常用传感器与非电量测量.ppt

1、第4章，常用传感器和非电量测量的原理，第4.1章，总结了传感器是能够转换特定测量信息(包括物理量、化学量、生物量等)的装置。)转换成一些可用的输出信号，也称为转换器和发射器。目前，可用信号是指各种电量(电压、电流)或电参数(电阻、电感、电容等)。)，因为电信号易于处理和传输。随着科学技术的发展，可以预期传感器“可用信号”的内涵也将发生变化。例如，当人们进入光子时代，光信号将成为“可利用的信号”，更便于快速处理和传输。从传感器输入来看，指定的传感器只能感知或响应指定的物理量。如果温度传感器只能用于测量温度，则传感器能够感知或响应的特定物理量可以是非电量或电量。b .从输出端看，传感器的输出信号为

2、“可用信号”，即传感器的输出信号不仅携带有待测的原始信息，而且是一种可以远程传输的信号，便于后续测量环节的接收和进一步处理，包括电信号、光信号和气动信号等。从投入产出关系的角度来看，它具有一定的规律，可以用数学分析法或实验法来描述，并具有特定的静态和动态特性，这些规律是可以重复的。传感器位于测试系统的前端，主要用于获取检测信息和转换信息。4.1.1传感器的分类传感器有许多分类方法。理解传感器的分类旨在加深理解并促进应用。根据输入量，可分为温度、压力、位移、速度和湿度传感器；根据测量原理，可分为电位器式、应变式、感应式、差动变压器式、涡流式、半导体力敏、热敏、光敏和气敏传感器。根据输出，有模拟和

3、数字传感器。根据传感器输出变换原理，由于传感器可用的输出信号种类有限，如电压、电流、电阻和电荷等，其中输出的是电参数(电阻、电感和电容)，称为电参数传感器；输出量是电量(电压、电流和电荷)，称为电量传感器。4.1.2传感器技术的现状与发展目前，传感器技术发展迅速，呈现出“多样化、新化、集成化、智能化”的发展态势。多样化意味着随着应用领域的不断扩大和不同领域的不同需求，有数以千计的不同用途的传感器。集成包括传感器本身的集成以及传感器和后续电路的集成。新颖性是指由于科学技术的发展、许多物理效应的新发现、理论上的新突破、新过程和新材料而产生的大量新传感器的发展。到目前为止，智能传感器还没有公认的正式

4、定义。一般认为，由传感器和微处理器组合而成的传感器系统不仅具有信号检测功能，还具有信息处理功能，是一种智能传感器。例如，汽车电子控制系统的信息源是各种传感器，传感器的数量从几十个到几百个。4.2电参数传感器4.2.1电阻式温度传感器利用导体和半导体电阻随温度变化的特性，可制成测量温度的传感器：热电阻和热敏电阻。温度范围(200500) 1热阻：由纯金属制成的热阻具有正温度系数，当温度增加1时，电阻值增加约0.4%和0.6%。最广泛使用的是纯金属铂和铜热电阻。(1)铂电阻的R-t关系为0 850 200 0，(2)铜电阻在(-50150)具有良好的特性，价格便宜。其电阻温度特性如下：2热敏电阻是

5、一种将温度信号转换成电阻值c的传感器缺点：非线性大，长期稳定性差，互换性差。热敏电阻有两种：正温度系数和负温度系数，它们的电阻特性是：(1)温度为0时的电阻值；常数。绝对温度。它们的温度系数可以分别计算，即正温度系数热敏电阻的温度系数为正且恒定(在工作范围内)；负温度系数的温度系数为负，与电阻温度的平方成反比，电阻温度随着温度的降低而迅速升高，因此具有很高的灵敏度。因此，负温度系数被广泛使用。对于热敏电阻和热敏电阻，通过它们的电流不应该太大，否则会导致自发热并带来测试误差。4.2.2电桥法测电阻在输入信号的作用下，电参数传感器的输出是电参数电阻R、电感L和电容C的变化，因此测量电阻R、电感L和

6、电容C参数的检测电路可以作为与传感器匹配的信号调理电路。电桥是将电阻、电感、电容和阻抗参数的变化转换成电压或电流输出的测量电路。它具有较高的精度和灵敏度，根据激励源的性质可分为DC电桥和交流电桥，根据输出方式可分为平衡电桥和不平衡电桥。对于电阻传感器，可以使用DC电桥或交流电桥。交流电桥应该用于电感和电容传感器。一般来说，主要使用不平衡桥。1电压源电源在下图中，桥电流为：其中电压降和为：输出电压，2恒流源电源桥电流为：输出电压为：几种桥电路，4.3电量型传感器全部输出电量(电压，电流)，如磁电转换器，压电转换器，热电转换器和光电转换器，可以从被测对象不用外部激励电源。这些都是能量转换传感器，以

7、及其他电量传感器，如PN结和集成电路温度传感器，它们的输出分别是电压和电流，但它们是能量控制传感器。磁电传感器基于电磁感应原理，将被测非电量转换为感应电势的传感器称为磁电传感器。4.3.1.1的工作原理可以从电磁感应定律中得知：感应电势(v)；磁通量；时间。线圈匝数。可以看出，只要改变磁通量，就可以获得感应电势，并且有许多方法可以改变它，例如改变磁路中的磁阻，改变垂直于磁场的线圈面积(线圈在恒定磁场中旋转)，或者使磁体相对于线圈移动，等等。所有这些都可以达到改变通过线圈的磁通量的目的。因此，可以制造不同类型的磁电传感器。如果线圈沿直线运动，在恒定磁场中垂直切割磁力线，线圈两端的感应电势可由以下

8、公式导出：线圈与磁场之间相对运动的位移；每圈线圈的平均长度。在一定的磁场条件下，可以通过测量感应电势来测量线圈的运动速度。当线圈相对于磁场旋转以切割磁力线，并且线圈平面的法线方向与磁场方向成90时，线圈的感应电势为公式中的旋转角速度；每圈线圈的边界面积。当磁场恒定且线圈恒定时，可以通过测量感应电势来测量线圈旋转的角速度。如下图所示，磁电式传感器的工作原理分别用线速度和角速度来测量。在实践中，改变通过线圈的磁通量的方法有很多，根据电磁感应关系可以推导出相应的感应电势表达式。通过测量磁通量，可以相应地测量改变磁通量的物理量。磁电传感器的4.3.1.2选择磁电传感器的最大特点是可以直接将机械速度作为

9、输入信号转换成因此，它被广泛用于测量速度和转速。如果在测量电路中对信号进行积分和微分，可以非常方便地获得被测物体的加速度和位移(角加速度和转角)，因此它经常被用于测量加速度、振动和位移，特别是作为振动传感器。磁电传感器的工作温度不高，磁电传感器的频率范围有限。一般只能测量102000赫兹以内的机械振动，但在体积和重量上远不如压电传感器，而且结构复杂，有运动部件，容易磨损和改变性能，不牢固可靠。4.3.2热电传感器4.3.2.1热电偶传感器热电偶传感器是一种基于热电效应将温度信号转换成电信号的传感器。1工作原理热电偶传感器的工作原理是基于热电效应。如图所示，两个不同材料的导体的两端焊接在一起，形

10、成一个闭合回路。如果两个连接点1和2的温度不同，电路中将会产生电动势，闭合电路中将会产生电流。该电势和电流与两个导体的特性和两个触点之间的温差有关。这种现象被称为热电效应或塞贝克效应。两种导体，甲和乙，被称为热电极，统称为热电偶。如果触点1和2的温度分别为和，触点1称为热端或工作端，触点2称为冷端或自由端。如果某个热电偶的冷端温度是固定的，那么热电偶回路中的热电势与热端温度只有一对一的对应关系，热端温度可以通过测量热电势来测量。热电势由单个导体的接触电势(也称为珀尔帖电势)和温差电势(也称为汤姆逊电势)组成。接触电势的原理是不同的导体具有不同的自由电子浓度。当两个不同的导体接触时，自由电子从高

11、浓度的导体扩散到低浓度的导体，结果，界面附近的导体失去电子并带正电；在另一侧获得的电子带负电荷，并且在两个导体的接触表面上形成电势差。这种电势差阻碍了电子的扩散，当达到动态平衡时，在界面上形成接触电势。因为接触电势的形成和扩散是相关的，很明显，当确定两个导体的材料时，接触电势仅与接触表面的温度成比例。可以注意到热电偶有两个接触面，温度为和，相应的接触电势为和。热电势是同一导体两端不同温度产生的一种热电势。由于两端温度不同，导体中自由电子的运动速度也不同，高温端的电子运动速度大于低温端。因此，电子将从高速区域扩散到低速区域。结果，高端失去电子并带正电，而低端得到电子并带负电，从而在导体两端形成电

12、势差，即热电势。因此，在由两个导体组成的热电偶回路中，总热电势实际上是，并且不能测量上图中热电偶中形成的热电势。要测量它，它必须连接到一个电表上。电表的终端是一个铜导体，它必然在a中。为了回答这个问题，下面介绍热电偶的中间金属定律。中间金属定律：在由A、B导体组成的热电偶回路中，无论第三导体连接在哪里，只要连接导体两端的温度相同，连接导体时原回路中的热电势不会受到影响。为了测量热电偶回路中的热电势，只要连接的仪器的两个触点的温度相同，就可以精确地测量原始热电偶回路中的热电势。测量温度非常简单为了统一起见，通用手册中提供的热电偶特性分度表是在保持热电偶低温的情况下给出的热电势和热端温度的数值对照

13、表。因此，在实际的温度测量中，如果冷端温度为0，只要热电势被正确地测量并且分数表被检查，就可以获得测量的温度。但是，如果此时的冷端温度不是0，而是室温，则不能直接使用特征分度表。此时，应测量室温(设置为)，并使用特征分度表找出热电势值；热电偶热点的实际温度可通过将热电势值与热电偶回路测得的热电势相加得到，即从该值中查找特征分度表。例如，有一个镍-铬-镍-硅热电偶，其冷端温度测量为毫伏，那么实际炉温是多少？如果解决方案是从分数表毫伏获得的，那么40.37毫伏的分数表用于获得977，即，实际炉温是977。(2)补偿线的使用。热电偶传感器的长度通常约为1米。测量高温时，冷端温度对加热端的温度有很大影

14、响。此时，补偿线通常用于将冷端移向温度变化平缓的环境。补偿导体是与热电偶匹配的双绞导体。其材料与热电偶的甲、乙导体相同。补偿导体的种类和热电偶一样多。选择，小心不要选择错误的品牌和错误的，-杆。最后一个原则是：当热电偶出线盒外接时，热电偶的导体材料应与补偿导体的材料一致，以保证回路中原有的热电势不变。(3)冷端补偿。在测量中，我们还可以尝试补偿冷端，达到直接读取温度的目的。冷端补偿常用以下三种方法：0恒温法：将热电偶冷端保持在0容器内。这种方法只适用于实验室，但它可以完全消除冷端温度误差。冷端恒温法：将热电偶的冷端接点放在恒温器中。如果恒温为0，冷端误差为固定值，尽管冷端误差不为零。只要在回路

15、中加入相应的校正电压或调整指示装置的初始位置，就可以达到完全补偿的目的。冷端补偿器法：冷端补偿器法是工业上常用的方法。冷端补偿器是一个四臂电桥，其中三个桥臂的温度系数为零，另一个桥臂采用铜电阻，放置在热电偶的冷端。当，桥是平衡的；当，电桥将产生相应的不平衡电压。电桥的输出与热电势串联。只要满足热电偶的冷端误差，它就变成一个固定值，然后修正该固定值误差(见恒温法)，这样就可以得到冷端温度的完全补偿。电桥的电源端子A和C通过可调电阻连接到d C电源；桥臂、和是锰铜线缠绕的电阻，电阻值可视为不随温度变化的固定电阻。它是一种温度测量热阻，用于测量冷端温度。热电偶的冷端温度为，由补偿线连接，其冷端温度为。位于电桥平衡，电桥顶部b、d输出电压；当温度升高时，热电偶升高，电桥输出不平衡电压，B点的电位高于D点的电位。因此，温度计测得的回路电位是热电偶两个节点温度产生的温差电位与电桥不平衡输出电压之和。根据中间金属定律，只要满足这个条件，定值误差就可以被修正。光电转换器光电转换器是一种将光能转换成电能的传感器。通常，只有具有光电效应的器件(如光敏电阻、光电池、光电管光敏电阻没有极性，是纯电阻性器件，使用时可以施加DC电压或交流电压。当没有光时，半导体中的载流子浓度小，光敏电阻(暗电阻)大，电路中的电流小。当光敏电阻被照亮时，半导体中的载流子急剧增加，电阻(亮电阻)急剧减小，