合工大传感器原理及应用

宣城校区传感器原理及应用课程内容回顾-I吴喆[e-mail]2015年6月5日Principleandapplicationofsensor宣城校区传感器原理及应用1.1传感器分类☆按被测物理量分类测量位移：电容传感器，电感传感器,霍尔传感器，光电开关，角编码器，光栅，容栅。。。测量线速度/角速度：超声波传感器，电涡流传感器，霍尔传感器，光电开关，角编码器。。。测量加速度：电容传感器，压电传感器。。。测量质量：应变片传感器，电容式传感器，电感式传感器。。。测量流量：超声波传感器，霍尔传感器，电容传感器。。。测量磁通量：电感式传感器，霍尔传感器。。。测量温度：热敏电阻，热电偶，光电池。。。。。。。。。第一章：检测技术的基本概念宣城校区传感器原理及应用1灵敏度灵敏度是指传感器或检测系统在稳态下输出量变化和引起此变化的输入量变化的比值。它是输入与输出特性曲线的斜率，如右图所示，可表示为：dyyKdxx线性传感器的灵敏度为常数；非线性传感器的灵敏度随输入量的变化而变化。输出曲线看，曲线越陡，灵敏度越高1.2传感器的特性参数xyx1ΔxΔy0切点xmax作图法求灵敏度宣城校区传感器原理及应用2分辨力指传感器能检出被测信号的最小变化量。当被测量的变化小于分辨力时，传感器对输入量的变化无任何反应。对数字仪表而言，如果没有其他附加说明，可以认为该表的最后一位所表示的数值就是它的分辨力。一般地说，分辨力的数值小于仪表的最大绝对误差。右表的分辨力为多少？宣城校区传感器原理及应用分辨率：将分辨力除以仪表的满量程就是仪表的分辨率，分辨率常以百分比或几分之一表示，是量纲为1的数。右表的满量程为99.9A，问：该表的分辨力、分辨率为多少？解：分辨力=0.1A分辨率=0.1A÷99.9≈0.1%宣城校区传感器原理及应用1.3测量误差表示方法及数据处理•绝对误差：被测量值Ax与真值A0之间总是存在着一个差值，这种差值称为绝对误差，用Δ表示：•Δ=Ax－Ａ0•真值有理论真值、约定真值、相对真值之分。准确度高2级以上的仪表的误差与准确度低的仪表的误差相比，则高一级仪表的测量值可以认为是相对真值。某采购员分别在三家商店购买100kg大米、10kg苹果、1kg巧克力，发现均缺少约0.5kg（绝对误差相同），但该采购员对卖巧克力的商店意见最大，是何原因？宣城校区传感器原理及应用相对误差及准确度等级示值相对误差：引用误差γm（也称满度相对误差）：准确度等级S我国的工业模拟仪表有下列常用的7种等级：0.1、0.2、0.5、1.0、1.5、2.5、5.0。100%xxΔAmm100%ΔA100mmAΔS（Δm为最大绝对误差）宣城校区传感器原理及应用例某压力表准确度为2.5级,量程为0～1.5MPa，求:•1）可能出现的最大满度相对误差γm。•2）可能出现的最大绝对误差Δm为多少千帕？•3）测量结果显示为0.70MPa时，可能出现的最大示值相对误差γx。解:1）可能出现的最大满度相对误差可以从准确度等级直接得到，即γm＝±25%。2）Δm＝γmAm＝±25％1.5MPa＝±0.0375MPa＝±37.5kPa3）0.0375100%100%5.36%0.70mxxΔA宣城校区传感器原理及应用测量误差的分类静态误差（粗大误差，系统误差，随机误差）1.粗大误差超出在规定条件下预计的误差，或明显偏离真值的误差称为粗大误差，也叫过失误差、疏忽误差或粗差。粗大误差主要是由于测量人员的粗心大意及电子测量仪器受到突然而强大的干扰所引起的。如测错、读错、记错、外界过电压尖峰干扰等造成的误差。就数值大小而言，粗大误差明显超过正常条件下的误差。当发现粗大误差时，应予以剔除。真值：5测量值：5，5.5，5，6，15，5，6，5比如：罗纳尔多射门打飞了宣城校区传感器原理及应用在重复性条件下，对同一被测量进行无限多次测量所得结果的平均值与被测量的真值之差，称为系统误差。凡误差的数值固定或按一定规律变化者，多属于系统误差。系统误差是有规律性的,因此可以通过实验的方法或引入修正值的方法计算修正,也可以重新调整测量仪表的有关部件予以消除。2.系统误差：真值：5测量值：8，8.5，8，9，8.5，8，9，8均值8.375，系统误差为3.375比如：球门框的位置被移动了宣城校区传感器原理及应用3.随机误差在同一条件下，多次测量同一被测量，有时会发现测量值时大时小，误差的绝对值及正、负以不可预见的方式变化，该误差称为随机误差。存在随机误差的测量结果中，虽然单个测量值误差的出现是随机的，既不能用实验的方法消除，也不能修正，但是就误差的整体而言，多数随机误差都服从正态分布规律。测量值的随机误差=测量结果－算术平均值真值：5测量值：5.5，4.5，4.5，5，6，4.5，5，6均值5.125，系统误差为0.125比如：每次射门的进球位置会有变化宣城校区传感器原理及应用1－拉伸前2－拉伸后电阻丝受拉后，长度增加，直径变小，电阻变大。2πrlAlR第二章：电阻传感器1.应变片式传感器宣城校区传感器原理及应用金属丝受拉后的电阻变化设有一长度为l、截面积为A、半径为r、电阻率为的金属单丝，它的电阻值R及相对变化可表示为当沿金属丝的长度方向作用均匀拉力（或压力）时,上式中、r、l都将发生变化，从而导致电阻值R发生变化。当金属丝受拉时,l将增加、r变小，均导致R变大。ΔΔΔΔ2RlrRlr2πrlAlR宣城校区传感器原理及应用电阻相对变化量与力的关系•电阻丝的电阻相对变化量R/R，与材料力学中的轴向应变x的关系在很大范围内是线性的，即•x=F/(AE），设K为灵敏度，金属材料的面积为A，弹性模量为E，则R/R又可表示为=xRFKKRAE对于金属材料，K值一般为2左右。宣城校区传感器原理及应用非平衡电桥的结构非平衡电桥由四个电阻R1、R2、R3、R4组成一个四边形的回路，每一边称作电桥的“桥臂”。有4个结点a、b、c、d。在a、c结点之间接入电源Ui，而另一对结点（b、d）之间的电压差作为输出电压Uo端。b、d点对负极（a点）的电压相等时称作“电桥平衡”；反之，称作“电桥不平衡”。电桥平衡的条件是：上下两个桥臂的左右桥臂的电阻比例相等。即：R1/R2=R4/R3或R1•R3=R4•R2宣城校区传感器原理及应用非平衡电桥可以分为单臂、双臂、全桥•单臂半桥:•四个桥臂中，只有一个电阻的电阻可变，R2为应变片，R3、R4为固定电阻（低温漂的锰合金电阻）桥路的输出电压为：441i11ioKURRUU单臂半桥的灵敏度最低，温漂最大。宣城校区传感器原理及应用非平衡电桥的输出电压3i124o1234()2-34RURRRURRRR若桥路的4个桥臂相邻电阻的电阻值变化趋势相同，桥路的输出电压为零。若相邻电阻的电阻值变化趋势相反，桥路就产生输出电压：宣城校区传感器原理及应用四臂全桥全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受力后，应变片R1~R4产生的电阻增量（或感受到的应变1~4）正负号相间，就可以使输出电压Uo成倍地增大。)(444332211ioRRRRRRRRUU输出电压：宣城校区传感器原理及应用全桥的温度自补偿原理当环境温度升高时，四个桥臂上的应变片温度同时升高，假设温度引起的电阻值漂移数值一致，就可以相互抵消，所以全桥能实现温度自补偿：3i124o1234()=04RURRRURRRR宣城校区传感器原理及应用应变片的结构1－引出线2－覆盖层3－基底4－电阻丝l：应变片的工作基长，b：应变片基宽，b×l：应变片的有效使用面积。宣城校区传感器原理及应用金属丝式应变片的结构宣城校区传感器原理及应用管桩材料的受压应变测量•预应力管桩的受力预测：•工作人员正在贴应变片应变片粘贴在管桩上，四片应变片可组成全桥宣城校区传感器原理及应用应变式荷重传感器的外形及应变片的粘贴位置FR1R2R4宣城校区传感器原理及应用金属热电阻的正温度系数•温度升高，金属内部原子晶格的振动加剧，从而使金属内部的自由电子通过金属导体时的阻碍增大，宏观上表现出电阻率变大，电阻值增加，称其为正温度系数，即电阻值与温度的变化趋势相同。2.金属热电阻宣城校区传感器原理及应用金属丝电阻随温度增高而变大的演示22220484100URP取一只100W/220V灯泡，用万用表测量其电阻值，可以发现其冷态阻值只有几十欧姆，而计算得到的额定热态电阻值应为484Ω。请说明钨丝的温度系数的正负。宣城校区传感器原理及应用易提纯、复现性好的金属材料才可用于制作热电阻制作热电阻的材料必须具有电阻温度系数大、线性好、性能稳定、一致性好、使用温度范围宽、加工容易等特点。（）宣城校区传感器原理及应用金属热电阻材料的主要技术性能宣城校区传感器原理及应用热电阻的阻值Rt与温度t的关系表达式Rt=R0(1+At+Bt2+Ct3+Dt4)式中Rt——热电阻在t时的电阻值；R0——热电阻在0℃时的电阻值；A、B、C、D——温度系数热电阻的阻值Rt与t之间并不完全呈线性关系。在规定的测温范围内，根据国际电工委员会（IEC）颁布的分度表数值，列出每隔1℃的Rt电阻值，这种表格称为热电阻分度表，见附录C。在工程中，若不考虑线性度误差的影响，有时也可以利用温度系数α来近似计算热电阻的阻值Rt。即：Rt=R0(1+αt）。宣城校区传感器原理及应用铂热电阻分度表宣城校区传感器原理及应用被测物体位移等的变化转换为线圈电感量的变化，再将电感量的变化转换为电流、电压或者频率的变化，实现非电量到电量的转换。电感传感器可分为自感式和互感式两大类。电感式传感器通常是指自感传感器。自感系数常用L来表示，简称自感或电感。自感的单位是亨利,简称亨,符号是H。常用的较小的单位有毫亨(mH)和微亨(μH)。自感传感器的数值多为mH数量级。铁心I铁心I衔铁测杆被测物变间隙式自感传感器第三章：电感传感器202NAL宣城校区传感器原理及应用1-线圈绕组2-铁心3-衔铁变间隙式电感传感器的特性近似双曲线202NAL其灵敏度为：2002=2NALdLKd气隙越小，灵敏度越高，因此适合小量程位移的测量。宣城校区传感器原理及应用螺线管式电感传感器螺线管是具有多重卷绕的导线，卷绕内部可以是空心的，或者有一个磁芯。当有电流通过导线时，螺线管中间部位会产生比较均匀的磁场。作为传感器，螺线管电感传感器的主要元器件是一只螺线管和一根可移动的圆柱形衔铁。衔铁插入绕组后，将引起螺线管内部的磁阻的减小，电感随插入的深度而增大。L空心螺线管x螺线管越长，线性区就越大。螺线管式电感传感器的线性区约为螺线管长度的1/10。宣城校区传感器原理及应用当衔铁偏离中间位置时，两个绕组的电感一个增加,一个减小,形成差动形式。差动电感传感器a)变隙式差动传感器b)螺线管差动传感器1－上差动绕组2－铁心3－衔铁4－下差动绕组5－测杆6－工件7－基座宣城校区传感器原理及应用电感传感器的交流电桥21021-1==2+ABZZUUUZZ衔铁上移：00=-2ZUUZ0000=-2LUULrL衔铁下移：00=2ZUUZ0000=2LUULrL宣城校区传感器原理及应用•1－衔铁的位移曲线•2－激励源波形•3－交流电桥的输出波形•4－普通检波之后的直流平均值•5－相敏检波之后的直流平均值t0－衔铁上下位移到达差动螺线管绕组中间位置的时刻e0－零点残余电压的瞬时值E0－零点残余电压的平均值宣城校区传感器原理及应用采用相敏检波电路的必要性•检波：将交变信号转换为直流平均值。•检波电路的作用是将电感的变化转换成直流电压或电流，以便用仪表指示出来。但若仅采用电桥电路配以普通的检波电路，则只能判别位移的大小，却无法判别输出电压的相位和位移的方向。•如果在输出电压送到指示仪前，经过一个能判别相位的检波电路，则不但可以反映幅值（位移的大小），还可以反映输出电压的