2传感器及其测量电路解析.ppt

2 传感器及其测量电路 工程中各种传感器 2.1 概 述 传感器(sensor/transducer)定义： 能感受规定的被测量并按照一定规律转换成可输出电信号的器件或装置。它担负着获取信号和转换信号的任务 在矿业工程中测试中大多数属于非电量电测法，在这里传感器的任务是将待测的非电量转换成电量 测试一般过程 选择传感器类型--根据被测对象的性质、环境特点及对测量精度的要求 选择电测线路(二次仪表) 传感器的设计和标定 2.1.1 传感器构成 传感器主要由两部分构成(结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变) 弹性元件(敏感元件sensing element) 由弹性材料做成，它直接感受被测非电量，实现各种非电量之间的转换，如把力、压力、位移、加速度、温度等变换成应变量或位移量等 变换元件（transduction element） 其作用是把弹性元件输出量(如应变量或位移量)转换成电学量 如电阻应变片把应变转换成电阻 差动变压器把位移转换成电压等 2.1.2 传感器分类 1. 按传感器用途分类 按被测物理量来分类的，它能明显体现传感器的功能 如位移传感器、速度传感器、加速度传感器、力传感器、温度传感器、气敏传感器、流量传感器等 特点：便于使用者根据测试物理量选择传感器 问题：种类繁多 2. 按工作原理分类 按传感器工作原理来分类 （变换元件） 如电阻式、电容式、电感式、压电式、磁电式、光电式传感器 特点：每一种都有相同的工作原理，其后接变换电路二次仪表也基本相同，对研究和学习都很方便 问题：使用不方便 2.1.3 传感器性能要求 把传感器看作是一个系统 传递性能—静态特性、动态特性 精度和误差 信噪比 稳定性 抗干扰能力 2.2 电阻式传感器 电阻式传感器是把被测量的变化转换为电阻变化的一种传感器 按工作的原理可分为:变阻式、电阻应变式、热敏式、光敏式 2.2.1 电阻应变式传感器构造和工作原理 电阻应变式传感器组成 由电阻应变片、弹性元件等部分组成，其核心元件是电阻应变片—半导体、金属应变片 金属电阻应变片结构 由敏感栅1、基底3、粘结剂5、覆盖层4、引线2等组成 金属应变片构造和电阻丝变形图 金属应变片工作原理 电阻应变片工作原理是基于金属导体的应变电阻效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着所受机械变形(伸长或缩短)的变化而发生变化象 设电阻丝长为L，面积为S，电阻率r，则电阻R 金属应变片工作原理 电阻相对变化率与电阻丝体积变化率存在线性关系 金属应变片工作原理 Ks—电阻丝的灵敏系数，它表示电阻丝电阻变化率随应变变化的敏感程度 电阻丝材料为康铜、镍合金丝，直径0.025mm， 箔式应变片箔片厚度1~10微米 灵敏系数取决于两个因素： 几何变形和材料电阻率变化(压阻效应) 半导体应变片工作原理 金属应变片与半导体应变片比较 金属应变片 应变片灵敏系数K 应变片是根据应变电阻效应原理制造出来。它的输入量为机械应变，输出量为电学量(电阻) 应变片灵敏系数与单根电阻丝灵敏系数不同 应变片灵敏系数K定义为 2.2.2 测量电路 原因： 电阻应变片把力学量(应变)的变化转换成电阻的变化 但是，一般电阻变化是很小的，不易直接测量 电阻应变片测量电路: 常用的测量电路是电桥电路 作用： 把电阻(电感、电容)的变化转换成电压或电流的变化 分类： 按供给电桥电源不同，电桥电路分为直流电桥和交流电桥 2.2.2.1 直流电桥 由四个支路组成的电路 放大器的输入内阻很高，电桥输出端相当于开路 直流电桥输出 直流电桥输出端接电阻应变仪放大器时，输出为电压，故又称电压电桥 输出端开路时电桥的输出电压为a点和b点的电位差 电桥平衡条件和输出 即电桥平衡时相对桥臂电阻的乘积相等。 当桥臂1电阻产生 时，电桥失去平衡，此时电桥输出电压为 应变片在电桥中连接方法 应变片在电桥中连接方法 三种方法—单臂接法、半桥接法、全桥接法 全等臂电桥 实际应用中大多采用等臂电桥，即有R1=R2=R3=R4=R 设工作应变片产生应变后电阻增量 ， 则有 2.2.2.2 交流电桥 为什么用交流电桥 采用高稳定性直流电流放大器，复杂且昂贵，测量电路多用交流电桥和放大器 交流电桥不仅在应变测量中得到