傳感器原理與設(shè)計(jì)

第四章1電阻應(yīng)變片式傳感器的工作原理電阻應(yīng)變式傳感器由彈性敏感元件與電阻應(yīng)變片構(gòu)成，彈性敏感元件在感受被測(cè)量時(shí)降產(chǎn)生變形，其表面產(chǎn)生應(yīng)變。粘貼在彈性敏感元件表面的電阻應(yīng)變片將隨著彈性敏感元件產(chǎn)生應(yīng)變，因此電阻應(yīng)變片的電阻值也產(chǎn)生相應(yīng)的變化，這樣，通過(guò)測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值變化，就可以確定被測(cè)量的大小。彈性敏感元件的作用就是傳感器組成中的敏感元件，要根據(jù)被測(cè)參數(shù)來(lái)設(shè)計(jì)或選擇它的結(jié)構(gòu)形式。2應(yīng)變片測(cè)試原理用應(yīng)變片測(cè)量應(yīng)變或應(yīng)力時(shí)，是將應(yīng)變片粘貼于被測(cè)對(duì)象上，在外力作用下，被測(cè)對(duì)象表面產(chǎn)生微小機(jī)械變形，粘貼在其表面上的應(yīng)變片亦隨其發(fā)生相同的變化，因此應(yīng)變片的電阻也發(fā)生相應(yīng)的變化。如果應(yīng)用儀器測(cè)出應(yīng)變片的電阻值變化三角形R。應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系3應(yīng)變片的橫向效應(yīng)將直的金屬絲燒成敏感柵之后，雖然長(zhǎng)度相同，但應(yīng)變狀態(tài)不同，應(yīng)變片敏感柵的電阻變化較直的金屬絲小，因此靈敏系數(shù)有所降低。4箱式應(yīng)變片的主要特點(diǎn)：（1） 制造技術(shù)能保證敏感柵尺寸準(zhǔn)確，線條均勻，可以制成任意形狀以適應(yīng)不同的測(cè)量要求。（2） 敏感柵截面為矩形，其表面積對(duì)截面積之比遠(yuǎn)較圓斷面的為大，故粘合面積大。（3） 敏感柵薄而寬，粘結(jié)情況好。傳遞試件應(yīng)變性能好。（4） 散熱性能好，允許通過(guò)較大的工作電流，從而增大輸出信號(hào)。（5） 敏感柵彎頭橫向效應(yīng)可以忽略。（6） 蠕變，機(jī)械滯后較小。疲勞壽命高。5敏感系數(shù)敏感系數(shù)系指應(yīng)變片安裝于試件表面，在其軸線方向的單向應(yīng)力作用下。應(yīng)變片的阻值相對(duì)變化與試件表面上安裝應(yīng)變片區(qū)域的軸向應(yīng)變之比。6應(yīng)變片的機(jī)械滯后：是指對(duì)粘貼的應(yīng)變片。在溫度一定時(shí)，增加和減少機(jī)械應(yīng)變過(guò)程中同一機(jī)械應(yīng)變量下指示應(yīng)變的最大差值。7零點(diǎn)漂移：是指已粘貼好的應(yīng)變片，在溫度一定和機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變隨時(shí)間的變化。8蠕變：是指已粘貼好的應(yīng)變片，在溫度一定并承受一定的機(jī)械應(yīng)變時(shí)，指示應(yīng)變值隨時(shí)間的變化9溫度誤差及產(chǎn)生原因。一、 溫度變化引起應(yīng)變片敏感柵電阻變化而產(chǎn)生附加應(yīng)變二、 試件材料與敏感柵材料的線膨脹系數(shù)不同，使應(yīng)變片產(chǎn)生附加應(yīng)變10溫度補(bǔ)償方法一、 橋路補(bǔ)償法二、 應(yīng)變片自補(bǔ)償法三、 熱敏電阻補(bǔ)償法11橋路補(bǔ)償法的優(yōu)點(diǎn)：是方法簡(jiǎn)單，方便，在常溫下補(bǔ)償效果好，缺點(diǎn)：是在溫度變化梯度較大的條件下，很難做到工作片與補(bǔ)償片處于溫度完全一致的情況，因此影響補(bǔ)償效果。12平衡電橋的工作原理平衡電橋多用于直流供電，四壁中任一電阻可用應(yīng)變片代替，因?yàn)閼?yīng)變片工作過(guò)程中阻值變化很小，所以認(rèn)為電源供出的電流L在工作過(guò)程中是不變的，即加在3?4間的電壓是一個(gè)定值。13不平衡電橋的工作原理不平衡電橋是利用電橋輸出電流或電壓與電橋各參數(shù)間的關(guān)系進(jìn)行工作的，此時(shí)在橋的輸出端接入檢流計(jì)或放大器。在輸入電流時(shí)，為了使電橋有最大的電流靈敏度，希望電橋的輸出電阻應(yīng)盡量和指示器內(nèi)阻相等。第5章14用調(diào)頻系統(tǒng)作為電容傳感器的測(cè)量電路主要具有以下特點(diǎn)：（1）抗外來(lái)干擾能力強(qiáng)，（2）特性穩(wěn)定，（3）能取得高電平的直流信號(hào)。15諧振電路為了獲得較好的線性關(guān)系，一般諧振電路的工作點(diǎn)選在諧振曲線的一邊，最大振幅70%附近的地方。這種電路的特點(diǎn)是比較靈敏。但缺點(diǎn)是1工作點(diǎn)不容易選好，變化范圍也較窄。2傳感器與諧振回路要離得比較近。否則電纜的雜散電容對(duì)電路的影響較大。3為了提高測(cè)量精度，振蕩器的頻率要求具有的穩(wěn)定性。16二極管T型網(wǎng)絡(luò)電路具有如下特點(diǎn)：1電源S，傳感器電容C1，和平板電容C2以及輸出電路都接地。2工作電平很高，二極管D1和D2都工作在特性曲線的線性區(qū)內(nèi)。3輸出電壓較高。4輸出阻抗為R1或R2，且實(shí)際上與電容C1和C2無(wú)關(guān)，適當(dāng)選擇電阻R1和R2，則輸出電流就可以用毫安表或微安表直接測(cè)量5輸出信號(hào)的上升時(shí)間取決于負(fù)載電阻，對(duì)應(yīng)于1K歐姆的負(fù)載電阻。上升時(shí)間為20微秒左右。因此它能用來(lái)測(cè)量高速機(jī)械運(yùn)動(dòng)。17影響電容傳感器精度的因素及提高精度的措施。、1溫度對(duì)結(jié)構(gòu)尺寸的影響環(huán)境溫度的改變將是引起電容式傳感器各零件幾何尺寸和相互間幾何位置的變化，從而導(dǎo)致電容傳感器產(chǎn)生溫度附加誤差，這個(gè)誤差尤其在改變間隙的電容傳感器中更為嚴(yán)重，因此它的初始間隙都很小，為了減小這種誤差一般盡量選取溫度系數(shù)小的和溫度系數(shù)穩(wěn)定的材料。2溫度對(duì)介質(zhì)介電常數(shù)的影響傳感器的電容值與介質(zhì)的介電常熟成正比，因此若介質(zhì)的介電常數(shù)有不為0的溫度系數(shù)。就必然要引起傳感器電容值的改變，從而造成溫度附加誤差。3漏電阻的影響電容傳感器的容抗都很高，特別是當(dāng)激勵(lì)頻率較低時(shí)。當(dāng)兩極板間總的漏電阻若彼此容抗相近，就必須考慮分路作用對(duì)系數(shù)總靈敏度的影響，它將使靈敏度下降，因此，應(yīng)選取絕緣性能好的材料作兩極間的支架、4邊緣效應(yīng)與寄生參量的影響邊緣效應(yīng)使設(shè)計(jì)計(jì)算復(fù)雜化，產(chǎn)生非線性以及降低傳感器的靈敏度，消除和減小的方法是：在結(jié)構(gòu)上增設(shè)防護(hù)電極，防護(hù)電極必須與防護(hù)電極取相同的電位。盡量使它們同為地電位。電容傳感器測(cè)量系統(tǒng)寄生參數(shù)的影響，主要是指?jìng)鞲衅麟娙輼O并聯(lián)的寄生電容的影響，由于傳感器電容值很小，往往寄生電容要大得多，使電容傳感器不能使用。---消除和減小寄生影響的方法可歸納為以下幾種。1，縮短傳感器至測(cè)量線路前置級(jí)的距離2，驅(qū)動(dòng)電纜法3,整體屏蔽法18電容式加速傳感器工作原理有兩個(gè)固定極板，極板中間有一用彈簧支撐的質(zhì)量塊，此質(zhì)量塊的兩個(gè)斷面經(jīng)過(guò)磨平拋光后作為可動(dòng)極板，當(dāng)傳感器測(cè)量垂直方向上的直線加速度時(shí)。質(zhì)量塊在絕對(duì)空間中相對(duì)靜止，而兩個(gè)固定電極將相對(duì)質(zhì)量塊產(chǎn)生位移，此位移大小正比于被測(cè)加速度，使C1,C2中一個(gè)增大，一個(gè)減小。19電容式應(yīng)變計(jì)工作原理。在被測(cè)量的兩個(gè)固定點(diǎn)上，裝兩個(gè)薄而低的拱弧，方形電極固定在弧的中央，兩個(gè)拱弧的曲率略有差別，安裝時(shí)注意兩個(gè)極板應(yīng)保持平行并平行于安裝應(yīng)變計(jì)的平面。這種拱弧具有一定的放大作用。當(dāng)兩固定點(diǎn)受壓縮時(shí)變換電容值將減小，很明顯電容極板相互距離的改變量與應(yīng)變之間并非是線性關(guān)系，這可抵消一部分變換電容本身的非線性。20荷重傳感器工作原理用一種特種鋼，在同一高度上并排平行打圓孔。在孔的內(nèi)壁以特殊的粘貼劑固定兩個(gè)截面為T型的絕緣體。保持其平行并保留有一定間隙，在相對(duì)面上粘貼銅箔，從而形成一排平板電容。21電容測(cè)厚儀工作原理在被測(cè)帶材的上下兩邊各置一塊面積相等，與帶材距離相同的極板，這樣板極與帶材就形成兩個(gè)電容器。把兩塊板極用導(dǎo)線聯(lián)接起來(lái)。就成為一個(gè)板極，而帶材則是電容器的另一板極，其總電容器C=C1+C2。第六章22感式傳感器有以下特點(diǎn)： 1工作可靠，壽命長(zhǎng)2靈敏度高分辨力高。3精度高，線性好。4性能穩(wěn)定，重復(fù)性好23電感式傳感器的缺點(diǎn)：是存在交流零位信號(hào)，不適合高頻動(dòng)態(tài)信號(hào)測(cè)量。24影響傳感器精度的因素一、電源電壓和頻率的波動(dòng)影響二、溫度變化的影響三、非線性的影響四、輸出電壓與電源電壓之間的相位差五。電橋的殘余不平衡電壓---零位誤差25零位信號(hào)產(chǎn)生的原因是：一、差動(dòng)式兩個(gè)電感線圈的電氣參數(shù)及導(dǎo)磁體的幾何尺寸不可能完全對(duì)稱二、傳感器具有鐵損即磁芯化曲線的非線性。三、電源電壓中含有高次諧波，四、線圈具有寄生電容，線圈與外殼。鐵芯間有分布電容。26零位信號(hào)誤差危害很大，會(huì)降低測(cè)量精度，消弱分辨力，容易使放大器飽和、27減小零位誤差的措施是：減少電源中的諧波成分，減小電感傳感器的激磁電流，使之工作在磁化曲線的線性段。28差動(dòng)變壓器的靈敏度是指：差動(dòng)變壓器在單位電壓激磁下，鐵芯移動(dòng)一單位距離時(shí)的輸出電壓。29渦流式傳感器的應(yīng)用一渦流位移計(jì)二、振幅計(jì)三、渦流轉(zhuǎn)速計(jì)四、渦流探傷儀。第七章30壓電式加速度傳感器工作原理：壓電元件一般為兩片壓電片組成，在壓電片的兩個(gè)表面上鍍銀層，并在銀層上焊接輸出引線?；蛟趦蓚€(gè)壓電片之間夾一片金屬，引線就焊接在金屬上，輸出端的另一根引線直接與傳感器基座相連。在壓電片上放置一個(gè)比重較大的質(zhì)量塊。然后用一硬彈簧或螺銓，螺帽對(duì)質(zhì)量塊預(yù)加載荷。整個(gè)組件裝在一個(gè)厚基座的金屬殼體中，為了隔離試件的任何應(yīng)變傳遞到壓電元件上去。避免產(chǎn)生假信號(hào)輸出。所以一般要加厚基座或選用剛度較大的材料來(lái)制造。31傳感器的靈敏度有兩種表示法：當(dāng)它與電荷放大器配合使用時(shí)，用電荷靈敏度Sq表示。與電壓放大器配合使用時(shí)。用點(diǎn)壓靈敏度Sv表示。第八章32動(dòng)感式磁電傳感器工作原理在永久磁鐵1產(chǎn)生的磁場(chǎng)中放置匝數(shù)為N煩人可動(dòng)線圈，線圈的平均周長(zhǎng)為L(zhǎng)，如果在線圈運(yùn)動(dòng)部分的磁場(chǎng)強(qiáng)度B是均勻的，則當(dāng)線圈與磁場(chǎng)的相對(duì)速度為Dx/Dt時(shí)，線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)為E=NBLaDx/Dtsina(V)第九章33熱電偶的基本原理一、熱電效應(yīng)1823年賽貝克發(fā)現(xiàn)，在兩種不同的金屬所組成的閉合回路中，當(dāng)兩接觸處的溫度不同時(shí)。回路中就要產(chǎn)生熱電勢(shì)，稱為賽貝克電勢(shì)，這個(gè)物理現(xiàn)象稱為熱電效應(yīng)。三、湯姆遜效應(yīng)假設(shè)在一勻質(zhì)棒狀導(dǎo)體的一端加熱。則沿此棒狀導(dǎo)體有溫度梯度導(dǎo)體內(nèi)有自由電子將從溫度低的一端擴(kuò)散。并在溫度較低一端積聚起來(lái)，使棒內(nèi)建立起一電場(chǎng)當(dāng)這電場(chǎng)對(duì)電子的作用力與擴(kuò)散力相平衡時(shí)，擴(kuò)散作用即停止，電場(chǎng)產(chǎn)生的電勢(shì)稱湯姆遜電勢(shì)或溫差電勢(shì)。34電橋補(bǔ)償法電橋補(bǔ)償法是利用電橋的不平衡電壓去消除冷端溫度變化的影響。這種裝置稱為-冷端溫度補(bǔ)償器在使用冷端補(bǔ)償器應(yīng)注意一下兩點(diǎn)：1不同分度號(hào)的熱電偶要配合與熱電偶同型號(hào)的補(bǔ)償電橋2我國(guó)冷端補(bǔ)償器的電橋平衡點(diǎn)溫度為20度。在使用前要把顯示儀表的機(jī)械零位調(diào)到相應(yīng)的補(bǔ)償溫度20度上。35熱電偶結(jié)構(gòu)形式普通型熱電偶鎧裝熱電偶小慣性熱電偶36熱電偶的標(biāo)定標(biāo)定方法：定點(diǎn)法，是以純?cè)氐姆悬c(diǎn)或凝固點(diǎn)作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。比較法，是將標(biāo)準(zhǔn)熱電偶與被標(biāo)定熱電偶之間直接進(jìn)行比較，比較法又可以分為雙極法，同名法。微差法。37熱電偶的傳熱誤差和動(dòng)態(tài)誤差一、傳熱誤差。1對(duì)流換熱2輻射換熱3傳導(dǎo)換熱二動(dòng)態(tài)誤差1熱電偶的動(dòng)態(tài)響應(yīng)2減小動(dòng)態(tài)誤差的方法：(主要減小熱電偶的時(shí)間常數(shù)，或減小測(cè)溫系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)來(lái)減小動(dòng)態(tài)誤差，1采用尺寸較小的v/f較小的熱接點(diǎn)2選用比熱e小，密度小的熱電極材料。3采用RC微分網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行修正。第十章38在一個(gè)真空玻璃泡內(nèi)裝有兩個(gè)電極：光電陰極和陽(yáng)極。39光敏電阻的工作原理，、光敏電阻是用光電導(dǎo)體制成的光電器件又稱光電導(dǎo)管。它是基于半導(dǎo)體光電效應(yīng)工作的，光敏電阻沒(méi)有極性，純粹是一個(gè)電阻器件，使用時(shí)可加直流偏壓，也可以加交流電壓。當(dāng)無(wú)光照時(shí)，光敏電阻值很大，電路中電流很小，當(dāng)光敏電阻受到一定波長(zhǎng)范圍的光照時(shí)，它的阻值急劇減小，因此電路中電流迅速增加。40暗電阻：光敏電阻在室溫條件下。在全暗后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值。41暗電流：光敏電阻在室溫條件下。在全暗后經(jīng)過(guò)一定時(shí)間測(cè)量的電阻值此時(shí)流過(guò)的電流為暗電流。42亮電阻：光敏電阻在某一光照下的阻值，稱為該光照下的亮電阻。43亮電流：光敏電阻在某一光照下的阻值，，此時(shí)流過(guò)的電流稱為亮電流。44伏安特性：在一定照度下，光敏電阻兩端所加的電壓與光電流之間的關(guān)系。45光敏電阻的光照特性：光敏電阻的光電流與光強(qiáng)之間的關(guān)系。46溫度系數(shù)的定義：在一定光照下，溫度每變化1度。光敏電阻阻值的平均變化率。47光敏二極管的工作原理光敏二極管在電路處于反向偏置。在沒(méi)有光照射，反向電阻很大，方向電流很小。這反向電流稱為暗電流。當(dāng)光照射在PN結(jié)上，光子打在PN結(jié)附近。使PN結(jié)附近產(chǎn)生光生電子和光生空穴。使很少數(shù)載流子的濃度大大增加。因此通過(guò)PN結(jié)的反向電流也隨著增加。如果入射光照度變化，光生電子空穴對(duì)的濃