传感器第4次课--能量控制型传感器.ppt
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1、能量控制型传感器,广东工程职业技术学院,本次课需要掌握 下列传感器的原理和使用 电位器式传感器 应变片式电阻传感器 电感式传感器 电容式传感器, 有源传感器(能量转换型传感器) 能将非电量直接转换成电信号,所以有时被成为“换能器”。例如压电式(超声波换能器)、热电式(热电偶)、光电式(光电池)等。 无源传感器(能量控制型传感器) 自身无能量转换装置,被测量仅能在传感器中起能量控制作用,必须有辅助电源供给电能。如电容式、压阻式等,电阻式传感器 核心器件:线绕电位器、电阻应变片等。 主要应用:力学参数的测量(位移、压力、荷重、加速度等)。,1.电位器式传感器,分类二:线绕式,分类一:薄膜式,分类三
2、:光电式,薄膜式电位器内部图,线绕式电位器的结构和工作原理,1.电位器式传感器,x,U0,阶梯特性,计算题: 电位器式传感器电阻为10K欧,电刷最大行程为10cm,消耗功率为40mW,试求当输入位移为3cm时,传感器输出电压多少? 类似P48-10,左:波登管位移带动仪表指示 右:波登管位移带动电位器滑动电刷,压力传感器示意图,膜盒内腔通入被测流体,膜盒中心发生位移,推动连杆上移,使得曲柄轴带动电刷在电位器电阻丝上滑动,电位器式位移传感器示意图,问题:示意图中的A B C实际分别接到什么地方?,测量小位移的传感器示意图,问题:示意图中的A B C实际分别接到什么地方?,我们可以做这样一个较简单
3、的实验:取一根细电阻丝,两端接上一台3 1/2位数字式欧姆表(分辨率为1/2000),记下其初始阻值(图中为10.01)。当我们用力将该电阻丝拉长时,会发现其阻值略有增加(图中增加到为10.05)。,应变片的工作原理,2.应变片式电阻传感器,电阻应变效应:导体产生机械变形时,它的电阻发生相应的变化。,电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变效应,即金属导体在外力作用下发生机械变形时,其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化的现象。,金属应变片 电阻R公式:,A B C,电阻应变片分三种: 1.金属丝式应变片 2.金属箔式应变片 3.半导体应变片,金属丝式或箔式结构示意图,各类箔式应
4、变花,箔式应变花:一种具有两个或两个以上不同轴向敏感栅的电阻应变计,用于确定平面应力场中主应变的大小和方向,根据电阻公式,如果改变电阻率也可以达到改变电阻的目的,半导体应变片就是改变电阻率的传感器,半导体应变片结构图,半导体应变片主要是利用硅半导体材料的压阻效应而制成的。如果在半导体晶体上施加作用力,晶体除产生应变外,其电阻率会发生变化。这种由外力引起半导体材料电阻率变化的现象称为半导体的压阻效应。 半导体应变片是直接用单晶锗或单晶硅等半导体材料进行切割、研磨、切条、焊引线、粘贴一系列工艺制作过程完成的。,半导体式电阻应变片 优点:灵敏度大(比金属式大100倍);体积小; 缺点:温度稳定性和可
5、重复性不如金属应变片。,灵敏度大:从半导体三极管的放大作用理解半导体的电阻很容易发生很大的变化,温度稳定性差:可以从两方面理解 1.半导体器件的温度一般不能超过焊接温度很多 2.之前讲过的二极管正向电压随温度变化,LM35温度集成电路,以及后续半导体热敏电阻,问题:下表中,哪几个型号是半导体应变片,依据是什么?,应变片的主要参数,1)几何参数:表距L和丝栅宽度b,制造厂常用 bL表示。 2)电阻值:应变计的原始电阻值 (本实验室的应变片为350欧姆)。 3)灵敏系数:表示应变计变换性能的重要参数。 4)其它表示应变计性能的参数(工作温度、滞后、 蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等)。,应变片
6、单臂电桥测量电路,根据P27的推算得到电桥电压灵敏度(输出电压与电阻变化率的比)KU的公式,公式表明:KU与桥臂比n有关,与E成正比 当n=1(R1=R3)时,KU=E/4,比如E=4V时,应变片每变化1%,电压变化0.01V,化简公式,上述公式表明U0与R/R是非线性关系,故测量中不可避免会存在非线性误差,为消除非线性误差,常采用以下两种电路: 半桥 全桥 同时也提高了灵敏度,应变片单臂电桥测量电路,实际公式,在试件上安装两个工作应变片, 一个受拉应变, 一个受压应变, 接入电桥相邻桥臂, 称为半桥差动电路, Uo与(R1/R1)呈线性关系, 差动电桥无非线性误差, 而且电桥电压灵敏度KU=
7、E/2,比单臂工作时提高一倍, 同时还具有温度补偿作用。,在试件上安装四个工作应变片,此时全桥差动电路不仅没有非线性误差, 而且电压灵敏度是单片的 4 倍, 同时仍具有温度补偿作用。,一、直流电桥的平衡条件,二、直流电桥的电压灵敏度推导,R1/R2=R3/R4,定义:K=V0/(R/R),单臂的推导(演示) 双臂的推导(点名) 全桥的推导(点名),电压灵敏度对比( E=4V时,应变片每变化1%, ) 单臂电桥,KU=E/4, 电压变化0.01V 双臂电桥,KU=E/2, 电压变化0.02V 四臂电桥,KU=E , 电压变化0.04V,题目:,电桥输入电压10V,当1K欧的应变片变化0.1%,下
8、列三种电桥电压输出分别是多少? 单臂电桥 双臂电桥 四臂电桥,单臂灵敏度10V/4,则输出为0.1%*10V/4=2.5mV 双臂灵敏度10V/2,则输出为0.1%*10V/2=5mV 四臂灵敏度10V,则输出为0.1%*10V=10mV,选择题:,单臂电桥是(线形、非线形)输出 双臂电桥是(线形、非线形)输出 四臂电桥是(线形、非线形)输出,差动放大器电路分析,应变式传感器的应用-电子计价秤,电子计价秤通常选用铝合金为材料的双复梁式结构的称重传感器。 当称重传感器受外力F作用时, 产生平行四边形变形, 四个应变片分别粘贴在变形较大的部位(孔的周围), 电阻值随之变化。 当外载荷改变时, 由四
9、个电阻应变片组成的电桥输出电压与外加载荷成正比。,案例:应变片的粘贴,问题:应变式传感器由哪几部分组成? 能测量那些物理量?,力、压力、转矩、位移、加速度 P29,电阻在双孔悬臂梁的位置 VS 在全桥中的位置,训练任务: 如图所示的四个应变片R1-R4分别在双孔悬臂梁的对应位置,请画出全桥电路。,一种电子厨房称,应变式传感器的应用,压阻式压力传感器图片,附加内容,压阻式传感器是利用单晶硅材料的压阻效应和集成电路技术制成的传感器。单晶硅材料在受到力的作用后,电阻率发生变化,通过测量电路就可得到正比于力变化的电信号输出。压阻式传感器和半导体应变片均是利用半导体材料的压阻效应制作的传感器。 硅的压阻
10、效应不同于金属应变计(见电阻应变计),前者电阻随压力的变化主要取决于电阻率的变化,后者电阻的变化则主要取决于几何尺寸的变化(应变),而且前者的灵敏度比后者大50100倍。,汽车新技术介绍:胎压实时监视系统(TPMS),汽车胎压监视器件,MPS-500G是模仿日系传感器制造,采用恒流源供电,因此具有非常优越的温度系数,在客户的血压计应用中,在稳定性及抑制漂移drift等方面具有很好的表现。 MPS-500G系列压力传感器在一块微机械加工的硅片表面膜片上制作出四个高灵敏度压阻电阻。扩散电阻在基片内接成电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时,各电阻值将发生变化,电桥就会产生相应的不平衡输出。采用D
11、IP封装。 温度:-5-80 表压型:7PSI 零点偏移:10mV 线性度:0.3%FS 迟滞性:0.3%FS 尺寸 (L x W x H) mm:8.4 x 7.2 x 9.63,3.电感式传感器,电感式传感器是利用线圈自感或者互感的变化来实现测量的一种装置。可以用来测量位移、振动、压力、流量、力矩和应变等多种物理量。 P29,3.电感式传感器,LC振荡电路,Q0=835HZ Q4 Q5 Q6 Q7 Q8 Q9 Q10 52 26 13 6.5 3.3 1.6 0.8,LED闪烁,CD4060 中文资料,特点: 结构简单,无触点,工作可靠寿命长; 灵敏度分辨率高,能测0.01m 的变化,输出
12、信号强; 线性度和重复性较好,在一定位移几十m数mm内,非线性误差可做到0.05%0.1%,且稳定性好。在工业检测系统中广泛应用。 缺点:频率响应较低,不宜快速动态测控。 电感型传感器分为自感、互感、电涡流式。其中自感式传感器又分变隙式、变面积式和螺线管式三种,自感式传感器,利用线圈自感的变化来实现非电量电测的一种装置。对位移压力、压力、振动、应变、流量等进行测量。自感式传感器有变隙式、变面积式和螺管式三种。它把被测物理量转变为自感系数L。 一、变隙式 结构:如图所示,由线圈、铁芯、衔铁等组成。,3.电感式传感器,工作原理:传感器工作时,衔铁与被测体连接。当被测体产生的位移时,衔铁与其同步移动
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