工业仪表第2章传感器.ppt
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1、Chapter Two,Sensors,2.1 概 述,传感技术:将观测信息转换为电、光等信号的技术。 传感元件:实现机电、热电、声电、机光、热光、光电等信号转换的元件。 传感器:将传感元件通过机械结构支承固定,并通过机械电气或其他方法连接起来,将所获信号传输出去的装置。 在动态测试中,最常用的传感技术是将被测物理量转换成电输出信号电信号传感器。,线性度好; 灵敏度高与灵敏度误差小 有较好的重复性和稳定性 滞后误差小、漂移小; 具有较高的分辨力; 动态性能好; 被测对象的影响小,即“负载效应”较低。 其它技术要求:抗腐蚀 、抗震、抗干扰、耐高温 、非接触或远距离测量,传感器应具备的技术性能:,
2、传感器的类型(The types of sensors),按输入量分类: 测力传感器输入信号为力信号; 位移传感器输入信号为位移信号; 温度传感器被测量为温度。等,按输出量分类: 就是按照输出何种参量来分类,分为主动型,如发电型传感器;被动型,如电路参量型传感器。,按工作机理分类,如变极距式电容传感器,如光电、热电传感器,模拟式(传统式)传感器:以连续变化信号作输出量; 数字式传感器:以数字量输出的传感器。 智能传感器:带微处理器并兼有监测和信息处理功能,2.2 参数型传感器,2.2.1 电阻式传感器 (1)大电阻变化式 在输入量变化时,传感器起点阻值可由零变至相当于原电阻值很大百分比的数,甚
3、至可在全部阻值范围内变化。 代表型式:用来测量线位移或角位移的滑线式变阻器,或称电位器。 结构特点:电阻材料导线覆以绝缘涂层后排绕而成,在工作表面上磨去绝缘层。弹性导体制成的电刷在工作表面上滑动,随着电刷位移的变化而引起电阻值的变化。,将被测物理量转化为电路参数 :电阻、电容、电感,缺点 :分辨率较低,测量直线位移的电位计,测量应变的电阻应变片,测量温度的热敏电阻,热线风速计,测量流体压力的金属丝压敏传感元件,(2)微电阻变化式,电阻值变化范围很小,变化范围:原始阻值的百分之几以内。,代表型式:电阻应变式传感元件(电阻应变片),体积小、动态响应快、测量精度高、使用简便。,电阻应变片的结构:,电
4、阻丝 基 片 覆盖层,应变电阻丝胶接在绝缘薄膜材料基片上。 使用时,将此带有应变电阻丝的基片再胶接在被测应变构件上,使被测应变通过基片带动应变电阻丝变形,使电阻发生相应的变化,电阻的变化值与被测构件的应变值存在一定的函数关系,从而实现应变到电阻的转换。,电阻丝在长度方向变形时,其长度l,截面积F和电阻率均会变化,且三者的变化均会引起电阻R的变化。 电阻丝的截面是半径为r的圆形,则,导体的 电阻率,电阻丝横截面积,电阻丝长度,工作原理:,(2-3),所以,电阻丝材料的压阻系数,泊松比,电阻丝材料的弹性模量,上述各式代入式(2-3)得,对于金属材料,故,被测构件表面的打磨、清洗、胶层涂布、粘贴以及
5、胶层固化等各工序均 非常重要!,2.2.2 电容式传感器,(1) 工作原理 两平行平面导体间的电容,极板间介质的 相对介电常数,真空中的 相对介电常数,两极板间相互覆盖面积,极板间距离,可做成:变极距型,变面积型、变介电常数型,定极板固定,动极板随被测位移而移动,上、下极板固定,中间极板活动。,电容极距非线性关系,为减小非线性误差,通常该传感器在极小测量范围内工作,使之获得近似线性的特性。,为提高灵敏度和线性度、克服某些外界条件(电源电压、环境温度)变化的影响,采用差动型式电容传感器。 优点: 灵敏度 零点附近的线性度,上、下两极板固定,中间极板活动。 未开始测量时将活动极板调整在中间位置,二
6、边电容相等。 测量时,中间极板向左或右平移,就会引起电容量的左增右减或反之。 两边电容的差值ClC2为二者之和,2.2.3 电感式传感器,将被测物理量如位移、力等参量转化为自感L、互感M变化 形式:自感式、互感式、涡流式、压磁式等 优点: 输出功率大、灵敏度高、稳定性好、使用调整方便等,2.2.3.1自感式传感器的结构和工作原理,缠绕在铁芯上的线圈中通以交变电流i,产生磁通 ,形成磁通回路。磁通与电流的关系 :,线圈匝数,比例系数,导磁长度,导磁面积,气隙宽度,磁路欧姆定律 :,磁阻,代入上式,得 :,磁阻的计算 :,自感量L是N、S、的函数,若仅使其中一个参量变化,即得L与该参量的单值函数关
7、系,因而可做成各种电感式传感器。,改变气隙厚度,改变导磁面积,改变有效线圈匝数,为提高自感传感元件的精度和灵敏度,增大特性的线性段,多做成差动式,其机械部分相当于两个上述变气隙厚度元件的组合。,2.2.3.2 互感式传感器的结构和工作原理,结构和工作原理与变压器相似,故也称变压器式传感器 。,原线圈,副线圈,它是将被测物力量,如力、位移等转换成互感系数的一种传感器。,互感系数是原、副线圈的匝数、长度、相互位置,以及整个磁路磁阻等因素的函数。变化其中一个参数都会改变互感大小,进而改变感应电势。测量感应电势的改变可以测量各个参数的变化。,副线圈感应电势,原线圈交变电势,原线圈自感,原线圈电阻,交变
8、电流角频率,互感系数,2.3 发电型传感器,2.3.1 磁电式传感器 将被测机械量转化为感应电动势,故又称电动力式传感器。根据电磁感应定律,匝数为N的线圈处在变化的磁场中所感生的电势e取决于穿过线圈的磁通 的变化率,即,有:磁电型、压电型、热电型和光电型等。,又分:动圈式、动磁铁式和变磁阻式传感器。,动圈式:测量直线速度,动圈式:测量角速度,动磁铁式 :测量直线速度,磁电式 :测量直线速度,传感器的线圈处于永久磁铁所形成的闭合磁路工作气隙中,当此线圈相对磁场作直线运动时,在其上所感生的电势为,工作气隙中的磁感应强度,线圈运动方向相对于磁场方向的夹角,线圈相对于磁场的运动线速度,线圈的单匝长度,
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- 工业 仪表 传感器
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