各種自動(dòng)化傳感器的使用PPT課件

1 第三章傳感器 3 1傳感器的概念 3 2電阻式傳感器 3 3電容式傳感器 3 4電感式傳感器 3 6壓電式傳感器 2 第三章傳感器 傳感器是人類五官的延長(zhǎng) 又稱之為電五官 傳感器技術(shù)通信技術(shù)計(jì)算機(jī)技術(shù)五官神經(jīng)大腦傳感器是獲取自然和生產(chǎn)領(lǐng)域中信息的主要途徑與手段 現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)尤其是自動(dòng)化生產(chǎn)過(guò)程中 要用各種傳感器來(lái)監(jiān)視和控制生產(chǎn)過(guò)程中的各個(gè)參數(shù) 信息技術(shù)三大支柱 3 傳感器已滲透到諸如工業(yè)生產(chǎn) 宇宙開發(fā) 海洋探測(cè) 環(huán)境保護(hù) 資源探測(cè) 醫(yī)學(xué)診斷 生物工程 甚至文物保護(hù)等等極其廣泛的領(lǐng)域 從茫茫的太空到浩瀚的海洋 以至各種復(fù)雜的工程系統(tǒng) 幾乎每一個(gè)現(xiàn)代化項(xiàng)目 都離不開各種各樣的傳感器 傳感器是將感知到的各種信號(hào)轉(zhuǎn)換成易測(cè)量的信號(hào) 把相應(yīng)的信號(hào)輸入計(jì)算機(jī) 計(jì)算機(jī)發(fā)出指令 控制各執(zhí)行機(jī)構(gòu) 4 3 1傳感器的定義 一 傳感器的定義 Transducer Sensor 定義 將被測(cè)參量轉(zhuǎn)換為與之對(duì)應(yīng)的 易于測(cè)量 傳輸和處理的信號(hào)的裝置 GB7665一87 能夠感受規(guī)定的被測(cè)量并按照一定規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號(hào)的器件或裝置 傳感器功用 感知被測(cè)信息 并傳遞給檢測(cè)裝置 5 傳感器及傳感技術(shù) 可從以下幾個(gè)方面理解 傳感器是測(cè)量器件或裝置 能完成檢測(cè)任務(wù) 輸入量為位移 壓力 溫度 重量等被測(cè)量 是非電量 輸出量通常為易于傳輸 轉(zhuǎn)換 處理 顯示的電物理量 如 電壓 電流 頻率 功率等 也可以是氣 光等物理量 輸出 輸入有對(duì)應(yīng)關(guān)系 且應(yīng)有一定的精確程度 6 1 傳感器在工業(yè)檢測(cè)和自動(dòng)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用工業(yè)自動(dòng)化 全自動(dòng) 半自動(dòng)生產(chǎn)線 石油 化工 鋼鐵 鐵路 機(jī)械 電力 自動(dòng)控制系統(tǒng) 正確的信息檢測(cè)準(zhǔn)確的控制 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 7 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 2 汽車與傳感器速度 里程 發(fā)動(dòng)機(jī)旋轉(zhuǎn)速度 燃料剩余量安全氣囊系統(tǒng) 防盜裝置 黑匣子發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸壓力 日本豐田汽車 3 傳感器與家用電器電子爐灶 洗碗機(jī) 遙控電視 錄像機(jī) 電飯煲微波爐 松下電器采用濕度傳感器 電冰箱 溫控器 控制壓縮機(jī)的開關(guān) 家庭自動(dòng)化 安全監(jiān)視與報(bào)警 空調(diào)與照明控制 家務(wù)勞動(dòng)自動(dòng)化 人身健康管理 8 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 4 傳感器在機(jī)器人上的應(yīng)用傳統(tǒng)機(jī)器人 臂的位置和角度傳感器 智能機(jī)器人 觸覺 壓覺 重量 視覺等 5 傳感器在醫(yī)療及人體醫(yī)學(xué)上的應(yīng)用應(yīng)用醫(yī)學(xué)傳感器 B超儀 CT 核磁共振等 醫(yī)療保健產(chǎn)品 電子血壓計(jì) 脈搏計(jì) 電子溫度計(jì) 9 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 6 傳感器與環(huán)境保護(hù)大氣污染指數(shù) 水質(zhì)污染 環(huán)境噪聲等各種環(huán)境監(jiān)測(cè)儀器7 傳感器與航空航天飛機(jī)的自動(dòng)駕駛 飛行姿態(tài) 距離 航線 惡劣環(huán)境的 盲目 著陸空 空導(dǎo)彈的自動(dòng)跟蹤 10 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 8 傳感器與遙感技術(shù)遙感技術(shù) 從飛機(jī) 人造衛(wèi)星 宇宙飛船 船舶上對(duì)遠(yuǎn)距離的廣大區(qū)域的被測(cè)物體及其狀態(tài)進(jìn)行大規(guī)模探測(cè)的一門技術(shù) 探測(cè)礦藏 人造衛(wèi)星上的紅外傳感器紅外線的量通過(guò)微波地面站計(jì)算機(jī)分析處理 11 傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域 傳感器市場(chǎng)結(jié)構(gòu) 從市場(chǎng)來(lái)看 力 壓力 加速度 物位 溫度 濕度 水分等傳感器將保持較大的需求量 12 二 傳感器的組成 二 傳感器的組成一般的 傳感器由敏感元件 二次變換部分 輔助部分組成 13 傳感器的組成 敏感元件 預(yù)變換器 它是直接感受被測(cè)量 并輸出與被測(cè)量成確定關(guān)系的某一物理量的元件 二次變換部分 敏感元件的輸出是轉(zhuǎn)換元件的輸入 主要作用將輸入轉(zhuǎn)換成電參數(shù) 并非所有的傳感器都包括敏感元件和轉(zhuǎn)換元件 如熱電偶 輔助部分 將轉(zhuǎn)換元件的輸出進(jìn)行放大 運(yùn)算 處理等進(jìn)一步轉(zhuǎn)換 便于應(yīng)用 14 傳感器的組成 氣體壓力傳感器 1 殼體2 膜盒3 電感線圈4 磁芯5 轉(zhuǎn)換電路 壓力 位移 電感 敏感元件 轉(zhuǎn)換元件 測(cè)量電路 15 傳感器的組成 熱電偶 壓電式加速度傳感器 16 三 傳感器的分類 傳感器是知識(shí)技術(shù)密集的行業(yè) 與許多學(xué)科有關(guān) 種類繁多 分類方法也很多 按工作機(jī)理 物理型 化學(xué)型 生物型 按構(gòu)成原理 結(jié)構(gòu)型 物性型 結(jié)構(gòu)型傳感器是利用物理學(xué)中場(chǎng)的定律構(gòu)成的 包括動(dòng)力場(chǎng)的運(yùn)動(dòng)定律 電磁場(chǎng)的電磁定律等 這類傳感器的特點(diǎn)是傳感器的工作原理是以傳感器中元件相對(duì)位置變化引起場(chǎng)的變化為基礎(chǔ) 而不是以材料特性變化為基礎(chǔ) 17 傳感器的分類 物性型傳感器是利用物質(zhì)定律構(gòu)成的 如虎克定律 歐姆定律等 這種法則 大多數(shù)是以物質(zhì)本身的常數(shù)形式給出 這些常數(shù)的大小 決定了傳感器的主要性能 因此 物性型傳感器的性能隨材料的不同而異 18 傳感器的分類 按能量轉(zhuǎn)換情況 能量控制型 能量轉(zhuǎn)換型 能量控制型傳感器在信息變化過(guò)程中 其能量需要外電源供給 無(wú)源傳感器 能量轉(zhuǎn)換型傳感器主要由能量變換元件構(gòu)成 不需外加電源 有源傳感器 19 傳感器的分類 按測(cè)量原理分 電參量式傳感器 電阻式 電感式 電容式 磁電式傳感器 磁電感應(yīng)式 霍爾式 磁柵式 壓電式傳感器 光電式傳感器 氣電式傳感器 熱電式傳感器 波式傳感器 射線式傳感器 半導(dǎo)體式傳感器 其他原理的傳感器 20 傳感器的分類 按傳感器用途分 輸入量 溫度傳感器濕度傳感器壓力傳感器位移傳感器轉(zhuǎn)速傳感器流量傳感器火災(zāi)傳感器 21 傳感器的分類 按傳感器輸出信號(hào)形式可分為 模擬傳感器和數(shù)字傳感器 按輸入量分類優(yōu)點(diǎn) 比較明確地表達(dá)了傳感器的用途 便于使用者根據(jù)用途選用 缺點(diǎn) 沒有區(qū)分每種傳感器在轉(zhuǎn)換機(jī)理上有何共性和差異 不便于使用者比較各種傳感器的原理異同點(diǎn) 22 傳感器的分類 按原理分類 優(yōu)點(diǎn)是 對(duì)傳感器的工作原理比較清楚 類別少 有利于傳感器專業(yè)工作者對(duì)傳感器的深入研究分析 缺點(diǎn) 不便于使用者根據(jù)用途選用 23 四 傳感器的命名法 由主題詞加四級(jí)修飾語(yǔ)構(gòu)成傳感器1 被測(cè)量2 轉(zhuǎn)換原理3 特征描述4 主要技術(shù)指標(biāo) 量程 靈敏度 準(zhǔn)確度等 例 傳感器位移應(yīng)變式100 習(xí)慣上用反序法 也可用簡(jiǎn)稱 24 五 對(duì)傳感器的性能要求 可靠性 指?jìng)鞲衅髟谝?guī)定的使用條件和期限內(nèi)保持其準(zhǔn)確計(jì)量性能的能力 選擇性 傳感器的輸出不受 少受 非被測(cè)量 干擾 的影響 超然性 傳感器不影響被測(cè)系統(tǒng)原來(lái)狀態(tài)的能力 實(shí)際有影響 加速度傳感器 25 3 2電阻式傳感器 受位移 壓力 光熱 的作用RR R電阻式傳感器是利用電阻應(yīng)變效應(yīng) 將被測(cè)物體的變形轉(zhuǎn)換成電阻變化 在經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出的傳感器 它可以測(cè)量力 壓力 位移 應(yīng)變 加速度 溫度等各種非電量 現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量和科學(xué)實(shí)驗(yàn)中 26 一 導(dǎo)電材料的電阻效應(yīng)當(dāng)金屬絲在外力作用下發(fā)生機(jī)械變形時(shí) 其電阻值將發(fā)生變化 這種現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) 設(shè)有一根長(zhǎng)度為l 截面積為S 電阻率為 的金屬絲 其電阻R為兩邊取對(duì)數(shù) 得等式兩邊取微分 l l 3 2電阻式傳感器 27 dR R 電阻的相對(duì)變化 d 電阻率的相對(duì)變化 dl l 金屬絲長(zhǎng)度相對(duì)變化 用 表示 dl l 稱為金屬絲長(zhǎng)度方向上的應(yīng)變或軸向應(yīng)變 dS S 截面積的相對(duì)變化 S r2 dS S 2 dr r dr r為金屬絲半徑的相對(duì)變化 即徑向應(yīng)變?yōu)?r r 由材料力學(xué)知 3 2 1導(dǎo)電材料的電阻效應(yīng) 28 將微分dR d 改寫成增量 R 則 金屬絲電阻的相對(duì)變化與金屬絲的伸長(zhǎng)或縮短之間存在比例關(guān)系 比例系數(shù)KS稱為金屬絲的應(yīng)變靈敏系數(shù) 變形 變性 3 2 1導(dǎo)電材料的電阻效應(yīng) 29 物理意義 單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化 KS由兩部分組成 前一部分是 1 2 由材料的幾何尺寸變化引起 一般金屬 0 3 因此 1 2 1 6 后一部分為 電阻率隨應(yīng)變而引起的 稱 壓阻效應(yīng) 對(duì)金屬材料 以前者為主 則KS 1 2 對(duì)半導(dǎo)體 KS值主要由電阻率相對(duì)變化所決定 實(shí)驗(yàn)表明 在金屬絲拉伸比例極限內(nèi) 電阻相對(duì)變化與軸向應(yīng)變成正比 通常KS在1 8 3 6范圍內(nèi) 3 2 1導(dǎo)電材料的電阻效應(yīng) 30 3 2 2電位計(jì)式傳感器 二 電位計(jì)式傳感器電位計(jì)式傳感器也稱為變阻器式傳感器 它通過(guò)改變電位器觸頭位置 把位移轉(zhuǎn)換為電阻的變化 根據(jù)下式式中 電阻率 l 電阻絲長(zhǎng)度 A 電阻絲截面積 如果電阻絲直徑和材質(zhì)一定時(shí) 則電阻值隨導(dǎo)線長(zhǎng)度而變化 式中電阻值的單位為 31 常用電位計(jì)式傳感器有直線位移型 角位移型和非線性型等 3 2 2電位計(jì)式傳感器 32 直線位移型 當(dāng)被測(cè)位移變動(dòng)時(shí) 觸點(diǎn)c沿變阻器移動(dòng) 若移動(dòng)x 則c點(diǎn)與A點(diǎn)之間電阻值 R kix傳感器靈敏度 S dR dx ki式中k 單位長(zhǎng)度內(nèi)的電阻值 當(dāng)導(dǎo)線分布均勻時(shí) ki為一常數(shù) 這時(shí)傳感器的輸出 電阻 與輸入 位移 成線性關(guān)系 3 2 2電位計(jì)式傳感器 33 回轉(zhuǎn)型變阻器式傳感器 其電阻值隨轉(zhuǎn)角而變化 其靈敏度式中 轉(zhuǎn)角 rad k 單位弧度對(duì)應(yīng)的電阻值 3 2 2電位計(jì)式傳感器 34 非線性變阻器式傳感器 或稱為函數(shù)電位器 當(dāng)被測(cè)量與電刷位移x之間具有某種函數(shù)關(guān)系時(shí) 通過(guò)它可以獲得輸出電阻與輸入被測(cè)量的線性關(guān)系 設(shè)r x 為電位器任意瞬時(shí)位置 微小區(qū)間 x 內(nèi)的電阻 則電阻位移為x時(shí)總電阻值為 如果被測(cè)量為z x 它是位移x的函數(shù) 若要得到線性輸出 應(yīng)滿足在已知z x 的情況下 可以求得r x 和Rx r x 可以用來(lái)確定電位器的骨架形狀 3 2 2電位計(jì)式傳感器 35 變阻器式傳感器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 性能穩(wěn)定 使用方便 缺點(diǎn)是分辨力不高 因?yàn)槭艿诫娮杞z直徑的限制 提高分辨力需使用更細(xì)的電阻絲 其繞制較困難 所以變阻器式傳感器的分辨力很難優(yōu)于20 m 由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn) 這種傳感器還有較大的噪聲 電刷和電阻元件之間接觸面的變動(dòng)和磨損 塵埃附著等 都會(huì)使電刷在滑動(dòng)中的接觸電阻發(fā)生不規(guī)則的變化 從而產(chǎn)生噪聲 變阻器式傳感器被用于線位移 角位移測(cè)量 在測(cè)量?jī)x器中用于伺服記錄儀器或電子電位差計(jì)等 3 2 2電位計(jì)式傳感器 36 變阻器式傳感器產(chǎn)品 3 2電阻式傳感器 37 案例 重量的自動(dòng)檢測(cè) 配料設(shè)備 3 2電阻式傳感器 原理 彈簧 力 位移 電位器 電阻 38 案例 煤氣包儲(chǔ)量檢測(cè) 3 2電阻式傳感器 原理 鋼絲 收線圈數(shù) 電位器 電阻 39 案例 玩具機(jī)器人 廣州中鳴數(shù)碼 3 2電阻式傳感器 原理 電機(jī) 轉(zhuǎn)角 電位器 電阻 40 3 2電阻式傳感器 案例 振動(dòng)式地音入侵探測(cè)器 適合于金庫(kù) 倉(cāng)庫(kù) 古建筑的防范 挖墻 打洞 爆破等破壞行為均可及時(shí)發(fā)現(xiàn) 41 3 2電阻式傳感器 42 三 電阻應(yīng)變片金屬應(yīng)變片式傳感器的核心元件是金屬應(yīng)變片 它可將試件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成電阻變化 金屬應(yīng)變式傳感器是利用電阻應(yīng)變片將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感器 傳感器由在彈性元件上粘貼電阻應(yīng)變敏感元件構(gòu)成 當(dāng)被測(cè)物理量作用在彈性元件上 彈性元件的變形引起應(yīng)變敏感元件的阻值變化 通過(guò)轉(zhuǎn)換電路轉(zhuǎn)變成電量輸出 電量變化的大小反映了被測(cè)物理量的大小 3 2電阻式傳感器 43 3 2 3電阻應(yīng)變片 1 絲式應(yīng)變片由敏感柵1 基底2 蓋片3 引線4和粘結(jié)劑等組成 這些部分所選用的材料將直接影響應(yīng)變片的性能 因此 應(yīng)根據(jù)使用條件和要求合理地加以選擇 2 3 4 1 b l 柵長(zhǎng) 柵寬 電阻應(yīng)變片結(jié)構(gòu)示意圖 44 1 敏感柵由金屬細(xì)絲繞成柵形 直徑 0 015 0 05 mm應(yīng)變片的阻值 60 120 200 等多種規(guī)格 以120 最為常用 允許有一定的誤差 但不能太大 否則影響平衡 標(biāo)距 柵寬 柵長(zhǎng) b l較大的應(yīng)變片 5 100 200 mm較小的應(yīng)變片 1 1 2 mm等 結(jié)構(gòu) 回線式 a 和短接式 b 一般至少用兩個(gè) 一個(gè)做測(cè)量 一個(gè)做溫度補(bǔ)償 或用四個(gè) 兩個(gè)做測(cè)量 兩個(gè)做溫度補(bǔ)償 3 2 3電阻應(yīng)變片 45 對(duì)敏感柵的材料的要求 應(yīng)變靈敏系數(shù)大 并在所測(cè)應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù) 電阻率高而穩(wěn)定 以便于制造小柵長(zhǎng)的應(yīng)變片 電阻溫度系數(shù)要小 抗氧化能力高 耐腐蝕性能強(qiáng) 在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度 加工性能良好 易于拉制成絲或軋壓成箔材 易于焊接 對(duì)引線材料的熱電勢(shì)小 對(duì)應(yīng)變片要求必須根據(jù)實(shí)際使用情況 合理選擇 3 2 3電阻應(yīng)變片 46 2 基底和蓋片基底用于保持敏感柵 引線的幾何形狀和相對(duì)位置 蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對(duì)位置 還可保護(hù)敏感柵 基底的全長(zhǎng)稱為基底長(zhǎng) 其寬度稱為基底寬 基底材料 膠基和紙基 3 引線是從應(yīng)變片的敏感柵中引出的細(xì)金屬線 直徑 0 15 0 2 mm 對(duì)引線材料的性能要求 電阻率低 電阻溫度系數(shù)小 抗氧化性能好 易于焊接 大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線 3 2 3電阻應(yīng)變片 47 4 粘結(jié)劑用于將敏感柵固定于基底上 并將蓋片與基底粘貼在一起 使用金屬應(yīng)變片時(shí) 也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個(gè)方向和位置上 以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計(jì)的基底和敏感柵 常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無(wú)機(jī)兩大類 有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫 常溫和中溫 常用的有聚丙烯酸酯 酚醛樹脂 有機(jī)硅樹脂 聚酰亞胺等 無(wú)機(jī)粘結(jié)劑用于高溫 常用的有磷酸鹽 硅酸 硼酸鹽等 3 2 3電阻應(yīng)變片 48 2 箔式應(yīng)變片金屬箔式應(yīng)變片則是用柵狀金屬箔片代替柵狀金屬絲 金屬箔柵系用光刻技術(shù)制造 適于大批量生產(chǎn) 其線條均勻 尺寸準(zhǔn)確 阻值一致性好 箔片厚約1 10 m 散熱好 粘結(jié)情況好 傳遞試件應(yīng)變性能好 因此目前使用的多系金屬箔式應(yīng)變片 3 2 3電阻應(yīng)變片 49 3 薄膜應(yīng)變片是薄膜技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物 厚度在0 1 m以下 是采用真空蒸發(fā)法 將電阻材料蒸鍍?cè)诨咨现瞥擅舾袞哦纬蓱?yīng)變片 靈敏度系數(shù)高 易于規(guī)模生產(chǎn) 是一種很有前途的新型應(yīng)變片 用得較少 自學(xué)了解 3 2 3電阻應(yīng)變片 50 4 半導(dǎo)體應(yīng)變片半導(dǎo)體應(yīng)變片最簡(jiǎn)單的典型結(jié)構(gòu)如圖所示 半導(dǎo)體應(yīng)變片的使用方法與金屬電阻應(yīng)變片相同 即粘貼在彈性元件或被測(cè)物體上 其電阻值隨被測(cè)試件的應(yīng)變而變化 半導(dǎo)體應(yīng)變片的工作原理是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng) 3 2 3電阻應(yīng)變片 51 所謂壓阻效應(yīng)是指單晶半導(dǎo)體材料在沿某一軸向受到外力作用時(shí) 其電阻率 發(fā)生變化的現(xiàn)象 優(yōu)點(diǎn) 靈敏度高 缺點(diǎn) 穩(wěn)定性差 非線性嚴(yán)重 做一批應(yīng)變片 各不相同 同一批應(yīng)變片在不同條件下 變化很大 3 2 3電阻應(yīng)變片 52 5 應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)K 金屬應(yīng)變片的靈敏度系數(shù) 指應(yīng)變片安裝于試件表面 在其軸向方向的單向應(yīng)力作用下 應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比 Ks 金屬絲的靈敏度系數(shù) 金屬單絲的電阻相對(duì)變化與它所感受的應(yīng)變之比 當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后 其電阻 應(yīng)變特性 與金屬單絲情況不同 因此 須用實(shí)驗(yàn)方法對(duì)應(yīng)變片的電阻 應(yīng)變特性重新測(cè)定 3 2 3電阻應(yīng)變片 53 實(shí)驗(yàn)表明 金屬應(yīng)變片的電阻相對(duì)變化與應(yīng)變 在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系 即 K為金屬應(yīng)變片的靈敏系數(shù) 注意 K是在試件受一維應(yīng)力作用 應(yīng)變片的軸向與主應(yīng)力方向一致 且試件材料的泊松比為0 285的鋼材時(shí)測(cè)得的 測(cè)量結(jié)果表明 應(yīng)變片的靈敏系數(shù)K恒小于線材的靈敏系數(shù)KS 原因 膠層傳遞變形失真 橫向效應(yīng)也是一個(gè)不可忽視的因素 思考 K與KS大小的關(guān)系 3 2 3電阻應(yīng)變片 54 第三節(jié)電容式傳感器 55 電容式傳感器是將被測(cè)非電量的變化轉(zhuǎn)換成電容量變化的一種傳感器 特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 體積小 可實(shí)現(xiàn)非接觸式測(cè)量 能在高溫 輻射和強(qiáng)烈振動(dòng)等惡劣條件下工作 應(yīng)用 壓力 差壓 液位 振動(dòng) 位移 加速度 成分含量等多方面的測(cè)量 3 3電容式傳感器 56 工作原理 電容式傳感器是將被測(cè)物理量轉(zhuǎn)換為電容量變化的裝置 它實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可變參數(shù)的電容器 從物理學(xué)可知 由兩個(gè)平行極板組成的電容器其電容量為 式中 r 極板間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù) 在空氣中 r 1 o 真空中介電常數(shù) o 8 85 10 12F m d 極板間距離 S 極板間相互覆蓋面積 3 3電容式傳感器 57 當(dāng)被測(cè)量使d S或 發(fā)生變化時(shí) 都會(huì)引起電容C的變化 如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變 而僅改變另一個(gè)參數(shù) 就可把該參數(shù)的變化變換為電容量的變化 根據(jù)電容器變化的參數(shù) 可分為極距變化型 面積變化型和介質(zhì)變化型三類 在實(shí)際中 極距變化型與面積變化型的應(yīng)用較為廣泛 3 3電容式傳感器 58 類型 一 面積變化型在變換極板面積的電容傳感器中 一般常用的有角位移型和線位移型兩種 3 3電容式傳感器 59 角位移型 當(dāng)動(dòng)板有一轉(zhuǎn)角時(shí) 與定板之間相互覆蓋面積就改變 從而改變電容的輸出 當(dāng) 0時(shí) 當(dāng) 0時(shí) 傳感器的電容量C與角位移 呈線性關(guān)系 3 3電容式傳感器 60 平面線位移型電容傳感器 當(dāng)動(dòng)板沿X方向移動(dòng)時(shí) 覆蓋面積發(fā)生變化 電容量也隨之變化 其電容量C式中b 極板寬度 靈敏度 此傳感器的電容量C與水平位移x呈線性關(guān)系 3 3電容式傳感器 61 圓柱體線位移型電容傳感器 動(dòng)板 圓柱 與定板 圓柱 相互覆蓋 其電容量式中D 圓筒孔徑 d 圓柱外徑 當(dāng)覆蓋長(zhǎng)度x變化時(shí) 電容量C發(fā)生變化 其靈敏度 3 3電容式傳感器 62 面積變化型電容傳感器的優(yōu)點(diǎn)是輸出與輸入成線性關(guān)系 但與極距變化型相比 靈敏度較低 適用于較大直線位移及角位移的測(cè)量 3 3電容式傳感器 63 二 介質(zhì)變化型這種傳感器大多用來(lái)測(cè)量電介質(zhì)的厚度 位移 液位 液量 還可根據(jù)介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度 濕度的改變而測(cè)量溫度 濕度等 當(dāng)電極間存在導(dǎo)電物質(zhì)時(shí) 電極的表面應(yīng)涂蓋絕緣層 如0 1mm厚的聚四氟乙烯等 防止電極間短路 圖中是這種傳感器的典型實(shí)例 3 3電容式傳感器 64 電容式液位傳感器 傳感器的電容量C與被測(cè)液位高度h呈線性關(guān)系 相當(dāng)于兩個(gè)電容器并聯(lián) C0 Ah 3 3電容式傳感器 65 另一種結(jié)構(gòu) d0 d1 1 0 若d0 d1已知時(shí) 此結(jié)構(gòu)可用來(lái)測(cè)未知材料的介電常數(shù)若 1已知時(shí) 此結(jié)構(gòu)可用來(lái)測(cè)某介電材料的厚度 如紙張 塑料薄膜等 3 3電容式傳感器 66 三 極距變化型如果兩極板互相覆蓋面積及極間介質(zhì)不變 則電容量C與極距 呈非線性關(guān)系 當(dāng)極距有一微小變化量d 時(shí) 引起電容的變化量dC為由此可以得到傳感器靈敏度 3 3電容式傳感器 67 可以看出 靈敏度K與極距平方成反比 極距越小靈敏度越高 顯然 由于靈敏度隨極距而變化 這將引起線性誤差 為了減小這一誤差 通常規(guī)定在較小的間隙變化范圍內(nèi)工作 以便獲得近似線性關(guān)系 一般取極距變化范圍約為 d d0 0 1 3 3電容式傳感器 68 結(jié)論 當(dāng) d d0 1時(shí) 電容輸出可簡(jiǎn)化為 此時(shí) C與 d呈線性關(guān)系 同時(shí) 減小d0可提高傳感器的靈敏度 但d0過(guò)小 容易引起電容器擊穿或短路 為提高傳感器的靈敏度 極板間可采用高介電常數(shù)的材料作介質(zhì) 如云母 塑料膜等 一般變極板間距離電容式傳感器的起始電容在20 100pF之間 極板間距離在20 200 m的范圍內(nèi) 最大位移應(yīng)小于間距的1 10 在微位移的測(cè)量中應(yīng)用廣泛 3 3電容式傳感器 69 將電容變化量按級(jí)數(shù)展開 可得 忽略高次項(xiàng) 變極距型電容傳感器的靈敏度為 考慮線性項(xiàng)與二次項(xiàng) 3 3電容式傳感器 70 傳感器的相對(duì)非線性誤差 為 結(jié)論 要提高靈敏度 應(yīng)減小起始間隙d0 但非線性誤差卻隨著d0的減小而增大 在實(shí)際應(yīng)用中 為了提高傳感器的靈敏度 線性度以及克服某些外界條件 如電源電壓 環(huán)境溫度等 的變化對(duì)測(cè)量精確度的影響 常常采用差動(dòng)式 為了提高靈敏度 減小非線性誤差 大都采用差動(dòng)式結(jié)構(gòu) 3 3電容式傳感器 71 差動(dòng)平板式電容傳感器結(jié)構(gòu)圖 當(dāng)中間的動(dòng)極板上移 d時(shí) 電容器C1的間隙d1變?yōu)閐0 d 電容器C2的間隙d2變?yōu)閐0 d 3 3電容式傳感器 72 按級(jí)數(shù)展開 電容值的總變化量為 3 3電容式傳感器 73 相對(duì)變化量為 略去高次項(xiàng) 相對(duì)非線性誤差為 結(jié)論 電容傳感器做成差動(dòng)式后 靈敏度增加了一倍 而非線性誤差大大降低了 3 3電容式傳感器 74 差動(dòng)式電容傳感器的優(yōu)點(diǎn) 1 提高了靈敏度2 降低了非線性誤差3 抑制了溫漂 降低了誤差 3 3電容式傳感器 75 利用電磁感應(yīng)原理將被測(cè)非電量如位移 壓力 流量 振動(dòng)等轉(zhuǎn)換成線圈自感系數(shù)L或互感系數(shù)M的變化 再由測(cè)量電路轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化量輸出 這種裝置稱為電感式傳感器 優(yōu)點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 工作可靠 測(cè)量精度高 輸出功率大 能實(shí)現(xiàn)信息的遠(yuǎn)距離傳輸 缺點(diǎn) 靈敏度 線性度和測(cè)量范圍相互制約 傳感器頻率響應(yīng)低 不適合快速動(dòng)態(tài)測(cè)量 3 4電感式傳感器 第四節(jié)電感式傳感器 76 3 4電感式傳感器 電渦流式按轉(zhuǎn)換原理分 自感式和互感式種類差動(dòng)變壓器按結(jié)構(gòu)形式分 氣隙型和螺管型應(yīng)用 廣泛的用于位移 振動(dòng) 壓力 應(yīng)變 流量 比重等參量的測(cè)量 77 3 4電感式傳感器 一 自感式傳感器1 氣隙型電感傳感器工作原理組成 線圈1 銜鐵3和鐵芯2等 圖中點(diǎn)劃線表示磁路 磁路中空氣隙總長(zhǎng)度為l 0 5l 1 2 3 x a 變隙式 b 變截面式 傳感器中有一個(gè)氣隙l 它隨被測(cè)物體的位移而產(chǎn)生 l 的變化 由于銜鐵與其同步移動(dòng) 將引起磁路中氣隙磁阻發(fā)生相應(yīng)的變化 從而導(dǎo)致線圈電感的變化 用于較小行程 78 l1 鐵芯磁路總長(zhǎng) 1 鐵芯磁導(dǎo)率 l2 銜鐵的磁路長(zhǎng) 2 銜鐵磁導(dǎo)率 S 氣隙磁通截面積 0 真空磁導(dǎo)率 S1 鐵芯橫截面積 0 4 10 7H m S2 銜鐵橫截面積 l 空氣隙總長(zhǎng) 由磁路基本知識(shí)知 線圈自感為 線圈匝數(shù) 磁路總磁阻 鐵芯與銜鐵磁阻和空氣隙磁阻 磁路總磁阻為 3 4電感式傳感器 磁阻是表示物質(zhì)對(duì)磁通量所呈現(xiàn)的阻力的一個(gè)物理量 79 3 4電感式傳感器 由于自感傳感器的鐵芯一般在非飽和狀態(tài)下 其磁導(dǎo)率遠(yuǎn)大于空氣的磁導(dǎo)率 因此鐵芯磁阻遠(yuǎn)較氣隙磁阻小 即 1 2 0所以上式可簡(jiǎn)化為 可見 自感L是氣隙截面積和長(zhǎng)度的函數(shù) 即L f S l 如果S保持不變 則L為l 的單值函數(shù) 構(gòu)成變隙式自感傳感器 若保持l 不變 使S隨位移變化 則構(gòu)成變截面式自感傳感器 80 3 4電感式傳感器 輸出特性曲線 L f S L S L S L f l 變氣隙式傳感器特性曲線 變截面積式傳感器特性曲線 L f l 為非線性關(guān)系 當(dāng)l 0時(shí) L為 考慮導(dǎo)磁體的磁阻 當(dāng)l 0時(shí) 并不等于 而具有一定的數(shù)值 在l 較小時(shí)其特性曲線如圖中虛線所示 如上下移動(dòng)銜鐵使面積S改變 從而改變L值時(shí) 則L f S 的特性曲線為一直線 L l 81 自感變化靈敏度為 線性度 l L L1 L2 L0 l 0 結(jié)論 當(dāng)氣隙l 發(fā)生變化時(shí) 自感的變化與氣隙變化均呈非線性關(guān)系 其非線性程度隨氣隙相對(duì)變化 l l 的增大而增加 氣隙減少 l 所引起的自感變化 L1與氣隙增加同樣 l 所引起的自感變化 L2并不相等 即 L1 L2 其差值隨 l l 的增加而增大 3 4電感式傳感器 82 3 4電感式傳感器 由前面的分析可見 變氣隙式電感傳感器的測(cè)量范圍與靈敏度及線性度相矛盾 由于以上特點(diǎn) 為了減小非線性誤差 則要限定l 的范圍 因此變間隙式傳感器只能用于微小位移的測(cè)量 為了改善其非線性 常采用差動(dòng)式的結(jié)構(gòu) 工作原理如下 83 3 4電感式傳感器 E USC 1 3 4 2 R R l l 2 l l 2 差動(dòng)變氣隙式自感傳感器結(jié)構(gòu)由兩個(gè)電氣參數(shù)和磁路完全相同的線圈組成 當(dāng)銜鐵3移動(dòng)時(shí) 一個(gè)線圈的自感增加 另一個(gè)線圈的自感減少 形成差動(dòng)形式 靈敏度 線性度 84 3 4電感式傳感器 2 螺管型電感傳感器種類 單線圈和差動(dòng)式結(jié)構(gòu)形式 單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈和一根圓柱形鐵芯 傳感器工作時(shí) 因鐵芯在線圈中伸入長(zhǎng)度的變化 引起螺管線圈自感值的變化 當(dāng)用恒流源激勵(lì)時(shí) 則線圈的輸出電壓與鐵芯的位移量有關(guān) 用于較大行程 r x 螺旋管 鐵心 單線圈螺管型傳感器結(jié)構(gòu)圖 l 85 3 4電感式傳感器 線圈電感 l 線圈長(zhǎng)度rc 銜鐵半徑r 平均半徑 r 鐵心的有效磁導(dǎo)率N 匝數(shù)lc 銜鐵進(jìn)入線圈的長(zhǎng)度 若被測(cè)量與 lc成正比 則 L與被測(cè)量也成正比 實(shí)際上由于磁場(chǎng)強(qiáng)度分布不均勻 輸入量與輸出量之間關(guān)系非線性的 86 螺管線圈內(nèi)磁場(chǎng)分布曲線 r x l 1 0 0 8 0 6 0 4 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 1 0 H IN l x l 鐵芯在開始插入 x 0 或幾乎離開線圈時(shí)的靈敏度 比鐵芯插入線圈的1 2長(zhǎng)度時(shí)的靈敏度小得多 這說(shuō)明只有在線圈中段才有可能獲得較高的靈敏度 并且有較好的線性特性 3 4電感式傳感器 87 為了提高靈敏度與線性度 常采用差動(dòng)螺管式自感傳感器 這種差動(dòng)螺管式自感傳感器的測(cè)量范圍為 5 50 mm 非線性誤差在0 5 左右 2lc lc 2l 線圈 線圈 r 0 8 0 6 0 4 0 2 0 2 0 4 0 6 0 8 0 8 0 8 0 4 1 2 1 2 0 4 x H IN l 差動(dòng)螺旋管式自感傳感器 a 結(jié)構(gòu)示意圖 b 磁場(chǎng)分布曲線 x l a b 3 4電感式傳感器 88 3 4電感式傳感器 綜上所述 螺管式自感傳感器的特點(diǎn) 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 制造裝配容易 由于空氣間隙大 磁路的磁阻高 因此靈敏度低 但線性范圍大 由于磁路大部分為空氣 易受外部磁場(chǎng)干擾 由于磁阻高 為了達(dá)到某一自感量 需要的線圈匝數(shù)多 因而線圈分布電容大 要求線圈框架尺寸和形狀必須穩(wěn)定 否則影響其線性和穩(wěn)定性 89 二 互感式傳感器把被測(cè)的非電量變化轉(zhuǎn)換為線圈互感變化的傳感器稱為互感式傳感器 這種傳感器是根據(jù)變壓器的基本原理制成的 并且次級(jí)繞組用差動(dòng)形式連接 故稱差動(dòng)變壓器式傳感器 結(jié)構(gòu) 變隙式 變面積式和螺管式 其中螺線管式最為常用 可測(cè)量1 100mm的機(jī)械位移 3 4電感式傳感器 90 結(jié)構(gòu)及工作原理 原理 當(dāng)初級(jí)線圈加上某一頻率的正弦交流電壓后 次級(jí)線圈產(chǎn)生感應(yīng)電壓e21 e22 它們的大小與鐵芯在線圈內(nèi)的位置有關(guān) e21和e22反極性連接就得到輸出電壓e2 3 4電感式傳感器 91 等效電路 e2 R21 R22 e21 e22 e1 R1 M1 M2 L21 L22 L1 I1 在理想情況下 忽略線圈寄生電容及銜鐵損耗 差動(dòng)變壓器的等效電路如圖 初級(jí)線圈的電流值為 激勵(lì)電壓的角頻率 e1 激勵(lì)電壓 e1初級(jí)線圈激勵(lì)電壓L1 R1初級(jí)線圈電感和電阻M1 M1分別為初級(jí)與次級(jí)線圈1 2間的互感L21 L22兩個(gè)次級(jí)線圈的電感R21 R22兩個(gè)次級(jí)線圈的電阻 3 4電感式傳感器 92 N2為次級(jí)線圈匝數(shù) Rm1和Rm2是通過(guò)兩個(gè)次級(jí)線圈的磁阻 在次級(jí)線圈中感應(yīng)出電壓e21和e22 其值分別為 初級(jí)線圈對(duì)兩次級(jí)線圈的互感系數(shù) 3 4電感式傳感器 93 其幅值 輸出阻抗 因此空載輸出電壓 3 4電感式傳感器 94 應(yīng)用測(cè)量振動(dòng) 厚度 應(yīng)變 壓力 加速度等各種物理量 1 差動(dòng)變壓器式加速度傳感器用于測(cè)定振動(dòng)物體的頻率和振幅時(shí)其激磁頻率必須是振動(dòng)頻率的十倍以上 才能得到精確的測(cè)量結(jié)果 可測(cè)量的振幅為 0 1 5 mm 振動(dòng)頻率為 0 150 Hz 穩(wěn)壓電源 振蕩器 檢波器 濾波器 b a 220V 加速度a方向 a 輸出 1 2 1 1彈性支承2差動(dòng)變壓器 3 4電感式傳感器 95 2 微壓力變送器將差動(dòng)變壓器和彈性敏感元件 膜片 膜盒和彈簧管等 相結(jié)合 可以組成各種形式的壓力傳感器 220V 1接頭2膜盒3底座4線路板5差動(dòng)變壓器6銜鐵7罩殼 V 振蕩器 穩(wěn)壓電源 差動(dòng)變壓器 相敏檢波電路 1 2 3 4 5 6 7 這種變送器可分檔測(cè)量 5 105 6 105 N m2壓力 輸出信號(hào)電壓為 0 50 mV 精度為1 5級(jí) 3 4電感式傳感器 96 3 6壓電式傳感器 第六節(jié)壓電式傳感器壓電傳感器是典型的有源傳感器 又稱自發(fā)電式傳感器及電勢(shì)式傳感器 壓電傳感器的工作原理是基于某些晶體受力后在其表面產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng) 特點(diǎn) 體積小 重量輕 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 靈敏度高 工作可靠 適合動(dòng)態(tài)力學(xué)測(cè)量 不能測(cè)量靜態(tài)量 97 目前多用于加速度和動(dòng)態(tài)力學(xué)或壓力的測(cè)量 壓電傳感器是一個(gè)機(jī)電轉(zhuǎn)換元件 應(yīng)用 拾音器 壓電引信 燃?xì)恻c(diǎn)火具 3 6壓電式傳感器 98 3 6壓電式傳感器 一 壓電效應(yīng)一些晶體結(jié)構(gòu)的材料 當(dāng)沿著一定方向受到外力作用時(shí) 內(nèi)部產(chǎn)生極化現(xiàn)象 同時(shí)在某兩個(gè)表面上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷 而當(dāng)外力去掉后 又恢復(fù)不帶電的狀態(tài) 當(dāng)作用力方向改變時(shí) 電荷的極性也隨著改變 99 晶體受作用力產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比 這種機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng) 反之 如果給晶體施加以交變電場(chǎng) 晶體本身則產(chǎn)生機(jī)械變形 這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng) 又稱電致伸縮效應(yīng) 壓電效應(yīng)具有可逆性 電能 機(jī)械能 正壓電效應(yīng) 逆壓電效應(yīng) 3 6 1壓電效應(yīng) 100 Z X Y a b 石英晶體 a 理想石英晶體的外形 b 坐標(biāo)系 Z Y X 晶體縱向壓電效應(yīng) 通常把沿電軸X X方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為 縱向壓電效應(yīng) 橫向壓電效應(yīng) 而把沿機(jī)械軸Y Y方向的力作用下產(chǎn)生電荷的壓電效應(yīng)稱為 橫向壓電效應(yīng) 沿光軸Z Z方向受力則不產(chǎn)生壓電效應(yīng) 光軸 電軸 機(jī)械軸 3 6 1壓電效應(yīng) 101 縱向壓電效應(yīng)橫向壓電效應(yīng) 在Y Y方向受力產(chǎn)生的壓電效應(yīng) 其電荷分布與X X方向受力所產(chǎn)生的壓電效應(yīng)情況相反 當(dāng)Y方向受壓時(shí) FY0 其電荷分布如同X方向受壓所示 3 6 1壓電效應(yīng) 102 晶體切片 沿晶軸方向切下一六面體 3 6 1壓電效應(yīng) 103 石英晶體的壓電效應(yīng)可以概括為 無(wú)論是正或逆壓電效應(yīng) 其作用力 或應(yīng)變 與電荷 或電場(chǎng)強(qiáng)度 之間呈線性關(guān)系 晶體在哪個(gè)方向上有正壓電效應(yīng) 則在此方向上一定存在逆壓