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工作原理:
将被测物理量转化为电路参数,主要是电阻、电容和电感。
图3-1可变电阻传感元件
一、电阻式传感器
图3-1是几种可变电阻传感器的传感元件。
(a)是用以测量直线位移的电位计;
(b)是测量应变的电阻应变片;
(c)是用以测量温度的热敏电阻;
(d)是热线风速计,它使用加热金属处在周围流动介质冷却效应下的电阻变化来测量流动速度的;
(e)是用以测量流体压力的金属丝压敏传感元件。
原理:
把被测量的变化转换为电阻值的变化。
常用于测量物体的受力和机械变形。
特点:
结构简单,性能稳定,使用方便。
分辨力低,噪声大。
1.电阻应变片的工作原理
(1)应变效应
应变效应:
电阻丝在外力的作用下发生变形,其电阻值发生变化的现象。
一根导体的电阻值为
式中
p一一此导体的电阻率[Ω·
mm2/m];
l一一电阻丝的长度[m]
F__电阻丝的横截面面积[mm2]。
当电阻丝在长度方向变形时,其长度l,截面积F和电阻率p均会变化,并且三者的变化均会引起电阻R的变化。
三个因素各有的增量dl、df、dρ所引起的dR可由多元函数微分推导而得。
设电阻丝是半径为r的圆形截面则F=πr2,故
电阻的相对变化为
纵向应变ε:
横向应变:
μ——电阻丝材料的泊松比。
电阻率相对变化:
πL电阻丝材料的压阻系数;
E——电阻丝材料的弹性模量。
所以:
(2)金属电阻应变片
所以
制作金属应变片的材料有铜镍合金、镍铬合金、镍铬铝合金、铁铬铝合金以及某些贵金属铂和铂钨合金等。
它们的灵敏度S在1.7~3.6之间,常用的灵敏度S为2.08。
金属材料应变片的结构形式如图所示。
图3-4应变片与应变花
(3)半导体电阻应变片
工作原理主要是利用半导体材料的电阻率随应力变化,即压阻效应。
优点:
半导体应变片的灵敏度在100~175之间,较之金属应变片要大数十倍,这是它的一个突出优点,机械滞后小、横向效应小,本身体积小等
缺陷:
应变灵敏度随温度变化较大。
这一缺点可以用对半导体材料进行适当地掺杂来加以改善。
灵敏度的离散性大、大应变下的非线性大等缺点。
2.
电阻应变片的误差及其补偿
温度变化引起的电阻变化造成电阻应变片的温度误差。
(l)应变片本身电阻随温度的变化
(2)应变丝线胀系数af与基底线胀系数ab不一致,在温度变化时会引起附加应变。
(3)电阻应变片的灵敏度S随温度而变化。
考虑上述各主要因素,具有被测应变和在温度变化时应变片所表现出来的应变应为
补偿方法:
(1)温度修正法:
对所选用的应变片使用前预先作好其温度—应变变化依存曲线,使用时在特定温度下查找变化值作相应修正。
(2)参数补偿法:
局部补偿:
应变丝由两种正负不同温度系数的材料组成。
相互补偿方法:
为使引起温度误差的两项值总的效果达到抵消
(3)电路补偿法在后续电路中采用必要的补偿措施来消除这种温度误差。
二、电感式传感器
电感式传感器是把被测量如位移、力等参量转化成自感L、互感M变化的一种传感器。
(一)自感式传感元件
1.工作原理与结构
自感式传感元件原理结构如图所示。
根据电磁感应原理:
Rm——磁路总磁阻[H-1]
N——线圈匝数
自感式传感元件
磁阻Rm包括有三部分,铁芯、衔铁和气隙中的磁阻
l——铁芯与衔铁中的导磁长度[m];
μ——铁芯与衔铁的导磁率[H/m];
S——铁芯与衔铁中的导磁面积[m2],
δ——气隙宽度[m];
μ0——气隙中的空气导磁率μ0=4π×
10-7[H/m]
S0——气隙导磁横截面积[m2]。
(1)变气隙型
(2)差动式
两个完全相同的单线圈电感传感器共用一个活动(电气参数,几何尺寸均相同)
差动L传感元件特性
与单线圈相比,有下列优点:
线性得到改善;
灵敏度提高一倍;
抑制“共模”干扰。
(3)变截面型
(二)互感式传感元件
互感式传感器是将被测量的物理量如力、位移等转换成互感系数的一种传感器。
其基本结构与原理与常用变压器类似,故亦称其为变压器式传感器。
互感传感元件
如图为一基本互感元件的原理结构。
根据变压器的原理可知,当原边通过一交变电流i1时,由于在磁通全回路上磁通的交变变化;
而在副边上感生感应电势,这一电势的大小为
式中
——副边感应电势相量;
——原边交变电流相量;
ω——工作交变电流角频率;
M——互感系数。
由于在原边线圈上还存在有自感L1,故
一一原边交变电势相量;
R1——原边线圈的电阻。
上式表明,副边感生电势在原边所施加的电势、工作频率、原边线圈参数等确定的情况下,是互感系数M的单值函数。
M大小与衔铁位置、线圈结构等因素有关。
(三)、涡流式传感器
1、工作原理
电涡流:
金属导体置于变化的磁场中,导体内就会有感应电流产生,这种电流的流线在金属体内自行闭合,呈涡漩状。
涡流效应:
电涡流的产生消耗一部分磁场能量,从而使激励线圈的阻抗发生变化的现象。
线圈的阻抗变化与金属导体的几何形状、电导率、磁导率、线圈的几何参数、激励电流的频率及线圈到被测金属导体的距离等参数有关。
由基尔霍夫定律得:
求解方程得:
对线圈而言:
2涡流传感器的应用
1、振动,偏心,裂纹,同心度
2、位移,移动,位置,膨胀
3、挠度,变形,波动,倾斜
4、尺寸,公差,分选,零件识别
5、冲击,应变,轴向振动
6、轴承振动,油膜间隙,磨擦,偏心
三、电容式传感器
1、工作原理与结构
根据物理学原理,两平行平面导体之间的电容量为
ε——极板间介质的相对介电常数;
ε0——真空中的介电常数ε0=8.854×
10-12[F/m];
S——两极板间相互覆盖面积[m2];
δ——两极板之间的距离[m]。
式中ε、S和δ三个参数都直接影响电容的大小,测量中只要使其中两个保持恒定另一个参量的变化就与电容的变化成单值函数关系。
电容式传感器类型:
变极距型,变面积型和变介电常数型。
(1)变极距型电容传感器
为了提高灵敏度和线性度,以及克服某些外界条件如电源电压、环境温度变化的影响,常采用差动型式的电容传感元件其特性如图所示。
(2)面积变化型
(3)介质变化型
主要用途:
•介质温度,湿度或厚度测量;
•液位测量。
2、电容式传感器特点
结构简单、灵敏度高、动态性能好以及非接触测量等优点,工程技术方面,特别是在微小尺寸变化测量方面得到广泛的应用。
第三节发电型传感器
发电型传感器:
将被测物理量转化为电源性参的传感器。
压电式传感器
磁电式传感器
霍尔元件
光电式传感器
一、压电式传感器
1、压电效应和逆压电效应:
某些晶体电介质材料,在一定方向上对其施加外力使之变形,在其表面将产生电荷,去掉外力,电荷消失;
反之,在其表面施加电场,将产生机械变形。
2、压电材料:
压电晶体
压电半导体
压电陶瓷
有机高分子压电材料
3、工作原理
纵向效应:
横向效应:
切向效应:
等效电路
在压电晶片的两个工作面上进行蒸镀,形成金属膜,构成两个电极。
当金属片受力时,在晶片两表面出现数值相等极性相反的电荷,形成电场。
因此,可等效为一个有源的电容器。
等效电容:
开路电压:
接入后续电路,等效电路:
5、测量电路
对测量电路的要求:
由于压电材料内阻都很高,输出的信号能量都很小,这就要求测量电路的输入电阻应非常大。
测量电路构成:
在压电式传感器的输出端先接入高输入阻抗的前置放大器,然后再接入一般放大电路。
前置放大器有两个作用:
(1)放大传感器输出的微弱信号;
(2)将传感器的高阻抗输出变换为低阻抗输出。
前置放大器种类:
电压型和电荷型两种形式。
(1)、电压型放大器
当Ri和Ra很大时,可忽略电阻的影响
问题:
输出电压与电缆电容有关。
如果电缆长度变化,输出电压也随之变化。
使用时电缆长度受到限制。
解决办法:
将放大器装入传感器中,组成一体化传感器。
(2)、电荷型放大器
优点:
放大器输出电压只与传感器的电荷量及反馈电容有关。
无需考虑电缆的电容,为远距离测试提供了很大的方便。
二、磁电式传感器----将被测机械量转化为感应电势
对一个匝数为N的线圈,当穿过它的磁通量φ发生变化时,线圈产生的感应电动势:
Φ的变化,如磁铁与线圈之间作切割磁力线运动、磁路中磁阻变化等。
2、动圈式传感器
线速度型
线圈作直线运动,它所产生感应电动势:
B——磁场的磁感应强度(T);
l——单匝线圈有效长度(m);
v
——线圈与磁场的相对运动速度(m/s);
θ——线圈运动方向与磁场方向的夹角。
当传感器结构一定,即N、B和θ均为常数,感应电动势与线圈运动速度v成正比。
角速度型
线圈作旋转运动,其上产生的感应电动势:
K——与结构有关的系数,K<
1;
ω——线圈与磁场相对角速度(rad/s);
A——单匝线圈的截面积(m2)。
当N、B、A和K(传感器结构已定)均为常数时,感应电动势与角速度成正比。
三、霍尔元件
霍尔传感器也是一种磁电式传感器。
它是利用霍尔元件基于霍尔效应原理而将被测量转换成电动势输出的一种传感器。
由于霍尔元件在静止状态下,具有感受磁场的独特能力,并且具有结构简单、体积小、噪声小、"
频率范围宽(从直流到微波)、动态范围大(输出电势变化范围可达1000:
1)、寿命长等特点,因此获得了广泛应用。
例如,在测量技术中用于将位移、力、加速度等量转换为电量的传感器;
在计算技术中用于作加、减、乘、除、开方、乘方以及微积分等运算的运算器等。
1.霍尔效应
:
金属或半导体薄片置于磁场中,当有电流流过时,在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势,这种物理现象称为霍尔效应。
假设薄片为N型半导体,磁感应强度为B的磁场方向垂直于薄片,如图所示,在薄片左右两端通以控制电流电流I,那么半导体中的载流子(电子)将沿着于电流I相反的方向运动。
由于外磁场B的作
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