矿山测试技术_传感器及其测量电路ppt课件

1、2 2 传感器及其丈量电路传感器及其丈量电路 n工程中各种传感器2.1 2.1 概概 述述n传感器传感器(sensor/transducer)(sensor/transducer)定义：定义：n 能感受规定的被丈量并按照一定规律转换成可输出电信号能感受规定的被丈量并按照一定规律转换成可输出电信号的器件或安装。它担负着获取信号和转换信号的义务的器件或安装。它担负着获取信号和转换信号的义务n在矿业工程中测试中大多数属于非电量电测法，在这里传感在矿业工程中测试中大多数属于非电量电测法，在这里传感器的义务是将待测的非电量转换成电量器的义务是将待测的非电量转换成电量n测试普经过程测试普经过程n选择传感器

2、类型选择传感器类型-根据被测对象的性质、环境特点及对丈量根据被测对象的性质、环境特点及对丈量精度的要求精度的要求n选择电测线路选择电测线路( (二次仪表二次仪表) )n传感器的设计和标定传感器的设计和标定2.1.1 传感器构成传感器构成n传感器主要由两部分构成(构外型:依托传感器构造参数的变化实现信号转变)n弹性元件(敏感元件sensing element) 由弹性资料做成，它直接感受被测非电量，其作用是实现各种非电量之间的转换，如把力、压力、位移、加速度、温度等变换成应变量或位移量等n变换元件transduction element 其作用是把弹性元件输出量(如应变量或位移量)转换成电学量。

3、如电阻应变片把应变转换成电阻，差动变压器把位移转换成电压等2.1.2 传感器分类传感器分类1. 1. 按传感器用途分类按传感器用途分类按被测物理量来分类的，它能明显表达传感器的功能按被测物理量来分类的，它能明显表达传感器的功能如位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器、气敏传如位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器、气敏传感器、流量传感器等感器、流量传感器等特点：便于运用者根据测试物理量选择传感器特点：便于运用者根据测试物理量选择传感器问题：种类繁多问题：种类繁多 2. 2. 按任务原理分类按任务原理分类 按传感器任务原理来分类按传感器任务原理来分类 如电

4、阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式、光电式传感器如电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式、光电式传感器 特点：每一种都有一样的任务原理，其后接变换电路二次仪表也根本一样，对特点：每一种都有一样的任务原理，其后接变换电路二次仪表也根本一样，对研讨和学习都很方便研讨和学习都很方便问题：运用不方便问题：运用不方便2.1.3 传感器性能要求传感器性能要求n把传感器看作是一个系统n传送性能静态特性、动态特性n精度和误差 n信噪比n稳定性n抗干扰才干 00ttxAty2.2 电阻式传感器电阻式传感器n电阻式传感器是把被丈量的变化转换为电阻变化的一种传感器n按任务的原理可分为:变阻式、电阻应变式、热敏式、

5、光敏式、电敏式2.2.1 电阻应变式传感器构造和任务原理电阻应变式传感器构造和任务原理n 电阻应变式传感器组成电阻应变式传感器组成n 由电阻应变片、弹性元件等部分组成，其中心元件是由电阻应变片、弹性元件等部分组成，其中心元件是电阻应变片电阻应变片半导体、金属应变片半导体、金属应变片n 金属电阻应变片构造金属电阻应变片构造 n 由敏感栅由敏感栅1 1、基底、基底3 3、粘结剂、粘结剂5 5、覆盖层、覆盖层4 4、引线、引线2 2等组成等组成金属应变片构造和电阻丝变形图单根敏感栅金属应变片任务原理n 电阻应变片任务原理是基于金属导体的应变电阻效应，即金属导体在外力作用下发活力械变形时，其电阻值随着

6、所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象n 设电阻丝长为L，面积为S，电阻率r，那么电阻R SLR dSdSLdLRdR 假设坚持温度T不变，当电阻丝的两端遭到轴向拉力作用，长度添加，面积减少，电阻率那么因晶格发生变形等也会发生变化金属应变片任务原理 电阻相对变化率与电阻丝体积变化率存在如下线性关系xLdLxyrdrrrdSdS222)(22)2()()(xxCLdLSdSCSLSLdCVdVcd 对于半径为r，泊松比为的电阻丝有C资料压阻比例系数金属应变片任务原理 Ks电阻丝的灵敏系数，它表示电阻丝电阻变化率随应变变化的敏感程度电阻丝资料为康铜、镍合金丝，直径0.025mm， 箔式应变片

7、箔片厚度110微米灵敏系数取决于两个要素： 几何变形和资料电阻率变化(压阻效应)xsKCRdR)21 ()21()21 ()21 (CKs电阻丝电阻相对变化率与变形之间关系dSdSLdLRdR半导体应变片任务原理KSP半导体资料的压阻系数 E 半导体资料的弹性模量 半导体应变片变形时，电阻相对变化n敏感栅用半导体应变片资料制成的应变片n对于半导体应变片，电阻率变化与轴向应力s 或应变e 存在如下线性关系 xssEKKxssxxEKEKRR)21 ()21 (金属应变片与半导体应变片比较n 金属应变片 24 . 06 . 1)21 ()21 (mmKKn对于半导体应变片 10050)21 (EK

8、Kssn结论：n金属应变片的应变电阻效应以构造尺寸变化为主n半导体应变片的应变电阻效应主要基于压阻效应 应变片灵敏系数Kn 应变片是根据应变电阻效应原理制造出来。它的输入量为机械应变，输出量为电学量(电阻)n 应变片灵敏系数与单根电阻丝灵敏系数不同n 应变片灵敏系数K定义为 RRKn金属应变片灵敏系数约为2n半导体应变计灵敏系数可达100以上2.2.2 2.2.2 丈量电路丈量电路n缘由：缘由：n 电阻应变片把力学量电阻应变片把力学量( (应变应变) )的变化转换成电阻的变化的变化转换成电阻的变化n 但是，普通电阻变化是很小的，不易直接丈量但是，普通电阻变化是很小的，不易直接丈量n电阻应变片丈

9、量电路电阻应变片丈量电路: : n 常用的丈量电路是电桥电路常用的丈量电路是电桥电路n作用：作用：n 把电阻把电阻( (电感、电容电感、电容) )的变化转换成电压或电流的变化的变化转换成电压或电流的变化n分类：分类：n 按供应电桥电源不同，电桥电路分为直流电桥和交流电按供应电桥电源不同，电桥电路分为直流电桥和交流电桥桥2.2.2.1 直流电桥直流电桥n放大器的输入内阻很高，电桥输出端相当于开路R2R1VER3R4直流电桥输出直流电桥输出l 直流电桥输出端接电阻应变仪放大器时，输出为电压，故又称电压电桥l 输出端开路时电桥的输出电压为a点和b点的电位差ERRRERRRRIRIUUUba43421

10、144110ERRRRRRRRU432124310电桥平衡条件和输出 即电桥平衡时相对桥臂电阻的乘积相等。当桥臂1电阻产生 时，电桥失去平衡，此时电桥输出电压为2431RRRRERRRRRRU432140Rn 电压平衡条件：当电压平衡条件时，电桥输出电压为零电压平衡条件：当电压平衡条件时，电桥输出电压为零n 应变片将应变的变化转变为电阻的变化，而电桥把电阻的变化转变成电压的变化应变片在电桥中衔接方法n应变片在电桥中衔接方法n三种方法单臂接法、半桥接法、全桥接法全等臂电桥n 实践运用中大多采用等臂电桥，即有R1=R2=R3=R4=Rn 设任务应变片产生应变后电阻增量 ， 那么有 EKERRU41

11、40Rn K应变片的灵敏系数n 小结：n 应变片将应变变化转换为电阻变化，n 电桥将电阻变化变换为输出电压的变化，输出的电压与应变片的电阻变化成线性关系n 丈量了电桥电压的变化，丈量了应变2.2.2.2 交流电桥交流电桥n为什么用交流电桥为什么用交流电桥n采用高稳定性直流电流放大器，复杂且采用高稳定性直流电流放大器，复杂且昂贵，丈量电路多用交流电桥和放大器昂贵，丈量电路多用交流电桥和放大器n交流电桥不仅在应变丈量中得到运用，交流电桥不仅在应变丈量中得到运用，在电感式、电容式传感器丈量线路中应在电感式、电容式传感器丈量线路中应得到运用得到运用交流电桥接线图交流电桥 )4 , 3 , 2 , 1(

12、 ijXRZiiifLLXLi2fccXCi211n阻抗n容抗n感抗nXj电抗nw 、 f电源的角频率，频率交流电桥输出和电桥平衡条件n 对于交流电压电桥要求负载阻抗为无穷大，相当于输出端为开路，在此条件下)(43213241.0ZZZZZZZZUU4231ZZZZn 电桥平衡条件实部，虚部同时相等幅值平衡和相位平街42313241ZZZZ桥臂阻抗发生变化时电压输出n处于平衡形状的任一桥臂的阻抗发生变化时，输出的电压)(432114.0ZZZZZZUUZZUU4.0ZZZZZ4321电压输出为对于等臂电桥 2.2.2.3 电桥特性电桥特性 1)电桥加减特性 处于平衡形状的电桥，当四个桥臂电阻都

13、发生很小变化，运用差分方法和电桥平衡条件便可得到此时电压输出值424333243422211122120RRRRRRRRRRRRRRRREU4433221122121RRRRRRRRRRRREERRRRRRRRU4321243104321,RRRR电桥加减特性分析n 差动特性差动特性n 当电桥相邻臂电阻增量同号时，对输出作用相互抵消当电桥相邻臂电阻增量同号时，对输出作用相互抵消n 当电桥相对臂电阻增量异号时，对输出作用相互抵消当电桥相对臂电阻增量异号时，对输出作用相互抵消n 叠加特性叠加特性n 当电桥相对臂电阻增量同号时，对输出作用相互叠加当电桥相对臂电阻增量同号时，对输出作用相互叠加 n 当

14、电桥相邻臂电阻增量异号时，对输出作用相互叠加当电桥相邻臂电阻增量异号时，对输出作用相互叠加n 电桥加减特性在实践丈量中运用电桥加减特性在实践丈量中运用n 可以经过不同的接桥方法来提高丈量的灵敏度，消除不需求可以经过不同的接桥方法来提高丈量的灵敏度，消除不需求的成分的成分全等臂全桥接法输出KKKKKRRRRR43214321,432143214433221104)(44KERRRRRERRRRRRRREUn条件2) 桥臂中应变片串联 桥臂中应变片串联 桥臂中应变片串联输出n当电桥中任务臂由n个阻值和灵敏系数都一样的应变片串联组成，设每个应变片电阻应变为 时，那么电压输出为n此接法的用途：n提高供

15、桥电源电压n取各点应变平均值iiiinKEnRRRnRnRnRRnREU4)(20iR3)电桥的灵敏系数n 电桥的灵敏系数定义为EnnRRUKd2013412/RRRRn桥臂比 灵敏系数是n的函数，由求极值原理可得当n=1时， 灵敏系数最高提高电源电压可以提高电桥的灵敏系数，提高精度4) 电桥的线性度单臂电桥按线性化处置时输出电压ERRRRRRRU423110)(EKERRU41410单臂电桥实践的电压输出.21142114KKERRRRE那么单臂任务电桥非线性误差为%10021%100000KUUUm误差数字计算当K=2,=2000me 时, g =0.2%；当K=100,=2000me 时

16、，g =10%结论：对普通金属应变片非线性误差较小对于半导体应变片非线性误差较大双臂差动电桥非线性误差n双臂差动电桥实践的电压输出 EKERRERRRRRRRRERRRRRRRRRRRRU212)()(432134432132410n结论：n电压输出与应变变化是线性的，无非线性误差n提高电桥灵敏度5) 电桥温度补偿特性n目的n 应变片电阻会随环境温度的变化而改动。丈量结果将包含有环境温度变化所产生的附加应变，其量值往往很大，应采取相应措施来消除其影响，即进展所谓的温度补偿n采用桥路补偿方法n 在常温范围内，采用桥路补偿方法，就是利用在电桥的两个相邻桥臂上，同时产生量值一样、符号亦一样的电阻变化

17、量，不改动电桥输出的性质，消除温度变化带来的附加应变a 补偿片补偿法 在与被测试件资料一样、但不受应力的补偿件上，粘贴和任务片性能完全一样的补偿应变片，并使补偿件和被测试件同处于一样的温度环境中。任务片与补偿片分别接入丈量电桥的相邻桥臂，经过电路本身的特性来抵消两应变片由温度产生的电阻增量 )(4)(442121443322110RRRERRRRRERRRRRRRREUTTb 任务片补偿法 在一定条件下，补偿片亦可由任务片替代。如图悬臂梁，上下两外表应变量值相等，符号相反，温度条件一样，各贴一个类型、阻值和灵敏度系数均一样的应变片，并各自衔接在电桥的两个相邻桥臂上。这两个任务片互为温度补偿片。

18、同时可使电桥灵敏度提高。添加丈量的精度FTFTFRRERRRRRERRRRRRRREU2)(444433221102.2.3 电阻应变式传感器的特点和运用电阻应变式传感器的特点和运用l 特点特点l 丈量范围广、灵敏度和准确度高。丈量范围广、灵敏度和准确度高。l 最小可测最小可测15微应变，最大可测微应变，最大可测23万微应万微应变。其丈量误差普通小于变。其丈量误差普通小于2l 在矿业、土木工程中，主要有测力传在矿业、土木工程中，主要有测力传感器、位移、加速度传感器、压强传感器、感器、位移、加速度传感器、压强传感器、压力盒等压力盒等1) 测力传感器测力传感器 测力传感器 是目前运用最广泛的一种测

19、力传感器，它灵敏度高，可测力的瞬时值电阻应变式测力传感器照片应变式称重传感器样本2) 膜片式压力传感器压力盒 压力盒外观土压力孔隙水压力 膜片式压力传感器构造和原理l 当膜片遭到土压力时，膜片将产生径向应变和切向应变)0(813813222222rEhRpEhRprEhrRpEhrRpr222222228138313)(0413222RrEhRprl 只利用径向应变：中心处贴2片正应变l 在边缘处沿径向贴2片负应变(全桥接法l 利用径向应变和切向应变3 ) 位移传感器 当自在端受待测物体的作用力而产生位移时，应变片产生与位移成正比的电阻变化电阻式位移丈量范围较小，在0.1mm0.1mm之间，其

20、丈量精度小于2%，线性度在0.10.5%之间2.3 电容式传感器电容式传感器 定义：电容式传感器是以各种方式的电容器作定义：电容式传感器是以各种方式的电容器作为变换器或传感元件，将被测物理量的变化转为变换器或传感元件，将被测物理量的变化转化为电容量变化的传感器化为电容量变化的传感器+ A n三轴加速度传感器三轴加速度传感器n汽车发生碰撞汽车发生碰撞 电容式传感器实物图电容式传感器实物图n水位计 压力计2.3.1 电容式传感器任务原理电容式传感器任务原理 平板电容器：当忽略边境效应时，两个金属平板间的电容为 dSCn两极板间的介电常数 nS两极板相对有效面积n两极板间的间隙 nC两金属板间的电容

21、+dA 电容式传感器任务原理l 改动电容C的方法有三种l 其一改动两个极板间的间隔l 其二改动构成电容的有效面积l 其三改动介质介电常数l 以上任何一种变化都将产生电容值的改动，从而构成电容式变换器dSC2.3.2 变间隙式电容传感器变间隙式电容传感器+1) 输入-输出特性关系n 当其中一个极板在被测参量作用下发生位移，使间隙d0 减少了x，那么电容 C0将添加 DC n 电容的变化量为00000011dxdxCCxdSCCC10001）（dxdxCCn 电容的相对变化量为输入输出级数展开式n 当 x/d01 时，上式括号按级数展开得 n n 30200001dxdxdxdxCC d0 初始间

22、隙 c0 初始电容量 输入-输出关系具有严重的非线性输入输出的关系2) 线性化和非线性误差l 线性化后，输入与输出关系00dxCC 200001dxdxdxCC%100%1000dxCCCLl 实践输入输出关系l 非线性误差3) 变间隙式电容传感器灵敏度l灵敏度K 的定义为001/dxCCKLl 可见灵敏度KL 与初始间隙 d0 的成反比4)差动变间隙式电容传感器差动变间隙式电容传感器 n差动变间隙式电容传感器构造n动极3板与固定极板1组成电容器C1，与固定极板2组成电容器C2，动极板3随被测物理量挪动。电容的变化量差动联接为2000000211121111dxdxCdxdxCCCC5) 5)

23、 差动变间隙式电容传感器特性差动变间隙式电容传感器特性l 差动变间隙式输入输出关系00402000212dxCdxdxdxCC%100%100%1002005030dxdxdxdxCCCllc002/dxCCKSl 差动变间隙式非线性误差近似值为l 差动变间隙式电容传感器灵敏度为l 差动式电容传感器灵敏度提高一倍l 差动式电容传感器非线性误差减小，是x/d0二阶小量2.3.2 变面积式电容变换器变面积式电容变换器角位移型角位移型+1) 输入输入-输出特性输出特性n动极板在被测参量作用下发生横向位移，使两极板相对有效动极板在被测参量作用下发生横向位移，使两极板相对有效面积改动面积改动s ，那么电

24、容，那么电容c0 也将有相应改动也将有相应改动 c ，并且，并且SdC0n变面积式电容变换器的输入变面积式电容变换器的输入- -输出特性在实际上输出特性在实际上是理想的线性是理想的线性2) 灵敏度和线性度灵敏度和线性度n2) 灵敏度灵敏度 n3)实际线性度实际线性度 n结论结论n灵敏度为常数灵敏度为常数n非线性误差实际线性度为零。非线性误差实际线性度为零。 constdSCKs00L2.3.3 变介电常数电容式传感器变介电常数电容式传感器n变化前 变化后 1) 输入输入-输出特性输出特性n引起两极板间介质介电常数变化的要素，可以是介质含水量、介质的厚度n常用传感器n含水量测试n物位高度丈量n介

25、质厚度丈量n气体成份丈量0dSCn当两极板间介质的介电常数变化，那么电容也将相应改动2.3.4 丈量电路丈量电路n丈量电路作用：n将电容微小变化增量转换成电压、电流或者频率变化，并且电容微小与成单值函数关系n电容转换电路有交流电桥电路、调频电路、运算放大器式电路、二极管双T形交流电桥、脉冲宽度调制电路等1) 交流电桥电路特点：电容变化转变成电压变化特点：电容变化转变成电压变化txxm0sin2) 谐振电路0021LCf 调频电路将电容式传感器作为调频电路将电容式传感器作为 LC LC 振荡器谐振回路的一部分，振荡器谐振回路的一部分，当电容传感器任务时，电容当电容传感器任务时，电容C C 发生变

26、化，就使振荡器的频率发生变化，就使振荡器的频率 f f 产生相应的变化产生相应的变化0000000222121dxfCCfLCLCCfff3) 运算放大器电路SCuCCuuxy0000特点：电容变化转变成电压变化，可以消除非线性误差特点：电容变化转变成电压变化，可以消除非线性误差2.3.5 2.3.5 电容式传感器特点电容式传感器特点l 它构造简单，体积小l 灵敏度和分辨率高，可丈量0.01mm级位移变化量(测微仪)l 动态特性好，因其可动部分质量小，固有频率高l 可非接触式丈量，可动态、静态丈量l 稳定性好，电容器极板多为金属资料，极板间多为无机资料，如空气、玻璃、陶瓷、石英等；因此可以在高

27、温、低温强磁场、强幅射下和剧烈振动等恶劣条件下长期任务，尤其是处理高温高压环境下的检测难题l 非线性误差较大，受外界电容影响大，量程小，运用受限制2.3.6 电容传感器运用电容传感器运用l 运用于压力、液位、振动、位移、加速度、成分含量等l 非接触丈量l 1 震动，偏心，同心度l 2 位移，位置，膨胀l 3 挠度，动摇，倾斜l 4 尺寸，公差，分选，另件识别l 5 冲击，应变，轴向振动l 6 轴承振动，油膜间隙，磨擦 矿山工程中运用矿山工程中运用孔隙水压力计孔隙水压力计n位移计、孔隙水压力计、水位计n孔隙水压力计矿山工程中运用矿山工程中运用液位计液位计 它是一根绝缘层覆盖金属棒插入盛液容器内，

28、金属棒作为电容的一个极，容它是一根绝缘层覆盖金属棒插入盛液容器内，金属棒作为电容的一个极，容器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液器壁作为电容的另一极。两电极间的介质即为液体及其上面的气体。由于液体的介电常数体的介电常数11和液面上的介电常数和液面上的介电常数22不同，所以，可经过两电极间的电不同，所以，可经过两电极间的电容量的变化来丈量液位的高低。电容液位计体积小，容易实现远传和调理，容量的变化来丈量液位的高低。电容液位计体积小，容易实现远传和调理，适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位丈量适用于具有腐蚀性和高压的介质的液位丈量x 电容器浸入液体中的深度；R 同心圆电

29、极的外半径；r 同心圆电极的内半径；1 被测液体的介电常数；2 空气的介电常数。 xrRHrRC/ln)(2/ln2211液位计2包裹聚四氟乙烯套管包裹聚四氟乙烯套管l棒状电极金属管外面包裹聚四氟乙烯套管绝缘层，当其浸入导电液体时，电极以绝缘层为介质与周围导电液体构成圆筒形电容器，电容为dDxC/ln2l 延续丈量水池、水井、江河水位和各种导电液体的液位x2.4 电感式传感器电感式传感器n 定义：电感式传感器是利用电磁感应原理，把被丈量(如压力、位移和加速度等)变化经过弹性元件转换成自感或互感的变化安装n分类分类: :电感式传感器电感式传感器自感型自感型可变磁阻型可变磁阻型涡流式涡流式互感型互

30、感型2.4.1 传感器构造和任务原理传感器构造和任务原理n原理：原理：n 把线圈接在交流电源上，把线圈接在交流电源上，当磁芯和衔铁的间隙变化时，当磁芯和衔铁的间隙变化时，会使间隙磁阻发生变化，从会使间隙磁阻发生变化，从而线圈的电感发生变化。经而线圈的电感发生变化。经过对电感量的丈量，就能知过对电感量的丈量，就能知道测杆的位移量道测杆的位移量n构造：线圈和磁芯衔铁和测杆等构造：线圈和磁芯衔铁和测杆等线圈的电感与被丈量之间的关系线圈的电感与被丈量之间的关系磁通所经过的磁路的总磁阻磁芯与空气的导磁率磁芯与空气间隙路磁长度磁芯与空气间隙横断面。mRnL/2sslRiiim02mR0,i,ilSSi,n

31、 电感式传感器的线圈、磁芯和衔铁构成一个自感线圈，一个匝数为n的线圈，其自感L为0i202snL 自感式传感器类型202snL n 线圈的电感与空气隙厚度成反比，与磁通气隙面积S成正比n 目前常用的自感式传感器可分为：n 变隙式电感传感器，它是经过改动气隙厚度制成的n 变面积式电感传感器，它是经过改动气隙截面积制成的n 螺管式电感传感器，它是经过改动螺管磁芯位置制成的 几种变磁阻电感传感器构造图几种变磁阻电感传感器构造图a)a)变面积型变面积型 b)b)差动变气隙型差动变气隙型c)c)螺管型螺管型 d)d)螺管差动型螺管差动型2.4.2 变气隙式电感传感器变气隙式电感传感器变隙式电感传感器经过

32、改动空气间隙厚度制成的1)输入输出关系n 当传感器中测杆产生位移x 时，磁路的气隙由0 变为0 - x，由此引起电感变化为00000020/1/)11(2xxLxsnLLL0022snL200001xxxLLn 设电感传感器初始气隙为0，那么初始电感为n 展开上式可得n 输入输出关系是非线性关系2 灵敏度和非线性误差灵敏度和非线性误差传感器的灵敏度与空气间隙的原始厚度0有关，0越薄，灵敏度越高，但量程减少，为保证线性关系 x/00.10.2001xLLKLn在输入输出关系中忽略高次项(x0)，使得电感变化量与气隙变化成线性关系n相应的灵敏度KL等于00 xLLn非线性误差非线性误差%100%1

33、000 xLLLL3)差动电感式传感器n 电感式传感器都是做成差动式的，当衔铁位置变动时，一个线圈w1电感量增大L1，另一个线圈w2电感量减小L2，总电感量变化2121210LLLLLLL202snLZn 把两个线圈接到电桥相邻臂上，利用电桥的加减特性，能使传感器的灵敏度添加一倍，并能减小由于环境温度以及非线性等引起的误差4) 丈量线路n 电感式传感器的丈量线路有两类n 一类是把传感器按入变压器交流电桥，将电感变化转换电流或电压信号，经过放大后送给记录或指示仪表 n 另一类是将传感器作为调频电路的一个电感元件，与测振电路相联，输出调频信号，送给鉴频器，经解调后再送给记录或指示仪表。 p 模拟式

34、及数字式电感测微仪模拟式及数字式电感测微仪 a)变压器电桥丈量线路图n变压器电桥电路，其等效电路图202snLZ变压器电桥电路输出n电桥的两臂Z1和Z2为差动电感式传感器中两个线圈的阻抗，电桥的另外两臂为电源变压器次级绕组的两半，其等效电源为E2，这样就组成所谓的差动线路。电桥对角线A、B两点的电位差即为输出电压2212121211EZZZZEEZZZUUUBA变压器电桥电路输入输出关系l 假设衔铁位于中间位置，电感线圈的参数相等，即Z1=Z2=Z0，那么U=0(Z0衔铁处于中间位置时每个绕组的阻抗)l 当衔铁向上挪动一定间隔，上面线圈的阻抗添加Z，得Z1Z0+Z；下面的线圈减小Z，得Z2Z0

35、-Z，那么 EZZEZZZZZZZZU021210212)(l 当衔铁下降同样大小间隔时，输出一样电压值，但符号相反，相差1800。由于电源是交流的，要加相敏检波器才干识别输出电压的正负号b)调频丈量电路n 传感器的磁芯线圈作为调频振荡的谐振回路的一个电路元件，与振荡器相联n 振荡器的频率为00000000000022211/112121xLLfLLfLLfCLLffCLf调频丈量电路特点n调频丈量电路将电感转换为频率的变化n信号的输出频率易于用数字仪器丈量，抗干扰才干强4)变磁阻传感器特点和运用n特点：特点：n构造简单，性能可靠，寿命长，零点稳定构造简单，性能可靠，寿命长，零点稳定灵敏度高，

36、分辨率可达灵敏度高，分辨率可达0.1mm，反复性，反复性好好n动态性能差，不适用高频丈量动态性能差，不适用高频丈量n运用运用n在工程中丈量中常用的这类传感器，有变在工程中丈量中常用的这类传感器，有变磁阻式压力盒和加速度计磁阻式压力盒和加速度计a)电感传感器运用压力盒n在地压作用下压力盒的承压板将压力经油腔传送给波纹膜片(衔铁)，使之发生变形。使磁路的气隙由0变为0 -x，从而引起电感变化。根据电感变化和压力标定关系可测出压力b)b)位移计位移计轴向式电感轴向式电感 测微器的外形测微器的外形 航空插头航空插头红宝石测头红宝石测头2.5 差动变压器式传感器差动变压器式传感器ndifferentia

37、l transformer sensor n定义：把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称定义：把被测的非电量变化转换为线圈互感变化的传感器称为互感式传感器为互感式传感器n根据变压器原理制成的，而且次级线圈绕组用差动方式衔接，根据变压器原理制成的，而且次级线圈绕组用差动方式衔接，故称差动变压器式传感器故称差动变压器式传感器n构造方式：变隙式、变面积式、螺线管式构造方式：变隙式、变面积式、螺线管式n螺线管式用得最多螺线管式用得最多2.5.1 差动变压器式传感器构造和任务原理l 构造：原绕组构造：原绕组W沿骨架的中间槽绕制，沿骨架的中间槽绕制，副绕组副绕组W1，W2为两组在外侧槽反对称为两组

38、在外侧槽反对称绕制的线圈，即接成差动方式绕制的线圈，即接成差动方式l 任务原理：原线圈接上交流电源，当挪任务原理：原线圈接上交流电源，当挪动磁芯时，各绕组之间的耦合将发生变动磁芯时，各绕组之间的耦合将发生变化，互感系数发生变化化，互感系数发生变化l 当磁芯处于二个副绕组的对称中心时，当磁芯处于二个副绕组的对称中心时，那么输出电压等于零，称此点为平衡点。那么输出电压等于零，称此点为平衡点。当铁芯偏离平衡点时，那么副绕组中产当铁芯偏离平衡点时，那么副绕组中产生电压差，且随磁芯挪动间隔而变化生电压差，且随磁芯挪动间隔而变化WW1W2Esx-x等效电路图和输出关系图2.5.2 输入输出关系输入输出关系

39、n 当一次绕组通电时，负载两端开路时，那么由电工学可知，负载两端输出的电压有效值为0202021)()()(ELRxMxMeR0 、 L0初级线圈电阻、电源频率、电感 M1(x)、M2(x)初级线圈与次级线圈间互感；它的大小与磁芯位置有关E0、e初级线圈励磁和次级线圈输出电压R0、L0、E0均为常数当铁芯在中间位置时，由于两线圈互感相等，没有电压输出，e=0输入输出关系讨论n 当铁芯偏离中间位置时，使互感系数一个添加，另一个减少，此时负载有电压输出，而且随着铁芯偏离中间位置添加，输出电压也添加。其输出电压与位移之间关系如图n 由图可见变压器输出线性度较好n 根据标定关系測量磁芯位移2.5.3

40、丈量电路丈量电路 差动变压器式传感器输出电压且功率较大，可直接用毫伏表或示波器丈量。原线圈的电源可用频信号发生器，其频率应高于被测信号频率的10倍以上，这种方法不能指示极性采用全波整流电压输出电路或全波相敏检波电压输出电路变压器式传感器丈量线路框图由于其输出信号包含有载波，还需求低通滤波器把高频载波和噪声部分滤掉相敏检波丈量电路图相敏检波丈量电路图2.5.4 特点和运用特点和运用n特点特点n1构造简单、任务可靠；构造简单、任务可靠；n2灵敏度高，可达每毫米几百毫伏；灵敏度高，可达每毫米几百毫伏；n3分辨率高，可丈量分辨率高，可丈量0.01m的位移量；的位移量；n4丈量范围大，可达丈量范围大，可

41、达300mmn5丈量精度高丈量精度高n6反复性和线性好，非线性误差只反复性和线性好，非线性误差只0. 5%n7频率呼应较低，不适于丈量高频动态参量频率呼应较低，不适于丈量高频动态参量 1) 矿用顶-底板移近量传感器n矿用顶-底板移近量传感器，n线圈固定在内柱上，铁芯固定在外柱上n丈量顶-底板之间的相对位移量2) 压力传感器n 经过传感器的波纹膜片弹性元件的转换作用，把膜片所受压力的变化转成位移的变化，差动变压器的磁芯经过连杆与膜片中点相联n膜片位移时带动磁芯挪动，产生电压信号输出3) 加速度传感器n 加速度传感器中的惯性体与弹性转换膜片和磁芯联杆相联n 在加速度作用下传感器的底座运动，惯性体因

42、惯性作用途于相对静止形状(固有频率远大于振动体频率)，磁芯作相对运动，相对运动的位移与加速度成正比n 经过变压器把磁芯的运动位移变化变成电信号输出2.6 振弦式传感器振弦式传感器n定义：将机械振动频率的变化转换为电定义：将机械振动频率的变化转换为电压频率的变化安装压频率的变化安装n频率读数仪左 孔隙水压力计右2.6.1 构造和组成构造和组成n单线圈激振的振弦式的构造单线圈激振的振弦式的构造n张紧钢弦张紧钢弦n永久磁铁永久磁铁n固定支承固定支承n弹性元件弹性元件n导磁软铁导磁软铁n永久磁铁与线圈构成激振器，永久磁铁与线圈构成激振器，同时又是拾振器。同时又是拾振器。振弦式传感器系统组成图n 振弦振

43、动为衰减振动。必需在一定时间给一次脉冲激发n 但由于丈量的参数是频率，不是幅值，输出信号频率与幅值衰减关系不大2.6.2 任务原理任务原理钢弦振动钢弦振动n 任务原理: 假设往线圈里送一脉冲电压信号，线圈产生的磁场将吸引钢弦，脉冲电压过后，钢弦回弹，以后作自在振动，由振动实际可知钢弦自振频率为lFlf212n 钢弦频率取决于钢弦的长度l、线密度l 和所受拉力Fn 钢弦的材质和尺寸一定时，钢弦自振频率取决于F 任务原理任务原理感应电压感应电压n 由于振弦是放在磁场中，钢弦的自振使磁芯的间隙发生周期性的变化，从而使磁场回路的磁阻也发生周期性的变化，磁阻的变化又将引起线圈感应出电压信号n 输出感应电

44、压的频率与钢弦的自振频率一样n 当振弦受力发生变化时，振弦的自振频率也随之变化，感应电动势也随之变化输入输入输出关系输出关系n 被测力输入与频率输出关系为 000121FFfFFlflFFfFFFFFFffff 00302000021618121n 当振弦式传感器中的振弦遭到预紧力与被测力共同作用时，其输出信号的频率为lFlf00212.6.3 丈量电路n传感器输出的频率信号，经放大后，可直接用普通频率计丈量，也可以用公用钢弦频率计丈量间歇触发的方式激振振弦式传感器XP02型振弦式频率测定仪配用普通示波器，对振弦式传感器的输出波形及其振幅、衰减等指标进行观察 XP99型注重功能的全面，赋有存储

45、、打印、巡检、计算机传输与控制的多种功能XP02型则注重牢固轻便、操作简便、不易损坏、连续工作时间长等优点XP05型振弦式频率测定仪（测温），可直接测读温度，只须在传感器上加装测温元件，测温精度高达0.1 nXPO2型振弦式频率测定仪2.6.4 振弦式传感器特点振弦式传感器特点n 构造简单，设计、制造容易构造简单，设计、制造容易n 精度高，线性度好精度高，线性度好n 线性度线性度0.5% ，分辨率，分辨率0.1%，灵敏度，灵敏度0.05% F.S.，精度，精度 0.1% F. S.n 蠕变小、零点稳定，受温度影响小、易于防潮蠕变小、零点稳定，受温度影响小、易于防潮n 温度误差小于温度误差小于0

46、.02%F.S.，年漂移，年漂移1，那么那么22)()/1 (CCRKFeKaqmmy2.8.3.2 高增益电荷放大器高增益电荷放大器n 采用电荷放大器时，是在压电式传感器后接电路中采用一个有反响电容的高增益电荷放大器n 等效丈量电路如下图 电荷放大器的输出 Cf电荷放大器的反响电容 Rf电荷放大器的反响电阻fCqu0ILafCCCCCACAqu)1(0n 放大器输出电压的幅值n 放大器输入阻抗CI和放大系数(A104)均很大，不计传感器Ca和电缆阻抗CL，那么放大器输出电压为 电荷放大器分析结果电荷放大器分析结果 结论： (1) 电荷放大器输出电压与电荷q正比 (2)在一定频率内，电荷放大器

47、输出电压与信号频率无关；可用于丈量低频信号(0.3HZ) (3)电荷放大器输出电压与后接电路的电容量无关，不受电缆电容等的影响，这是电荷放大器优点焊接式电荷放大器焊接式电荷放大器2.8.5 特点及其运用特点及其运用n特点:na. 输出电压或电荷与力成正比，线性度好nb. 灵敏系数稳定，受温度影响小nc. 刚度大，滞后小任务频带宽，最高固有频率可达200kHz，可顺应较差任务环境nd. 当采用电荷放大器输出时，输出电压不受电缆电容等的影响n压电传感器是力敏元件，它可用于丈量最终能转换为力的那些物理量，如力、压力、加速度等n在各种动态力、机械冲击与振动丈量以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到运用

48、n电荷放大器有反响电容，放大器上限频率较电压放大器低压电式加速度传感器的运用n压电传感器是力敏元件，它可用于丈量最终能转换为力的那些物理量，如力、压力、加速度等n在各种动态力、机械冲击与振动丈量以及声学、医学、力学、宇航等方面都得到运用n1)压电晶体加速度传感器n 压电晶体加速度传感器主要是由两片压电晶体片(串联)和其上放置的惯性体所组成。惯性体被弹簧压紧，放入外壳中，外壳固定在被测物上。当压电传感器受振动后，惯性体对压电晶体片施加一个可变的惯性力，该惯性力与加速度正比n如需测速度或位移，加上一次或二次积分电路即可n常用的压电晶体式加速度传感器的构造如图压电式加速度传感器实物照片加速度计加速度

49、计1) 压电加速度传感器任务原理图n两片压电晶体片(串联) 、惯性体、弹簧组成n 当压电传感器受振动后，惯性体对压电晶体片施加一个可变的惯性力，该惯性力与加速度正比n 丈量到晶体片产生的电势大小也就丈量到加速度n如需测速度或位移，加上一次或二次积分电路即可2) 压电式压力传感器 常用的压电式压力传感器是膜片型构造，可测任务频率为 f 动态压力 冲击压力传感器冲击压力传感器2.9 压磁式传感器压磁式传感器n定义：定义：n 压磁式传感器压磁式传感器piezomagnetic transducer)是利用铁磁资料的压磁效应原理制成的是利用铁磁资料的压磁效应原理制成的2.9.1 压磁效应压磁效应n压磁

50、效应压磁效应piezomagnetic effect n 铁磁体在外磁场作用下磁化时，长度和体积将发生磁致伸缩景铁磁体在外磁场作用下磁化时，长度和体积将发生磁致伸缩景象象n当铁磁体遭到外力作用，产活力械变形时，磁导率将发生变化景当铁磁体遭到外力作用，产活力械变形时，磁导率将发生变化景象象n压磁效应特点：压磁效应特点：n资料遭到压力时，在作用力方向磁导率减小，而在作用力相垂资料遭到压力时，在作用力方向磁导率减小，而在作用力相垂直方向，略有增大；作用力是拉力时，其效果相反直方向，略有增大；作用力是拉力时，其效果相反n作用力取消后，磁导率复原作用力取消后，磁导率复原n铁磁资料的压磁效应还与外磁场有关

51、铁磁资料的压磁效应还与外磁场有关n铁磁体铁磁体 坡莫合金，硅钢片坡莫合金，硅钢片n相对导磁率相对导磁率m变化与机械应变变化与机械应变之间存在如下关系之间存在如下关系ZK Kz 铁磁体压磁的灵敏度2.9.2压磁式传感器构造压磁式传感器构造n压磁式传感器构造有多种方式n中字形构造n传感元件带孔硅钢n励磁线圈(原绕组) W1n丈量线圈(副绕组) W2n当W1中流过一定的交变电流时，铁芯中将产生磁场 中字形压磁式传感器2.9.3任务原理任务原理n在无外力作用时，硅钢片的导磁率是一样，磁力线沿最短途径闭合，根本上不经过丈量线圈，故丈量线圈中无电感应电动势输出n在压力F作用下，区将遭到很大压应力、区根本上

52、仍处于自在形状。于是区导磁率下降，即磁阻增大，而、区的导磁率不变。使部分磁力线绕过区而闭合。在丈量线圈W2中感应出电动势E。压力F值越大，电动势 E值也越大n根据上述原理和E与F的标定关系，能那么成压磁式传感器。2.9.4 特点和运用特点和运用n特点n输出功率大，信号强，n抗干扰才干和过载才干强，寿命长，n能在恶劣条件下任务，n但精度较低(约1)，反响速度低。常用于机械、冶金、矿山、运输等部门测力、测扭矩和称重。1) 称重传感器称重传感器n由传感器、机架或外壳、传感器引出电缆、接线盒、中间电缆、激磁电源、仪表和输出电缆组成。 2) 压磁式钻孔应力计n在岩体孔径变形预应力法中，n钻孔应力计压磁式

53、传感器n磁芯3、励磁线圈1、丈量线圈和框架，磁芯工字形2. 10 新型传感器简介新型传感器简介 n霍尔传感器霍尔传感器n光电式传感器光电式传感器 n光纤传感器光纤传感器 n半导体气敏传感器半导体气敏传感器 n热敏电阻传感器热敏电阻传感器 n湿敏传感器湿敏传感器 n智能化传感器n它不仅用于检测外界的信息n同时还具有识别功能nIC技术的不断开发，与信息处置器一体化的传感器正在逐渐增多。2.10.1霍尔传感器霍尔传感器n霍尔传感器是利用霍尔效应原理的一种传感器 n霍尔效应金属或半导体薄片置于磁场中，当有电流流过时，在垂直于电流和磁场的方向上将产生电动势 霍尔位移传感器霍尔位移传感器n改动磁极系统与霍尔元件的相对位置 改动外磁场B 特点：具有构造简单、体积小、噪声小频率范围宽(从直流到微波)动态范围大(输出电势变化范围可达1000:1)寿命长等2.10.2 光电式传感器光电式传感器 n光电式传感器是利用光电效应photoelectric effect原理制成的传感器 n光电效应n 当光照射某一物体时，物体遭到一连串光子的轰击，物体的资料吸收光子能量而发生相应电效应的物理景象n光电效应外光电效应和内光电效应 n外光电效应在光线作用下,物质内的电子逸出物体外表向外发