常用传感器的工作原理及应用.doc
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1、【精品文档】如有侵权,请联系网站删除,仅供学习与交流常用传感器的工作原理及应用.精品文档.第三章 常用传感器的工作原理及应用 教学要求1掌握各种传感器的工作原理。2熟悉各种传感器的测量电路。3掌握各种传感器的应用。 教学手段 多媒体课件 多种传感器演示 教学重点 各种传感器的应用领域 教学课时 15学时 教学内容3.1 电阻式传感器3.1.1电阻式传感器的工作原理 应变:物体在外部压力或拉力作用下发生形变的现象 弹性应变:当外力去除后,物体能够完全恢复其尺寸和形状的应变 弹性元件:具有弹性应变特性的物体3.1.2电位器式传感器3.1.3电阻应变式传感器 电阻应变式传感器利用电阻应变片将应变转换
2、为电阻值变化的传感器。 工作原理:当被测物理量作用于弹性元件上,弹性元件在力、力矩或压力等的作用下发生变形,产生相应的应变或位移,然后传递给与之相连的应变片,引起应变片的电阻值变化,通过测量电路变成电量输出。输出的电量大小反映被测量的大小。结构:应变式传感器由弹性元件上粘贴电阻应变片构成。应用:广泛用于力、力矩、压力、加速度、重量等参数的测量。1电阻应变效应电阻应变片的工作原理是基于应变效应,即导体或半导体材料在外界力的作用下产生机械变形时,其电阻值相应发生变化,这种现象称为“应变效应”。2电阻应变片的结构金属电阻应变片的结构3应变片的粘贴技术(自学)4电阻应变式传感器的应用(1)应变式力传感
3、器被测物理量:荷重或力主要用途:作为各种电子称与材料试验机的测力元件、 发动机的推力测试、水坝坝体承载状况监测等。 力传感器的弹性元件:柱式、筒式、环式、悬臂式等(2)应变式压力传感器主要用来测量流动介质的动态或静态压力应变片压力传感器大多采用膜片式或筒式弹性元件。(3)应变式容器内液体重量传感器感压膜感受上面液体的压力。(4)应变式加速度传感器用于物体加速度的测量。依据:a=F/m。 电阻应变式加速度传感器结构图3.2电容式传感器3.2.1电容式传感器的工作原理由绝缘介质分开的两个平行金属板组成的平板电容器,如果不考虑边缘效应,其电容量为 当被测参数变化使得S、d或发生变化时,电容量C也随之
4、变化。如果保持其中两个参数不变,而仅改变其中一个参数,就可把该参数的变化转换为电容量的变化,通过测量电路就可转换为电量输出。电容式传感器可分为变极距型、变面积型和变介电常数型三种。1变间隙型电容传感器变间隙式电容式传感器 当传感器的r和S为常数,初始极距为d0时,初始电容量C0为若电容器极板间距离由初始值d0缩小了d,电容量增大了C,则有 在式中,若d/d01时,则展成级数:此时C与d近似呈线性关系,所以变极距型电容式传感器只有在d/d0很小时,才有近似的线性关系。 另外,在d0较小时,对于同样的d变化所引起的C可以增大,从而使传感器灵敏度提高。但d0过小,容易引起电容器击穿或短路。为此,极板
5、间可采用高介电常数的材料(云母、 塑料膜等)作介质,如图所示,此时电容C变为:式中:g云母的相对介电常数,g=7; 0空气的介电常数,0=1; d0空气隙厚度; dg云母片的厚度。放置云母片的电容器云母片的相对介电常数是空气的7倍,其击穿电压不小于1000 kV/mm,而空气仅为3 kV/mm。因此有了云母片,极板间起始距离可大大减小。 一般变极板间距离电容式传感器的起始电容在20100pF之间, 极板间距离在25200m 的范围内。最大位移应小于间距的1/10, 故在微位移测量中应用最广。 2变面积式电容传感器 被测量通过动极板移动引起两极板有效覆盖面积S改变,从而得到电容量的变化。当动极板
6、相对于定极板沿长度方向平移x时,则电容变化量为 式中C0=0r ba/d为初始电容。电容相对变化量为 这种形式的传感器其电容量C与水平位移x呈线性关系直线位移型电容传感器原理图 3变介质式电容式传感器此时变换器电容值为: 电容式液位变换器结构原理图式中: C0由变换器的基本尺寸决定的初始电容值, 即 可见:此变换器的电容增量正比于被测液位高度h。3.2.2电容式传感器的测量电路1运算放大器电路 由于运算放大器的放大倍数非常大,而且输入阻抗Zi很高, 运算放大器的这一特点可以作为电容式传感器的比较理想的测量电路。如图所示。由运算放大器工作原理可得:如果传感器是一只平板电容,则Cx=S/d,代入,
7、可得 式中“”号表示输出电压Uo的相位与电源电压反相。可见运算放大器的输出电压与极板间距离d成线性关系。运算放大器式电路虽解决了单个变极板间距离式电容传感器的非线性问题,注意条件:要求Zi及放大倍数足够大。为保证仪器精度,还要求电源电压Ui的幅值和固定电容C值稳定。 运算放大器式电路原理图2二极管双T交流电桥e是高频电源, 它提供了幅值为U的对称方波,VD1、VD2为特性完全相同的两只二极管,固定电阻R1=R2=R,C1、C2为传感器的两个差动电容。 二极管双T交流电桥 当传感器没有输入时,C1=C2。电路工作原理:当e为正半周时,二极管VD1导通、VD2截止,于是电容C1充电,其等效电路如图
8、(b)所示;在随后负半周出现时,电容C1上的电荷通过电阻R1,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I1。当e为负半周时,VD2导通、VD1截止,则电容C2充电,其等效电路如图(c)所示;在随后出现正半周时, C2通过电阻R2,负载电阻RL放电,流过RL的电流为I2 。电流I1=I2,且方向相反,在一个周期内流过RL的平均电流为零。 若传感器输入不为0,则C1C2, I1I2, 此时在一个周期内通过RL上的平均电流不为零, 因此产生输出电压,输出电压在一个周期内平均值为 式中, f为电源频率。 当RL已知,式中 则上式可改写为 可知,输出电压Uo不仅与电源电压幅值和频率有关,而且与T形网络中的电容
9、C1和C2的差值有关。当电源电压确定后,输出电压Uo是电容C1和C2的函数。电路的灵敏度与电源电压幅值和频率有关,故输入电源要求稳定。 3调频电路把电容式传感器作为振荡器谐振回路的一部分,当输入量导致电容量发生变化时,振荡器的振荡频率就发生变化。可将频率作为输出量用以判断被测非电量的大小,但此时系统是非线性的,不易校正,因此必须加入鉴频器,将频率的变化转换为电压振幅的变化,经过放大就可以用仪器指示或记录仪记录下来。 3.2.3电容式传感器的应用 1电容式压力传感器 2电容式加速度传感器 3.3电感式传感器 电感式传感器的工作原理是基于电磁感应原理,它把被测量转化为电感量变化的一种装置。按照转换
10、方式的不同可分为自感式(包括可变磁阻式与涡流式)和互感式(差动变压器式)两种。3.3.1自感式传感器自感式电感传感器主要有变间隙型、变面积型和螺管型三种类型。由线圈、铁芯和衔铁三部分组成。铁芯和衔铁由导磁材料制成。在铁芯和衔铁之间有气隙,传感器的运动部分与衔铁相连。当衔铁移动时,气隙厚度发生改变,引起磁路中磁阻变化,从而导致电感线圈的电感值变化,因此只要能测出这种电感量的变化,就能确定衔铁位移量的大小和方向。1变间隙型电感传感器2变面积型电感传感器3螺管型电感传感器4差动式电感传感器 为了减小非线性误差,实际测量中广泛采用差动式电感传感器。5自感式传感器的测量电路电感式传感器的测量电路有交流电
11、桥式、变压器式交流电桥以及谐振式等。 3.3.2互感式传感器 把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器。这种传感器是根据变压器的基本原理制成的,并且次级绕组用差动形式连接, 故称差动变压器式传感器。 差动变压器结构形式:变隙式、变面积式和螺线管式等。在非电量测量中,应用最多的是螺线管式差动变压器,它可以测量1100mm机械位移,并具有测量精度高、灵敏度高、结构简单、性能可靠等优点。1互感式传感器的工作原理互感式传感器的工作原理类似变压器的作用原理。2差动变压器的结构类型螺线管式差动变压器结构 差动变压器等效电路 3差动变压器式传感器测量电路问题:(1)差动变压器的输出是交流
12、电压(用交流电压表测量,只能反映衔铁位移的大小,不能反映移动的方向); (2)测量值中将包含零点残余电压。 为了达到能辨别移动方向和消除零点残余电压的目的,实际测量时,常常采用差动整流电路和相敏检波电路。 (1)差动整流电路 这种电路是把差动变压器的两个次级输出电压分别整流, 然后将整流的电压或电流的差值作为输出。 (2)相敏检波电路 3.3.3电感式传感器的应用1差动变压器式力传感器2沉筒式液位计3.4 压电式传感器 3.4.1压电效应 某些电介质,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,同时在它的两个表面上便产生符号相反的电荷, 当外力去掉后,又重新恢复到不带电状态。这种现
13、象称压电效应。当作用力方向改变时,电荷的极性也随之改变。有时人们把这种机械能转换为电能的现象,称为“正压电效应”。相反,当在电介质极化方向施加电场,这些电介质也会产生几何变形,这种现象称为“逆压电效应”(电致伸缩效应)。具有压电效应的材料称为压电材料。1单晶压电晶体石英晶体化学式为SiO2,是单晶体结构。图示为天然结构的石英晶体外形,它是一个正六面体。石英晶体各个方向的特性是不同的。 其中纵向轴z称为光轴,经过六面体棱线并垂直于光轴的x称为电轴,与x和z轴同时垂直的轴y称为机械轴。 通常把沿电轴x方向的力作用下产生电荷的压电效应称为“纵向压电效应”,而把沿机械轴y方向的力作用下产生电荷的压电效
14、应称为“横向压电效应”。而沿光轴z方向的力作用时不产生压电效应。 石英晶体 (a) 晶体外形; (b) 切割方向; (c) 晶片 2多晶压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶体压电材料。材料内部的晶粒有许多自发极化的电畴,它有一定的极化方向,从而存在电场。 在无外电场作用时,电畴在晶体中杂乱分布,它们各自的极化效应被相互抵消,压电陶瓷内极化强度为零。因此原始的压电陶瓷呈中性,不具有压电性质。 在陶瓷上施加外电场时,电畴的极化方向发生转动,趋向于按外电场方向的排列,从而使材料得到极化。外电场愈强, 就有更多的电畴更完全地转向外电场方向。让外电场强度大到使材料的极化达到饱和的程度,即所有电畴极化方向都整
15、齐地与外电场方向一致时,当外电场去掉后,电畴的极化方向基本变化,即剩余极化强度很大,这时的材料才具有压电特性。3新型压电材料 新型压电材料主要有有机压电薄膜和压电半导体等。4等效电路由压电元件的工作原理可知,压电式传感器可以看作一个电荷发生器。同时,它也是一个电容器,晶体上聚集正负电荷的两表面相当于电容的两个极板,极板间物质等效于一种介质,则其电容量为 式中: A压电片的面积; d压电片的厚度; r压电材料的相对介电常数。因此,压电传感器可以等效为一个与电容相串联的电压源。如图(a)所示,电容器上的电压Ua、电荷量q和电容量Ca三者关系为 压电传感器也可以等效为一个电荷源。如图(b)所示。 压
16、电元件的等效电路 (a)电压源 (b)电荷源 压电传感器在实际使用时总要与测量仪器或测量电路相连接,因此还需考虑连接电缆的等效电容Cc,放大器的输入电阻Ri ,输入电容Ci以及压电传感器的泄漏电阻Ra。这样,压电传感器在测量系统中的实际等效电路,如图所示。 压电传感器的实际等效电路 (a) 电压源(b)电荷源 3.4.2压电式传感器的测量电路压电传感器本身的内阻抗很高,而输出能量较小,因此它的测量电路通常需要接入一个高输入阻抗前置放大器。其作用为:一是把它的高输出阻抗变换为低输出阻抗;二是放大传感器输出的微弱信号。压电传感器的输出可以是电压信号,也可以是电荷信号,因此前置放大器也有两种形式:电
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