傳感器(唐文彥)總復(fù)習(xí)

1、電阻式傳感器基本原理：將被測(cè)的非電量轉(zhuǎn)換成電阻值的變化，再經(jīng)轉(zhuǎn)換電路變成電量輸出。工作原理 :金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng) :金屬導(dǎo)體的電阻隨著機(jī)械變形 伸長(zhǎng)或縮短 的大小發(fā) 生變 化的現(xiàn)象稱(chēng)為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。特點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能穩(wěn)定，靈敏度較高，適用 于動(dòng)態(tài)測(cè)量。1）橫向效應(yīng)： 將直的電阻絲繞成敏感柵之后， 雖然長(zhǎng)度相同， 但應(yīng)變狀態(tài)不 同，其靈敏系數(shù) 降低了。這種現(xiàn)象稱(chēng)橫向效應(yīng)。為了減少橫向效應(yīng)產(chǎn)生的測(cè)量誤差，一般多采用箔式應(yīng)變片， 其圓弧部分尺寸較柵絲尺寸 大得多，電阻值較小，因而電阻變 化量也就小得多。2）機(jī)械滯后 應(yīng)變片安裝在試件上以后，在一定溫度下，其 R/R-的加 載特性與卸載特性不重

2、合，在同一機(jī)械應(yīng)變值g下，其對(duì)應(yīng)的 R/R值相對(duì)應(yīng)的指示應(yīng)變& i丨不一致。加載特性曲線與卸載特性曲線的最大差值 !）稱(chēng)應(yīng)變片的滯后。機(jī)械滯后產(chǎn)生的原因： 敏感柵、基底和粘合劑在承受機(jī)械應(yīng)變后所留下的殘余變形所造成的。3）零漂 P0： 粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定、不承受機(jī)械應(yīng)變時(shí)，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱(chēng)為應(yīng)變片的零漂。4）蠕變B：如果在一定溫度下，使其承受恒定的機(jī)械應(yīng)變，其電阻值隨時(shí)間而變化的特性，稱(chēng)為應(yīng)變片的蠕變。一般蠕變的方向與原應(yīng)變量變化的方向相反。5）最大工作電流：是指允許通過(guò)應(yīng)變片而不影響其工作的最大電流值。6）絕緣電阻：是指應(yīng)變片的引線與被測(cè)試件之間的電阻值。通常

3、要求50MQ100MQ以上。7）電阻式應(yīng)變片的溫度誤差：當(dāng)測(cè)量現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度變化時(shí)，由于敏感柵溫度系數(shù)及柵絲與試件膨脹系數(shù)之差異性而給 測(cè)量帶來(lái)的附加誤差，稱(chēng)為應(yīng)變片的溫度誤 差。 對(duì)應(yīng)變片溫度誤差產(chǎn)生的主要因素進(jìn)行分析 : 1. 電阻溫度系數(shù)的影響； 2. 測(cè)試件材料和電 阻絲材料的線膨脹系數(shù)影響。溫度補(bǔ)償方法： 1線路補(bǔ)償法加溫度補(bǔ)償電阻 ： 利用電橋的和、差原理來(lái)到達(dá)溫度補(bǔ) 償?shù)哪康摹?2自補(bǔ)償法選材 ： 主要是通過(guò)精心選配敏感柵材料與應(yīng)變片結(jié)構(gòu)參數(shù)來(lái) 實(shí) 現(xiàn)溫度補(bǔ)償。2. 壓阻式傳感器 工作原理：對(duì)半導(dǎo)體材料施加外力作用時(shí)，除了產(chǎn)生形變之外，材料的電阻率也要發(fā)生明顯變化，這種現(xiàn)象被稱(chēng)為

4、“壓阻效應(yīng)”。特點(diǎn)：壓阻式應(yīng)變片的靈敏度比金屬絲式的要高5080倍 ；半導(dǎo)體材料的應(yīng)變片尺寸小、橫向效應(yīng)小、滯后和蠕 變都很小。二電感式傳感器 基本原理：將電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測(cè)量轉(zhuǎn)化為電感量 自感或互 感的一種裝置?？捎脕?lái)測(cè)位移、壓力、振動(dòng)等多種非電 量，既可用于靜態(tài)測(cè)量，又可用 于動(dòng)態(tài)測(cè)量。1. 自感式傳感器變磁阻式傳感器 原理：銜鐵移動(dòng)導(dǎo)致氣隙變化導(dǎo)致電感量變化，從而得知位移量的大小方向。1) 變氣隙式自感傳感器改變 I s 磁路中氣隙長(zhǎng)度 須保持氣隙磁通截面積不變；輸出特性是非線性的； 靈敏度隨著氣隙的增加而減小；為保證一定的測(cè)量范圍和線性度，通常s=0.10.5m

5、m , 3=1/51/10S.2) 變面積式自感傳感器改變S須保證氣隙長(zhǎng)度保持不變；磁通面積隨著被測(cè)量改變，即銜鐵水平方向移動(dòng)；輸出特性呈線性； 可以得到較大的線性范圍。3) 螺管式自感傳感器改變 卩由于空氣氣隙大，磁路的磁阻大，所以靈敏度比前面兩種要低；可以使線圈繞組均勻排列，來(lái)得到較大的線性工作范圍。自感式傳感器的轉(zhuǎn)換電路：將傳感器的電感量接入不同的轉(zhuǎn)換電路之后，可以被轉(zhuǎn)換成電壓或者電流的幅值、頻率、相位的變化，這些轉(zhuǎn) 換電路相應(yīng)的被稱(chēng)為調(diào)幅、調(diào)頻、調(diào) 相電路。2互感式傳感器一一差動(dòng)變壓器 原理：把非電量的變化轉(zhuǎn)化為互感量的變化， 互感式傳感器是一種線圈互感隨著銜鐵位移變 化的變磁阻式傳感

6、器。1零位誤差一一零點(diǎn)殘余電壓：差動(dòng)自感式傳感器當(dāng)銜鐵位于中間平衡位置時(shí)，電橋的輸 出在理論上應(yīng)該為零，但實(shí)際總是存在一個(gè)零點(diǎn)不平衡電 壓輸出。零點(diǎn)殘余電壓的危害： 1過(guò)大的零點(diǎn)殘余電壓會(huì)導(dǎo)致放大器提前飽和； 2使電路產(chǎn)生零 點(diǎn)錯(cuò)誤動(dòng)作；3零點(diǎn)殘余電壓中的基波正交分量會(huì)使傳感器的輸出產(chǎn)生大小隨輸入信號(hào)而變化的相移 .消除零點(diǎn)殘余電壓： (1)銜鐵、骨架等零件保證足夠的加工精度，兩線圈的繞制要一致；(2) 合理選擇磁性材料與激勵(lì)電流，使傳感器工作在磁化曲線 的線性區(qū)； 磁性材料要選擇 磁滯小的材料，并保證其加工精度，消除 內(nèi)部應(yīng)力； (3) 減少激勵(lì)源的諧波成分、采用屏蔽 外殼進(jìn)行電磁屏蔽； (

7、4)采用適當(dāng)?shù)碾娐反胧?比方添加串聯(lián)電阻消除基波零位電 壓、添加 并聯(lián)電容去除基波正交分量等。3. 電渦流電感式傳感器特點(diǎn) :結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于進(jìn)行非接觸的連續(xù)測(cè)量，靈敏度較高，適用性強(qiáng)。1) 電渦流效應(yīng)：塊狀金屬導(dǎo)體置于變化的磁場(chǎng)中或在磁場(chǎng)中做切割磁感線的運(yùn)動(dòng)，磁通變 化，產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)，電動(dòng)勢(shì)將在導(dǎo)體外表形成閉合的電流回路。2) 趨膚效應(yīng)：電渦流只集中在導(dǎo)體外表的現(xiàn)象。3) 電渦流的貫穿深度是指把電渦流強(qiáng)度減小到外表強(qiáng)度的 1/e 處的表 面厚度。 影響渦流傳感器靈敏度的因素：1 被測(cè)體材料對(duì)測(cè)量影響 2被測(cè)體大小和形狀對(duì)測(cè)量的影響 3傳感器形狀和大小 對(duì)傳感器的靈敏度影響 三電容式傳感器 工作

8、原理：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、分辨力高、適應(yīng)性強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間短、易實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量 等。由于材 料、工藝，特別是測(cè)量電路及半導(dǎo)體集成技術(shù)等方面已到達(dá) 了相當(dāng)高的水平，因此寄生電 容的影響得到較好地解決，使電容式傳感 器的優(yōu)點(diǎn)得以充分發(fā)揮。1.變面積型電容傳感器2. 變介質(zhì)型電容傳感器1邊緣效應(yīng)：當(dāng)極板厚度h與極距3之比較大時(shí)，邊緣效應(yīng)的影響就不能忽略。此時(shí)，計(jì)算電容時(shí)必須引入邊緣效應(yīng)因子。消除邊緣效應(yīng)：采用保護(hù)環(huán)結(jié)構(gòu)。2 寄生電容：寄生電容對(duì)傳感器的輸出特性有嚴(yán)重干擾，甚至?xí)蜎](méi)有用信號(hào)。消除寄生電容： 1增加傳感器原始電容值 2注意傳感

9、器的接地和屏蔽 3集成化， 將傳感器與測(cè)量電路本身或其前置級(jí)裝在一個(gè)殼體內(nèi)，省去傳感器的電纜引線 4驅(qū)動(dòng)電纜法 5整體屏蔽法3溫度影響： 溫度變化使傳感器內(nèi)各零件的幾何尺寸和相互位置及某些介質(zhì)的介電常數(shù)發(fā)生改變 ,從而改變傳感器的電容量 , 產(chǎn)生溫度誤差。消除溫度影響：設(shè)計(jì)電容式傳感器時(shí)，需根據(jù)使用環(huán)境適當(dāng)選擇材料結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)溫度不敏感、介電常數(shù)溫度系數(shù)較小 。四磁電式傳感器工作原理： 磁電式傳感器是以電磁感應(yīng)原理為基礎(chǔ)， 通過(guò)磁電作用將被測(cè)量轉(zhuǎn)換成電信號(hào)的 一種傳感器1磁電感應(yīng)式傳感器分為恒定磁通式和變磁通式1.霍爾式傳感器：基于霍爾效應(yīng)原理而將被測(cè)量，轉(zhuǎn)換成電動(dòng)勢(shì)輸出的一種傳感器1霍爾效應(yīng)：

10、金屬或半導(dǎo)體薄片置于磁場(chǎng)中，當(dāng)有電流流過(guò)時(shí)，在垂直于電流與磁場(chǎng)的方 向上將產(chǎn)生電動(dòng)勢(shì)2磁阻效應(yīng)：霍爾元件的內(nèi)阻隨磁場(chǎng)的絕對(duì)值增加而增加3霍爾元件的誤差：零位誤差、溫度誤差 零位誤差主要包括：不等位電動(dòng)勢(shì)主要誤差 、寄生直流電動(dòng)勢(shì) 不等位電動(dòng)勢(shì)： 當(dāng)霍爾元件在額定控制電流作用下， 不加外磁場(chǎng)時(shí)， 霍爾輸出端之間的空載 電動(dòng)勢(shì)4不等位電動(dòng)勢(shì) U。產(chǎn)生原因：由于制造工藝不可能保證將兩個(gè)霍爾電極對(duì)稱(chēng)地焊在霍爾片的兩側(cè)， 致使兩電極點(diǎn)不可能完全位于同一等位面上。 此外，霍爾片電阻率不均勻或片厚 薄不均勻或控制電流極接觸不良都將使等位面傾斜， 致使兩霍爾電極不再同一等位面上而產(chǎn) 生不等動(dòng)電動(dòng)勢(shì)降低不 5寄

11、生直流電動(dòng)勢(shì)：當(dāng)霍爾元件通以交流控制店里路而不加外磁場(chǎng)時(shí)，霍爾輸出除了交流 不等位電動(dòng)勢(shì)外，還有直流電動(dòng)勢(shì)分量防止措施： 在元件制作和安裝時(shí)，應(yīng)盡量使電極歐姆接觸，并做到散熱均勻，有良好的散熱條件62.合理選取負(fù)載，電阻 Rn 的阻值4. 采用溫度補(bǔ)償元件熱敏電阻、電阻絲等不等位電動(dòng)勢(shì)U。的溫度補(bǔ)償磁致伸縮效應(yīng)焦耳效應(yīng)： 鐵磁性材料在磁場(chǎng)中磁化時(shí)， 在磁場(chǎng)方向上會(huì)伸長(zhǎng)或縮短， 長(zhǎng) 度或體 積會(huì)發(fā)生微小的變化， 去掉磁場(chǎng)之后， 又恢復(fù)到原來(lái)形狀， 這種現(xiàn)象 稱(chēng)為磁致伸縮 效應(yīng)，也被稱(chēng)為焦耳效應(yīng)。逆磁致伸縮效應(yīng)：磁性材料受力形成磁彈 性能，使磁化強(qiáng)度矢量重新取向，從而改變受力 方向上的磁導(dǎo)率， 這

12、種現(xiàn)象稱(chēng)為逆磁致伸縮效應(yīng)。對(duì)于磁性棒材： 磁性棒材在軸向和圓周方向的磁場(chǎng)磁化過(guò)程中， 棒材發(fā)生扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象 ，被 稱(chēng)為魏德曼效應(yīng)。電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移五壓電式傳感器 壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在一定方向上受外力而產(chǎn)生變形時(shí)，其內(nèi)部正負(fù)而產(chǎn)生極化現(xiàn)象， 同時(shí)在該電介質(zhì)兩個(gè)外表上產(chǎn)生符號(hào)相反的電荷；當(dāng)外力消失， 電介質(zhì)又恢復(fù)到不 帶電狀態(tài)；當(dāng)外力變向，電荷極性也隨之改變。這種機(jī)械能 轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象， 被稱(chēng)為“正壓電效應(yīng)”，簡(jiǎn)稱(chēng)壓電效應(yīng)。2.逆壓電效應(yīng)：在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，同樣會(huì)引起電介質(zhì)內(nèi)部正負(fù)電荷中心的相對(duì)位移而導(dǎo)致電介質(zhì)產(chǎn)生形變，這種 現(xiàn)象被稱(chēng)為“逆壓電效應(yīng)”，也被稱(chēng)為電致伸縮效應(yīng) 3等效電路：從壓電效應(yīng)的現(xiàn)象可以看出， 壓電元件既是一個(gè)電荷發(fā)生 器，又是一個(gè)有源 的電容器。當(dāng)需要壓電元件輸出電壓時(shí)，當(dāng)需要壓電元件輸出電荷時(shí)，可以把它等效成一個(gè)與電容 串聯(lián)的電壓源：可以把它等效成一個(gè)與電容 并聯(lián)的電荷源。六光電式傳感器1.光電效應(yīng)：物體吸收了光能后轉(zhuǎn)換為該物體中某些電子的能量而產(chǎn)生的電效應(yīng)，稱(chēng)為光電效應(yīng)。2.外光電效應(yīng)：在光的照射下，使物體內(nèi)的電子逸出物體外表而產(chǎn)生光子發(fā)射的現(xiàn)象稱(chēng)為外光電效