检测与转换技术-第06章..

第六章电参数传感器第一节电阻应变传感器第二节热电阻传感器第三节自感传感器第四节差动变压器第五节涡流传感器第六节电容传感器第七节光电阻传感器第一节电阻应变传感器一、电阻丝的应变效应电阻丝应变片是用直径约为0.025mm的具有高电阻率的电阻丝制成的，l称应变片的标距或称工作基长；b称应变片的工作宽度；b×l称应变片的规格，一般以使用面积和电阻值来表示。单根导线的电阻R可用下式表示：式中，ρ为电阻率，单位为Ω·m；l为电阻丝长度，单位为m；a为电阻丝的截面积，单位为m2。如果沿整条电阻丝长度作用均匀应力，由于l、ρ、a的变化引起电阻R的变化，对上式全微分，得：用相对变化量dR／R表示，得：对于直径为d的圆形截面的电阻丝，△a/a＝2△d/d，横向收缩和纵向伸长的关系用泊松比μ来描述，△d／d＝—μ△l／l，代入式(6-1)，得：式中，K为应变灵敏系数；ε为应变值。上式是应变效应的表达式，应变灵敏系数K为：K受两个因素的影响：一是(1十2μ)，另一个是(△ρ／ρ)／(△l／l)。对于大多数金属材料，泊松比μ＝0.3～0.5，所以K值在1.6—2之间。对于每一种电阻丝在一定的变形范围内，无论受拉或受压，应变灵敏度系数保持不变，当超出某一范围时，K值将发生变化。造成应变片测量误差的因素很多，测量时必须加以考虑，其中温度影响是首要的。由于环境温度改变引起电阻值变化的原因主要有二：一是由电阻丝温度系数引起的；二是由电阻丝与被侧件材料的线膨胀系数的不同引起的。当环境温度变化△t时，应变片电阻的增量△Rt可用下式表达：令则：式中，Ro为0℃时电阻丝应变片的电阻值单位为Ω；α为电阻丝材料的电阻温度系数，单位为1／℃；K为电阻丝的应变灵敏系数；α1为被测件材料的线膨胀系数，单位为1／℃;α2为电阻丝材料的线膨胀系数，单位为1／℃；αt为电阻丝应变片的电阻温度系数，单位为1／℃。几种金属电阻应变片的形状a)、c)、e)丝式b)带连接线的丝式d)箔片二、电阻应变传感器测量电路桥式测量电路有四个电阻，其中任何一个都可以是电阻应变片电阻，电桥的一个对角线接入工作电压U，另一个对角线为输出电压Uo。桥式测量电路电桥的特点是：当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥输出为零，否则就有电压输出，可利用灵敏检流计来测量，故电桥能够精确地测量微小的电阻变化。三、电阻应变传感器的应用BLR—1的型传感器结构图。弹性元件是圆管形的，在它上面纵向和横向各粘贴有四片应变片，每两片同方向的串联组成一个桥臂，八片应变片组成全桥。弹性元件用40Cr钢制成，经热处理，外圆和内孔部分都经磨削加工。BLR－１型拉力传感器１－螺钉２－铭牌３－壳体４－应变筒５－球面螺钉６－内压环７－盖８－膜片９－密封垫圈１０－插头１１－接线环这种传感器有16种额定载荷的分型号，最小的103N，最大的l06N。随着载荷量增加，传感器尺寸增大。技术数据如下：（1）非线性、迟滞、重复性误差均小于额定载荷的0.5％。（2）工作电压最高为6V。（3）输出灵敏度104N以下的分型号为1mV／V，104N以上的分型号为1.5mV／V。（4）工作温度范围为－10～+50℃。（5）温度零漂值为0.04％／℃。第二节热电阻传感器热电阻是由电阻体、绝缘套管和接线盒等主要部件组成的。其中，电阻体是热电阻的最主要部分。一、热电阻（一）铂电阻铂电阻的特点是精度高、稳定性好、性能可靠。（二）铜电阻铂是贵重金属，在一些测量精度不高且温度较低的地方一般采用铜电阻，可用它来测量一50～十150℃的温度。铜电阻有下列忧点：（1）在上述温度范围内，铜的电阻与温度呈线性关系（2）电阻温度系数高，。（3）容易提纯，价格便宜。（三）其它热电阻：（1）铟电阻（2）锰电阻（3）碳电阻二、热敏电阻热敏电阻分直热式和旁热式两种。旁热式热敏电阻除半导体外还有金属丝绕制的加热器，两者紧紧耦合在一起，互相绝缘，密封于高真空的玻璃壳内。热敏电阻的符号及其非线性特性a)直热式热敏电阻符号拭目以待b)旁热式热敏电阻符号c)温度特性d)Ｖ－Ａ特性热敏电阻是非线性电阻，它的非线性表现在：其电阻值与温度之间呈指数关系和电流随电压的变化不服从欧姆定律。热敏电阻的温度特性曲线图。其中2、5两条线表示负的电阻温度系数；3、4两条线表示正的电阻温度系数；1表示铂电阻温度特性。负温度系数热敏电阻的温度系数一般为－2％～－6％／℃。缓变型正温度系数热敏电阻的温度系数为l％～10％／℃。而开关型的大于10％／℃。热敏电阻的Ｖ—Ａ特性图中，曲线l为线性电阻；曲线2、3、4为不同热敏电阻的Ｖ—A特性，它们的变化规律符合某种指数关系。三、热电阻传感器的应用（一）金属热电阻传感器在工业上广泛应用金属热电阻传感器进行－200～十500℃范围的温度测量。在特殊情况下，测量的低温端可达3.4K，甚至更低，1K左右。高温端可测到1000℃。金属热电阻传感器进行温度测量的特点是精度高，适于测低温。经常使用电桥作为传感器的测量电路，为了减少引线电阻温度变化引起的误差，工业用铂电阻的引线不是两根而是三根。热电阻传感器测量电路a)三线式结构b)四线式结构，R1、R2、R3、R4为引线电阻（二）半导体热电阻传惑器热敏电阻传感器应用范围很广，可用于温度测量、温度控制、温度补偿、稳压稳幅、自动增益调整、气压稳定、气体和液体分析、火灾报警、过负荷保护和红外探测等方面。（1）温度测量（2）温度补偿。金属一般具有正的温度系数，采用负温度系数的热敏电阻进行补偿，可以抵消由于温度变化所产生的误差。实际应用时，将负温度系数的热敏电阻与锰铜丝电阻并联后再与被补偿元件串联。第三节自感传感器一、自感电动势与电感二、简单的自感传感器原理自感传感器原理图a)变气隙b)变截面1－线圈2－铁心3－衔铁它是由线圈1、铁心2和衔铁3组成的。线圈套在铁心上。在铁心与衔铁之间有一个空气隙，其厚度为δ。线圈的电感值可按下式计算：电感值为：电感量与空气隙厚度成反比，与空气隙相对截面积成正比。因此，改变空气隙厚度或改变气隙截面积都能使电感量变化。自感传感器的特性曲线自感传感器一般有三种类型：①改变气隙厚度δ的自感传感器；②改变气隙截面积s的自感传感器；③螺管式自感传感器，第一种灵敏度高；第二种类型的优点是具有较好的线性，示值范围较大，自由行程也较大；第三种类型灵敏度低，但示值范围大，自由行程大，且其主要优点是结构简单，制造装配容易。灵敏度低是其缺点，但可以在放大电路方面加以解决。螺管式自感传感器1－线圈2－动铁心三、自感传感器结构举例BYM型压力传感器的结构与原理图，它采用了变气隙差动传感器。BYM型压力传感器1－弹簧管2－衔铁3、4－铁心5、6－线圈7－调节螺钉螺管式差动自感传感器。滚动导轨上消除了径向间隙，使测量精度提高，并且灵敏度和寿命能达到较高指标。螺管式差动自感传感器1－导线2－慈心3－衔铁4－线圈5－弹簧6－防转销7－导轨8－测杆9－密封套10－可换测颈四、测量电路（一）基本测量电路一种带相敏整流的电桥电路。电桥由差动电感传感器Z1和Z2以及平衡电阻R1、R2(R1=R2)组成，VD1～VD4构成了相敏整流器，桥的一个对角线接有交流电源U，另一个对角线接有电压表V，当差动衔铁处于中间位置时，Z1＝Z2＝Z，输出电压U0为零。带有相敏整流的电桥电路当衔铁偏离中间位置而使Z2＝Z+△Z增加，则Zl＝Z－△Z减少。比较上述两种情况，可知输出电压幅值相等，极性相反。整流器输出特性曲线a)非相敏整流器b)相敏整流器（二）自感传感器实际测量电路举例JGH型电感测厚仪的传感器是一只差动式自感传感器，因此测量电路是一不平衡电桥电路。JGH型电感测厚仪测量电路差动变压器是互感传感器，是把被测位移转换为传感器线圈的互感的变化量，由于这种传感器常常做成差动的，故称差动变压器。差动变压器主要由一个线框和一个铁心组成。在线框上绕有一组一次线圈作为输入线圈，在同一框架上另绕两组二次线圈作为输出线圈，并在线框中央圆柱孔中放入铁心，如果输出接成反向串联，则此传感器的输出电压U2＝U21－U22。一、工作原理第四节差动变压器差动变压器a)结构图b)原理图当铁心向右移动时，在右边二次线圈内所穿过的磁通比左边二次线圈多些，所以互感也大些，感应电动势El增加；另一个线圈的感应电动E2，随铁心向右偏离中心位置而逐渐减小，并减小到接近空心状态时的电动势E0。差动变压器特性a)二次线圈输出特性b)差动变压器输出特性二、基本特性（一）等效电路等效电路：差动变压器的等效电路a)空载时的等效电路b)空载时电动势源等效电路可采用下列方法提高差动变压器的灵敏度：（二）灵敏度（1）提高线圈的Q值，为此需增大差动变压器的尺寸，一般长度为直径的1.2～2.0倍较恰当。（2）选择较高的励磁频率。（3）增大铁心直径，使其接近于线圈框架内径，铁心采用磁导率高、铁损小、涡流损失小的材料。（4）减少涡流损耗，为此线圈框架采用非导电的且膨胀系数小的材料。（5）在不使一次线圈过热的情况下，尽量提高励磁电压。（三）频率特性差动变压器的励磁频率一般从10～50kHz为适当。励磁频率与输出电压有很大关系，频率增加引起与二次绕组相联系的磁通量变化率增加，它将使差动变压器的输出电压增加。（四）线性范围（五）温度特性（六）零点残余电压及其消除方法零点残余电压产生的原因有以下几个方面：（1）由于两个二次线圈结构上的不对称，引起两个二次电压的幅值平衡点与相位平衡点两者不重合。（2）由铁心材料B－H曲线的弯曲部分导致输出电压中含高次谐波。（3）励磁电压波形中有高次谐波。消除零点残余电压的最有效的方法是采用在放大电路前加相敏整流器的方法，使其特性由特性曲线1变成曲线2。采用相敏整流器时的特性曲线1－没有相敏整流器时2－有相敏整流器三、测量电路为反映铁心移动的方向，在差动测量电路中常采用相敏整流器。对于差动变压器最常应用的测量电路是差动整流电路。图a和图b用在联结低阻抗负载的场合，是电流输出型。图c和图d用在联结高阻抗负载的场合，是电压输出型。差动整流电路a)全波电流输出b)半波电流输出c)全波电压输出d)半波电压输出在CPC型差压计中的差动变压器的测量电路CPC－160A型差压计电路图涡流传感器的最大特点是可以对一些参数进行非接触测量，动态响应好，灵敏度较高，所以工业中应用越来越广。涡流传感器应用及特征第五节涡流传感器涡流传感器在金属体中产生的涡流，其渗透深度与传感器线圈的励磁电流的频率有关，所以涡流传感器主要可分为高频反射和低频透射两类，前者应用较广泛。一、高频反射涡流传感器（一）基本工作原理高频反射涡流传感器是一只固定在框架上的扁平线圈。高频反射式涡流传感器为了提高涡流传感器的灵敏度，传感器线圈总是并联一只电容器，构成并联谐振电路。线圈Q值降低，意味着谐振回路谐振曲线值下降(原来调谐到某一频率)，同时使曲线变得平坦。谐振曲线输出电压U与位移X间的关系曲线，在中间一般呈线性关系，其范围为平面线圈外径的1／3～１／5(线性误差为3％～4％)。U=ƒ(x)特性曲线（二）高频反射涡流传感器的结构形式CZF1型涡流传感器的结构图，它是采用把导线绕在框架上形成的，框架采用聚四氟乙烯。CZF1型涡流传感器１－线圈２－框架３－框架衬套４－支架５－电缆６－插头(三)测量方法高频反射涡流传感器测量方法有调幅法和调频法两种。CZF1型传感器性能（四）影响高频反射涡流传感器灵敏度的因素（1）被测物体形状对测量的影响。（2）工作表面处理对灵敏度的影响。二、涡流传感器的应用（一）位移计涡流传感器根据其工作原理，其基本形式就是一只位移传感器。位移计的几种实例（二）振幅计涡流传感器可无接触地测量旋转轴的径向振动。（三）厚度计涡流传感器可无接触地测量金属板的厚度和非金属板的镀层厚度。厚度计实例（四）转速计第六节电容传感器一、电容传感器的工作原理由两平行极板组成一个电容器，若忽略其边缘效应，其电容量可用下式表示：1．改变遮盖面S的类型改变S的电容传感器a)角位移式b)直线位移式2．改变介质介电常数ε的类型因为各种介质的介电常数不同，在两电极间加以空气以外的其它介