被测量变化导致电阻 电感或电容量变化的敏感元件统称为电参数传感器。 第一节 电阻应变传感器 第二节 热电阻传感器 二、电阻丝式应变计结构 用直径为0.025mm的具有高阻率的电阻丝排列成栅网状，并粘贴在绝缘的基片上，电阻丝的两端焊接有引出导线，线栅上面粘贴有覆盖层（保护用）。可有如下形状： 三、电阻丝的应变效应 1、应变：由于外因使物体的形状尺寸所发生的相对改变。 2、工作原理:压阻效应 用相对变化量表示：受力后各部分的变化引起电阻的变化 或 灵敏度系数K的意义： 单位应变所引起的电阻相对变化，主要是受力后材料的几何尺寸变化引起。 3、结论： 金属电阻丝的电阻相对变化率与轴向应变成正比。 4、特点： 优点: 稳定性和温度特性好. 缺点: 灵敏度系数小. 第二节 热电阻传感器 概念：利用电阻随气温变化的特性制成的传感器。 主要检验测试参数：温度、与温度有关的 参量。 分类：1）金属热电阻（热电阻） 2）半导体热电阻（热敏电阻） 5、测温电路： 用电桥作为传感器的测量电路，在进行温度测量时特点是精度高，适于测低温。 热电阻的三线制：工业上用的铂电阻的引线为三根，目的是消除连接线电阻的影响。 作 业 概述 1、定义： 电感传感器是将被测量转换为线圈的自感或互感的变化来测量的装置。 2、特点： 结构相对比较简单、可靠，输出功率高，分辨力高（0.01μm),灵敏(几百mV/1mm) 线%），稳定，抗干扰能力强。 但频率响应低，不宜进行快速动态测量。 结论：输出U0的大小与位移的大小相关； 输出U0的方向与位移方向相关，可相差1800 但交流表只能反映输入的大小，无法辩向。 残余电压是由于结构上不对称及励磁电压中有高次谐波等问题导致。 一、概念： 差动变压器是互感传感器，是把被测位转换为传感器线圈的互感的变化量，由于常做成差动的，故称差动变压器。 二、工作原理 主要由一个线框和一个铁心组成。一次线圈一组，二次线圈两组。 一、涡流的概念 涡流—成块的金属置于变化着的磁场中或者在磁场中运动时，金属体内都要产生感应电动势形成电流，这种电流在金属体内是自己闭合的，称为涡流。其大小与（μ、ρ、ω 、δ、x）有关。 二、涡流传感器的特点 可进行非接触测量，动态响应好，灵敏度较高。主要测量位移、厚度、振动以及探伤等，应用极为广泛。 三、分类 高频反射涡流传感器 低频透射传感器 1、基本工作原理 i→Φi→ie →Φe→原线圈L变化 当传感器与被测导体靠近时，传感器的等效阻抗Z将发生明显的变化，Z可表示为： Z=R+rω2 M2 /（r2 + ω2 l 2 ） +jω[L-lω2M 2/（ r2+ω2l 2）] 3、结构及形式 主要是一个安装在框架上的线圈，线圈内可绕成一个扁平圆形粘贴于框架上；也可在框架上开一条槽，导线绕制在槽内而形成一个线、影响高频反射涡流传感器灵敏度的因素 1）并非线）被测物体形状对测量的影响（D/d3.5） 3）材质的影响 本章结束 作业 试论述差动电感传感器的特点并比较其常用的测量电路的特点。 思考：设计一个用接近开关进行测速的相关电路。 一、电容传感器的工作原理 由两平行极板组成一个电容器，若忽视其边缘效应，电容量表示为： 二、分类: 1、面积变化型:角位移型,平面线位移型,柱面线位移型。可测位移、尺寸 3、特点： 固体仪表：无可动部件 高精度： 0.25级 全天候表：-28~93 0C 品种： 9个品种 10个系列 四、特殊问题 1、加云母片提高电容传感器的灵敏度 2、电容传感器的静电力较小，是各种传感器 中需要驱动力较小的一种。 3、电容传感器的实际相对变化量与其固有电 容和频率相关。 正常的情况： 电容器变化：10-3～103 PF 相对值ΔC/C： 10-6～1 电容元件输出阻抗：108～106 Ω 电源频率：50HZ 五、电容传感器的测量电路 六、应用 1、优点： 所需动作能量低，动特性好，分辨力0.01μm， 固有频率高，损耗小，温度特性稳定，可实现非 接触测量。 2、缺点： 受寄生电容影响大，负载能力差，受潮易漂移。 3、检验测试对象： 位移（派生物理量：压力等） 改变介质可测液位、料位、含水量、非导电材料 厚度、涂层等。独特。 电容式接近开关 作业 试分析以下电路，并说出其测量特点。 第五节 涡流传感器 五、高频反射涡流传感器 U R L M r l i ie 等效电路 分析： R`——rω2 M2 /（r2 + ω2 l 2 ）反射电阻 L`——(L - lω2M 2)/（ r2+ω2l 2）反射电感 受涡流影响，电阻增加，电感变化，Q下降 可用函数式表示如下： 2、单值函数关系 震 荡 器 f 计 f-V 电压表 f x U0 石英 震荡器 放大 检波 指示 x 渗透深度与励磁电流的频率相关 六、低频透射涡流传感器 U→ i → Φi →ie →Φe→ Φ → E 下面线圈的感应电压E主要与M的厚度相关 还与U的幅值、频率以及两线圈的匝数以及相对位置相关。 ρ小，选 f 500HZ ρ大，选 f 2kHZ 七、涡流传感器的应用特点: 为非接触测量；线性度好,分辨率好; 大量程,重0.01?m-40mm;体积小,重量轻,驱动功率小; 灵敏度好,0.1-1V/mm. 利用： x 可测位移，派生量为厚度，震幅，转速，热线胀系数 钢水的液位； ρ可进行材质判别，非磁性材料； ? 可测量应力，硬度； ? ρ x综合影响可进行金属的探伤。 传感器及应用技术 应用举例：连续油管的椭圆度测量 Eddy Sensor Coiled Tube Reference Circle 涡流式 说明: (1) 连续油管； (2) 椭圆度； (3) 在线测量系统。 传感器及应用技术 第六节 电容传感器 + + + d A ? + + + + + + 特点：线性，灵敏度低， 只可测cm级。 2、介质变化型 3、极距变化型： d0 x 特点：非线性，C =f（x）是一个双曲线函数 但容抗xc =f（x）呈线性关系 可测量微米级的位移，一般d10mm， 最大位移限制在 d/10 4、1151smart智能变送器 美国Rosemount公司 工作原理：与1151电容式差压变送器相比， 测量部分不变，转换部分数字化。 优越性 1、宽量程比400：1（原6：1） 2、自动补偿：温度自动补偿 静压自动补偿 线、线性/开方输出（同一种表） 5、精度提高：可达0.1~0.2级（原0.25级） 6、可实现远程通信 可进行远程查询、测试、组态、微调（特征化） 1、在线、离线组态 通信功能 变送器 寄存器 工作寄 存器 安全寄 存器 开机 连接 采集 修改失败 修改 离线寄存器 工作寄存器 变送器寄存器 组态 3、通信协议： Hart协议，采用频移键控方式，在直流上叠加数字信号。 离线寄存器 工作寄存器 变送器寄存器 Model 268 1151smart 变送器 寄存器 1200HZ 2200HZ “1” “0” 1、桥式电路 2、差动脉冲调宽电路 3、谐振电路 2）铜电阻 适合使用的范围：-50～1500C ,精度要求不高的场合 优点： 铜的电阻与温度呈线性关系 电阻温度系数高 易提纯，价格实惠公道 缺点：机械强度不高、易氧化等, 温度范围小。 阻值与温度的函数关系为: α＝４.25～４.28×10-3 /0C 分度号: G R0=53Ω WZG型（常用铜热电阻） 3）其它金属热电阻： 铟电阻，锰电阻，碳电阻 R2 Rt R4 Rt R1 t μA t Uf Rt + - t t R 二、热敏电阻 1）分类： 直热式：由金属氧化物粉料（半导体）按一 定比例挤压成型。 旁热式：除半导体外还有金属丝绕制的加热 器。 2）特点： 非线性：R与T呈指数关系 V与I的变化不服从欧姆定律 稳定性差，一致性差（同一型号差3~5%） 灵敏度较高（可测量0.001 ～ 0.005度的微小变化） 热惯性小，结构相对比较简单，使用广泛。 本身电阻止在3～700ＫΩ, 可用于远距离测量 在-50～350度范围内, 线性度好 片式负温度系数热敏电阻 BN系列珠状NTC热敏电阻器 GN系列玻壳型NTC热敏电阻器 PN系列功率型NTC热敏电阻器 SN系列温度传感器 3）温度特性： NTC：具有负温度系数，阻值随温度上升而 下降，一般-50～3000C PTC：具有正温度系数，阻值随温度上升而 升高 NTC与PTC均有突变型与缓变型，但NTC以缓变型多， PTC以突变型多。 电阻温度系数大： NTC -2~-6%/0C PTC 1~-10%/0C 4）用途 测微弱的气温变化，点温、面温，快速温 度测量，低精度测温； 温度补偿； 温度开关； 温度控制； 稳定振幅、放大倍数、输出电压等。 热电阻的测温电路:电桥测温 R2 R3 R4 A - + U R2 R3 R4 B U A + - R1t R1t 双桥温差测量电路 R2 R3 R4 U0 U Rt R1 t R0 温度补偿 例：应变片测量的温度补偿 一、简单自感传感器 工作原理 1、结构： 由线圈、铁心 和衔铁组成。 第三节 自感传感器 2、线、线圈自感电动势： 一般导磁体的磁阻与空气隙的磁阻相比很小，可忽略。 空气隙相对截面积 空气隙厚度 可变磁阻式 自感型 -- 可变磁阻式位移传感器 d m 2 0 2 S w L = ( a) ( b ) ( c) ( d ) （ a ） 可变导磁面积型；（ b ） 差动型；（ c ） 单螺管线圈型；（ d ） 双螺管线圈差动 灵敏度 线性 行程 制造 变δ 高 差 小 难 变S 较高 好 大 较易 螺管式 低 差 大 易 二、自感传感器类型 分三个类型： 三、差动自感传感器 1、组成：由两个具有公共衔铁的完全相 同的自感传感器组成，衔铁处 于中间位置时，U0=0 2、特点：抗干扰能力强，灵敏度提高一 倍，线性好，精度及特性变好 ，电磁吸力对测量力的影响相 互抵消。 四、测量电路（L→I/V 的幅值、频率、相位的变化） 基本测量电路通常都采用交流桥路 1、一般电桥 Z1 =Z+ΔZ Z2 =Z-ΔZ U U U0 U0 四、测量电路 基本测量电路通常 都采用交流桥路 四、测量电路 基本测量电路通常 都采用交流桥路 如衔铁上移： δ1↓→ωL1↑→ Z1 =Z+ΔZ δ2↑→ωL2↓→ Z2 =Z-ΔZ 2、变压器电桥 如衔铁下移：Z1 =Z-ΔZ Z2 =Z+ΔZ 相差1800 变压器电桥简单，输出阻抗小，应用广泛。 3、相敏整流电路：既反映输入的大小，又能辩向 在中间位置时， Z = Z1 = Z2 输出为零 如衔铁上移：Z1 =Z+ΔZ Z2 =Z-ΔZ 当电源上正下负时,VR1 VR2 输出下正上负 当电源上负下正时，VR1 VR2 输出仍下正上负 所以：当衔铁上移时，输出下正上负，其大小与位移相关 同理：如衔铁下移：Z1 =Z-ΔZ Z2 =Z+ΔZ 当电源上正下负时,VR1 VR2 输出上正下负 当电源上负下正时,VR1 VR2 输出仍上正下负 所以：当衔铁下移时，输出上正下负，其大小与位 移相关。 4、特点 简单，输出功率大，精度较高，但输出与激励电源频率相关，要求有稳频电源。 5、应用 测位移。派生量：压力、流量、厚度、震动等， 量程100mm 第四节 差动变压器 P P S1 S2 P S1 P S2 (a)三段式 (b)二段式 Es2 Es1 Ep Es x -x 当铁芯在平衡位置时，U21 = U22 空载时的等效电路 中间位置时， M1 = M2 输出为零 如铁芯上移：M1 =M+ΔM M2 = M-ΔM 如铁芯下移：M1 = M-ΔM M2 =M+ΔM 与U21极性相同 与U21极性相反 三、特性 1、灵敏度： 一般大于50mV/mm/V 提高灵敏度的措施： 提高Q值，增大尺寸，长度：直径=1.2:2.0 增大铁芯直径，采用导磁率高的材料； 提高励磁电压。 2、频率特性： 激磁频率一般取：10～50KHZ， 也可在5～400KHZ内。 但频率太高引起温度及频率误差增大 频率太低引起铁损及偶合电容影响增大 矛盾：f↑→φ↑→U2↑ f↑→ωL↑→U2↓ 4、温度特性 温度误差主要受机械部分的热胀冷缩和一次线圈中的电阻的温度系数影响。 5、零点残余电压及其消除方法 零点残余电压主要由结构的不对称、和高谐波等引起。 采用相敏整流电路使输出同时反映铁芯移动的大小与方向，并大幅度减少零点残余电压。也可附加调零电路解决。 取最佳值 差动变压器的输出特性 加相敏整流的 输出特性 * 第六章 电参数传感器 一、概念： 电阻应变计是将被测量的力（压力、荷重、扭力等）通过它所产生的金属弹性变形转换成电阻变化的敏感元件。它是由电阻应变片和测量线、特点：参量类——外加物理量引起参数变化（R、L、C），属无源式。 第一节 电阻应变传感器 l b l称应变片的 标距或工作基长 b称应变片的 工作宽度 b*l称应变片的规格 丝式(wire gauge) 箔式(foil gauge) 通过光刻、腐蚀而成，散热条件好，电流密度高，灵敏度较高，可制成任意形状。 薄膜式 (film gauge) 真空蒸镀技术制成，特点同上。 对于直径为r的圆形截面电阻丝： 直径与长度的关系系数：泊松系数 太小，可忽略 μ=0.3～0.5 K =1.6 ～ 2 ε =10-6 ～ 10-3 ∴ 五、电阻应变传感器的测量电路 1、电桥的特点：当四个桥臂电阻达到某一关系时，电桥输出为零，可测微小的电阻变化，灵敏度和准确度均高。下面为直流电桥。 U0 平衡时： 测量前应调零，使输出值只与电阻的应变相关 R1 R2 R3 R4 A B C D U 电桥的特点（P81） ： 电桥平衡条件：仅由桥臂各参数之间的关系确定，与电源电压及指零器内阻无关。 平衡电桥各臂灵敏度相等 当R1 = R2 = R3 = R4时电桥灵敏度最大 R1 Rx R3 A B C D U U0 QJ23简图 QJ23电阻测量范围： 1～106Ω 准确度：0.2级（在100～9999Ω内） 测量1～10-5Ω小电阻应用双电桥。 2、工作原理： 条件： 电桥负载电阻无穷大，ΔRi Ri 有： 1）单臂电桥： R1为应变片并且 R1 = R2 = R3 = R4 则： 应变前相等 2）双臂电桥： 静态时： R1 = R2 = R3 = R4 R1为拉应变片 R2 为压应变片 则： 灵敏度为单臂电桥的2倍 精度高 线 A B C D U U0 3）全桥情况： R1 = R2 = R3 = R4 均为应变片 ΔRi / Ri =Kεi 则： 灵敏度为单臂电桥的4倍 精度高 线 A B C D U U0 结论： 差动电桥灵敏度较高，可克服非线性误差，并有温度补偿作用（同向误差抵消）。 电桥灵敏度正比于电桥供电电压，但提高电压受到应变片允许功率的限制。采用高内阻的恒流源供电电桥可减少非线 直流电桥的调零 六、半导体应变片 1、压阻效应： 对半导体的某一轴向施加一定的载荷而产生应变力时，其电阻率会发生一定的变化。 2、压阻效应的大小用压阻系数来表示： 纵向所受应力 横向压阻系数 纵向压阻系数 横向所受应力 电阻率的相对变化率 若只沿其纵向受到应力，令 则 半导体材料的弹性系数 纵向的应变 其中第一、二项是几何形状变化对电阻的影响，其值约为1~2；第三项为压阻效应的影响，其值约为第一、二项的50~70倍。 3、特点： 灵敏系数高，可测微小应变，机械迟滞和横向效应小，体积小。 但温度稳定性差，灵敏系数非线性大，需补偿 七、应用方法 方法一：将电阻应变片直接贴在被测点 上，用专门的电阻应变仪测出 该点的应变。 方法二：将其贴在弹性元件上，弹性元 件在被测物理量作用下变形应 变片作为传感元件将应变转换 为电阻的变化。 被测量（力）→受力结构的应变→电阻的变化率 最终电阻变化率与受力结构相关（形状、尺寸、材料、热处理、加工厚度、角度） 误差分析： 1、横向效应 横向缩短作用引起的电阻值的减小对于轴向伸长作用引起的电阻值的增加量起着抵消的作用，它使所测应变数值偏小，或说使应变片灵敏系数减小。弯曲半径越大，横向效应也越大。 通过改变电阻丝排列的形状可减小之。 2、温度影响：由于环境和温度改变引起电阻值变化 1） 由电阻丝温度系数α引起； 2） 由电阻丝与被测件材料的线的 不同引起的。 当气温变化Δt, 应变片电阻的增量ΔRt可用下式表示： ΔRt=RοαΔt+RοK(α1- α2)Δt = Rο[α+K(α1- α2]Δt 令 αt= α+K(α1- α2) 则： ΔRt= RοαtΔt 1）热敏电阻补偿（串联弹性模量补偿电阻器降低电桥输出电压） T↑ → K↓→U0 `↓ →U0 ↓ → Rt↓→U0 ↑ 2)工作片：承受应力 补偿片：不受应力 U0不变 R3 R4 U0 U R1 R0 Rt R2 R1 R2 R3 R4 A B C D U U0 补偿片 工作片 温度补偿 2. 蠕变自补偿： ??? 因其材料的滞弹性效应而存在固有微蠕变特性： 基底存在粘弹性 贴片用粘结剂存在粘弹性 敏感栅材料滞弹性效应 迭加后的结果是呈现或正或负的蠕变特性 补偿方法： 通过改变敏感栅结构设计、调整基底材料配比及关键工艺参数。 选择蠕变与弹性体固有蠕变数值相等但方向相反的应变计 3.弹性模量自补偿： ??? 材料的弹性模量一般随着环境和温度的升高而下降 根据虎克定律：ε=δ/E，随着温度的升高构件的变形量将增大，因而应变计所测量的应变ε也随之增加。 补偿原理：根据R/R=Kε，如果应变计的灵敏系数K能随温度上升而适当降低，则应变计的输出不随温度改变。 ??? 补偿方法：将弹性模量与弹性体材料良好匹配。则传感器温度灵敏度漂移可优于0.001%F.S。 补偿特点：精度、灵敏高、稳定性高、简单、价廉。 问题：应变计热输出值较大，致使传感器输出电阻温度系数超差，零点温度漂移较大。应兼顾温度自补偿与弹性模量。 另外须注意的事项：应变极限，疲劳寿命，绝缘电阻，最大电流。 分类 应变计 金属应变计 压电二极管,压电晶体管 半导体应变计 丝 式 箔 式 薄膜式 薄模型 体 型 扩散型 一、金属热电阻（热电阻） 1、材料：要求有大的、稳定的温度系数，ρ 大，线性好，稳定性很高，便于生产 （铜、铂、镍）。 2、特点：测温精度较高，范围广（-200～600 0 C），稳定性、重复性好。但热 惯性大，灵敏度低。 3、结构：热电阻是由电阻体、绝缘套管和接 线盒等主要部件组成的，电阻丝是 热电阻的 最主要部分。 4、特点 1）铂电阻 阻值与温度的函数关系为: 其中：A, B, C 为常数 特点：精度高、稳定性高、性能可靠。 测温范围广。 我国分度： R0 = 46Ω BA1 R0 =100Ω BA2 R100 / R0 = 1.391 结构：用很细的铂丝绕在云母片制成的平 板性支架上，铂丝绕组的出线端与 银丝引出线相焊，并穿上瓷套管加 以绝缘和保护。 微型铂电阻: 特点是体积小，热惯性小气 密性好 * * *
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