现代传感器技术-5-机械量传感器-2016

现代传感器技术—面向物联网应用第三篇参量测量传感器—机械量传感器2020/3/125.机械量传感器概述特点：实际中需要测量的机械量非常多，机械量传感器的品种非常丰富。机械量大多与力相关，力可以使器件的结构尺寸或位置变化，引起电阻、电容等电量变化，据此可形成结构型传感器；力也可使器件的物理性能或参数变化，如压阻效应、压电效应等，据此可形成物性型传感器。主要种类：机械量传感器的品种虽丰富，但占据市场的主要是位移、加速度、力/力矩、压力、应力、位置、角度、流速传感器等6类，其中，位移是实现传感的基础参量。学习意义：除了学习具体的机械量传感器外，还可了解不同参量传感器的不同构造思路、实现方式以及采用不同原理实现同参量传感器时的异同。2020/3/135.1位移传感器测量位移的意义位移：物体上某点在一定方向上的位置变化，它包括线位移和角位移。通过位移测量，一是可直接获取物体的移动或转动信息，如机床工作台的位置、位移、振幅，物体的变形等信息，以及距离、长度信息；二是可借助位移或微位移测量实现对引起位移的力学量以及非力学量的测量，如力和温度等。用于位移测量的传感原理和方法很多，按工作方式可分接触式和非接触式两类。接触式测量可能影响被测体的运动，但也能反映相关的力作用信息；非接触式基本上不影被测对象，但往往需要进行现场标定。位移测量容易获得较高精度，常用于间接测量其他参量，因而位移传感器是非电量测量中的基础性传感器。下面从有利于实现低功耗的角度选择介绍几种非接触式测量的位移传感器。2020/3/145.1位移传感器5.1.1磁阻式线位移传感器特点：非接触测量，构造简单、抗干扰能力强，适应恶劣环境、适于微型化。1）非接触式大位移霍尔传感器结构原理：非磁性板上等间距安装小磁钢，霍尔元件随被测体运动，每经过一个小磁钢，产生一个电脉冲信号。脉冲数n乘磁钢间距d得到被测位移，即：L=nd。其他工作方式：(1)霍尔元件固定，小磁钢随被测体直线运动，可测线位移。(2)多个小磁钢或霍尔元件按圆周等间距安装，可测角位移。性能：分辨力为小磁钢间距，精度取决于小磁钢间的等分精度。1磁钢2安装板3霍尔元件4过渡块2020/3/155.1位移传感器5.1.1磁阻式线位移传感器2）采用磁阻元件的非接触式位移传感器基本原理：利用作用于磁敏电阻的磁场面积变化改变其阻值.设无磁场时Ra=Rb，磁铁在上(图a),则RaRb,UoE/2;磁铁居中(图b)，Ra=Rb，Uo=E/2；磁铁在下(图c)，RaRb,UoE/2。右图是基于上述原理的一种磁阻型位移传感器结构。根据电桥输出的极性和大小可测出位移大小和方向(左、右)。特点：差动、线性范围增大2020/3/165.1位移传感器5.1.1磁阻式线位移传感器3）磁位移/长度集成传感模块（MLS）MSI(精量公司)推出的MLS基于AMR磁阻效应，用4组8片AMR电阻在一个模块里组成两个电桥，分别输出对应位移的1/4周期的正弦和余弦电压信号，将磁尺上的一个磁极节距分解为相位差为90°的两个信号。将这两个信号细分或进行插值计算，可进一步提高测量的分辨力和精度。(a)MLS传感器位移测量原理示意图(b)基于AMR传感器构成原理与双电桥结构AMR器件与磁尺组合的磁位移/长度传感器模块2020/3/175.1位移传感器5.1.2光纤小位移传感器毫米级位移称小位移,1mm为微小位移,可用的传感器较多.1）传光型光纤位移传感器图a为一种位移传感器，两根相同的光纤初始时端面对准,中间间隙1～2m，初始位时光通过几乎无损耗。光纤相对位移加大光的损耗，输出光强与两光纤中心重叠面积成正比。图b为可测lPa声压的位移式光纤水听器。原理:作用于膜的声波引起光纤上下相对移动，调制传导光强。设光强均布，光纤随声波位移的调制系数为：a-纤芯半径;ω-声角频率;-密度;c-声速;-光出射角。)sin/()cos(caQ212020/3/185.1位移传感器5.1.2光纤小位移传感器1）传光型光纤位移传感器反射式位移传感器原理：光源发出的光经发送光纤从光纤测头端面射出，照射到反射面A，A反射的部分光进入接收光纤。当A面与测头端面的间距z变化时，进入接收光纤的光强随之变化，使光探测器的输出U随z变化，如图b所示。曲线AB段灵敏度高、线性好，但z的变化范围小；CD段灵敏度低，但线性范围相对宽。测头端面处光纤排列情况及反射面情况都与灵敏度、测量范围有关，光纤束面积大，线性测量范围大。2020/3/195.1位移传感器5.1.2光纤小位移传感器2）光强调制位移传感器原理：被测量使光纤弯曲，改变内芯与包层间光的折射方向,使部分光逸出散射进包层，改变所传光的强度，即强度调制.光电器件收到的光强调制信号解调后可得被测量。如图所示，被测位移或压力使变形器位移，光纤微弯变形引起光纤中模式耦合，有些波导模变成了辐射模。内芯中部分光透射入包层，造成微损耗。微弯器件的位置和压力变化使微弯程度与漏光强度成正比，实现了光强调制。2020/3/1105.1位移传感器5.1.2光纤小位移传感器2）光强调制位移传感器光强与位移之间有确定函数关系，检测输出光强的变化可确定变形器位移及受力大小。设变形器齿距为(即光纤变形周期)，与光纤传播模之间传播参数相当的值为:式中，d为光纤内芯直径；n1为内芯折射率；NA为数值孔径。一般，大NA和小d的光纤导光能力强。为提高灵敏度，应使光纤弯曲严重。位移和光纤包层直径一定时，内芯占比例越大(加大d)，弯曲越大，泄漏光就越多，灵敏度越高。主要性能不足：稳定性不高。应用：可用于位移和压力测量，例如转轴的轴向移动和径向振动等的测量，动态测量需高速光电接口配合使用。1A/(2)dnN2020/3/1115.1位移传感器5.1.3光电式线位移传感器-光学三角位置传感器特点：原理和结构简单，重复性好，速度和精度较高，适用于大多数不透明物体，不受外界强电、磁场环境影响.原理：出射光和物体反射光之间的几何关系决定物体位置。如图，由光位敏器件(如PSD)检出反射光成像点相对初始点的偏移量x，利用三角关系算出被测体(反光靶)相对参考位的偏移，得到被测物到传感器的距离L1为：式中，L0为参考位与传感器之间的距离;y为反光靶的位置偏移；d为反射光聚光镜与PSD的距离;为反光靶在参考位置时入射光与反射光的夹角。典型产品：德国米铱optoNCDT系列激光位移传感器0100/cossincosLxLLyLdxxaL0ydy'激光LEDPSDL1聚光镜2020/3/1125.1位移传感器不同原理的非接触式位移传感器特点比较：磁敏：线性度、分辨力、适用性，量程、集成化、低功耗？光电：线性度、分辨力、精度、适用性、量程、低功耗？电涡流式：线性度、灵敏度、适用性、量程？超声波式：适用性？接触式结构型位移传感器：电感式：线性度、分辨力、精度、量程、功耗？电容式：线性度、分辨力、精度、量程？电阻应变式：？2020/3/1135.2物位传感器5.2.1概述物位：各种容器设备中液体介质液面的高低、两种不相溶液体介质分界面的高低和固体粉末物料的堆积高度等的总称。液位：储存在容器中的液体所存积的高度以及自然界中江、河、湖、水库的水表面位置；料位：容器或仓库中堆积的固体物的相对高度或表面位置；界位：同一容器中两种密度不同且互不相溶的液体之间或液、固体之间的分界面位置。物位测量中，被测对象种类繁多，检测条件和环境差别大，应根据具体对象和条件选用相应传感器。物位是相对某一基准面而言的，测物位是测量被测对象与参考基准面之间的距离。测量连续物位的传感器也是测长度、距离的传感器。2020/3/1145.2物位传感器5.2.2超声波物位传感器特点：可测液体，也适应粒状松散并含大量气体的被测材料,如细粒状或粉末状的泡沫塑料、纤维素等,可用于木制或塑料容器，但不适于测含固体材料的液体。方式：一种是通过被测物使声波短路或断路，或使振荡器频率改变、停振而定点发信号的物位计(图a、b)，用于极限位监控，属开关型；另一种是连续发出声波信号,在界面处反射，再由接收器接收。根据已知波速v，通过测量从发出到返回的时间t得到物位h=vt/2，如图c、d所示，用于连续物位测量。缺点：成本较高，需振荡器，还需高频发生器。2020/3/1155.2物位传感器5.2.3电容式物位传感器特点：机械和机电式测量仪无法测黏液和粒状、粉末状材料的物位，电容法可测量粉状食物、谷子、洗衣粉、砂、水泥、石灰和煤粉，以及储料箱中的燃料、油、酸、碱液及其他的黏液介质。电容法测物位要求被测材料介电常数恒定，不能测具有不同介电常数的液、固混合物。测量原理：电容器上部隔着空气(相对介电常数为1)，下部充满液体或其他材料。相对介电常数为r的被测物位变化x时，电容器的电容增量ΔC与被测物的高度的关系为：式中，h为电容器的总高度；C0为初始电容值。r0(1)xCCh2020/3/1165.2物位传感器5.2.3电容式物位传感器原理结构：用电容探头感受物位变化。图a为连续测量的电容探头结构。1-部分或整体绝缘棍电极，3、4-绳电极。容器壁为导体时，只装电极1或3或4，以容器壁为另一极；容器壁为非导体，则使用管式电极2，或为电极1、3、4配反电极5。图b为监控物位极限的电容探头结构。用于不希望探头电容值在整个高度范围内线性变化，而当物位达到极限时电容突变.不同安装方式的电极用于满足不同功能需求：例如3和4.2020/3/1175.2物位传感器5.2.4磁致伸缩物位传感器主要构成：具有磁致伸缩效应的波导钢丝、内置位置磁铁(磁环)的移动部件、波检测器和电脉冲发射器。工作原理：发射电脉冲-环绕波导丝、随电子波光速移动的磁场-与垂直波导丝轴线的磁环磁力线正交-移动磁场到达磁环位置-复合成瞬态螺旋磁场-波导丝扭曲-以超声速的扭转弹性波-检测器接收转换为电脉冲-发射-接收信号时差-磁铁位置。2020/3/1185.2物位传感器5.2.4磁致伸缩液位传感器性能优点：高精度（国产已实现非线性小于0.05%FS，重复性优于0.002%）、超大量程，能同时测多参数，寿命长，耐高温高压，适用于易燃易爆、有腐蚀的场合，易安装和维护，便于自动化、智能化。应用情况：直接将位置磁铁与浮球相连，且在波导钢丝外加保护套，广泛应用于液位、界面的测量，特别是用于数十米高的超大油罐内液面的监测。2020/3/1195.2物位传感器不同物位传感器性能与特点比较：超声式-可测对象？开关和连续物位、量程大、适用性?电容式-可测对象？量程、适用性、介电常数？磁致伸缩式-连续、界面、量程、精度、适用性？2020/3/1205.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器1）相关概念数字式位移传感器分绝对编码式和计数式两类。其中计数式位移传感器可分为频率式和计数(增量)式，计数式有增量码盘式和栅式如光栅、磁栅等两类。编码器是根据位置的“编码”，把位移转换成“数字代码”。测线位移的称直线编码器，测角位移的称旋转编码器。旋转编码器有绝对码和增量码编码器。绝对码编码器的任意位置都对应固定的编码，不需基准点和计数就可确定角位移及所处位置。增量码编码器输出一系列脉冲，对其计数并对照（零位）基准数据实现位移测量。编码器与同样尺寸的模拟式传感器相比，有更高的精度、灵敏度及可靠性。2020/3/1215.3数字式位移传感器5.3.1数字编码器1）绝对码编码器按变换原理分类：光电式、磁电式；基于不同的敏感/转换元件,有相似结构但内涵不同。(1)码盘:一组同心圆环码道，中心孔用于安装。码道数n决定分辨力，二进制码盘第n道的角分辨力为/2n-1rad。敏感元件的几何参数和物理特性决定码道径向尺寸。二进制码盘的2n个扇形网格区对应2n组编码，确定码盘上2n个角位置的对应输出码，输出数字的变化对应角位移量。二