电阻电感电容传感器专题培训课件.ppt

,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,4.1,概述,1.,传感器定义,传感器是借助检测元件将一种形式的信息转换成另一种信息的装置。,物理量,电量,目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。,3.,传感器的分类,4.1,概述,1),按被测物理量分类,常见的被测物理量,机械量,:,长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量,;,声,:,声压,噪声,.,磁,:,磁通,磁场,.,温度,:,温度,热量,比热,.,光：亮度，色彩,工作原理：,基于应变片的应变效应,特点：,1,）结构简单，使用方便，性能稳定、可靠。,2,）易于实现自动化测量，如多点测量，远距离测量。,3,）灵敏度高，测量速度快，适合静态、动态测量。,4,）可以测量多种物理量,。,4.2,电阻式传感器,电阻应变式传感器的发展历史,1856,年：发现金属材料的应变效应；,1931,年：制成第一片应变片；,1940,年，发明应变式传感器。,应变式传感器举例,可测力、压力、应力、位移、加速度、温度、湿度等。,To One,4.2.1,电阻应变片的工作原理,1,金属的应变效应,To One,金属丝（导体）在外力作用下发生机械变形时，其电阻发生变化，此种现象称为,金属的电阻应变效应。,3,电阻,应变特性,由物理学可知，,一根金属丝的电阻为：,式中：,R,金属丝的电阻；,金属丝的电阻率；,L,长度,F,截面积，,取一段金属丝如下图示，,当金属丝受拉力,F,时，其,L,、,F,、,和,R,的变化分别为,d,L,、,d,F,、,d,和,d,R,。,2,电阻应变片的结构,1,）基底：,固定敏感栅及绝缘；,0.02,0.04mm,厚；纸质或胶质。,2,）电阻丝：,金属丝绕成栅状，敏感栅。,d,=0.015,0.05mm,。,作用：感应变的变化大小。,3,）覆盖层：,作用，防潮、防蚀、防损等。,4,）引线：,通常取直径约为,0.1,0.15mm,的低阻镀锡铜线。,4,电阻应变片的横向效应,将直的金属丝绕成敏感栅后，虽然长度相同，但应变片敏感栅的电阻变化较直的金属丝小，从而其灵敏系数较直的金属丝灵敏系数小的现象。,应变片,金属电阻应变片,半导体应变片,丝式,箔式,薄膜应变片,4.2.2,电阻应变片的种类和主要参数,丝式应变片,回线式应变片,短接式应变片,箔式应变片,利用光刻、腐蚀等工艺制成一种很薄的金属箔栅，厚度一般在,0.003,0.010mm,，粘贴在基片上，上面再覆盖一层薄膜而制成。其优点是表面积和截面积之比大，散热条件好，允许通过的电流较大。,薄膜应变片,金属薄膜应变片是采用真空蒸镀或溅射式阴极扩散等方法，在薄的基底材料上制成一层金属电阻材料薄膜以形成应变片。,这种应变片有较高的灵敏度系数，允许电流密度大，工作温度范围较广。,To 4.1.3,半导体应变片,半导体应变片的工作原理是基于半导体材料的,压阻效应,而制成的一种纯电阻性元件。,压阻效应：,当半导体材料某一轴向受外力作用时，其电阻率会发生变化。,优点,：,体积小、灵敏度高、频率响应范围很宽。,缺点,：温度系数大、测量应变时非线性较严重。,4.2.3,各种应变片的特点,丝绕式,应变片,用耐用性不同合金材料绕制而成,可适应不同温度，尤适高温，但横向效应大，散热差。,短接式,应变片,敏感栅轴向用高,丝，横向用低,l,丝材料组合而成,横向效应小，可做成双丝温度白补偿，适中、高温，但,N,lin,低,箔式,应变片,敏感栅用厚,3,10m,的铜镍合金箔光刻而成,尺寸小，品种多，静、动特性及散热性均好。工艺复杂，常用常温。,半导体式应变片,由单晶半导体径切型，切条、光刻腐蚀成形再粘贴。,灵敏系数比金属大,50,80,倍，动特好；但温度，时间稳定性较差。,特殊用途,=(25)10,5,大应变的应变片、防水、防磁等应变片。,4.2.4,电阻应变片的参数,1),应变片电阻值（,R0,）：,有,60,，,120,，,350,，,600,和,1000,的各种阻值，,120,最常见；,2),绝缘电阻：,即敏感栅与基底间的电阻值，一般应大于,10,10,(1,万,M),；,3),灵敏系数,K,：,要求,K,大而稳定；,4),允许电流：,电流一般为,25mA,；,5),应变极限：,测量最大的应变值；,6),机械滞后、零漂、蠕变。,蠕变：固体材料在保持应力不变的条件下，应变随时间延长而增加的现象。,应变片的型号代码,B X 120,3 CA 100(11),例，标称电阻为,120,，栅长为,3mm,的箔式应变片,标称电阻值,(),基底材料种类,应变片类型,可温度自补偿的,材料线膨胀系数,应变计的栅长,敏感栅结构形状,极限工作温度,(),S,丝绕式,D,短接式,B,箔式,T,特殊用途,A,半导体式,Z,纸,H,环氧类,F,酚醛类,J,聚脂式,X,缩醛类,P,金属薄片,L,临时基底,60,120,200,350,500,(650),1000,9,11,16,23,27,0.2 6 50,0.5 8 100,1,10 150,2,12 200,3 15,4 20,5 30,应变计,金属应变片,电阻应变式传感器的应用：测力,4.2.5,电阻应变片的应用,案例：机器人握力测量,4.2,电阻式传感器,4.2,电阻式传感器,温度测量电路,V,E,R1,R2,R3,R4,第,3,节 电感式传感器,3.1,自感式电感式传感器,3.2,差动变压器式电感式传感器,3.3,涡流式电感式传感器,3.4,小结,电感传感器照片,应用：,位移、振动、压力、应变、流量、比重等的测量。,分类：,工作原理：,基于电磁感应现象，利用线圈自感或互感的改变来实现非电量电测。,电感式传感器,自感型,互感型：差动变压器,自感式（可变磁阻型）,涡流式,特点：,结构简单、工作可靠、寿命长,灵敏度高、分辨力高,精度高、线性好,性能稳定、重复性好,缺点：频率响应低，不适宜快速动态测量,4.1,自感式传感器,3.1.1,工作原理,1,自感型,-,可变磁阻式,原理,:,电磁感应,To Five,相应地，自感式电感传感器分为,变气隙厚度,电,感传感器,、,变气隙面积,S,电感传感器,、,变铁芯磁导率,电感式传感器,图4-14自感式传感器示意图,a)变气隙式b)变截面式c)螺管式,1线圈2铁心3衔铁4测杆5被测件,1.,变气隙厚度式电感传感器,特点：非线性误差大，常用于小位移测量，且制作装配比较困难，但灵敏度高。,1.,变气隙厚度式电感传感器,特点：非线性误差大，常用于小位移测量，且制作装配比较困难，但灵敏度高。,2.,变气隙面积式电感传感器,特点：线性特性，灵敏度低，常用于角位移测量。,3.,变铁芯磁导率式电感传感器,原理：,利用某些铁磁材料的压磁效应，又称压磁式传感器。,压磁效应：,当铁磁材料受力时，在物体内部产生应力，从而引起磁导率发生变化。,应用：,主要用于测力。,3.1.3,自感式（变磁阻式）传感器的应用,To 4.3.1,用于接触式测量；,用于静态、动态测量；,用于位移、压力、流量、液位等测量。,3.2,差动变压器式电感式传感器,工作原理：,利用电磁感应中互感现象将被测量变化转化为线圈互感的变化。,e,12,=-M di /dt,M,：互感系数，反映了两线圈的,耦合紧密程度，其大小与两线圈相,对位置及线圈介质的导磁能力有关。,初级线圈,次级线圈,衔铁为板形，灵敏度高，测量范围窄；,圆柱形衔铁测量较大位移；,可测量微小角位移,1.,螺管式差动变压器,1,）结构与工作原理,(a),三段式,P,S1,S2,(b),二段式,螺管形差动变压器按绕组排列方式有：一段式、二段式、三段式、四段式及五段式。,其主要结构都是由三部分组成：线圈绕组，可移衔铁，导磁外壳。,次级线圈,初级线圈,2.,差动变压器的应用,板的厚度测量,板的两侧对称放置两个差动变压器传感器，板的厚度对应变压器铁芯位移量，并由变压器传感器输出电压信号实现厚度测量。,张力测量,To 4.3.2,第,4,节 电容式传感器,4.1,电容式传感器的工作原理及结构形式,4.2,传感器的等效电路,4.3,传感器的信号调理电路,4.4,影响传感器精度的因素,4.5,传感器应用,工作原理：,利用电容器的原理，将被测非电量转化为电容量的变化。,优点：,结构简单、体积小、分辨率高、频响范围宽、可非接触测量。,缺点：,电容量小，输出阻抗高；存在寄生电容，导致性能不稳定；有的传感器输出特性为非线性。,应用：,位移、振动、加速度、压力、液位等。,4.1,电容式传感器的工作原理及结构形式,根据电容器变化参数的不同，分为,3,种类型：,变间隙式：测量微小线位移,变面积式：测量角位移或较大线位移,变介电常数式：测量液位、固体厚度、介质湿度、密度,4.1.1,变间隙式电容传感器,有了云母片，极板间起始距离可大大减小。,差动式电容传感器,差动结构的优点：,灵敏度提高一倍；,非线性误差大大下降；,还能减小静电引力带来的误差，改善环境影响造成的误差。,4.1.2,变面积式电容传感器,（,1,）角位移式,角位移型,+,+,+,（,2,）线位移式,增大极板边长,b,，减小间隙,d,，都可以提高灵敏度。但边长,a,过大，边缘效应会影响线性特性。,4.1.3,变介电常数式电容传感器,（,1,）测量液位,（,2,）测量纸张、绝缘薄膜厚度或粮食、纺织品、木材或煤等非导电固体介质湿度,4.4,电容式传感器,1.,电容式测微仪,用以测量金属表面状况、距离尺寸、振幅等参数，一般采用单极式变间隙电容传感器。,4.5,电容式传感器的应用,驻极体电容传声器,它采用聚四氟乙烯材料作为振动膜片。这种材料经特殊电处理后，表面永久地驻有极化电荷，取代了电容传声器极板，故名为驻极体电容传声器。特点是体积小、性能优越、使用方便。,电容式接近开关,振荡电路,被测物体,感应电极,被测电容,测量头构成电容器的一个极板，另一个极板是物体本身，当物体移向接近开关时，物体和接近开关的极距发生变化，使得和测量头相连的电路状态也随之发生变化,.,接近开关的检测物体，并不限于金属导体，也可以是绝缘的液体或粉状物体。,4.4,电容式传感器,2.,差动电容式压力传感器,To Two,（动电极）,（固定电极）,（固定电极）,3.,电容式液位传感器,4.,电容式液位传感器,第十一节,传感器信号处理电路,目的：将电阻、电感、电容变化转化为电压或电流的变化。,1.,测量电桥的工作原理,1,。直流电桥,1),单臂电桥,单臂电桥灵敏度最低，且存在非线性误差,。,双臂电桥,全桥,两个性能相同应变片，一个受拉应力，一个受压应力,四个性能相同应变片，两个受拉应力,两个受压应力,非线性误差是由于分母的,引起，在这里，被消去了,惠斯通,电桥不是惠斯通发明的,这种电桥是由英国发明家,克里斯蒂,在,1833,年发明的，但是由于惠斯通第一个用它来测量电阻，所以人们习惯上就把这种电桥称作了惠斯通电桥。,Tips,：,2,。交流电桥,交流电桥桥臂组合：相邻两臂接入电阻，另外两臂接入相同性质的阻抗。,与计算机的连接,采用专用集成信号调理芯片,3B31,为高性能、密集的信号调节组件，是专为应变片类型的传感器而设计的高精度接口电路，实现放大、滤波、传感器激励等功能。,输出,本章结束,!,