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(4)按传感器与被测量之间的关系来分类,可分为能量转换型和能量控制型。
能量转换型传感器(或称无源传感器),是直接由被测对象输入能量使其工作的。
例如,热电偶将被测温度直接转换为电量输出。
由于这类传感器在转换过程中需要吸收被测物体的能量,容易造成测量误差。
能量控制传感器,也称有源传感器,是从外部供给辅助能量使传感器工作的,并且由被测量来控制外部供给能量的变化。
(5)另外,按传感器输出量的性质可分为模拟式和数字式
第二节
自学
第三节
电阻式传感器
学习要求
完成本节内容的学习后应能做到:
1.掌握电阻式传感器的工作原理
2.了解电阻式传感器的结构、分类
3.掌握变阻器式传感器、电阻应变式传感器在结构和工作原理的相同点和不同点
4.了解电阻式传感器的应用
一、分类
按其工作原理可分为变阻器式(电位器式)、电阻应变式传感器两种。
二、工作原理
㈠变阻器式传感器工作原理
变阻器式传感器也称电位器式传感器,其工作原理是将物体的位移转换为电阻的变化。
根据式
式中:
------电阻率
-------电阻丝长度
A-------电阻丝截面积
1)
直线位移型
2)
角位移传感器
3)
非线性传感器
优点:
①结构简单、尺寸小、重量轻、价格低廉且性能稳定;
②受环境因素(如温度、湿度、电磁场干扰等)影响小;
③可以实现输出—输入间任意函数关系;
④输出信号大,一般不需放大。
缺点:
①因为存在电刷与线圈或电阻膜之间摩擦,因此需要较大的输入能量;
②由于磨损不仅影响使用寿命和降低可靠性,而且会降低测量精度,所以分辨力较低;
③动态响应较差,适合于测量变化较缓慢的量。
㈡电阻应变式传感器
1、金属电阻应变片
其结构见图
其工作原理:
应变片发生变形时,阻值发生变化。
r——电阻丝半径
——纵向应变
——横向应变
——泊桑比
E——弹性模量;
——正应力;
——压阻系数。
~(1.7~3.6)
优点:
结构简单,性能稳定,价格低。
缺点:
精度不高,灵敏度低。
2、半导体应变片
工作原理:
半导体材料压阻效应。
压阻效应:
单晶片材料在沿某一轴向受到外力作用时,其电阻率
发生变化的现象。
比金属丝的灵敏度大50~70倍。
灵敏度高。
温度稳定性能差,灵敏度分散度大,以及在较大应变作用下,非线性误差大等。
应用:
见书P63
3、电阻应变式传感器的应用实例
①
直接用来测定结构的应变或应力。
②
将应变片贴于弹性元件上,作为测量力、位移、压力、加速度等物理参量的传感器。
第四节
电感式传感器
1.了解电感式传感器的工作原理
2.了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差动变压器式传感器的特点
3.了解可变磁阻式电感传感器、涡流式电感传感器和差动变压器式传感器的应用
二、自感型
1、可变磁阻式电感传感器
可变磁阻式传感器的结构原理如图所示,它由线圈、铁芯及衔铁组成。
线圈电感(自感)可用下式计算
如果空气隙δ较小,而且不考虑磁路的铁损时,则磁路总磁阻为
式中
——导磁体(铁芯)的长度,m;
——铁芯导磁率,H/m;
s——铁芯导磁横截面积,m2;
δ——空气隙长度,m;
——空气导磁率,H/m;
——空气隙导磁横截面积,m2。
因为
,则
因此,自感L可写为
上式表明,自感L与空气隙δ成反比,而与空气隙导磁截面积S0成正比。
当固定S0不变,变化δ时,L与δ呈非线性(双曲线)关系,如上图所示。
此时,传感器的灵敏度为
灵敏度S与气隙长度的平方成反比,δ愈小,灵敏度愈高。
由于S不是常数,故会出现非线性误差,为了减小这一误差,通常规定δ在较小的范围内工作。
故灵敏度S趋于定值,即输出与输入近似成线性关系。
实际应用中,一般取
。
这种传感器适用于较小位移的测量,一般约为0.001~1mm。
如将δ固定,变化空气隙导磁截面积S0时,自感L与S0呈线性关系如下图所示。
几种常用可变磁阻式传感器的典型结构有:
可变导磁面积型、差动型、单螺管线圈型、双螺管线圈差动型。
双螺管线圈差动型,较之单螺管线圈型有较高灵敏度及线性,被用于电感测微计上,其测量范围为0~300μm,最小分辨力为0.5μm。
这种传感器的线圈接于电桥上,构成两个桥臂,线圈电感L1、L2随铁芯位移而变化,其输出特性如下图所示。
2、涡电流式
利用金属体在交变磁场中的涡电流效应。
分析表明:
由于涡流磁场的作用使原线圈的等效阻抗Z发生变化。
Z的变化与
金属板的电阻率
、磁导率
以及线圈激磁圆频率
等有关。
改变其中某一因素,即可达到不同的变换目的。
例:
变化
,可作为位移,振动测量。
或
,可作为材质鉴别或探伤等。
习题:
若差动变气隙式电感传感器的衔铁处于平衡位置时,上、下气隙
,现衔铁上、下平移,上气隙为
,下气隙为
1、求电感相对变化量
2、对
表达式线性处理后,电感相对变化量
3、由此产生的相对(非线性误差)
是多少。
检查电路:
1)、分压式调幅电路
用于动态非接触测量,结构简单,使用方便,不受油液等介质影响,分辨率高,可达1
用于位移、振动、测量等。
二、互感式传感器——差动变压器式电传感器
原理:
利用电磁感应中的互感现象,将被测位移转化成线圈互感的变化。
工作:
当铁心在中心位置时,
当铁心向上运动时,
当铁心向下运动时,
可见:
其输出为一交流电压。
若用交流电压表指示,只能反映铁心位移大小,不反映位移的方向性。
优点;
精度高(0.1
),线性范围大,稳定度好和使用方便。
第五节
电容式传感器
1.掌握电容式传感器工作原理
2.掌握电容式传感器的分类、及它们各自的特点
3.了解电容式传感器的测量电路
一、变换原理:
电容式传感器是将被测量(如尺寸、压力等)的变化转换成电容变化量的
以最简单的平行极板电容器为例说明其工作原理。
在忽略边缘效应的情况下,平板电容器的电容量为
式中ε0——真空的介电常数,ε0=8.854×
10-12F/m;
S——极板的遮盖面积,m2;
ε——极板间介质的相对介电系数,在空气中,ε=1;
δ——两平行极板间的距离,m。
根据电容器参数变化的特性,电容式传感器可分为极距变化型、面积变化型和介质变化型三种,其中极距变化型和面积变化型应用较广。
(一)
极距变化型
可进行非接触测量
灵敏度与
成反比,极距越小,灵敏度越高
存在非线性误差,测量范围小
③
配合使用的电子线路复杂
(二)面积变化型
灵敏度为线性,测量范围大。
可用于测量大的角位移或线位移,差动式比单边结构的灵敏度高一倍。
角位移型
平面线位移型
圆柱体线位移型
(三)介质变化型
利用介质介电常数变化将被测量转化为电容量的传感器。
常用测量材料的厚度、液位等。
二、测量电路(自学)
1、电桥型电路
2、直流极化电路
3、谐振电路
4、调频电路
第六节
传感器选用原则
了解传感器的结构及其发展后,如何根据测试目的和实际条件,正确合理地选用传感器,也是需要认真考虑的问题。
下面就传感器的选用问题作一些简介。
选择传感器主要考虑灵敏度、响应特性、线性范围、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。
(1)灵敏度
一般说来,传感器灵敏度越高越好,因为灵敏度越高,就意味着传感器所能感知的变化量小,即只要被测量有一微小变化,传感器就有较大的输出。
但是,在确定灵敏度时,要考虑以下几个问题。
其一,当传感器的灵敏度很高时,那些与被测信号无关的外界噪声也会同时被检测到,并通过传感器输出,从而干扰被测信号。
因此,为了既能使传感器检测到有用的微小信号,又能使噪声干扰小,就要求传感器的信噪比愈大愈好。
也就是说,要求传感器本身的噪声小,而且不易从外界引进干扰噪声。
其二,与灵敏度紧密相关的是量程范围。
当传感器的线性工作范围一定时,传感器的灵敏度越高,干扰噪声越大,则难以保证传感器的输入在线性区域内工作。
不言而喻,过高的灵敏度会影响其适用的测量范围。
其三,当被测量是一个向量,并且是一个单向量时,就要求传感器单向灵敏度愈高愈好,而横向灵敏度愈小愈好;
如果被测量是二维或三维的向量,那么还应要求传感器的交叉灵敏度愈小愈好。
(2)响应特性
传感器的响应特性是指在所测频率范围内,保持不失真的测量条件。
此外,实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟,只是希望延迟的时间越短越好。
(3)线性范围
任何传感器都有一定的线性工作范围。
传感器工作在线性区域内,是保证测量精度的基本条件。
然而,对任何传感器,保证其绝对工作在线性区域内是不容易的。
在某些情况下,在许可限度内,也可以取其近似线性区域。
例如,变间隙型的电容、电感式传感器,其工作区均选在初始间隙附近。
而且必须考虑被测量变化范围,令其非线性误差在允许限度以内。
(4)稳定性
稳定性是表示传感器经过长期使用以后,其输出特性不发生变化的性能。
影响传感器稳定性的因素是时间与环境。
为了保证稳定性,在选择传感器时,一般应注意两个问题。
其一,根据环境条件选择传感器。
例如,选择电阻应变式传感器时,应考虑到湿度会影响其绝缘性,湿度会产生零漂,长期使用会产生蠕动现象等。
又如,对变极距型电容式传感器,因环境湿度的影响或油剂浸人间隙时,会改变电容器的介质。
光电传感器的感光表面有尘埃或水汽时,会改变感光性质。
其二,要创造或保持一个良好的环境,在要求传感器长期地工作而不需经常地更换或校准的情况下,应对传感器的稳定性有严格的要求。
(5)精确度
传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。
在实际中也并非要求传感器的精确度愈高愈好,这还需要考虑到测量目的,同时还需要考虑到经济性。
因为传感器的精度越高,其价格就越昂贵,所以应从实际出发来选择传感器。
量值,必须有高精确度的传感器。
(6)测量方式传感器在实际条件下的工作方式,也是选择传感器时应考虑的重要因素。
例如,接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等,条件不同,对测量方式的要求亦不同。
除了以上选用传感器时应充分考虑的一些因素外,还应尽可能兼顾结构简单、体积小、重量轻、价格便宜、易于维修、易于更换等条件。
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