传感器期末复习.ppt
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1、复习复习复习复习复习复习复习复习复习复习复习复习复习复习复习复习时间:时间:5月月21日(周日)上午日(周日)上午9:0011:30答疑:答疑:地点:教地点:教116时间:时间:5月月23日(周一)下午日(周一)下午14:4516:45考试:考试:地点:教地点:教402考试题型:考试题型:填空题:填空题:40分分简答题:简答题:20分分综合题:综合题:40分分传感器的定义:传感器的定义:能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。能感受规定的被测量并按一定的规律转换成可用的输出信号的器件或装置。绪论绪论传感器的组成:通常由敏感元件和转换元件组成。传感器的组成:通常由敏感元
2、件和转换元件组成。敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分;敏感元件是指直接感受或响应被测量的部分;转换元件是指将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或转换元件是指将敏感元件感受或响应的被测量转换成适于传输或测量的电信号部分。测量的电信号部分。传感器的一般特性传感器的一般特性传感器的特性传感器的特性是指传感器的输入信号与输出信号的关系。是指传感器的输入信号与输出信号的关系。传感器的静态特性传感器的静态特性是指当是指当被测量处于稳定状态被测量处于稳定状态被测量处于稳定状态被测量处于稳定状态(即输入量对时间(即输入量对时间 t t 的各的各阶导数为零)阶导数为零)或缓慢变化时,或缓慢变化时,传感
3、器的输出值与输入值之间的关系。传感器的输出值与输入值之间的关系。传感器的主要静态性能指标:传感器的主要静态性能指标:1、测量范围和量程、测量范围和量程2、分辨力和阈值、分辨力和阈值3、灵敏度、灵敏度4、迟滞、迟滞5、重复性、重复性6、线性度、线性度7、时漂和温漂、时漂和温漂 8、总精度、总精度传感器的动态特性是传感器的动态特性是传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。传感器对于随时间变化的输入量的响应特性。传感器的动态响应,一般传感器的动态响应,一般采用正弦信号和阶跃信号作为输入信号采用正弦信号和阶跃信号作为输入信号。传感器对正弦输入信号的响应为传感器的传感器对正弦输入信号的响应为传感器的动态
4、频率响应动态频率响应,对阶跃输入,对阶跃输入信号的响应为传感器的信号的响应为传感器的动态阶跃响应动态阶跃响应。电阻应变式传感器电阻应变式传感器上式表明上式表明:在应力作用下,金属材料的在应力作用下,金属材料的电阻相对变化与其轴向应变成正比电阻相对变化与其轴向应变成正比。这就是金属材料的应变电阻效应。这就是金属材料的应变电阻效应。一、电阻应变计的工作原理一、电阻应变计的工作原理1 1、金属材料的应变电阻效应、金属材料的应变电阻效应金属丝在应力金属丝在应力x 作用下产生轴向伸长、径向缩短形变,从而使其电作用下产生轴向伸长、径向缩短形变,从而使其电阻发生变化。金属材料电阻的相对变化与轴向应变阻发生变
5、化。金属材料电阻的相对变化与轴向应变x 的关系:的关系:式中:式中:Km=(1+2)+C(1-2)金属材料的应变灵敏度系数(简称灵敏系数)金属材料的应变灵敏度系数(简称灵敏系数)2 2、半导体材料的应变电阻效应半导体材料的应变电阻效应半导体材料受到应力作用后,其内部电阻率发生变化。半导体半导体材料受到应力作用后,其内部电阻率发生变化。半导体材料电阻相对变化与轴向应变材料电阻相对变化与轴向应变x 的关系:的关系:式中:Ks=1+2+E 半导体材料的应变灵敏度系数上式表明上式表明:在应力作用下,半导体材料的在应力作用下,半导体材料的电阻相对变化与其轴向应变成正比电阻相对变化与其轴向应变成正比。这就
6、是半导体材料的应变效应。这就是半导体材料的应变效应。综合上述两种情况,可得导电材料的应变电阻效应为:综合上述两种情况,可得导电材料的应变电阻效应为:式中:K0 导电材料的应变灵敏度系数二、电阻应变片的主要特性二、电阻应变片的主要特性金属丝应变片的横向效应金属丝应变片的横向效应金属应变片的敏感栅通常是呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横栅两部分金属应变片的敏感栅通常是呈栅状。它由轴向纵栅和圆弧横栅两部分组成。组成。由于试件承受单向应力由于试件承受单向应力时,其表面处于平面应变状态中,即轴向时,其表面处于平面应变状态中,即轴向(拉伸)应变(拉伸)应变x 和横向(收缩)应变和横向(收缩)应变y。其纵栅主要感
7、受轴向应变其纵栅主要感受轴向应变x、横栅主要感受横向应变、横栅主要感受横向应变y ,从而引,从而引起应变片总电阻的变化为:起应变片总电阻的变化为:它表示当它表示当y=0时,单位轴向应变时,单位轴向应变x引起的电阻相对变化引起的电阻相对变化式中:K=Kx(1-H)它表示当它表示当x=0时,单位横向应变时,单位横向应变y引起的电阻相对变化引起的电阻相对变化双向应变灵敏系数比,称为横向效应系数双向应变灵敏系数比,称为横向效应系数双向应变比(横向应变与轴向应变比)双向应变比(横向应变与轴向应变比)实验证明:实验证明:y/x=-0 0双向应变比系数双向应变比系数Kx轴向灵敏系数轴向灵敏系数式中:式中:K
8、y横向灵敏系数横向灵敏系数H=Ky/Kx=y/x在横向应变在横向应变y 和轴向应变和轴向应变x 的作用下,横栅所产生应变电阻的的作用下,横栅所产生应变电阻的增量与纵栅所产生应变电阻的增量方向相反。其原因就是横向应增量与纵栅所产生应变电阻的增量方向相反。其原因就是横向应变和轴向应变对横栅作用的结果。变和轴向应变对横栅作用的结果。结论:结论:在单位应力、双向应变情况下,横向应变总是起着抵消轴向应变在单位应力、双向应变情况下,横向应变总是起着抵消轴向应变的作用。的作用。应变片既敏感轴向应变,又同时受横向应变影响,使灵敏系数及应变片既敏感轴向应变,又同时受横向应变影响,使灵敏系数及相对电阻比都减少的现
9、象,称为相对电阻比都减少的现象,称为横向效应横向效应。金属丝应变片金属丝应变片横向效应系数横向效应系数 H横向灵敏度系数横向灵敏度系数 Ky 与轴向灵敏度系数与轴向灵敏度系数 Kx 之比值,称为横向效应系数之比值,称为横向效应系数H。消除金属丝应变片横向效应的办法消除金属丝应变片横向效应的办法短接式、直角式横栅短接式、直角式横栅三、应变片的温度效应及其补偿三、应变片的温度效应及其补偿敏感栅在温度的作用下,产生电阻的变化,这种情况称为敏感栅的敏感栅在温度的作用下,产生电阻的变化,这种情况称为敏感栅的热阻效应热阻效应。在温度的作用下,应变片线膨胀、试件体膨胀引起应变电阻的相在温度的作用下,应变片线
10、膨胀、试件体膨胀引起应变电阻的相对变化,这种情况称为敏感栅的对变化,这种情况称为敏感栅的热膨胀效应热膨胀效应。式中:t 敏感栅材料的电阻温度系数(/)K 应变片的灵敏系数s、t 分别为试件和敏感栅材料的线膨胀系数(m/)上式表明上式表明在温度的作用下,应变片电阻相对变化在温度的作用下,应变片电阻相对变化与其敏感栅材料的电阻温度系数与其敏感栅材料的电阻温度系数t、敏感栅材料线膨胀系数敏感栅材料线膨胀系数t、试件和基底材料体膨胀系数试件和基底材料体膨胀系数s 有关,有关,这是应变片的温度效应。这是应变片的温度效应。综合以上分析得出结论综合以上分析得出结论在温度的作用下,引起应变片电阻的相对变化为:
11、在温度的作用下,引起应变片电阻的相对变化为:上式以应变形式表示,称为应变片的热输出(温度作用的结果实际最终上式以应变形式表示,称为应变片的热输出(温度作用的结果实际最终是以应变的形式表现出来),即是以应变的形式表现出来),即热输出热输出由上两式可以看出,应变片的温度效应及其热输出由两部分组成:由上两式可以看出,应变片的温度效应及其热输出由两部分组成:前部分为应变片的前部分为应变片的热阻效应热阻效应所造成;所造成;后部分为敏感栅与试件(和基底)后部分为敏感栅与试件(和基底)热膨胀热膨胀所引起。所引起。热输出补偿方法热输出补偿方法常采用的方法有:常采用的方法有:温度自补偿法温度自补偿法桥路补偿法桥
12、路补偿法四、测量电路四、测量电路应变直流电桥应变直流电桥U电源电压电源电压U0输出电压输出电压R1R2R4R3ABCD直流电桥直流电桥桥路输出电压变化量桥路输出电压变化量U0与桥臂应变与桥臂应变电阻的相对变化有关:电阻的相对变化有关:实际上,应变电阻的相对变化实际上,应变电阻的相对变化R/R 等于其所受到应变等于其所受到应变,即:,即:R1/R1=K1,R2/R2=K2R3/R3=K3,R4/R4=K4因此,有:因此,有:结论:结论:从上式可见从上式可见桥路输出电压变化量桥路输出电压变化量U0与桥臂各个应变电阻所受的应变与桥臂各个应变电阻所受的应变有关有关利用上述特点可以进行温度补偿和提高测量
13、的灵敏度。利用上述特点可以进行温度补偿和提高测量的灵敏度。若相邻两桥臂的应变极性一致,即同为拉应变或压应变时,输出电压为两若相邻两桥臂的应变极性一致,即同为拉应变或压应变时,输出电压为两者之差;若相邻两桥臂的极性不同,即一为拉应变,另一为压应变时,输者之差;若相邻两桥臂的极性不同,即一为拉应变,另一为压应变时,输出电压为两者之和;出电压为两者之和;若相对两桥臂应变的极性一致时,输出电压为两者之和;相对桥臂的应变若相对两桥臂应变的极性一致时,输出电压为两者之和;相对桥臂的应变极性相反时,输出电压为两者之差。极性相反时,输出电压为两者之差。电容式传感器电容式传感器平板电容器平板电容器当忽略边缘效应
14、影响时,其电容量当忽略边缘效应影响时,其电容量C 为:为:平板电容器由绝缘介质分开的两个平行金属板组成,如下图。平板电容器由绝缘介质分开的两个平行金属板组成,如下图。式中:C 电容量(F 法)0 真空介电常数(8.8510-12F/m)r 电容极板间介质的相对介电常数 电容极板间介质的介电常数 电容极板间距离(m)A 电容极板的有效面积(m2)A极板极板平板电容器平板电容器以电容以电容极板间距离极板间距离为变化量,可组成为变化量,可组成变极距型电容传感器;变极距型电容传感器;以电容以电容极板的有效面积极板的有效面积A 为变化量,可组成为变化量,可组成变面积型电容传感器;变面积型电容传感器;以电
15、容以电容极板间介质的介电常数极板间介质的介电常数 r 为变化量,可组成为变化量,可组成变介质型电容变介质型电容传感器。传感器。电容式传感器分为:电容式传感器分为:变极距变极距型型、变面积变面积A型型、变介质变介质r 型型1 1、变极距型电容传感器、变极距型电容传感器测量原理:测量原理:被测量通过动极板的上下移动,引起两极板的极距被测量通过动极板的上下移动,引起两极板的极距 改变,从而得改变,从而得到电容量的变化。到电容量的变化。一、电容式传感器的工作原理一、电容式传感器的工作原理差动式结构相对非线性误差差动式结构相对非线性误差ef 为:为:灵敏度提高一倍灵敏度提高一倍非线性误差减小一个数量级(
16、非线性误差减小一个数量级(/R1时,(式时,(式1)变为:)变为:此时,此时,灵敏度与频率无关,为一常数灵敏度与频率无关,为一常数。当电源电压频率当电源电压频率过低时,过低时,L1R1,(式,(式1)变为:)变为:当当电源电压频率电源电压频率再继续增加再继续增加时时由于铁损、磁质磁饱和等因素的影响使由于铁损、磁质磁饱和等因素的影响使灵灵敏度下降敏度下降。通常应按所用铁心材料,选取合适的较通常应按所用铁心材料,选取合适的较高的激励频率,以保持高的激励频率,以保持灵敏度不变。灵敏度不变。互感传感器灵敏度互感传感器灵敏度K与激磁频率与激磁频率 f 的关系的关系激励频率(激励频率(Hz)灵敏度灵敏度K
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