电压型传感器.ppt
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1、第5章 电压型传感器,基本要求:,了解电压型传感器的常见类型 理解常见电压型传感器的基本工作原理 掌握常见电压型传感器的测量电路,主要内容,5.1磁电式传感器 5.2压电式传感器 5.3热电偶传感器 5.4光电传感器 5.5霍尔传感器,5.1 磁电式传感器,通过电磁感应原理将被测量(如振动、转速、扭矩)转换成电势信号。 利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势;属于机-电能量变换型传感器 优点: 不需要供电电源,电路简单, 性能稳定,输出阻抗小,一、基本原理,磁电式传感器是基于电磁感应原理的传感器。 根据电磁感应定律可得: 即回路中产生的感应电势与磁通量对时间的变化律成正比,二、基本
2、组成,1磁路系统产生恒定直流磁场,一般用永久磁铁 2线圈产生感应电压 3运动机构感受被测运动,三、结构类型,1.变磁通式结构: 线圈和磁铁部分都是静止的,与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的,在运动中,它们改变磁路的磁阻,因而改变贯穿线圈的磁通量,在线圈中产生感应电动势。,(a)铁芯平移型,e与 成正比,这种结构可做成测线速度,(b)铁心旋转型,这种结构可做成测角速度,三、结构类型,2 恒磁通结构: 工作气隙中的磁通恒定,感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线产生。 分为 :动铁式和动圈式,动铁式,动圈式,基本原理,如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的, 则当线圈与
3、磁场的相对速度为时,线圈的感应电动势:,为运动方向与磁场方向间夹角,当90,线圈的感应电动势为:,当N、B和la恒定不变时,E与=dx/dt成正比, 根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。,四、测量电路,磁电式传感器直接输出感应电势,常具有较高灵敏度,一般不需要高增益放大器。 但磁电式传感器是速度传感器,若要获取被测位移或加速度信号,则要配用积分或微分电路。,5.2 压电式传感器,原理材料受力变形时, 表面产生电荷,实现非电量测量; 特点体积小、重量轻、工作频带宽等; 应用动态力、 机械冲击、振动声学、 医学、宇航。,5-1 压电效应和压电材料,一、压电效应,1、正(顺)压电效应,正
4、压电效应某些材料沿一定方向施力变形,内部产生极化现象,两表面产生极性相反的电荷,外力去掉后,表面又回到不带电状态。,2、逆压电效应(电致伸缩),逆压电效应在电介质的极化方向上施加电场,电介质也会产生变形。,二、压电效应表达式,压电常数矩阵,TjPa 牛顿/米2,C/N 库仑/牛顿,三、力电荷转换公式,灵敏度为常数,四、压电材料,压电材料具有压电效应的电介质,包括石英晶体和压电陶瓷。,1.石英晶体,单晶结构,结晶形状为六角晶柱,是一个正六面体。,光轴,机械轴,电轴,纵轴线z光轴 穿过棱线且垂直z轴的x轴电轴 (压电效应最强) 垂直棱面的y轴力轴(机械轴)(机械形变最明显),石英晶体的压电常数:,
5、x方向存在纵向压电效应 ,横向压电效应 和面切向压电效应 。,y方向有面切压电效应 和剪切压电效 若 改变受力方向,表面极性也相应改变;,z方向表面不产生电荷。,石英晶体的特点,天然晶体,压电系数d112.311012C/N;莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。 优点: 转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550(压电系数不随温度而改变,稳定性好。,2.压电陶瓷,多晶体压电材料,压电系数高,灵敏度较石英材料高,但工作温度低,温度稳定性和机械强度都不如石英。,未极化前:不具压电性,撤销外电场,原始压电陶瓷材料没有压电性,极化后具有压
6、电性。,压电常数为:,钛酸钡,常见压电陶瓷 :,(1)钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数,机械强度不如石英。 (2)锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3系压电陶瓷(PZT) 压电系数较高,各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小。 (3)铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷(PMN) 具有较高的压电系数,在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作,可作为高温下的力传感器。,五、压电式传感器,(1)被测量直接转换为电荷输出; (2)适用于动态测量:电荷只在无泄漏情况下保存,需要测量回路输入阻抗无限大,不适于静态测量。交变力作用下,电荷不断补充,供
7、给回路一定的电流; (3) 必须有一定的预应力。,1. 等效电路,晶片相对介电常数; 真空介电常数; S 工作面面积 ; h晶片厚度,不同于普通电容器,力消失,电荷消失,两种等效电路:,注意:不受外力,压电元件只等效为一个电容器Ca。,2.压电元件的串并联,并联相邻两片压电元件按极化方向相反粘贴。,串联相邻两片压电元件按极化方向相同粘贴。,n个元件并联:,n个元件串联:,适合电荷输出,低频信号,适合电压输出,高频信号,3.压电式传感器的测量电路,实际等效电路:,为连接电缆, 为放大器输入电阻, 为输入电容, 为压电传感器泄露电阻,Ca为压电元件的电容。.,(1)电压放大器(阻抗变换器),在压电
8、元件上的力为正弦变化的力 ,有,压电元件产生电荷:,(1)ww0,认为输出与频率无关; (2)低频段,应减少w0,必须增大R,前置放大器输入阻抗应高; (3)w0,输出为0,不能测静态力; (4)CC改变,输出会变,连接电缆不能随意更换,否则有测量误差。,(2)电荷放大器,由一个反馈电容 和高增益运算放大器构成。略去 和 并联电阻。 运算放大器输入阻抗极高,放大器输入端几乎没有分流。,与电缆电容无关,A不是很大,产生误差,结论: 1、压电传感器不能测量静态参数; 2、采用电压放大器,更换电缆时,须重新校正; 3、采用电荷放大器,更换电缆时,无须重新校正。,六、应用,1 压电式单向测力传感器,2
9、 交通监测,将高分子压电电缆埋在公路上,可以获取车型分类信息(包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎)、车速监测、收费站地磅、停车区域监控、交通数据信息采集(道路监控)及机场滑行道等。,高分子压电电缆的应用演示,将两根高分子压电电缆相距若干米,平行埋设于柏油公路的路面下约5cm,可以用来测量车速及汽车的载重量,并根据存储在计算机内部的档案数据,判定汽车的车型。,3 玻璃破碎报警,将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上,可以感受到玻璃破碎时会发出振动,并将电压信号传送给集中报警系统。,粘贴位置,使用时,用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间,压电薄膜感受到剧烈振动,表面产生电荷Q ,在两个输出引脚之
10、间产生窄脉冲报警信号。,例题:,某压电式传感器为两片石英晶体并联,每片厚度 t0.2mm,圆片半径r1cm, ,x切型 。当0.1MPa的压强垂直作于与x平面时,求传感器输出电荷Q与电极间电压Ua的值。,5.3热电偶型传感器,特点: 结构简单,制造容易,使用方便。测量时,可以不要外加电源; 测温范围广,- 269T1800。 测量精确度较高; 便于远距离测量、自动记录及多点测量。,5.3.1 热电效应,热电效应两种不同的金属导体A、B串接成一个闭合回路。当两个结点处于不同温度时,导体在回路中产生热电势和相应的热电流。,热端(工作端)通常用于对被测介质温度测量; 冷端(参考端)通常保持为某一恒定
11、温度或室温; 热电势,k 玻耳兹曼常数; T 接触面的绝对温度; e 单位电荷量; NA金属电极A的自由电子密度 NB金属电极B的自由电子密度,接触电势,一、热电势的产生,1 两种导体的接触电势,2 单一导体的温差电势,:汤姆逊系数,温度为1时所产生的电动势值,与材料的性质有关。,温差电势 (汤姆逊电势),3 热电偶回路的总热电势,温度T,T0函数,二、热电偶基本定律,1 中间导体定律,导体A、B组成的热电偶中插入第三种导体C,若导体C两端温度相同,则热点偶总热电势无改变。,意义:可用电器测量仪表直接测量。,2、连接导体定律,3、中间温度定律,若导体A与C、B与D的材料分别相同,则:,意义:为
12、制定分度表奠定了理论基础,分度表:已知温度T0=0 时的热电势-温度关系,可求得参考温度不为0 时的热电势。,4、参考电极定律,若两种导体A、B分别与第三种导体C组成热电偶的热电势已知,则A、B组成的热电偶也已知。,5.3.2 热电偶的材料、型号及结构,一、热电偶材料 要求: (1)热电性质稳定,物理化学性能稳定; (2)导电率高,电阻温度系数小; (3)热电势随温度的变化率大,且接近常数; (4)机械强度高,复制性好,复制工艺简单,价格便宜。,二 标准化热电偶,标准化热电偶:工艺上比较成熟,能批量生产、性能稳定、应用广泛,具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。 标准化热电偶可以
13、互相交换,精度有一定的保证。 IEC共推荐了8种标准化热电偶 ;,标准化热电偶热电势和温度的关系,三 热电偶的结构,1 普通热电偶,1普通装配型热电偶的外形,安装螺纹,安装法兰,普通装配型热电偶的结构放大图,接线盒,引出线套管,固定螺纹(出厂时用塑料包裹),热电偶工作端(热端),不锈钢保护管,2 铠装热电偶,铠装型热电偶可 长达上百米,薄壁金属 保护套管(铠体),法兰,3 其他热电偶外形,小形K型热电偶,5.3.3 热电偶测温,一、测温的原理与方法,单值函数,1 冷端恒温方式:,将热点偶冷端置于0的恒温器内,测出电势后查分度表得到热端温度值。主要用于实验室测温和热电偶的标定。,2 冷端的延伸(
14、冷端补偿导线法),一般热电偶的最大长度为一米,测量高温时,冷端温度T0受热端温度影响极大; 补偿导线法是采用一种专用补偿导线来延长热电偶,使冷端移到不受热端温度影响的远处,获得温度较为稳定的冷端温度T0。,二、 热电偶的冷端处理,A,B热电偶 AB补偿导线 C仪表连线,(1)补偿导线的热电特性与所配用的热电偶热电特性相同:,(2)各种补偿导线只能与相应型号的热电偶匹配使用;,(3)补偿导线与热电偶连接点温度,不得超过使用温度范围;,(4)补偿导线与电极材料的两连接点温度必须相同;,3、冷端温度波动的自动补偿电桥补偿法,补偿结果:,5.3.3 热电偶的测量电路,一、热电偶的串联电路,二、测量平均
15、温度,三、热电偶测温差电路,E=EAB(T1,T0)- EAB (T2,T0)= EAB (T1,T2)K(T1-T2),例: 用镍铬一镍硅热电偶测炉温时,其冷端温度to30 ,在直流电位差计上测得的电动势EAB(t,30)=38500mV,求炉温为多少?,镍铬一镍硅热电偶分度表(自由端温度为0 ),解:查镍铬一镍硅热电偶K分度表得:,根据中间温度定律得:,查镍铬一镍硅热电偶K分度表得:,休 息 一 下,5.4 光电式传感器,将光量转换为电量的器件称为光电传感器或光电元件。光电式传感器的工作原理是:首先把被测量的变化转换成光信号的变化,然后通过光电转换元件变换成电信号。光电传感器的工作基础是光
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