《电气检测技术》.ppt
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1、4.1电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器的功能:电阻式传感器的功能:将相关的非电量将相关的非电量(位移、压力、加速度、流量等位移、压力、加速度、流量等)变换变换成与电阻阻值相关的电量传感器。成与电阻阻值相关的电量传感器。主要类型:主要类型:1、线性电位器传感器;、线性电位器传感器;2、非线性电位器传感器;、非线性电位器传感器;3、电阻应变传感器;、电阻应变传感器;4、压阻传感器;、压阻传感器;5、金属电阻传感器;、金属电阻传感器;1整理ppt一、线性电位器式传感器的工作原理:一、线性电位器式传感器的工作原理:功能:功能:把把线位移线位移和和角位移角位移变换成具有一定函数关系的输出电变换成具有
2、一定函数关系的输出电阻或输出电压,用来测量压力、位移等非电参数。阻或输出电压,用来测量压力、位移等非电参数。典型结构如图典型结构如图:1、金属电阻丝、金属电阻丝2、骨架、骨架3、电刷、电刷工作原理:工作原理:动触点移动动触点移动2整理ppt特点:特点:1、线性电位器传感器在制作时,其单位长度上电阻、线性电位器传感器在制作时,其单位长度上电阻值处处值处处相等相等;2、线性电位器传感器在、线性电位器传感器在空载空载和和带负载带负载的情况下,其的情况下,其输入输出特性有着明显的输入输出特性有着明显的区别区别。3整理ppt1、空载输入输出特性、空载输入输出特性线性电位器的理想空载特性曲线具有严格线性电
3、位器的理想空载特性曲线具有严格的线性关系。当电位器电刷的行程为的线性关系。当电位器电刷的行程为x时时(如图如图):4整理ppt电压灵敏度:电压灵敏度:电阻灵敏度:电阻灵敏度:式中:式中:、A、t:导线的电阻率、导线的截面积、导线的:导线的电阻率、导线的截面积、导线的节距节距;b、h:骨架的宽度及高度;:骨架的宽度及高度;I:工作电流。:工作电流。空载输出电压:空载输出电压:5整理ppt 电压视在分电压视在分辨辨率率U:电位器电刷作台阶式的跳跃式电位器电刷作台阶式的跳跃式的变化。电刷每移过一匝,输出的变化。电刷每移过一匝,输出电压电压(电阻电阻)就会产生一个阶跃,就会产生一个阶跃,其阶跃值为其阶
4、跃值为(N为线圈总匝数为线圈总匝数):U=Umax/N线性电位器的电压分辨率线性电位器的电压分辨率ebl:工作行程内,电位器产生一个可测出的输出变化电压工作行程内,电位器产生一个可测出的输出变化电压与最大输出电压之比的百分数,即:与最大输出电压之比的百分数,即:ebl=U/Umax=(1/N)100%6整理ppt 线性电位器的阶梯误差线性电位器的阶梯误差jljl:理想阶梯特性曲线对理想的理论直线的最大偏差值与理想阶梯特性曲线对理想的理论直线的最大偏差值与最大输出电压值之比的百分数:最大输出电压值之比的百分数:7整理ppt2、负载特性、负载特性 电路接入负载后,输出电压为:电路接入负载后,输出电
5、压为:令电阻的相对变化令电阻的相对变化为:为:其中:其中:X为电刷相对行程为电刷相对行程8整理ppt 电位器接入负载后的非线性误差电位器接入负载后的非线性误差l l :令令可得:可得:9整理ppt(二二)线性电位器传感器的应用线性电位器传感器的应用特点:特点:整个量程范围内,单位长度上的电阻值处处相整个量程范围内,单位长度上的电阻值处处相等,只要是能转变成位移的参数均可用电位器作为检等,只要是能转变成位移的参数均可用电位器作为检测元件,例如:温度、物位,振动、位移、速度等。测元件,例如:温度、物位,振动、位移、速度等。下图为电位器式数字位移测量仪的原理图。下图为电位器式数字位移测量仪的原理图。
6、10整理ppt电路特点:电路特点:1、供桥电压由稳压电源、供桥电压由稳压电源1403提供,输出为提供,输出为2.5V;2、传感器接入电桥中,构成桥臂;、传感器接入电桥中,构成桥臂;3、放大器接成跟随器形式,选用高输入阻抗的放大器,、放大器接成跟随器形式,选用高输入阻抗的放大器,图中,其差动输入阻抗可以达到图中,其差动输入阻抗可以达到 ,因此,在,因此,在测量时,电桥的阻值变化相对测量时,电桥的阻值变化相对 与外电路而言,可与外电路而言,可以认为外电路是开路。以认为外电路是开路。4、ICL7139为双积分式为双积分式A/D转换器件,它的输出可以转换器件,它的输出可以直接驱动直接驱动LCD显示。显
7、示。11整理ppt调试过程如下:调试过程如下:1、电位器处于零点、电位器处于零点(动触点无位移动触点无位移),选择合适的桥臂,选择合适的桥臂电阻,使得电阻,使得 ,通过调节放大器的调零,通过调节放大器的调零电阻电阻BP1、BP2,使得电路的输出为,使得电路的输出为0;2、用该位移计测量一段标准位移、用该位移计测量一段标准位移(满量程位移满量程位移),如该,如该位移计的量程范围为位移计的量程范围为040mm,如,如40.00mm,调节,调节BP3改变参考电压,使得改变参考电压,使得LCD的显示为的显示为40.00mm。3、调试过程中,、调试过程中,A/D转换器的参考电压是根据量程来调转换器的参考
8、电压是根据量程来调整的。调试的过程实际上也是位移计定标的过程。整的。调试的过程实际上也是位移计定标的过程。12整理ppt二、非线性电位器传感器二、非线性电位器传感器 非线性电位器传感器非线性电位器传感器-空载时其输出电压或电阻与电空载时其输出电压或电阻与电刷行程之间具有刷行程之间具有非线性函数关系非线性函数关系,也称函数电位器。,也称函数电位器。可可实现函数实现函数有:指数函数、对数函数、三角函数等。有:指数函数、对数函数、三角函数等。主要满足控制系统的一些主要满足控制系统的一些特殊要求特殊要求。常用的非线性绕线电位器常用的非线性绕线电位器有变骨架式、变节距式、分有变骨架式、变节距式、分路电阻
9、式及电位给定式四种。路电阻式及电位给定式四种。非13整理ppt三、三、电阻应变式传感器电阻应变式传感器传感器传感器组成组成:电阻应变片、测量电路;:电阻应变片、测量电路;敏感元件的电阻随机械变形敏感元件的电阻随机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)大小而变化。大小而变化。应用应用:测量力和与力有关的一些非电参数测量力和与力有关的一些非电参数(如压力、扭力、如压力、扭力、加速度等加速度等)。特点特点:精度高,测量范围广;结构简单,性能稳定可靠,寿精度高,测量范围广;结构简单,性能稳定可靠,寿命长;频率特性好,能在高温、高压、振动强烈、强磁命长;频率特性好,能在高温、高压、振动强烈、强磁场等恶劣环境条件
10、下工作。场等恶劣环境条件下工作。14整理ppt(一一)应变片的工作原理应变片的工作原理电阻应变片是采用直径约为电阻应变片是采用直径约为0.025mm的具有高电阻的具有高电阻率的金属电阻丝制成,如图所示:率的金属电阻丝制成,如图所示:图中,图中,l 称为应变片的称为应变片的标距标距或称或称工作基长工作基长,b 称为应称为应变片的变片的工作宽度工作宽度。应变片的转换原理是金属电阻的。应变片的转换原理是金属电阻的应变应变效应。效应。应变效应应变效应:金属丝的阻值随其变形而改变的一种物理现象。金属丝的阻值随其变形而改变的一种物理现象。15整理ppt金属丝的电阻值:金属丝的电阻值:其应变关系:其应变关系
11、:对于直径为对于直径为D的圆形电阻丝:的圆形电阻丝:由材料力学可知,横向收缩和纵向伸长的关系为:由材料力学可知,横向收缩和纵向伸长的关系为:16整理ppt应变片受力后的阻值变化:应变片受力后的阻值变化:为材料的泊松系数,不同的金属材料为材料的泊松系数,不同的金属材料不同,不同,通常通常之间;之间;为电阻丝长度的相对变化量,为纵为电阻丝长度的相对变化量,为纵向应变量;向应变量;为横向应变。为横向应变。17整理ppt1、金属电阻应变片、金属电阻应变片形变后,应变电阻的阻值变化量为:形变后,应变电阻的阻值变化量为:式中,式中,被称为应变片的应变灵敏度系数。被称为应变片的应变灵敏度系数。由于大多数金属
12、材料的由于大多数金属材料的之间,所之间,所以以之间。之间。对确定材料的金属,泊松系数对确定材料的金属,泊松系数 为常数,且当受到为常数,且当受到确定大小的力后,电阻丝的纵向应变和横向应变都定,因确定大小的力后,电阻丝的纵向应变和横向应变都定,因此,应变片的阻值变化量随外力的变化而变化。此,应变片的阻值变化量随外力的变化而变化。18整理ppt金属电阻应变片的金属电阻应变片的特点特点:1、高分辨率,非线性误差小,温漂系数小;、高分辨率,非线性误差小,温漂系数小;2、测量范围大;能测量静态、动态应变;、测量范围大;能测量静态、动态应变;3、价格低廉,品种繁多,便于选择和大量使用。、价格低廉,品种繁多
13、,便于选择和大量使用。应变片电阻值的常用阻值应变片电阻值的常用阻值:有有60、120、200、350、500、1000欧几种,其中以欧几种,其中以120欧最为常用。欧最为常用。最大允许工作电流最大允许工作电流:指通过应变片而不影响其工作的最大电流值。工作电指通过应变片而不影响其工作的最大电流值。工作电流大,应变片的输出信号就大,灵敏度高。流大,应变片的输出信号就大,灵敏度高。19整理ppt2、半导体应变片、半导体应变片 金属电阻应变片缺点金属电阻应变片缺点:灵敏度低:灵敏度低 半导体应变片是根据半导体应变片是根据压阻效应压阻效应原理工作的,即对一原理工作的,即对一块半导体的某一轴向施加一定的载
14、荷而产生应力时,其块半导体的某一轴向施加一定的载荷而产生应力时,其电阻率会发生显著的变化。电阻率会发生显著的变化。沿某一晶轴方向切下的一小条半导体应变片,若只沿某一晶轴方向切下的一小条半导体应变片,若只沿其纵向受到应力,其电阻率的变化量可由下式表示:沿其纵向受到应力,其电阻率的变化量可由下式表示:式中,式中,为半导体纵向压阻系数;为半导体纵向压阻系数;为半导体材为半导体材料的弹性模数;料的弹性模数;为半导体材料的纵向应变。为半导体材料的纵向应变。20整理ppt半导体应变片的电阻相对变化量半导体应变片的电阻相对变化量 式中第一项是由几何形状变化而引起的电阻相对变化式中第一项是由几何形状变化而引起
15、的电阻相对变化量,其值很小,约为量,其值很小,约为12;第二项是由压阻效应引起的,;第二项是由压阻效应引起的,其值约为第一项的其值约为第一项的5070倍,故第一项可忽略。因此上倍,故第一项可忽略。因此上式可以简化成:式可以简化成:式中,式中,K 称为半导体应变片的灵敏度系数。称为半导体应变片的灵敏度系数。21整理ppt (二二)电阻应变传感器的测量电路电阻应变传感器的测量电路 电阻应变片工作时其阻值变化较小,例如,一个应电阻应变片工作时其阻值变化较小,例如,一个应变系数变系数k=2,初始电阻为,初始电阻为120欧的应变片,当发生欧的应变片,当发生1000微微应变时,其电阻值的变化为:应变时,其
16、电阻值的变化为:可见,直接测出这种较小的阻值变化比较困难,且可可见,直接测出这种较小的阻值变化比较困难,且可能会带来较大的测量误差。因此常采用电桥测量电路来把能会带来较大的测量误差。因此常采用电桥测量电路来把这种电阻值的较小变化转化为电压或电流的变化进行输出,这种电阻值的较小变化转化为电压或电流的变化进行输出,并进行适当放大后便与进行处理。并进行适当放大后便与进行处理。22整理ppt 直流电桥平衡条件直流电桥平衡条件直流电桥直流电桥 当当RL时,电桥输出电压为时,电桥输出电压为 23整理ppt当电桥平衡时,当电桥平衡时,Uo=0,则有,则有 R1R4=R2R3或或 电电桥桥平平衡衡条条件件:欲
17、欲使使电电桥桥平平衡衡,其其相相邻邻两两臂臂电电阻阻的的比比值值应应相相等等,或相对两臂电阻的乘积应相等。或相对两臂电阻的乘积应相等。电桥平衡条件电桥平衡条件24整理ppt1、电桥测量电路的分析、电桥测量电路的分析 1)单臂电桥单臂电桥 设设R1为电阻应变片,其余为固定电阻,工作时应变电为电阻应变片,其余为固定电阻,工作时应变电阻的阻值变化为阻的阻值变化为R1,且初始电阻,且初始电阻R1=R2=R3=R4,得到输出电压:得到输出电压:桥路电压的灵敏度为:桥路电压的灵敏度为:25整理ppt提高桥路的电压灵敏度方法:提高桥路的电压灵敏度方法:1、提高供桥电压、提高供桥电压(受应变片允许功耗的限制受
18、应变片允许功耗的限制);2、选择灵敏度系数较高的应变片。、选择灵敏度系数较高的应变片。26整理ppt2)差动电桥差动电桥 电桥中,如果相邻的桥臂中接入应变片,构成差动电桥中,如果相邻的桥臂中接入应变片,构成差动电桥,通常应变片接在差动电桥的两个相邻桥臂。电桥,通常应变片接在差动电桥的两个相邻桥臂。假设在上图中所示的电桥中假设在上图中所示的电桥中R1=R2,R3=R4,R1、R2为应变电阻,且为应变电阻,且R1产生纵向应变,产生纵向应变,R2产生横向应变,产生横向应变,此时可以得到输出电压为:此时可以得到输出电压为:输出电压灵敏度为:输出电压灵敏度为:27整理ppt3)全桥差动电路全桥差动电路(
19、全等电桥全等电桥)电桥中,如果电桥中,如果R1、R2、R3、R4 都为应变电阻,且都为应变电阻,且初始电阻满足:初始电阻满足:R1=R2=R3=R4,假设,假设R1、R3发生纵发生纵向应变,向应变,R2、R4发生横向应变,此时输出电压为:发生横向应变,此时输出电压为:电压灵敏度为:电压灵敏度为:28整理ppt说明:说明:1、产生相同应变的应变片不能接在相邻的桥臂,否、产生相同应变的应变片不能接在相邻的桥臂,否则输出恒为则输出恒为0;2、为提高电压灵敏度。除前述方法外,还可以在电、为提高电压灵敏度。除前述方法外,还可以在电桥中进行串联多片的应变片;桥中进行串联多片的应变片;3、差动电桥和全等电桥
20、虽然对非线性情况的抑制能、差动电桥和全等电桥虽然对非线性情况的抑制能力类似,但是却提高了电桥的灵敏度。力类似,但是却提高了电桥的灵敏度。4、对于半导体应变片,其非线性误差较大,通常要、对于半导体应变片,其非线性误差较大,通常要进行非线性校正,常用的校正方法有:进行非线性校正,常用的校正方法有:a、采用高桥臂比的对称电桥;采用高桥臂比的对称电桥;b、用全桥测量电路、用全桥测量电路 c、采用恒流源电桥、采用恒流源电桥 29整理ppt2、电桥的零位调整、电桥的零位调整 1)电阻调零电阻调零 串联法、并联法串联法、并联法 2)电阻、电容调零(交流电桥)电阻、电容调零(交流电桥)30整理ppt(三三)温
21、度误差及补偿温度误差及补偿 1 1、应变片本身电阻随温度变化引起的误差;、应变片本身电阻随温度变化引起的误差;2 2、应变片的膨胀系数和基底材料的膨胀系数的不同、应变片的膨胀系数和基底材料的膨胀系数的不同 引起的温度附加误差;引起的温度附加误差;3 3、热敏电阻补偿法。、热敏电阻补偿法。31整理ppt (四四)电阻应变传感器的应用电阻应变传感器的应用 1、半导体应变片压力传感器测量电路、半导体应变片压力传感器测量电路 32整理ppt说明说明:1、电路采用恒流源进行供电;、电路采用恒流源进行供电;2、采用差动式放大结构,提高输入阻抗;、采用差动式放大结构,提高输入阻抗;小结:小结:电阻应变传感器
22、能测量较大的外力,且价格便宜,因电阻应变传感器能测量较大的外力,且价格便宜,因此广泛使用在压力、转矩、加速度的测量中。此广泛使用在压力、转矩、加速度的测量中。33整理ppt4.2 电感式传感器电感式传感器工作原理:工作原理:1、利用电磁感应现象把被测的物理量如:位移、振、利用电磁感应现象把被测的物理量如:位移、振动、压力、流量、重量、力矩等各种非电量的变化转动、压力、流量、重量、力矩等各种非电量的变化转换成线圈的换成线圈的自感或互感的变化自感或互感的变化;2、测量电路把线圈的自感或互感的变化、测量电路把线圈的自感或互感的变化转化为电压转化为电压或电流的变化量进行输出或电流的变化量进行输出,实现
23、非电量到电量的转换。,实现非电量到电量的转换。分类:分类:自感式传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感自感式传感器、差动变压器式传感器、电涡流式传感器。器。34整理ppt电感式传感器的特点:电感式传感器的特点:1、结构简单,、结构简单,无活动电触点无活动电触点,工作可靠、寿命长;,工作可靠、寿命长;2、灵敏度和分辨率高,能测出、灵敏度和分辨率高,能测出0.01um的位移变化,的位移变化,传感器的输出信号强,电压灵敏度一般为每毫米的位移传感器的输出信号强,电压灵敏度一般为每毫米的位移可达几百毫伏的输出;可达几百毫伏的输出;3、线性度和重复性好,在一定的位移范围内、线性度和重复性好,在一定的位移
24、范围内(几十至几十至几毫米几毫米),传感器的非线性误差可以做到,传感器的非线性误差可以做到0.05%0.1%,且稳定性也好。能实现信息的远距离传输、控制,在工且稳定性也好。能实现信息的远距离传输、控制,在工业自动化生产中被广泛使用;业自动化生产中被广泛使用;4、频率响应较低、不宜进行快速动态测量。、频率响应较低、不宜进行快速动态测量。35整理pptn电感式传感器的工作基础:电感式传感器的工作基础:电磁感应电磁感应n即利用线圈电感或互感的改变来实现非即利用线圈电感或互感的改变来实现非电量测量电量测量n分为变磁阻式、变压器式、涡流式等分为变磁阻式、变压器式、涡流式等n特点:特点:n工作可靠、寿命长
25、工作可靠、寿命长n灵敏度高,分辨力高灵敏度高,分辨力高n精度高、线性好精度高、线性好n性能稳定、重复性好性能稳定、重复性好36整理ppt一一、自感式传感器自感式传感器(一一)简单自感传感器的原理及特性简单自感传感器的原理及特性 1 1、工作原理:、工作原理:组成:组成:线圈、铁芯、衔铁线圈、铁芯、衔铁 气隙厚度:气隙厚度:s1s2L2L137整理ppt传感器线圈的电感值:传感器线圈的电感值:(N为线圈总匝数)为线圈总匝数)电路总磁阻:电路总磁阻:式中:式中:为各段导磁体的磁路平均长度为各段导磁体的磁路平均长度为各段导磁体的的磁导率为各段导磁体的的磁导率为各段导磁体的横截面积为各段导磁体的横截面
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