的線膨脹系數
S—應變片靈敏系數
Δt —溫度變化量;應變片式傳感器
溫度補償
溫度效應:阻值隨溫度變化
被測體線脹:不同的線脹系數
電橋連接
差動:相鄰臂——提高靈敏度
補償:相鄰臂;熱電阻式傳感器
工作原理:金屬或半導體的電阻值是溫度的函數
當溫度升高1℃時,大多數金屬的阻值要增加0.4~0.6%,而半導體的電阻值要減小3~6%
一般純金屬在溫度變化范圍不大時,其電阻值與溫度的關系近似為
某些半導體的電阻值與溫度的關系為;熱電阻式傳感器
電阻—溫度特性曲線
;熱電阻式傳感器
熱電阻材料選擇
電阻溫度系數a要大,制成的溫度傳感器的靈敏度越高。電阻溫度系數與材料的純度有關,純度越高,a值就越大,且穩定
材料的電阻率要大,這樣可使熱電阻體積較小,熱慣性較小,對溫度變化的響應就比較快
在整

參數式傳感器:參數式傳感器及其應用

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1、測試技術測試技術 參數式傳感器及其應用參數式傳感器及其應用第四章第四章 問題:1.電阻式、電容式、電感式傳感器能測量電阻式、電容式、電感式傳感器能測量哪些量?哪些量?2.電容式傳感器有幾種類型?各自的特點電容式傳感器有幾種類型?各自的特點是什么?是什么?3.電渦流傳感器一般測量什么量,其工作電渦流傳感器一般測量什么量,其工作原理是什么?原理是什么?內容內容 1.傳感器概念傳感器概念2.電阻式傳感器電阻式傳感器3.電容式傳感器電容式傳感器4.電感式傳感器電感式傳感器重點:掌握每種傳感器的工作原理及其應用重點:掌握每種傳感器的工作原理及其應用1)1)基本概念基本概念國家標準(國家標準(GB7665

2、GB)對傳感器定義)對傳感器定義: : 感受規定的被測量感受規定的被測量并并按一定的規律轉換按一定的規律轉換成成可用輸出信號可用輸出信號的器件或裝置的器件或裝置內涵:內涵: 一個指定的傳感器,只能感受規定的物理量一個指定的傳感器,只能感受規定的物理量 輸入輸出關系服從一定規律輸入輸出關系服從一定規律 傳感器的輸出信號中載有被測量信息傳感器的輸出信號中載有被測量信息1 1、傳感器概念傳感器概念 什么是傳感器?什么是傳感器?重要作用:重要作用:機械量檢測中不可缺少的機械量檢測中不可缺少的首要環節首要環節它的精度直接影響測試系統的整體它的精度直接影響測試系統的整體測試精度測試精度工程

3、實際中俗稱測量頭、檢測器等,也稱為一次儀表工程實際中俗稱測量頭、檢測器等,也稱為一次儀表傳感器傳感器 Transducer/Sensor/probe 1 1、傳感器概念傳感器概念 2) 2) 組成組成敏感元件敏感元件轉換元件轉換元件轉換電路轉換電路被測量被測量電量電量敏感元件敏感元件直接感受被測量(如:位移)直接感受被測量(如:位移)轉換為有確定關系的易變成電參轉換為有確定關系的易變成電參數的數的其它物理量其它物理量(如:應變)(如:應變)轉換元件轉換元件將將其它物理量其它物理量直接轉換為有確直接轉換為有確定關系的電參量的元件(如:定關系的電參量的元件(如:電阻)電阻)1 1、傳感器概念傳感器

4、概念 有的傳感器兩有的傳感器兩元件合二為一。元件合二為一。 傳感器傳感器敏感元件敏感元件 力、轉矩力、轉矩應變應變轉換元件轉換元件 應變應變電阻電阻 轉換電路轉換電路 電阻電阻電壓電壓1 1、傳感器概念傳感器概念 可見可見 (1)敏感元件可以將被測量進行多于一次的變換;)敏感元件可以將被測量進行多于一次的變換; (2)敏感元件可以是多個零件的組合體。)敏感元件可以是多個零件的組合體。位移傳感器位移傳感器敏感元件敏感元件 直線位移直線位移徑向位移徑向位移 徑向位移徑向位移彎曲變形彎曲變形 彎曲變形彎曲變形應變應變轉換元件轉換元件 應變應變電阻電阻1 1、傳感器概念傳感器概念 波登管波登管一端開通

5、,一端封閉,當流體進入管中后封一端開通,一端封閉,當流體進入管中后封閉端產生位移,其位移大小正比于流體的壓強。閉端產生位移,其位移大小正比于流體的壓強。敏感元件:敏感元件:波登管(波登管(C型管)型管) 壓強壓強位移位移1 1、傳感器概念傳感器概念 轉換元件:轉換元件:銜鐵銜鐵 位移位移電感電感5C型彈簧管型彈簧管 6、8線圈線圈 7 銜鐵銜鐵 9機械零點調零螺釘機械零點調零螺釘 基本特性基本特性 包括靜態特性與動態特性兩大類性能指標。包括靜態特性與動態特性兩大類性能指標。靜態特性靜態特性 量程、靈敏度、分辨率、精度、非線性、穩定性等。量程、靈敏度、分辨率、精度、非線性、穩定性等。動態特性動態

6、特性 可用頻率范圍可用頻率范圍 動態放大比動態放大比設計或選用時必須考慮的問題設計或選用時必須考慮的問題1 1、傳感器概念傳感器概念 3) 基本特性基本特性輸入量輸入量分類法分類法 可分為溫度、壓力、位移、速度、濕度等傳感器??煞譃闇囟?、壓力、位移、速度、濕度等傳感器。 該分類法適合于該分類法適合于用戶和銷售商用戶和銷售商,便于很明確地根據用途選用傳感器。,便于很明確地根據用途選用傳感器。 輸出量輸出量分類法分類法 可分為參數式傳感器和發電式傳感器兩類??煞譃閰凳絺鞲衅骱桶l電式傳感器兩類。 該分類法適合該分類法適合研發者和學習者研發者和學習者,以便于掌握傳感器的工作原理。,以便于掌握傳感器的

7、工作原理。 1 1、傳感器概念傳感器概念 4) 傳感器分類傳感器分類 一種被測量可以用不同類型的傳感器來測量一種被測量可以用不同類型的傳感器來測量 同一原理的傳感器通常又可測量多種非電量同一原理的傳感器通常又可測量多種非電量 將輸入的機械參數變化轉變將輸入的機械參數變化轉變為為電參數變化電參數變化的傳感器。的傳感器。 常用的有常用的有電阻、電感和電容電阻、電感和電容式式三種基本參數傳感器。三種基本參數傳感器。 這種傳感器由于在工作時其這種傳感器由于在工作時其本身本身沒有內在的能量轉換沒有內在的能量轉換,而,而不能產生電信號輸出不能產生電信號輸出,故常常,故常常也被稱之為也被稱之為無源傳感器無源

8、傳感器。 將輸入的機械參數信號直接將輸入的機械參數信號直接轉變為轉變為電信號輸出電信號輸出的傳感器。的傳感器。 常用的有常用的有壓電式、磁電式、壓電式、磁電式、光電式、霍爾式以及熱電式光電式、霍爾式以及熱電式等基等基本類型傳感器。本類型傳感器。 在工作時其本身就在工作時其本身就有內在的有內在的能量轉換能量轉換,且,且能夠產生電信號輸能夠產生電信號輸出出,故它常常也被稱之為,故它常常也被稱之為有源傳有源傳感器。感器。 參數式傳感器參數式傳感器發電式傳感器發電式傳感器1 1、傳感器概念傳感器概念 本章重點介紹本章重點介紹參數式傳感器參數式傳感器及其應用及其應用 下一章將介紹下一章將介紹發電式傳感器

9、發電式傳感器及其應用及其應用定義:將定義:將非電量變化非電量變化轉換為轉換為電阻變化電阻變化的傳感器的傳感器分類:分類:敏感元件敏感元件 . . 彈性元件、彈性元件、 熱敏元件、熱敏元件、 滑塊滑塊轉換元件轉換元件電阻電阻轉換電路轉換電路直流電橋直流電橋2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器 V E R1 R2 R3 R4 電阻電阻R R電阻電阻應變應變式式熱熱電阻式電阻式電電位位計式計式電阻式電阻式傳感器傳感器測應變測應變測溫度測溫度測位移測位移原理:原理:微微應變與電阻的關系應變與電阻的關系 根據根據電阻定律電阻定律,導體或半導體的電阻可以表示為:,導體或半導體的電阻可以表示為: (2)dRd

10、dldARlA(1) AlRtrtrvrdrAdA22)(2(3) )21 (dvRdRt第一項表示材料第一項表示材料幾何尺寸幾何尺寸變化引起的電阻變化變化引起的電阻變化第二項表示第二項表示材料特性電阻率材料特性電阻率變化引起的電阻變化變化引起的電阻變化tldl2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器2.1 應變片式傳感器應變片式傳感器材料在材料在軸向受力軸向受力的作用,產生的作用,產生機機械變形械變形/結構變結構變形形微應變微應變求微分:求微分:已知:已知:可得:可得:電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器 分析電阻率變化分析電阻率變化tdEd 半導體 金屬2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器(1)金屬材

11、料)金屬材料-與體應變成比例與體應變成比例 式中:式中:C比例常數比例常數(2)半導體材料)半導體材料-取決于壓阻效應取決于壓阻效應 式中:式中:半導體材料在受力方向半導體材料在受力方向壓阻系數壓阻系數 E半導體材料的彈性模量半導體材料的彈性模量電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器tCAdAldlCVdVCd)21 ()(金屬材料金屬材料 一般一般0.3,C1,因此金屬材料的,因此金屬材料的電阻應變效應主要來自結電阻應變效應主要來自結構尺寸的變化構尺寸的變化尺寸效應尺寸效應,且靈敏系數較小,約為,且靈敏系數較小,約為2.0左右。左右。tmtSCRdRRR)21 ()21(ttSERdRRR)21(

12、2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器半導體材料半導體材料 E(1+2),因此半導體材料的電阻變化主要來自,因此半導體材料的電阻變化主要來自 壓阻效應壓阻效應,靈敏系數較大,約為,靈敏系數較大,約為,分散性大。,分散性大。電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器應變片式傳感器技術參數應變片式傳感器技術參數類類 型型金屬應變片金屬應變片半導體應變片半導體應變片測量范圍測量范圍0. 0. 靈敏系數靈敏系數1.84.標稱阻值標稱阻值120,350,600,電阻受溫度影響電阻受溫度影響溫度系數是溫度系數是正值正值溫度系數一般是溫度系數一般是負

13、值負值電阻容差電阻容差0.1%0.35%1%2%有效柵長度有效柵長度/mm0.4150 標準值:標準值: 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器金屬應變片與半導體應變片的性能比較金屬應變片與半導體應變片的性能比較半導體應變片半導體應變片: 優點優點是靈敏度高,比金屬材料是靈敏度高,比金屬材料約高約高50倍,因此有時可以不加放大倍,因此有時可以不加放大器,使測量電路大大簡化。器,使測量電路大大簡化。 缺點缺點是是電阻溫度系數電阻溫度系數大,比常大,比常用金屬絲材料大幾十倍,因此對溫用金屬絲材料大幾十倍,因此對溫度過于敏感;度過于敏感; 此外大應變時此外大應變時

14、靈敏度不為常數。靈敏度不為常數。2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器金屬應變片:金屬應變片: 優點優點是是靈敏度一般為常數。靈敏度一般為常數。 溫度影響比半導體小溫度影響比半導體小,由溫度,由溫度引起的電阻變化與試件應變帶來的引起的電阻變化與試件應變帶來的電阻變化也電阻變化也幾乎是同一數量級。幾乎是同一數量級。 缺點缺點是靈敏度較低,需要放大是靈敏度較低,需要放大電路。電路。應變片結構應變片結構2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器目前主要使用金屬箔式應變片目前主要使用金屬箔式應變片電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器各種形式應變花各種形式應變花常用常用金屬應變片材料金屬

15、應變片材料康銅:康銅:常用的電阻絲材料常用的電阻絲材料卡瑪合金卡瑪合金:比康銅具有更長的疲勞壽命和更寬的溫度范圍:比康銅具有更長的疲勞壽命和更寬的溫度范圍 適用于長時間靜態測量適用于長時間靜態測量鉑鎢合金鉑鎢合金:具有極長的:具有極長的疲勞壽命疲勞壽命應變片性能應變片性能對絕緣電阻要求高:對絕緣電阻要求高: 粘貼的應變片與被測試件之間的電阻值一般要求粘貼的應變片與被測試件之間的電阻值一般要求R108限制限制最大工作電流最大工作電流Imax: 應變片敏感柵允許通過的應變片敏感柵允許通過的不影響其工作特性不影響其工作特性的最大電流值的最大電流值 通常靜態測量取通常靜態測量取25mA左右,動態測量可

16、取左右,動態測量可取mA2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器?柱式柱式應變片式傳感器的應變片式傳感器的應用應用膜片式膜片式(氣體、液體)(氣體、液體)梁式梁式等截面梁等截面梁雙孔梁雙孔梁S型拉力梁型拉力梁2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器應變片的安裝應變片的安裝安裝質量安裝質量力傳遞效果力傳遞效果測量效果測量效果 應變大的方向應變大的方向應變片縱向應變片縱向安裝方法有三種:安裝方法有三種:粘貼法粘貼法、焊接法焊接法和和噴涂法噴涂法,其,其中中粘貼法最為常用粘貼法最為常用2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電阻應變式傳感器電阻

17、應變式傳感器應變傳感器溫度誤差及補償應變傳感器溫度誤差及補償溫度引起的測量誤差溫度引起的測量誤差1.溫度效應:阻值隨溫度變化溫度效應:阻值隨溫度變化2.熱膨脹效應:不同的線脹系數導致不同應變熱膨脹效應:不同的線脹系數導致不同應變實用中常采用實用中常采用橋路補償橋路補償方法方法tSSRRtt)(/120電阻溫度效應電阻溫度效應熱膨脹效應熱膨脹效應2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器Rt、R0應變片在溫度應變片在溫度t、t0時電阻值時電阻值應變片電阻絲的電阻溫度系數應變片電阻絲的電阻溫度系數電阻絲材料和試件材料的電阻絲材料和試件材料的線膨脹系數線膨脹系數應變片靈敏系數應變片靈敏系數t 溫度變化量溫度

18、變化量電橋特征:電橋特征:輸出電壓與相鄰臂阻值之差成輸出電壓與相鄰臂阻值之差成比例。比例。因此:電橋可以實現因此:電橋可以實現溫度補償。溫度補償。電阻應變式傳感器電阻應變式傳感器2.2 2.2 熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器測量溫度測量溫度p工作原理:工作原理: 利用利用電阻隨溫度變化電阻隨溫度變化的特性制成的傳感器叫做電阻式溫度傳感的特性制成的傳感器叫做電阻式溫度傳感器。器。 p兩種類型兩種類型 金屬熱電阻:金屬熱電阻:純金屬是制造熱電阻的主要材料純金屬是制造熱電阻的主要材料 可以應用于熱電阻的金屬有鉑、銅、鎳、鐵等可以應用于熱電阻的金屬有鉑、銅、鎳、鐵等 半導體熱敏電阻:半導體熱敏電阻:分為

19、三類:分為三類: 負溫度系數負溫度系數熱敏電阻(熱敏電阻(NTC);); 正溫度系數正溫度系數熱敏電阻(熱敏電阻(PTC);); 臨界溫度系數臨界溫度系數熱敏電阻(熱敏電阻(CTC) PTC和和CTC型在一定溫度范圍內,阻值隨溫度劇烈變化,因此型在一定溫度范圍內,阻值隨溫度劇烈變化,因此常用作開關元件,常用作開關元件,溫度測量主要使用溫度測量主要使用NTC型熱敏電阻。型熱敏電阻。 2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器p兩種類型熱電阻兩種類型熱電阻特點:特點: 1. 靈敏度靈敏度 溫度升高溫度升高1: 大多數金屬的阻值要大多數金屬的阻值要增加增加0.40.6%正溫度效應

20、正溫度效應 NTC半導體的電阻值要半導體的電阻值要減小減小36%負溫度效應負溫度效應010ttRRtt0011()BttttRR e2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器一般純金屬在溫度變化范圍不大時,電阻值與溫度的關系近似為線性一般純金屬在溫度變化范圍不大時,電阻值與溫度的關系近似為線性NTC半導體的電阻值與溫度的關系為非線性關系半導體的電阻值與溫度的關系為非線性關系 其中,其中,B是熱敏電阻的材料常數。是熱敏電阻的材料常數。2. 線性度線性度電阻電阻溫度特性曲線溫度特性曲線鉑、銅的電阻特性曲線比較理想鉑、銅的電阻特性曲線比較理想 半導體的電阻特性曲線半導體的電阻特性

21、曲線2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻材料選擇熱電阻材料選擇n電阻溫度系數電阻溫度系數要大要大,制成的溫度傳感器的靈敏度高。,制成的溫度傳感器的靈敏度高。 電阻溫度系數與材料的純度有關,電阻溫度系數與材料的純度有關,純度越高純度越高,值值就越大,且穩定就越大,且穩定n電阻率要大電阻率要大,這樣可使熱電阻體積較小,熱慣性較小,這樣可使熱電阻體積較小,熱慣性較小,對溫度變化的響應就比較快對溫度變化的響應就比較快n在整個測量范圍內,在整個測量范圍內,物理化學性質穩定物理化學性質穩定、線性、良好、線性、良好重復性重復性n易于加工易于加工復制,價格便宜復制,價格便宜 2

22、 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器常用熱電阻:常用熱電阻: 1 1)鉑電阻:鉑電阻: 化學穩定性很高,容易提純,便于加工化學穩定性很高,容易提純,便于加工 是是最常用的最常用的金屬金屬熱電阻熱電阻材料材料 用于用于-259..74范圍內的測溫范圍內的測溫 是是基準溫度計基準溫度計/.4/.5/.).1(0200)100(.1CCCBCAttBtARRtttCtBtARRtt2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器薄膜鉑電阻薄膜鉑電阻用真空沉積的用真空沉積的薄膜技術薄膜技

23、術把鉑把鉑濺射濺射在陶瓷基片上,膜厚在在陶瓷基片上,膜厚在2m以內,以內,用玻璃燒結料固定用玻璃燒結料固定Ni(或或Pd)引線,制成薄膜元件引線,制成薄膜元件.特點:微型化、反應快特點:微型化、反應快2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器2) 銅電阻銅電阻優點:優點:溫度系數溫度系數高高,價格低廉,易于提純,價格低廉,易于提純在在-范圍內近似呈線性關系范圍內近似呈線性關系缺點:缺點:電阻率小電阻率小,體積較大,銅電阻絲細而長,故機械強度降低,體積較大,銅電阻絲細而長,故機械強度降低易氧化,易氧化,只能用于無侵蝕性介質只能用于無侵蝕性介質CtRRt/1025.4

24、).1(302 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器幾種金屬熱電阻材料特性幾種金屬熱電阻材料特性2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器 鎳和鐵電阻雖然也適合做熱電阻,但由于易氧化、非線性嚴重,較鎳和鐵電阻雖然也適合做熱電阻,但由于易氧化、非線性嚴重,較少應用少應用. 3) 鍺電阻鍺電阻 鍺是最常用的鍺是最常用的半導體材料半導體材料,純鍺在低溫下電阻率太大,純鍺在低溫下電阻率太大,對溫度的對溫度的靈敏度也不高,因此必須摻雜微量的雜質靈敏度也不高,因此必須摻雜微量的雜質. 特點:特點:具有具有負的電阻溫度系數負的電阻溫度系數:溫度降低時,其電阻值增加,

25、靈敏度增大:溫度降低時,其電阻值增加,靈敏度增大電阻溫度關系很穩定,重復性很好電阻溫度關系很穩定,重復性很好迄今所研究過的半導體中最迄今所研究過的半導體中最理想的理想的低溫測量元件低溫測量元件標定一次可長期使用,而且它的測量精度可達到標定一次可長期使用,而且它的測量精度可達到0.005K許多國家將鍺電阻溫度計作為許多國家將鍺電阻溫度計作為4.2K20K之間的之間的標準測溫儀表標準測溫儀表2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器4)熱敏電阻:)熱敏電阻:n種類繁多種類繁多;n由單晶、多晶以及由單晶、多晶以及玻璃玻璃、塑料塑料等等半導體材料半導體材料制成制成 nPNC、CNC

26、熱敏電阻隨溫度變化阻值變化劇烈,常用開關元件熱敏電阻隨溫度變化阻值變化劇烈,常用開關元件n測量靈敏度較高、測量靈敏度較高、成本低、成本低、體積?。c溫度測量),可滿足不同測溫對象體積?。c溫度測量),可滿足不同測溫對象的要求,而且適合的要求,而且適合動態測量動態測量缺點是性能不穩定,互換性差,導致測量精度不高缺點是性能不穩定,互換性差,導致測量精度不高空調系統的溫控空調系統的溫控元件元件 a) a)圓片型圓片型 b)b)柱型柱型 c)c)平板型平板型 d)d)結構組成結構組成 e)e)符號符號2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器熱電阻式傳感器熱電阻式傳感器2.3 2.3 電位計式電阻傳感器電位計

27、式電阻傳感器原理:原理:將將線位移或角位移轉換為線位移或角位移轉換為與其成一定函數關系的電阻與其成一定函數關系的電阻結構:結構:帶有直線或旋轉帶有直線或旋轉滑動觸頭滑動觸頭的電阻器件的電阻器件種類種類:按按結構形式結構形式可分為繞線式可分為繞線式、薄膜式等、薄膜式等xSLxRrRxSLxURrUUUii02 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器電位計式傳感器電位計式傳感器2.4 2.4 電阻式傳感器的應用電阻式傳感器的應用1 1)應變式力傳感器)應變式力傳感器n被測物理量被測物理量:載荷或力載荷或力 各種各種類型類型的測力元件,測量范圍從的測力元件,測量范圍從1mN108Nn特點:特點:分辨率高,誤

28、差較小,測量范圍大,分辨率高,誤差較小,測量范圍大,靜態與動態都可測靜態與動態都可測,能在嚴酷環境能在嚴酷環境下下工作工作 柱式測力元件:體積小、結構緊湊、構造簡單柱式測力元件:體積小、結構緊湊、構造簡單柱式柱式2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器這是一個這是一個重要特性!重要特性! 2 2)應變式壓力傳感器)應變式壓力傳感器n被測物理量被測物理量:液體、氣體的液體、氣體的動態和靜態動態和靜態壓力壓力 例如:例如:動力管道設備進、出口氣體和液體的壓力,發動機噴口壓動力管道設備進、出口氣體和液體的壓力,發動機噴口壓力,內燃機管道壓力等力,內燃機管道壓力等n結構:結構:膜片式或筒式彈性元件膜片式或筒

29、式彈性元件 在壓力的作用下,在壓力的作用下,圓膜片產生圓膜片產生徑向應變徑向應變和和切向應變切向應變應變片應變片2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器EhxRpr)3)(1 (3EhxRp)(1 (33 3)應變式扭矩傳感器)應變式扭矩傳感器原理:原理:彈性元件在傳遞轉矩時產生應變彈性元件在傳遞轉矩時產生應變 軸受到扭矩作用時,軸受到扭矩作用時,剪切應變剪切應變與它所傳遞的扭矩有線性關系與它所傳遞的扭矩有線性關系 其中:其中:Me轉軸所受的轉軸所受的扭矩扭矩、G剪切模量剪切模量 、W扭轉扭轉模模量量2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器 應變片扭矩傳感器徑向刷式應變片扭矩傳感器徑向

30、刷式集流環集流環示意圖示意圖1-扭矩軸;扭矩軸;2-應變片;應變片;3-絕緣環;絕緣環;4-滑環;滑環;5-電刷電刷eeeKMdGMGWMG3161膜盒 2連桿 3曲柄 4電刷 5電阻元件2 2、電阻式傳感器、電阻式傳感器4)電位計式壓力傳感器電位計式壓力傳感器 敏感元件將被測量轉換為機械位移,再由電位計將敏感元件將被測量轉換為機械位移,再由電位計將位移位移轉換轉換為與之成對應關系的為與之成對應關系的電阻或電壓電阻或電壓信號輸出。信號輸出。傳感器傳感器定義:感受特定量、一定規律、可用輸出信號定義:感受特定量、一定規律、可用輸出信號組成:兩部分功能組成:兩部分功能電阻式傳感器電阻式傳感器1 1)

31、應變式傳感器)應變式傳感器 原理原理: : 結構尺寸效應、壓阻效應結構尺寸效應、壓阻效應2 2)熱電阻傳感器)熱電阻傳感器: 原理原理:熱阻效應:熱阻效應3 3)電位計傳感器)電位計傳感器: 原理:原理:滑動觸頭滑動觸頭位移改變阻值位移改變阻值電阻式傳感器回顧電阻式傳感器回顧1)定義:)定義:將被測量變化轉換為電容變化的傳感器將被測量變化轉換為電容變化的傳感器電容傳感器特點電容傳感器特點分辨率高,分辨率高,結構簡單,工作可靠結構簡單,工作可靠 可非接觸測量可非接觸測量,可在惡劣環境下工作,可在惡劣環境下工作可測量的物理量可測量的物理量位移位移壓力壓力液位液位介質介質轉換元件轉換元件 電容電容C

32、 A3、電容式傳感器、電容式傳感器 2 2)工作原理)工作原理在忽略邊緣效應的情況下,平行極板電容器的電容量在忽略邊緣效應的情況下,平行極板電容器的電容量 AUQACQC U3、電容式傳感器、電容式傳感器3)基本類型)基本類型 變極距變極距:位移:位移 變面積變面積 A A:位移、壓力(差動):位移、壓力(差動) 變介質變介質:厚度、液位厚度、液位 轉子轉子 電容式探頭D (1 1)變極距式)變極距式 兩極板在被測對象作用下兩極板在被測對象作用下, ,間隙間隙發生變化發生變化 n電容量電容量C C與極距與極距呈非線性關系,為了減小非線性誤差,通常極距變化范呈非線性關系,為了減小非線性誤差,通常

33、極距變化范圍圍/ / 0 0 0.010.010.10.1。此類電容傳感器僅適于。此類電容傳感器僅適于微小位移微小位移的測量(的測量(0.0.001mm001mm零點幾毫米零點幾毫米););n靈敏度靈敏度s s與極距的平方成反比,極距越小,靈敏度越高與極距的平方成反比,極距越小,靈敏度越高,為了提高靈敏度,為了提高靈敏度,極距應盡可能小,極距應盡可能小n極距減小受限制:一是非線性誤差增大;二是容易發生電容極板間的電極距減小受限制:一是非線性誤差增大;二是容易發生電容極板間的電擊穿。一般初始極距擊穿。一般初始極距 0 00.10.11mm1mm左右。左右。n用于非接觸測量用于非接觸測量22AdC

34、ddCASd 3、電容式傳感器、電容式傳感器靈敏度靈敏度AC 性能改進方法性能改進方法差動方式差動方式 兩個變極距電容傳感器,被測位移使兩個變極距電容傳感器,被測位移使動片動片變化,引起極距差動變化,變化,引起極距差動變化,兩個輸出電容也差動變化:兩個輸出電容也差動變化:一個增大、一個減小一個增大、一個減小。 如果在如果在電路設計上實現:輸出量與兩個電容變化量之差成比例電路設計上實現:輸出量與兩個電容變化量之差成比例,則差動方式的靈敏度就是原來則差動方式的靈敏度就是原來2倍。倍。 差動電容傳感器常采用交流電橋進行放大差動電容傳感器常采用交流電橋進行放大:兩個電容就是電橋的相兩個電容就是電橋的相

35、鄰兩個橋臂鄰兩個橋臂動片動片定片定片定片定片3、電容式傳感器、電容式傳感器差動變極距式電容傳感器性能分析:差動變極距式電容傳感器性能分析: 對于對于兩個極板構成的平行極板電容器兩個極板構成的平行極板電容器,見圖,見圖(a), 假設動極板假設動極板上移時,上移時, 極板間距由初始距離極板間距由初始距離 變為變為 ,電容變化:,電容變化: 000/CA0/()CA則電容的相對變化量為:則電容的相對變化量為: 1000(1)CC因為因為 1,將上式按冪級數展開,將上式按冪級數展開,得到忽略得到忽略二次以上二次以上高次項的近似解高次項的近似解.0/ ()CC 對于對于三個極板構成的差動電

36、容器三個極板構成的差動電容器,見圖,見圖(c), 假設動極板上移假設動極板上移 時,上、下極板時,上、下極板間距分別變為間距分別變為 與與 ,電容為,電容為 0 ()()CC()()CC()CCCC002CC得到了忽略得到了忽略三次以上三次以上高次項解??梢姡翰顒与娙萜黛`敏度提高,非線性誤差減小。高次項解??梢姡翰顒与娙萜黛`敏度提高,非線性誤差減小。03、電容式傳感器、電容式傳感器00CCS002CCS(2 2)變面積式變面積式:相對面積變化:相對面積變化 輸出特性:輸出特性:線性線性 可測量可測量1cm10cm中等大小的位移中等大小的位移 靈

37、敏度靈敏度 可見,靈敏度為常數??梢?,靈敏度為常數。 減小極距減小極距可提高靈敏度可提高靈敏度. 應用中也采用差動方式應用中也采用差動方式:提高靈敏度:提高靈敏度 dCSdAdCdA3、電容式傳感器、電容式傳感器ACdAdC2(3 3)變介質式)變介質式輸出特性:輸出特性:線性線性 內圓筒內圓筒 外圓筒外圓筒介質介質AdCddCASd3、電容式傳感器、電容式傳感器AC靈敏度靈敏度可見,增加面積可見,增加面積A、減小極距、減小極距可提高靈敏度可提高靈敏度應用應用 液位高低液位高低 片狀材料的厚度片狀材料的厚度4)電容式傳感器優缺點)電容式傳感器優缺點優點:優點:靈敏度高靈敏度高精度高達精度高達0

38、.01% 0.01% 動態特性好,適合測量動態量動態特性好,適合測量動態量能量損耗小能量損耗小非接觸測量非接觸測量結構簡單,環境適應性好(高溫、輻射等)結構簡單,環境適應性好(高溫、輻射等)缺點:缺點:電纜分布電容影響大電纜分布電容影響大3、電容式傳感器、電容式傳感器 5)電容測量時的幾點考慮)電容測量時的幾點考慮抗干擾:抗干擾:電容量很?。◣讉€電容量很?。◣讉€pf 幾十個幾十個pf),),易受外界電場干擾,因此:易受外界電場干擾,因此: 采用采用輸入阻抗高,噪聲低的前置放大器輸入阻抗高,噪聲低的前置放大器 引出線應盡量短引出線應盡量短 采用屏蔽線,采用屏蔽線,而且屏蔽線與殼體及可動電極應有可

39、靠的而且屏蔽線與殼體及可動電極應有可靠的接地接地 盡量減小外電場的干擾;盡量減小外電場的干擾;極板間絕緣材料要求高:極板間絕緣材料要求高: 通常要求絕緣電阻在通常要求絕緣電阻在100M以上,以減小漏電阻對測量精度的影響;以上,以減小漏電阻對測量精度的影響;環境溫度影響:環境溫度影響: 采用采用補償電橋補償電橋以抵消以抵消介電常數介電常數隨溫度的變化隨溫度的變化 盡量選擇膨脹系數低的盡量選擇膨脹系數低的材料材料制造電容式傳感器,以減小尺寸隨溫度的變化。制造電容式傳感器,以減小尺寸隨溫度的變化。3、電容式傳感器、電容式傳感器 6 6)電容式傳感器典型結構)電容式傳感器典型結構 變極距變極距()型)

40、型: (a)、(e) 變面積型變面積型(A)型型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) (h) 變介電常數變介電常數( )型型: (i)(l)3、電容式傳感器、電容式傳感器7)電容式傳感器的應用)電容式傳感器的應用3、電容式傳感器、電容式傳感器 (1)電容式轉速傳感器)電容式轉速傳感器(2)電容式厚度傳感器)電容式厚度傳感器電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用(3)電容式壓差傳感器)電容式壓差傳感器結構:結構:變間隙變間隙差動方差動方式電容傳感器式電容傳感器固定極板固定極板:兩個凹面鍍金兩個凹面鍍金的的玻璃圓盤玻璃圓盤可動電極可動電極:一個金屬一個金屬(不銹鋼不銹鋼)膜片膜片當當p1p2時

41、,膜片彎向一側,那時,膜片彎向一側,那么兩個差動電容一個增大、一個么兩個差動電容一個增大、一個減小,且變化量大小相同減小,且變化量大小相同當壓差反向時,差動電容變化量當壓差反向時,差動電容變化量也反向也反向特點:特點:結構簡單,靈敏度高,響應結構簡單,靈敏度高,響應速度快速度快(約約100ms),能測微小壓,能測微小壓差差(00.75Pa)電容式差壓傳感器結構示意圖1金屬鍍層 2凹形玻璃 3膜片4過濾器 5外殼3、電容式傳感器、電容式傳感器電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用(4)電容式微加速度傳感器)電容式微加速度傳感器 結構:結構:上、下電極固定不動上、下電極固定不動,動片動片是是左端固定

42、在襯底上的左端固定在襯底上的懸臂梁懸臂梁,可以上下振動可以上下振動三維方向的振動或加速度三維方向的振動或加速度測量:測量:在殼體內的三個相互垂直方向在殼體內的三個相互垂直方向安裝三個加速度傳感器安裝三個加速度傳感器 3硅襯底,4底層多晶硅下電極,5中間層多晶硅振動片; 6頂層多晶硅上電極3、電容式傳感器、電容式傳感器電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用變極距式電容傳感器產品舉例變極距式電容傳感器產品舉例 非接觸非接觸DWC型電容式位移測量儀:型電容式位移測量儀:平面、圓柱面平面、圓柱面線性量程線性量程:5/10/50/100/500/1000/2000/3000/4000/5000:5/10/

43、50/100/500/1000/2000/3000/4000/5000m m分辨率分辨率:0.01%FS:0.01%FS 非線性非線性: 0.25%FS: 0.25%FS 頻響頻響:0-7.5KHz:0-7.5KHz 電源電源:+15V,-15V:+15V,-15V 輸出輸出:-5V-+5V:-5V-+5V 溫度穩定性溫度穩定性:0.25% FS/h:0.25% FS/h 具有自校靈敏度具有自校靈敏度. .非線性功能非線性功能 轉子轉子 電容式探頭D 3、電容式傳感器、電容式傳感器電容式傳感器的應用電容式傳感器的應用電容式傳感器回顧電容式傳感器回顧特點特點 結構簡單、結構簡單、分辨率高分辨率高

44、、工作可靠、工作可靠、可非接觸測量可非接觸測量類型類型類型類型靈敏度靈敏度特性特性常測量常測量應用形式應用形式變極距式變極距式非線性非線性微小位移微小位移0.0011mm壓力、加速度壓力、加速度常用差動常用差動變面積式變面積式線性線性中等位移中等位移1-10cm常用差動常用差動變介質式變介質式線性線性液位液位厚度厚度dCASd2dCASd dCSdA1 )定義:)定義: 基于基于電磁感應原理電磁感應原理,將被測量轉化為電感量,將被測量轉化為電感量. . 可測量的物理量可測量的物理量位移位移壓力壓力流量流量電感式傳感器電感式傳感器自感型自感型可變磁阻型可變磁阻型渦流式渦流式互感型互感型4、電感式

45、、電感式傳感器傳感器 2)分類)分類(1)自感型自感型變磁阻變磁阻傳感器傳感器 組成:組成:自感型變磁阻傳感器由線圈、鐵心、銜鐵三部分組成。自感型變磁阻傳感器由線圈、鐵心、銜鐵三部分組成。原理:原理:設線圈匝數為設線圈匝數為N,線圈自感線圈自感L的定義為:的定義為:磁路磁阻磁路磁阻Rm由鐵心由鐵心和銜鐵的和銜鐵的磁阻磁阻R Rf f和氣隙磁阻和氣隙磁阻 兩部份組成,即:兩部份組成,即:其中:其中: mRL2RRRRfmifiiilRA02RAx0LiNAL4、電感式、電感式傳感器傳感器 由于鐵心磁導率遠遠大于空氣磁導率,自感傳感器的自感量為:由于鐵心磁導率遠遠大于空氣磁導率,自感傳

46、感器的自感量為:氣隙面積、氣隙長度氣隙面積、氣隙長度改變時,均會引起磁改變時,均會引起磁路磁阻變化路磁阻變化自感型自感型變磁阻變磁阻傳感器靈敏度傳感器靈敏度 4、電感式、電感式傳感器傳感器 變面積式靈敏度變面積式靈敏度變氣隙式靈敏度變氣隙式靈敏度202NdLsdA2022NAdLsd x0Li123x 自感型自感型變磁阻變磁阻傳感器類型傳感器類型 變面積式變面積式 變氣隙式變氣隙式202NAL靈敏度低,較少使用靈敏度低,較少使用靈敏度高,常用靈敏度高,常用001/LLsL變氣隙式靈敏度也可表示為變氣隙式靈敏度也可表示為4、電感式、電感式傳感器傳感器 自感傳感器缺點自感傳感器缺點: (1 1)變

47、面積型變面積型工作特性是線性的,但靈敏度低;工作特性是線性的,但靈敏度低; (2 2)變氣隙型變氣隙型靈敏度高靈敏度高, , 但非線性嚴重;但非線性嚴重; 為減小非線性誤差,氣隙的初始值為減小非線性誤差,氣隙的初始值0 0不宜過??;不宜過??; 為獲得較高靈敏度,氣隙的初始值為獲得較高靈敏度,氣隙的初始值0 0不宜過大;不宜過大;=0.10.5mm,=(1/51/10) 僅測量較小位移僅測量較小位移0.0010.0011mm1mm; (3 3)鐵心對銜鐵的吸力比較大。)鐵心對銜鐵的吸力比較大。00如何既提高靈敏度如何既提高靈敏度又改善非線性?又改善非線性?雙邊雙邊差動式差動式自感型傳感器自感

48、型傳感器結構:結構:自感傳感器采用自感傳感器采用兩個線圈激磁兩個線圈激磁,共用一個活動銜鐵組成,工作時兩線圈共用一個活動銜鐵組成,工作時兩線圈的自感呈反相變化,形成差動輸出。的自感呈反相變化,形成差動輸出。 0 0 4、電感式、電感式傳感器傳感器 應用:應用: 主要用于主要用于位移位移測量,也可以用于測量,也可以用于振動、壓力、流量、液位振動、壓力、流量、液位等等參數測量參數測量 差動式自感型傳感器可以使兩線圈對銜鐵差動式自感型傳感器可以使兩線圈對銜鐵吸引力相互抵消吸引力相互抵消 工作范圍可以達到氣隙的工作范圍可以達到氣隙的30%,測量范圍可達測量范圍可達2 mm 實際使用的電感傳感器幾乎全是

49、差動的實際使用的電感傳感器幾乎全是差動的(2)互感式差動變壓器)互感式差動變壓器n互感式電感傳感器,是一種互感式電感傳感器,是一種線圈線圈互感值互感值隨隨鐵芯位移改變鐵芯位移改變而變化的而變化的變磁阻式變磁阻式傳感器,傳感器,其原理其原理類似于變壓器類似于變壓器 。n它主要用于它主要用于位移位移測量,也可以用于測量,也可以用于振動、壓力、流量、振動、壓力、流量、液位液位等參數測量。當它用于精密小位移測量時,一般約等參數測量。當它用于精密小位移測量時,一般約為為0.001 l mm。n應用最多的就是應用最多的就是螺線管式差動變壓器螺線管式差動變壓器,它具有測量精確,它具有測量精確度高、測量范圍大

50、(度高、測量范圍大(可擴大到可擴大到100mm,視結構尺寸而視結構尺寸而定)、穩定性好和使用方便等特點。定)、穩定性好和使用方便等特點。4、電感式、電感式傳感器傳感器 組成:組成:兩個線圈、一個鐵芯兩個線圈、一個鐵芯原理:原理:互感型電感式傳感器工作時,互感型電感式傳感器工作時,線圈線圈1通入交變電流,在線圈附近空間通入交變電流,在線圈附近空間產生磁通,從而在線圈產生磁通,從而在線圈2產生感生電壓。產生感生電壓。即:即:式中,式中,M21是兩線圈之間的互感系數,即:是兩線圈之間的互感系數,即:當鐵芯在兩個線圈的孔中左、右移動時,當鐵芯在兩個線圈的孔中左、右移動時,M21隨著隨著N21變化,變化

51、,u2隨之變化隨之變化u2與與x之間的關系呈現之間的關系呈現非線性非線性,靈敏度也低,靈敏度也低實用中常采用實用中常采用雙邊差動變壓器雙邊差動變壓器結構改善其非線性結構改善其非線性 221( )/ud M i tdt4、電感式傳感器、電感式傳感器 /MMN NR互感式差動變壓器互感式差動變壓器組成組成:初級線圈、完全對稱的反極性串聯的次級線圈、鐵芯:初級線圈、完全對稱的反極性串聯的次級線圈、鐵芯原理原理:輸出電壓幅值與輸出電壓幅值與鐵芯鐵芯位移大小成正比位移大小成正比4、電感式、電感式傳感器傳感器 ()iMMjUUUUrj L 理論理論實際實際x0零點零點UT 殘余

52、電壓殘余電壓WW1W2WPx三段式三段式雙邊雙邊差動變壓器差動變壓器量程量程10-20mm調零電阻調零電阻R解決輸出存在的零點殘余電壓解決輸出存在的零點殘余電壓相敏檢波解決鐵心相敏檢波解決鐵心位移的方向性(單輸出對應多輸入)位移的方向性(單輸出對應多輸入) u0 理論 實際 相敏檢波 x 4、電感式、電感式傳感器傳感器 優點:優點:輸出輸出功率大功率大,性能穩定,精度高。,性能穩定,精度高。缺點:缺點:不能反映其方向不能反映其方向 輸出電壓存在一定的零點殘余電壓輸出電壓存在一定的零點殘余電壓 n二段式二段式差動變壓器測量技術差動變壓器測量技術 n測量測量大位移大位移時可采用兩段式差動變壓器時可

53、采用兩段式差動變壓器 ,(線圈布局不同、心棒構造不同)(線圈布局不同、心棒構造不同) l(1L、1R)一感應線圈)一感應線圈 2一鐵心一鐵心 3一滑動支承一滑動支承4一外殼一外殼 5一端蓋一端蓋 6一磁極一磁極 7一膠木管一膠木管 8一勵磁線圈一勵磁線圈4、電感式傳感器、電感式傳感器 靈敏度一般可達靈敏度一般可達0.5-5V/mm 。為提高靈敏度,勵磁電。為提高靈敏度,勵磁電壓在壓在10V左右,電源頻率以左右,電源頻率以1-10kHz為好為好 。 差動變壓器差動變壓器(3 3)電渦流傳感器)電渦流傳感器渦流效應渦流效應(電磁感應定律):塊狀金屬置于變化著的磁場中或在磁(電磁感應定律):塊狀金屬

54、置于變化著的磁場中或在磁場中運動時,金屬內會產生感應電流,這種電流在金屬體內自身閉場中運動時,金屬內會產生感應電流,這種電流在金屬體內自身閉合,稱為電渦流,此現象為電渦流效應。合,稱為電渦流,此現象為電渦流效應。 ( (與變壓器原理相似與變壓器原理相似, ,二次側只有一匝并且輸出端總是短路的。二次側只有一匝并且輸出端總是短路的。) )結構結構:高頻激勵電流:高頻激勵電流+ +線圈線圈表征表征:電渦流線圈的等效阻抗:電渦流線圈的等效阻抗 Z=R+jL=F(i1、f、 、 、t、x) 靠近的被測導體內產生電渦流靠近的被測導體內產生電渦流i2,它也,它也產生交變磁場產生交變磁場H2,H2的方向與的方

55、向與H1的方的方向相反。由于磁場向相反。由于磁場H2的反作用,的反作用,導致導致傳感器線圈阻抗變化。傳感器線圈阻抗變化。4、電感式、電感式傳感器傳感器 測量原理:測量原理: 線圈阻抗與距離線圈阻抗與距離x、導體、導體 、 、t有關,有關,通過測量阻抗變化獲得通過測量阻抗變化獲得位移、振動、位移、振動、材料鑒別、探傷等材料鑒別、探傷等靈敏度取決于靈敏度取決于被測面材料被測面材料 ( 、 、t)n電渦流傳感器特性電渦流傳感器特性1)電渦流在金屬導體的縱深方向不是均勻分布的,只集中在導體表面。)電渦流在金屬導體的縱深方向不是均勻分布的,只集中在導體表面。 頻率越高,滲透深度越淺頻率越高,滲透深度越淺

56、 頻率越低,滲透深度越深頻率越低,滲透深度越深 因此,因此,改變頻率可控制檢測深度。改變頻率可控制檢測深度。2)當被測對象的材質改變時,輸出的特性曲線也不同。當被測對象的材質改變時,輸出的特性曲線也不同。 特別是鐵磁材特別是鐵磁材料差異更大,使用時要注意。料差異更大,使用時要注意。 n優點優點:非接觸測量:非接觸測量 、線性好線性好,工作范圍寬,分辨率高,工作范圍寬,分辨率高,受受溫度、濕度溫度、濕度的影響小的影響小,使用調整也比較方便,使用調整也比較方便 。n缺點缺點:靈敏度稍低于變氣隙式電容傳感器。靈敏度稍低于變氣隙式電容傳感器。 4、電感式、電感式傳感器傳感器 這點優于這點優于電容傳感器

57、!電容傳感器?。?)自感壓力傳感器自感壓力傳感器結構結構膜盒膜盒彈性敏感元件彈性敏感元件銜鐵銜鐵原理原理:壓力變化時,膜盒帶動銜鐵位移,壓力變化時,膜盒帶動銜鐵位移,線圈線圈自感變化自感變化1銜鐵銜鐵 2鐵芯鐵芯 3線圈線圈 4膜盒膜盒4、電感式、電感式傳感器傳感器 5C型彈簧管型彈簧管 6、8線圈線圈 7 銜鐵銜鐵 9機械零點調零螺釘機械零點調零螺釘(2)變隙差動式自感壓力傳感器變隙差動式自感壓力傳感器結構結構C形彈簧管形彈簧管彈性敏感元件彈性敏感元件銜鐵銜鐵原理原理:流體流體壓力壓力進入彈簧管后,其自由端進入彈簧管后,其自由端向外伸展,帶動動向外伸展,帶動動銜鐵銜鐵移動,引起電感變移動,引

58、起電感變化化3 3)電感式傳感器的應用)電感式傳感器的應用4、電感式、電感式傳感器傳感器 (3 3)互感型軸向電感測微計)互感型軸向電感測微計 核心:核心:螺線管式差動變壓器,常用于測量工件的外形尺寸和輪廓形狀螺線管式差動變壓器,常用于測量工件的外形尺寸和輪廓形狀 國產差動變壓器傳感器主要技術參數國產差動變壓器傳感器主要技術參數 參數參數型號型號 量程量程(mm)線性度線性度()()分辨力分辨力(m)靈敏度靈敏度DC(mv/mm)輸出輸出DC(v) 1型型010.51 6000.6 5型型0 . 10型型0 . 15型型0

59、1.5 30型型0 50型型0 200型型0 10 電源:電源: DC27v或或AC220v(4 4)電渦流傳感器的應用)電渦流傳感器的應用4、電感式、電感式傳感器傳感器 電感式傳感器回顧電感式傳感器回顧特點特點 結構簡單、測量范圍大、輸出功率大,性能穩定,可非接觸測量結構簡單、測量范圍大、輸出功率大,性能穩定,可非接觸測量類型類型1)自感型)自感型 常用差動方式,測量范圍小常用差動方式,測量范圍小 可測量位移、壓力等可測量位移、壓力等2)互感型)互感型 常用差動方式,測量范圍大常用差動方式,測量范圍大 主要用于測

60、量位移。主要用于測量位移。3)電渦流型)電渦流型 線性好、工作范圍寬、受溫度、濕度影響小線性好、工作范圍寬、受溫度、濕度影響小 可測量位移、轉速、厚度等;與表面電導率有關的表面溫度、表可測量位移、轉速、厚度等;與表面電導率有關的表面溫度、表面裂紋等;與材料磁導率有關的材料型號、表面硬度等。面裂紋等;與材料磁導率有關的材料型號、表面硬度等。 回答問題:1.電阻式、電容式、電感式傳感器能測量電阻式、電容式、電感式傳感器能測量哪些量?哪些量?2.電容式傳感器有幾種類型?各自的特點電容式傳感器有幾種類型?各自的特點是什么?是什么?3.電渦流傳感器一般測量什么量,其工作電渦流傳感器一般測量什么量,其工作

61、原理是什么?原理是什么?電阻式傳感器:電阻式傳感器:本章回顧本章回顧幾種基本類型幾種基本類型力、壓力、扭矩、溫度、位移等力、壓力、扭矩、溫度、位移等電容式傳感器:電容式傳感器:電感式傳感器:電感式傳感器:測量范圍大、接觸測量、非接觸測量測量范圍大、接觸測量、非接觸測量可測哪些物理量可測哪些物理量應變式、熱電阻式、電位計式應變式、熱電阻式、電位計式特點特點幾種基本類型幾種基本類型可測哪些物理量可測哪些物理量特點特點幾種基本類型幾種基本類型可測哪些物理量可測哪些物理量特點特點位移、振動、壓力、厚度、液位、成分位移、振動、壓力、厚度、液位、成分靈敏度高、精度高、非接觸測量靈敏度高、精度高、非接觸測量變間距式、變面積式、變介電常數式變間距式、變面積式、變介電常數式壓力、位移、振動、轉速、厚度壓力、位移、振動、轉速、厚度測量范圍大、靜動態信號、接觸測量測量范圍大、靜動態信號、接觸測量自感式、互感式、電渦流式自感式、互感式、電渦流式 請給出以下每個機械量三種以上不同原理的請給出以下每個機械量三種以上不同原理的傳感器的測量原理及各自的優缺點?傳感器的測量原理及各自的優缺點? 1.流體壓力流體壓力 2.力力 3.位移位移 4.轉速轉速 5.加速度加速度 6.溫度溫度作業作業

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