傳感器原理及應(yīng)用 復(fù)習(xí)重點(diǎn)

1、第2章 電阻應(yīng)變式傳感器2.1 電阻應(yīng)變片的工作原理金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。R=L/s金屬絲受拉時，l變長、r變小，導(dǎo)致R變大 。對敏感柵的材料的要求：應(yīng)變靈敏系數(shù)大，并在所測應(yīng)變范圍內(nèi)保持為常數(shù)；電阻率高而穩(wěn)定，以便于制造小柵長的應(yīng)變片；電阻溫度系數(shù)要小；抗氧化能力高，耐腐蝕性能強(qiáng)；在工作溫度范圍內(nèi)能保持足夠的抗拉強(qiáng)度； 加工性能良好,易于拉制成絲或軋壓成箔材； 易于焊接，對引線材料的熱電勢小。 常用材料有：康銅、鎳鉻合金、鐵鉻鋁合金、鐵鎳鉻合金、鉑、鉑鎢合金等，如下表。2.基底材料基底用于保持敏感柵、引線的幾何形

2、狀和相對位置，蓋片既保持敏感柵和引線的形狀和相對位置，還可保護(hù)敏感柵?；椎娜L稱為基底長，其寬度稱為基底寬?；撞牧嫌屑埢湍z基。膠基由環(huán)氧樹脂、酚醛樹脂和聚酰亞胺等制成膠膜，厚度約0.030.05mm3. 黏合劑材料用于將敏感柵固定于基底上，并將蓋片與基底粘貼在一起。使用金屬應(yīng)變片時，也需用粘結(jié)劑將應(yīng)變片基底粘貼在構(gòu)件表面某個方向和位置上。以便將構(gòu)件受力后的表面應(yīng)變傳遞給應(yīng)變計的基底和敏感柵。 常用的粘結(jié)劑分為有機(jī)和無機(jī)兩大類。有機(jī)粘結(jié)劑用于低溫、常溫和中溫。常用的有聚丙烯酸酯、酚醛樹脂、有機(jī)硅樹脂，聚酰亞胺等。無機(jī)粘結(jié)劑用于高溫，常用的有磷酸鹽、硅酸、硼酸鹽等。4. 引線材料是從應(yīng)變片的

3、敏感柵中引出的細(xì)金屬線。對引線材料的性能要求：電阻率低、電阻溫度系數(shù)小、抗氧化性能好、易于焊接。大多數(shù)敏感柵材料都可制作引線。應(yīng)變片的靈敏系數(shù)（K）金屬應(yīng)變絲的電阻相對變化與它所感受的應(yīng)變之間具有線性關(guān)系，用靈敏度系數(shù)KS表示。當(dāng)金屬絲做成應(yīng)變片后，其電阻應(yīng)變特性，與金屬單絲情況不同。因此，須用實(shí)驗(yàn)方法對應(yīng)變片的電阻應(yīng)變特性重新測定。實(shí)驗(yàn)表明，金屬應(yīng)變片的電阻相對變化與應(yīng)變在很寬的范圍內(nèi)均為線性關(guān)系。即4. 機(jī)械滯后 應(yīng)變片粘貼在被測試件上，當(dāng)溫度恒定時，其加載特性與卸載特性不重合，即為機(jī)械滯后。產(chǎn)生原因：應(yīng)變片在承受機(jī)械應(yīng)變后，其內(nèi)部會產(chǎn)生殘余變形，使敏感柵電阻發(fā)生少量不可逆變化；在制造或粘

4、貼應(yīng)變片時，如果敏感柵受到不適當(dāng)?shù)淖冃位蛘哒辰Y(jié)劑固化不充分。機(jī)械滯后值還與應(yīng)變片所承受的應(yīng)變量有關(guān)，加載時的機(jī)械應(yīng)變愈大，卸載時的滯后也愈大。所以，通常在實(shí)驗(yàn)之前應(yīng)將試件預(yù)先加、卸載若干次，以減少因機(jī)械滯后所產(chǎn)生的實(shí)驗(yàn)誤差。 應(yīng)變極限、疲勞壽命在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變對測試值的真實(shí)應(yīng)變的相對誤差不超過規(guī)定范圍（一般為10%）時的最大真實(shí)應(yīng)變值。在圖中，真實(shí)應(yīng)變是由于工作溫度變化或承受機(jī)械載荷，在被測試件內(nèi)產(chǎn)生應(yīng)力(包括機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力)時所引起的表面應(yīng)變。9. 動態(tài)響應(yīng)特性當(dāng)被測應(yīng)變值隨時間變化的頻率很高時，需考慮應(yīng)變片的動態(tài)特性。因應(yīng)變片基底和粘貼膠層很薄，構(gòu)件的應(yīng)變波傳到應(yīng)變片的時間

5、很短(估計約0.2s)，故只需考慮應(yīng)變沿應(yīng)變片軸向傳播時的動態(tài)響應(yīng)。 設(shè)一頻率為 f 的正弦應(yīng)變波在構(gòu)件中以速度 v 沿應(yīng)變片柵長方向傳播，在某一瞬時 t，應(yīng)變量沿構(gòu)件分布如圖所示。 設(shè)應(yīng)變波波長為，則有= v /f。應(yīng)變片柵長為L，瞬時t時應(yīng)變波沿構(gòu)件分布為應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變?yōu)閤t為t瞬時應(yīng)變片中點(diǎn)的坐標(biāo)。應(yīng)變片測得的應(yīng)變?yōu)闁砰L l 范圍內(nèi)的平均應(yīng)變m，其數(shù)值等于 l 范圍內(nèi)應(yīng)變波曲線下的面積除以 l，即2.4.2應(yīng)變片的使用 1. 去污：采用手持砂輪工具除去構(gòu)件表面的油污、漆、銹斑等，并用細(xì)紗布交叉打磨出細(xì)紋以增加粘貼力 ，用浸有酒精或丙酮的紗布片或脫脂棉球擦洗。 2.貼片：在應(yīng)變片的表面和

6、處理過的粘貼表面上，各涂一層均勻的粘貼膠 ，用鑷子將應(yīng)變片放上去，并調(diào)好位置，然后蓋上塑料薄膜，用手指揉和滾壓，排出下面的氣泡 。 3.測量 ： 從分開的端子處，預(yù)先用萬用表測量應(yīng)變片的電阻，發(fā)現(xiàn)端子折斷和壞的應(yīng)變片。 4.焊接： 將引線和端子用烙鐵焊接起來，注意不要把端子扯斷。 5.固定：焊接后用膠布將引線和被測對象固定在一起，防止損壞引線和應(yīng)變片。2.5.1恒壓源直流電橋2.5.2恒流源電橋溫度誤差及其產(chǎn)生原因：上式為應(yīng)變片粘貼在試件表面上，當(dāng)試件不受外力作用，在溫度變化t 時，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。用應(yīng)變形式表現(xiàn)出來，稱之為熱輸出?？梢姡瑧?yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計敏感柵材料的性能(,s)

7、有關(guān)，而且與被測試件材料的線膨脹系數(shù)(g)有關(guān)。 上式為應(yīng)變片粘貼在試件表面上，當(dāng)試件不受外力作用，在溫度變化t 時，應(yīng)變片的溫度效應(yīng)。用應(yīng)變形式表現(xiàn)出來，稱之為熱輸出。可見，應(yīng)變片熱輸出的大小不僅與應(yīng)變計敏感柵材料的性能(,s)有關(guān)，而且與被測試件材料的線膨脹系數(shù)(g)有關(guān)。 每一種材料的被測試件，其線膨脹系數(shù)g都為確定值，可以在有關(guān)的材料手冊中查到。在選擇應(yīng)變片時，若應(yīng)變片的敏感柵是用單一的合金絲制成，并使其電阻溫度系數(shù)和線膨脹系數(shù)s 滿足上式的條件，即可實(shí)現(xiàn)溫度自補(bǔ)償。具有這種敏感柵的應(yīng)變片稱為單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片。單絲自補(bǔ)償應(yīng)變片的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單，制造和使用都比較方便，缺點(diǎn)但它必須在具有一

8、定線膨脹系數(shù)材料的試件上使用，否則不能達(dá)到溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。?螺管型電感傳感器 有單線圈和差動式兩種結(jié)構(gòu)形式。 單線圈螺管型傳感器的主要元件為一只螺管線圈一根圓柱形鐵芯及磁性套筒。傳感器工作時，因鐵芯在線圈中伸入長度的變化，引起線圈泄漏路徑中磁阻的變化，從而使線圈自感發(fā)生變化。差動變壓器試傳感器工作原理工作原理類似于變壓器。主要包括有銜鐵、初級繞組、次級繞組和線圈框架等。初、次級繞組的耦合能隨銜鐵的移動而變化，即繞組間的互感隨被測位移的改變而變化。初級線圈作為差動變壓器激勵用，相當(dāng)于變壓器的原邊，而次級線圈由結(jié)構(gòu)尺寸和參數(shù)相同的兩個線圈反相串接而成，且以差動方式輸出，相當(dāng)于變壓器的副邊。所以

9、又把這種傳感器稱為差動變壓器式電感傳感器，通常簡稱為差動變壓器。 3.2.1螺管形差動變壓器當(dāng)銜鐵移向次級繞組LS1一邊，互感M1增大，M2減小，因而次級繞組LS1內(nèi)的感應(yīng)電動勢大于次級繞組LS2內(nèi)的感應(yīng)電動勢，這時差動變壓器輸出電動勢不為零。在傳感器的量程內(nèi)，銜鐵位移越大，差動輸出電動勢就越大。當(dāng)銜鐵移向次級繞組LS2一邊，差動輸出電動勢仍不為零，但由于移動方向改變，所以輸出電動勢反相。因此通過差動變壓器輸出電動勢的大小和相位可以知道銜鐵位移量的大小和方向。零點(diǎn)殘余電壓 當(dāng)差動變壓器的銜鐵處于中間位置時，理想條件下其輸出電壓為零。但實(shí)際上，當(dāng)使用橋式電路時，在零點(diǎn)仍有一個微小的電壓值(從零點(diǎn)

10、幾mV到數(shù)十mV)存在，稱為零點(diǎn)殘余電壓。如圖是擴(kuò)大了的零點(diǎn)殘余電壓的輸出特性。零點(diǎn)殘余電壓的存在造成零點(diǎn)附近的不靈敏區(qū)；零點(diǎn)殘余電壓輸入放大器內(nèi)會使放大器末級趨向飽和，影響電路正常工作等。 Q值是衡量電感器件的主要參數(shù)。是指電感器在某一頻率的交流電壓下工作時，所呈現(xiàn)的感抗與其等效損耗電阻之比。電感器的Q值越高，其損耗越小，效率越高。 電感器品質(zhì)因數(shù)的高低與線圈導(dǎo)線的直流電阻、線圈骨架的介質(zhì)損耗及鐵心、屏蔽罩等引起的損耗等有關(guān)。Q=XL/R=2fL/R 零點(diǎn)殘余電壓產(chǎn)生原因：基波分量 由于差動變壓器兩個次級繞組不可能完全一致，因此它的等效電路參數(shù)（互感M、自感L及損耗電阻R）不可能相同，從而使

11、兩個次級繞組的感應(yīng)電動勢數(shù)值不等。又因初級線圈中銅損電阻及導(dǎo)磁材料的鐵損和材質(zhì)的不均勻，線圈匝間電容的存在等因素，使激勵電流與所產(chǎn)生的磁通相位不同。 高次諧波 高次諧波分量主要由導(dǎo)磁材料磁化曲線的非線性引起。由于磁滯損耗和鐵磁飽和的影響，使得激勵電流與磁通波形不一致產(chǎn)生了非正弦(主要是三次諧波)磁通，從而在次級繞組感應(yīng)出非正弦電勢。另外，激勵電流波形失真，因其內(nèi)含高次諧波分量，這樣也將導(dǎo)致零點(diǎn)殘余電壓中有高次諧波成分。 差動變壓器的測量電路1. 差動整流電路無論次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，整流電路的輸出電壓U0始終等于R1、R2兩個電阻上的電壓差。 根據(jù)半導(dǎo)體二級管單向?qū)ㄔ?。若傳感器?/p>

12、一個次級線圈的輸出瞬時電壓極性在e點(diǎn)為“”，f點(diǎn)為“”，則電流路徑是eacdbf。反之，如e點(diǎn)為“”，f點(diǎn)為“”，則電流路徑是fbcdae?？梢?，無論次級線圈的輸出瞬時電壓極性如何，通過電阻R1上的電流總是從c到d 。同理，分析另一個次級線圈的輸出情況可知：通過電阻R2上的電流總是從g到h 。 輸出電壓U0始終等于R1、R2兩個電阻上的電壓差。結(jié)論：銜鐵在中間位置時，無論參考電壓是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載RL上的輸出電壓始終為0 銜鐵在零位以上移動時，無論參考電壓是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載RL上得到的輸出電壓始終為正。 銜鐵在零位以下移動時，無論參考電壓是正半周還是負(fù)半周，在負(fù)載RL上得到的輸

13、出電壓始終為負(fù)。由此可見，該電路能判別鐵芯移動的方向。 (2) 相敏檢波電路 輸入信號u2(差動變壓器式傳感器輸出的調(diào)幅波電壓)通過變壓器T1加到環(huán)形電橋的一個對角線上。參考信號us通過變壓器T2加到環(huán)形電橋的另一個對角線上。 輸出信號uo從變壓器T1與T2的中心抽頭引出。平衡電阻R起限流作用，以避免二極管導(dǎo)通時變壓器T2的次級電流過大。RL為負(fù)載電阻。us的幅值要遠(yuǎn)大于輸入信號u2的幅值，以便有效控制四個二極管的導(dǎo)通狀態(tài)，且us和差動變壓器式傳感器激磁電壓u1由同一振蕩器供電， 保證二者同頻同相（或反相）。 渦流式傳感器的變換原理是利用金屬導(dǎo)體在交流磁場中的電渦流效應(yīng)。若一金屬板置于一只線圈

14、的附近，它們之間相互的間距為，當(dāng)線圈輸入一交變電流i 時，便產(chǎn)生交變磁通量，金屬板在此交變磁場中會產(chǎn)生感應(yīng)電流i1，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，所以稱之為電渦流或渦流。渦流的大小與金屬板的電阻率、磁導(dǎo)率、厚度h、金屬板與線圈的距離、激勵電流角頻率等參數(shù)有關(guān)。若固定某些參數(shù)，就可根據(jù)渦流的變化測量另一個參數(shù)。 測量厚度時，激勵頻率應(yīng)選得較低。頻率太高，貫穿深度小于被測厚度，不利于進(jìn)行厚度測量，通常選激勵頻率為1kHz左右。 測薄金屬板時，頻率一般應(yīng)略高些，測厚金屬板時，頻率應(yīng)低些。在測量電阻率較小的材料時，應(yīng)選較低的頻率（如500Hz），測量較大的材料時，應(yīng)選用較高的頻率（如2kHz），從而保證

15、在測量不同材料時能得到較好的線性和靈敏度。3 電渦流傳感器的轉(zhuǎn)換電路 電渦流傳感器轉(zhuǎn)換電路的作用就是將Z、L或Q轉(zhuǎn)換為電壓或電流的變化。阻抗Z的轉(zhuǎn)換電路一般用電橋，電感L的轉(zhuǎn)換電路一般用諧振電路，又可以分為調(diào)幅法和調(diào)頻法兩種。 電容式傳感器變極距型電容式傳感器可見：云母的相對介電常數(shù)（g=7）是空氣介電常數(shù)（0=1） 的7倍，云母的擊穿電壓1000kv/mm，而空氣的擊穿 電壓只有3kv/mm。因此有了云母片極板間的起始間距 可大大減小。極大地提高了電容式傳感器的靈敏度Sn。4防止和減小外界干擾當(dāng)外界干擾(如電磁場)在傳感器上和導(dǎo)線之間感應(yīng)出電壓并與信號一起輸送至測量電路時就會產(chǎn)生誤差。干擾信號足夠大時，儀器無法正常工作。此外，接地點(diǎn)不同所產(chǎn)生的接地電壓差也是一種干擾信號，也會給儀器帶來誤差和故障。防止和減小干擾的措施歸納為：屏蔽和接地。傳感器殼體；導(dǎo)線；傳感器與測量電路前置級等等。增加原始電容量，降低容抗。導(dǎo)線和導(dǎo)線之間要離得遠(yuǎn)，線要盡可能短，最好成直角排列，若必須平行排列時，可采用同軸屏蔽電纜線。盡可能一點(diǎn)接地，避免多點(diǎn)接地。地線要用粗的良導(dǎo)體或?qū)捰≈凭€。采用差動式電容傳感器，減小非線性誤差，提高傳感器靈敏度，減小寄生電容的影響和溫度、濕度等誤差。4.4.3運(yùn)