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传感器测量电路

发布日期:2020-11-07 12:17

  传感器测量电路_工学_高等教育_教育专区。第一章 传感器及其应用 —常用传感器工作原理和测量电路— 一 电阻式传感器工作原理 ?电阻式传感器测量原理: 被测的非电量 ΔR 电量输出 ?其基本原理为:设有一根长度为L,截面 积为A

  第一章 传感器及其应用 —常用传感器工作原理和测量电路— 一 电阻式传感器工作原理 ?电阻式传感器测量原理: 被测的非电量 ΔR 电量输出 ?其基本原理为:设有一根长度为L,截面 积为A,电阻率为ρ 的金属丝,则它的电 阻值R可用下式表示: R?? l A 三个参数:长度L,截面积A,电阻率ρ , 如果发生变化,则它的电阻值R随之发生变 化,构成不同电阻传感器: 1、长度L发生变化——电位器式传感器; 2、截面积A、长度L发生变化——电阻应变 片传感器; 3、电阻率ρ 发生变化——热敏电阻、光导 性光检测器等。 电位器式传感器 ?通过滑动触点把位移转换为电阻丝的长 度变化,从而改变电阻值大小,进而再 将这种变化值转换成电压或电流的变化 值。 ?电位器式传感器 分为直线位移型、 角位移型和非线性 型等,如图所示。 ? 电位器式传感器一般采用电阻分压电路, 将电参量R 转换为电压输出给后续电路, 如图所示。当触头移动时,输出电压为: uo ? L? ui R ??1? x ?? x RL ? L ? 二 电容式传感器工作原理 C ? ? S ? ?r?0S dd δ S ——极板相对覆盖面积; d ——极板间距离; εr——相对介电常数; ε0——真空介电常数,; ε ——电容极板间介质的介电常数。 S ε 变极距(δ)型: (a)、(e) 变面积型(S)型: (b)、(c)、(d)、(f)、(g) (h) 变介电常数(ε )型: (i)~(l) 1. 变极距型电容传感器 初始电容 若极距缩小△d C0 ? ?0?r s d ?d C ? C0 ? ?C ? ?0? r s d ? ?d ? C0 1? ?d d C0 (1? ? d ) 1? ?? ?d 2 ? ? ?d? 若△d/d1时,则上式可简化为 非线 ?d d 最大位移应小于间距的1/10 差动式改善其非线. 变面积型电容传感器 当动极板相对于定极板沿着长度 方向平移时,其电容变化量化为 ?C ? C ?C0 ? ? 0? r (a ? ?x)b d △C与△x间呈线性关系 电容式角位移传感器 当θ=0时 C0 ? ?0? r s0 d0 当θ≠0时 C ? ?0?r s0 (1? d0 ? ? ) ? C0 ? C0 ? ? 传感器电容量C与角位移θ间呈线. 变介电常数型电容式传感器 电容式液位传感器 初始电容 C0 ? 2??H D ln d 电容与液位的关系为: C ? 2?? 1 h D ? 2?? (H ? D h) ? 2??H D ? 2?h(?1 ? ?) D ? C0 ? 2?h(?1 ? ?) D ln ln ln ln ln d d d d d 4 电容式传感器的应用 (1) 电容式差压传感器 (2) 电容式加速度传感器 (3) 电容式振动位移传感器 三 电感式传感器工作原理 1 自感式传感器 ? ? ? 线 / ?li / ?i Si ?? 2? / ?0S l i ——各段导磁体的长度; U i——各段导磁体的磁导率; S i ——各段导磁体的截面积;δ ——空气隙的厚度; U0 ——真空磁导率; S ——空气隙截面积 L ? f ?? ,S? L ? f1?? ? 变气隙型传感器 L ? f2 ?S ? 变截面型传感器 变间隙式电感传感器 传感器由线圈、铁心和衔铁组 成。工作时衔铁与被测物体连 接,被测物体的L位? N移2 将引起空 气隙的长度发生变Rm化。由于气 隙磁阻的变化,导致了线 Rm 感量的变化。 线圈电感: L ? N 2 Rm 特点:灵敏度高,非线性误差较大, 制作装配比较困难。博九, N为线圈匝数,Rm为磁路总磁阻。 变面积型电感传感器 气隙长度不变,铁心与衔铁之间相对覆盖面积随被测量 的变化面而改变,从而导致线圈的电感量发生变化。灵 敏度低,线性较好,量程较大,使用比较广泛。 螺管型电感传感器 衔铁随被测对象移动,线圈磁力线路径上的磁阻发生变化, 线圈电感量也因此而变化。线圈电感量的大小与衔铁插入线 圈的深度有关。灵敏度较低,量程大,结构简单易于制作和 批量生产,是使用最广泛的一种电感式传感器。 差动式电感传感器 ? 为了改善线性在实际中大都采用差动式, 采 用两个相同的传感线圈共用一个衔铁。 ? 要求两个导磁体的几何尺寸及材料完全相同,两个线圈的电 气参数和几何尺寸完全相同。 差动式优点: 1、线、灵敏度提高一倍,即衔铁位移相同时, 输出信号大一倍; 3、温度变化、电源波动、外界干扰等对 传感器的影响,由于能够相互抵消而减小; 4、电磁吸力对测力变化的影响也由于能 够相互抵消而减小。 2 差动变压器传感器(互感) 互感式传感器本身是其互感系数可变的变 压器,当一次侧线圈接入激励电压后,二次 侧线圈将产生感应电压输出,互感变化时, 输出电压将作相应变化。一般,这种传感器 的二次侧线圈有两个,接线方式又是差动的 ,故常称之为差动变压器式传感器。 两个次级绕组的同名端则反向串联。 图3.2.6 差动变压器输出电压特性曲线 差动变压器的结构类型 (3)差动变压器应用 力和力矩的测量 微小位移的测量 压力测量 加速度传感器 四 压电式传感器工作原理 压电式传感器是以某些晶体受力后在其表面产 生电荷的压电效应为转换原理的传感器。 压电效应:某些晶体在一定方向受到外力作用 时,内部将产生极化现象,相应的在晶体的两个表 面产生符号相反的电荷 ;当外力作用除去时,又恢 复到不带电状态。当作用力方向改变时,电荷的极 性也随着改变,这种现象称为压电效应。 压电传感器在受外力作用时,在两个电极表面 聚集电荷,电荷量相等,极性相反,相当于一个以 压电材料为电介质的电容器。可测量能变换为力的 各种物理量。 常用的压电材料 ? 石英晶体 ? 水溶性压电材料(酒石酸钾钠、硫酸锂、 磷酸二氢钾等) ? 铌酸锂晶体 ? 压电陶瓷(钛酸钡压电陶瓷、锆钛酸铅 系压电陶瓷、铌酸盐系压电陶瓷) ? 压电半导体 ? 高分子压电材料 石英晶体的压电效应 ? 是二氧化硅单晶,属于六角晶系。 石英晶体优点: ? 它的介电常数和压电常数的温度稳定性 很好; ? 工作温度范围很宽; ? 机械强度高,可承受108Pa的压力; ? 在冲击作用下,漂移也很小; ? 弹性系数较大。 可用于测量大量程的力和加速度 压电陶瓷的压电效应 ? 是一种多晶体电体,具有电畴结构的压电材 料。电团是分子自发形成的区域,它有一定 的极化方向。 压电式传感器的应用 ? 压电式力传感器 ? 压电式压力传感器 ? 压电式加速度传感器 四 传感器测量电路 电桥电路又叫惠斯登电桥,它是将电阻、电容、电 感等参数的变化转换为电压或电流输出的一种测量 电路。 电桥电路按其所采用的激 励电源类型 直流电桥 交流电桥 工作方式有两种:平衡电桥(零检测器)和不平衡电 桥。在传感器的应用中主要是不平衡电桥。 1 直流电桥 直流电桥 桥路输出 IL ?U RL (R1 ? R2 )( R3 ? R1R4 - R2 R3 R4 ) ? R1R2 (R3 ? R4 ) ? R3R4 (R1 ? R2 ) (1)平衡电桥:IL=0时 平衡条件 : R1+⊿R1 R1R4=R2R3 R1/R2=R3/R4 R3 R2 IL RL R4 U (2)不平衡直流电桥 当电桥后面接放大器时, 电桥输出端看成开路. 电桥的输出式为: U0 ? R1R4 ? R2 R3 U (R1 ? R2 )( R3 ? R4 ) 应变片工作时,其电阻变化ΔR U0 ?U (R1 ? ?R1 )( R4 ? ?R4 ) ? (R2 ? ?R2 )( R3 ? ?R3 ) (R1 ? ?R1 ? R2 ? ?R2 )( R3 ? ?R3 ? R4 ? ?R4 ) 采用等臂电桥,即R1= R2= R3=R4=R 。此时有: U0 ?U R(?R1 ? ?R2 ? ?R3 ? ?R4 ) ? ?R1?R4 ? ?R2?R3 (2R ? ?R1 ? ?R2 )(2R ? ?R3 ? ?R4 ) 当ΔRi R ( i=1,2,3,4) 时,略去上式中的高阶微量,则 U0 ? U 4 ?? ?R1 ?R ? ?R2 R ? ?R3 R ? ?R4 R ?? ? U0 ? UK 4 ??1 ??2 ??3 ??4? ① ΔRi R时,电桥的输出电压与应变成线性关系。 ② 若相邻两桥臂的应变极性一致,即同为拉应变或压 应变时,输出电压为两者之差;若相邻两桥臂的应 变极性不同,则输出电压为两者之和。 ③ 若相对两桥臂应变的极性一致,输出电压为两者之 和;反之则为两者之差。 ④ 电桥供电电压U越高,输出电压U0越大。但是,当 U大时,电阻应变片通过的电流也大,若超过电阻 应变片所允许通过的最大工作电流,传感器就会出 现蠕变和零漂。 ⑤ 增大电阻应变片的灵敏系数K,可提高电桥的输出 电压。 单臂电桥:即R1桥臂变化ΔR 略去分母中的ΔR1/R1项 ,假设ΔR1/R11 理想的线 ? ?R R 实际输出电压: U0 ?U ?R ? U ? ?R ??1 ? 1 ? ?R ?1 ? ? 4R ? 2?R 4 R ? 2 R ? 电桥的相对非线 ? ?R R ?1 ? ? ? ?1 ? 1? 1 2 ? ?R R ?1 ? ? 1 2 ? ?R R ? ? 1 2 K? 半桥差动电桥 F R1 R2 R1+⊿R1 R2-⊿R2 U0 R3 R4 U U0 ? U[ R1 ? R1 ? ?R1 ?R1 ? R2 ? ?R2 ? R3 R3 ? R4 ] R1=R2=R3=R4=R,ΔR1=ΔR2=ΔR U =U 02 ?R R 严格的线性关系 电桥灵敏度比单臂时提高一倍 温度补偿作用 全桥差动电路 R1+⊿R1 R3-⊿R3 R2-⊿R2 U0 R4+⊿R4 输出电压为: U0 ? U ?R R U 恒流源供电电桥 假设ΔRT为温度引起的电阻变化 I ABC ? I ADC ? 1I 2 电桥的输出为 U0 ? U BD 1 1 ? 2 I (R ? ?R ? ?RT ) ? 2 I (R ? ?R ? ?RT ) ? I?R 电桥的输出电压与电阻变化成正比,与恒流源电流成正比, 但与温度无关,因此测量不受温度的影响。 2 交流电桥 如果电桥的供电电源为交流电压时,这种电桥称为 交流电桥。 ?为适应电感、电容式传感器的需要 ?交流电桥通常采用正弦交流电压供电,在频率较高 的情况下需要考虑分布电感和分布电容的影响。 (1)交流电桥的平衡条件 交流电桥的四臂可以为:电阻、电容、电感或变压器的两 个次级线圈 交流电桥的四个桥臂分别用阻抗 Z1、Z 2 、Z 3 、 Z 4 表示 交流电桥的平衡条件为: Z1Z4 ?Z 2Z3 电阻交流电桥 电感电桥 电容电桥 变压器电桥电路 电阻交流电桥 1、单臂电阻; 2、等臂差动电桥 ; 3、全桥交流电桥。 电感电桥 两相邻桥臂为电感L1和L2,另两 臂为纯电阻R1和R2,其中R 为电感线? ? R2? ? R? L1 ? L2 ? L 则有 Z1 ? Z2 ? Z ? R? ? j?L 另有 R1 ? R2 ? R 由于电桥是双臂工作,所以 接入的是差动电感式传感器的两 差动电感,工作时: Z1 ? Z ? ?Z Z2 ? Z ? ?Z 电桥的输出电压为: ? ? Uo ? Z1 ? U? Z1 ? Z2 R1 ? U R1 ? R2 ? Z1 ? 2R ? R?Z1 ? Z ?Z1 ? Z2 ?? 2R 2 ?? U ?U 2 ?Z Z ? 当ωL>>R 时,上式可近似为: ? Uo ?U ?L 2L 交流电桥的输出电压与传感器线圈的电感相对变化量成正比。 电容电桥 两相邻桥臂为电容C1和C2,另 两臂为纯电阻R1和R2,其中 R1? 和 R?2 为电容介质损耗电阻。 设Z1、Z2为传感器阻抗, 且 R1? ? R2? ? R? C1 ? C2 ? C R1 ? R2 ? R 有 Z1 ? Z2 ? Z ? R? ? 1 j?C 由于电桥是双臂工作,所以接入的是差动电容式传感器的两 差动电容, Z1 ? Z ? ?Z Z2 ? Z ? ?Z 电桥的输出电压为: ? Uo ? Z1 ? U? Z1 ? Z2 R1 ? U R1 ? R2 ? Z1 ? 2R ? R?Z1 ? Z ?Z1 ? Z2 ?? 2R 2 ? ? U ? ?U 2 ?Z Z 当ωC>>R 时,上式可近似为: ? ? U ?C Uo ? 2C 交流电桥的输出电压与传感器的电容相对变化量成正比。 变压器电桥电路 ?电感式传感器和电容式传感器的转换电路还常采用变压器电 桥 ?它的平衡臂为变压器的两个二次侧绕组,差动传感器的两差 动电容或差动电感分别接在另两个臂 设其阻抗分别为Z1和Z2, (由于被测量使传感器的阻抗发生变化) Z1 ? Z ? ?Z Z2 ? Z ? ?Z 电桥的输出电压为: ? ? ? ? ? ? U U U U ?Z U o ? I Z2 ? 2 ? Z1 ? Z2 Z2 ? 2 ? 2 Z

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