材料成型控制工程基础第三章

第3章材料成型控制常用传感器•3.1传感器基础•3.2电参量型传感器•3.3电量型传感器•3.4材料成型常用传感器3.1传感器基础•3.1.1传感器的概念传感器是“能够感受规定的被测量并按一定规律转换成可用输出信号的器件或装置”。变换形式只有四种:非电—非电;非电—电;电—电;电—非电变3.1.2传感器的组成传感器主要由敏感元件、转换元件和测量电路三部分组成。各部分作用如下：（1）敏感元件直接感受被测量的变化，并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件，是传感器的核心。（2）转换元件将敏感元件输出的物理量转换成适于传输或测量的电信号。（3）测量电路将转换元件输出的电信号进行进一步的转换和处理，如放大、滤波、线性化、补偿等，以获得更好的品质特性，便于后续电路实现显示、记录、处理及控制等功能。3.1.3传感器的分类1.按传感器输入端被测物理量分类（1）机械量：力参量、质量、力、扭矩、应力等。（2）热工量：热量、温度、压力、流速、流量、液位、物位等。（3）物性参量：密度、浓度、粘度、PH值等。（4）光学量：光强、辐射能量等。（5）化学量：气体的组分、液体的组分等。2.按传感器输出端被测物理量分类（1）输出量为电参量（电阻、电感、电容、互感），电阻式、电容式和电感式。（2）输出量为电量（电压、电流、电荷），感应式、压电式、热电式、光电式等。3.按能量关系分类（1）能量转换型：传感器将从被测对象获取的信息能量直接转换成输出信号能量，如热电偶、光电池等。有源型或发生器型。（2）能量控制型：传感器从被测对象获取的信息能量用于调制或控制外部激励源，使外部激励源的部分能量载运信息而形成输出信号。此类传感器必须由外部提供激励源，如电源、光源、声源等，才能输出信号，如R、L、C电参量型传感器。4.按传感器结构参量是否变化分类（1）结构型敏感元件（弹性元件）由弹性元件将力、质量、压力等多种被测信号转换为中间变量，如膜片的变形和应力。（2）物性型传感器依赖物理属性的改变直接将输入信号转换为输出信息。它没有中间转换机构，只有变送器，如测温热电阻、热电偶，它们既是变换器也是传感器。3.1.4传感器的基本特性传感器的基本特性是指系统的输出输入关系特性，即系统输出信号y(t)与输入信号(被测量)x(t)之间的关系•1)测量范围(measuringrange)•2)量程(span)•3)精度(accuracy)•4)线性度(linearity)•5)灵敏度(sensitivity)•6)分辨率和阈值(resolutionandthreshold)•7)重复性(repeatability)•8)迟滞(hysteresis)•9)稳定性(stability)•10)漂移(drift)当传感器的输入信号是常量，不随时间变化(或变化极缓慢)时，其输出输入关系特性称为静态特性。传感器的静态特性主要由下列几种性能来描述。3.2电参量型传感器•3.2.1电阻式传感器定义：被测非电量的变化引起电阻器阻值改变的变换元件为电阻式传感器。电阻式传感器类型有三种：（1）利用电刷来回移动，改变电路中电阻器长度L，从而实现电阻值R的改变。电位器式传感器，适用与测量线位移和角位移等参量。（2）利用应力应变使电阻丝产生变形，使电阻丝长度L、截面积A和电阻率ρ均发生改变，从而实现R的改变。电阻应变式传感器，适用于检测应力、应变等参量。（3）利用热或其它物理量使传感器的电阻率发生改变，从而使电阻发生改变。一般适用于检测温度。本文主要介绍四类电阻传感器：电位器式传感器；电阻应变式传感器；热电阻和热敏电阻；气敏电阻传感器。1.电位器式传感器电位器式传感器有四种：旋转电位器，角度传感器，直滑式电位器和位移传感器。电位器式传感器分:线性线绕电位器和非线性线绕电位器。2.电阻应变式传感器电阻应变式传感器是将应变量输入转换为电量输出的变换期间，一般可用于测量力，位移，速度，加速度和扭矩等参量。1）传感器的构成及工作原理传感器的构成：电阻应变片，弹性元件和粘接剂。工作原理:在外力作用下，弹性元件将产生一定应变，使粘接其上的应变片也产生相应的应变，从而使电阻应变片的阻值也发生变化，那么阻值大小反映了力的大小（金属的电阻应变效应）。应变效应：导体或半导体材料在受到外界力(拉力或压力)作用时，将产生机械变形，机械变形会导致其电阻值变化。2)电阻应变片的分类及其构造电阻应变片的基本结构主要由:敏感器件、基片、覆盖片和引出线所组成。分类:电阻丝式应变片，箔式应变片，半导体式应变片。(1)电阻丝式应变片主要形状:U形，V形，H形。(2)箔式应变片与丝式应变片相比，金属箔式应变片具有散热性能好，允许电流大，灵敏度高，寿命长，可制成任意形状，易加工，生产效率高等优点箔式应变片的种类分为：单应力应变片、扭矩应变片和压力传感器应变片三种。(3)半导体式应变片工作原理:在于半导体单晶体具有压阻效应，即对一块半导体的某一轴向施加一定载荷而产生应力时，其电阻率会发生一定变化。对于P型硅半导体，(111)晶周轴方向的压阻效应最大，对于N型硅半导体，(100)晶周轴方向的压阻效应最大。3）电阻应变片特性(1)机械滞后应变片安装在试件上以后，在加载和卸载过程中，对同一机械应变量，两过程的特性曲线并不重合，卸载时的指示应变高于加载时的指示应变，这种现象称为应变片的机械滞后(2)零漂已粘贴在试件上的应变片，在温度保持恒定，试件上没有机械应变的情况下，应变片的指示会随着时间增长而逐渐变化，这就是应变片的零点漂移，简称零漂。(3)蠕变已粘贴的应变片，温度保持恒定，在承受某一恒定的机械应变长时间作用下，应变片的指示会随时间的变化而变化，这种现象称为蠕变。(4)温度效应当环境温度变化时，会引起电阻的相对变化，产生虚假应变，这种现象称为温度效应。(5)应变极限、疲劳寿命应变片的应变极限是指在一定温度下，应变片的指示应变与试件的真实应变的相对误差达到规定值(一般为10%)时的真实应变值。对于已安装的应变片，在恒定幅值的交变力作用下，可以连续工作而不产生疲劳损坏的循环次数N称为应变片的疲劳寿命(6)绝缘电阻和最大工作电流应变片的绝缘电阻是指已粘贴的应变片的引线与被测件之间的电阻值。通常要求在50MΩ～100MΩ以上。绝缘电阻下降将使测量系统的灵敏度降低，使应变片的指示应变产生误差。对于已安装的应变片，最大工作电流是指允许通过敏感栅而不影响其工作特性的最大电流。工作电流的选取要根据试件的导热性能及敏感栅形状和尺寸来决定。(7)应变片的电阻值指应变片在未经安装也不受外力的情况下，于室温测得的电阻值。目前常用的电阻系列有：60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω等，其中以120Ω最常用。3.热电阻和热敏电阻1)金属丝热电阻可用于测温的金属丝材料很多，大多为纯金属有铂、铜、铁和镍等。其电阻与温度的关系为:Rt=R0(1十aΔt)22ttRRRRRt，R0分别为温度为t和t0时的电阻值；a为电阻温度系数，随材料不同而异，以下是几种纯金属的电阻率比与温度之间的关系曲线。2)半导体热敏电阻制造热敏电阻的材料主要有锰、镍、铜和铬等氧化物，将它们按一定比例混合后压制成形，然后在高温下(如1000℃左右)焙烧而成。其外形有珠状、圆片状和柱状等。热敏电阻的基本特性是电阻与温度之间的关系，这一长系反映了热敏电阻的性质，即公式：exp(/)RABT式中：A——与热敏电阻尺寸、形式及半导体物理性能有关的常数；B——与半导体物理性能有关的常数；T——热敏电阻热力学温度。热敏电阻除有灵敏度高的特点外，还有电阻值高、体积小、热容量小、热惯性小、动态特性较好等特点，故得到了广泛应用。缺点是互换性差，非线性也较大。实现热敏电阻输出特性线性化的简单方法，是用温度系数很小的电阻与热敏电阻串联或并联，从而使等效电阻与温度关系在一定温度范围内保持线性。3)热敏电阻的伏安特性将热敏电阻接上一个恒流源，并在它两端测得端电压，便得到了热敏电阻的伏安特性，曲线分四段：0~a阶段：电流小于Ia，元件功耗小，电流不足以使热敏电阻发热，元件上的湿度基本上是环境温度，电压与电流之间符合欧姻定律。a~b阶段：随着电流增加，热敏电阻功耗增加，导致电流加热引起热敏电阻自身温度超过环境温度(介质温度)，其阻值降低，因此出现非线性电阻区。b~c阶段：当电流为Im时，电压达到最大值．电流继续增加，热敏电阻本身加温更为剧烈，使其阻值迅速成小。c~d阶段：由于热敏电阻的温度系数较大，随着温度升高，阻值减小的速度超过电流增加速度，所以出现负阻区。4.气敏电阻传感器气敏电阻传感器是采用半导体气敏器件对气体进行检测分析。半导体气体传感器的种类大体上分:电阻式和非电阻式。电阻式半导体气体传感器是利用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料来制作敏感元件，利用其阻值的变化来检测气体的浓度。气敏元件有三种结构类型：烧结体型、薄膜型和厚膜型。气敏电阻传感器有测氧传感器，测Co传感器等。5.电阻应变片温度误差及补偿在理想情况下，应变片的输出电阻是应变的一元函数，即ΔR／R＝f(ε)，但实际上，应变片输出电阻还和温度有关，即ΔR／R=g(ε，t)温度的变化引起电阻的变化主要有两点：1）电阻丝电阻本身就是温度的函数2）试件材料与应变片材料热膨胀系数不同10RaTRa为温度系数，ΔT为温度的变化值，R0为T0的电阻，R1为T1电阻值。（1）自补偿法，即利用自身具有温度补偿作用的应变片进行补偿。选择式自补偿法，又称单丝自补偿法。这种的自补偿应变片容易加工，成本低，缺点是只适用特定材料，温度补偿范围也较窄。组合式自补偿，又称双丝自补偿法，敏感栅由两种不同温度系数的电阻丝组成。（2）线路补偿法常用电桥补偿法，其中R1是工作应变片，安装在被测试件上，RB是补偿应变片，安装在补偿块上，与被测试件温度相同，但不承受应变。R1、RB接入电桥相邻两臂，因故输出电压U0不受温度变化影响。1BttRR3）差动电桥补偿法在应变测试的某些条件下，可通过改变应变片的粘贴位置，实现温度补偿，同时还可提高应变片的灵敏系数。测量时可将RＢ贴在被测试件的下面，接入电桥电路中。由于在外力F的作用下，RB与R1的变化值大小相等符号相反，电桥的输出电压增加一倍。此时RB既起到了温度补偿作用，又提高了灵敏度，同时可补偿非线性误差。6.电阻式传感器的应用电阻式传感器应用范围很广，主要用于检测力、压力、扭矩、位移、加速度等参数。1）电位器式压力传感器电位器式压力传感器是利用弹性元件(如弹簧管、膜片或膜盒)把被测的压力信号变换为弹性元件的位移，然后再将此位移转换为电刷触点的移动，从而引起输出电压或电流相应的变化。YCD—150型远程压力传感器原理图膜盒电位器式压力传感器原理图2)柱(筒)式力传感器柱式传感器分为柱形和圆筒形两种，应变片一般对称地贴在应力均匀的圆柱表面的中间部分，可对称地粘贴多片，构成差动式，提高了灵敏度，横向粘贴的应变片同时作为温度补偿。柱式力传感器的截面积随载荷改变可导致非线性，需对此进行补偿。筒式结构可使分散在端面的载荷集中到筒的表面上来，改善了应力线分布，同时在筒壁上还能开孔，可减少偏心载荷、非均布载荷的影响，从而使引起的误差更小。3)悬臂梁式传感器悬臂梁式传感器是一种高精度、抗偏、抗侧性能优越的称重测力传感器。采用弹性梁及电阻应变片作敏感转换元件，组成全桥电路。当垂直正压力或拉力作用在弹性梁上时，电阻应变片随金属弹性梁一起变形，其应变使电阻应变片的阻值变化，因而应变电桥输出与拉力(或压力)成正比的电压信号。配以相应的应变仪，数字电压表或其他二次仪表，即可显示或记录重量(或力)。悬臂梁式传感器具有结构简单、应变片容易粘贴，灵敏度高等特点。3.2.2电容式传感器电容式传感器不但广泛用于精密位移、振动、角速度、加速度等机械量检测，而且可以测量压力、液位、料位、成分含量等参量。电容式传感器原理图电容式传感器的基本原理:在S、d、εr三个参量中，只要改变其中任意一个参数，即可使电容量C发生变化.根据这一原理，电容式传感器可以制成三种形式