电压型传感器课件.ppt
- 【下载声明】
1. 本站全部试题类文档,若标题没写含答案,则无答案;标题注明含答案的文档,主观题也可能无答案。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
2. 本站全部PPT文档均不含视频和音频,PPT中出现的音频或视频标识(或文字)仅表示流程,实际无音频或视频文件。请谨慎下单,一旦售出,不予退换。
3. 本页资料《电压型传感器课件.ppt》由用户(三亚风情)主动上传,其收益全归该用户。163文库仅提供信息存储空间,仅对该用户上传内容的表现方式做保护处理,对上传内容本身不做任何修改或编辑。 若此文所含内容侵犯了您的版权或隐私,请立即通知163文库(点击联系客服),我们立即给予删除!
4. 请根据预览情况,自愿下载本文。本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。
5. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007及以上版本和PDF阅读器,压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 电压 传感器 课件
- 资源描述:
-
1、第5章 电压型传感器基本要求:基本要求:了解电压型传感器的常见类型 理解常见电压型传感器的基本工作原理 掌握常见电压型传感器的测量电路主要内容 5.1磁电式传感器 5.2压电式传感器 5.3热电偶传感器 5.4光电传感器 5.5霍尔传感器霍尔传感器 5.1 磁电式传感器通过电磁感应原理将被测量(如振动、转速、扭矩)转换成电势信号。利用导体和磁场发生相对运动而在导体两端输出感应电势;属于机-电能量变换型传感器优点:不需要供电电源,电路简单,性能稳定,输出阻抗小一、基本原理一、基本原理 磁电式传感器是基于电磁感应原理的传感器。根据电磁感应定律可得:即回路中产生的感应电势与磁通量对时间的变化律成正比
2、 deNdt 二、基本组成二、基本组成 1磁路系统产生恒定直流磁场,一般用永久磁铁 2线圈产生感应电压 3运动机构感受被测运动 三、结构类型三、结构类型 1.1.变磁通式结构变磁通式结构:线圈和磁铁部分都是静止的,与被测物连接而运线圈和磁铁部分都是静止的,与被测物连接而运动的部分是用导磁材料制成的,在运动中,它们动的部分是用导磁材料制成的,在运动中,它们改变磁路的磁阻,因而改变贯穿线圈的磁通量,改变磁路的磁阻,因而改变贯穿线圈的磁通量,在线圈中产生感应电动势。在线圈中产生感应电动势。(a)铁芯平移型铁芯平移型 e与 成正比 ddt这种结构可做成测线速度()()()Mdx tdtdRdv ted
3、tdtdtdt(b)(b)铁心旋转型铁心旋转型 cos2eANBt 这种结构可做成测角速度三、结构类型三、结构类型2 2 恒磁通结构恒磁通结构:工作气隙中的磁通恒定,感应电动势是由于永工作气隙中的磁通恒定,感应电动势是由于永久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力久磁铁与线圈之间有相对运动线圈切割磁力线产生。线产生。分为分为:动铁式和动圈式:动铁式和动圈式动铁式动铁式动动圈圈式式基本原理基本原理如果在线圈运动部分的磁场强度如果在线圈运动部分的磁场强度B是均匀的,是均匀的,则当线圈与磁场的相对速度为则当线圈与磁场的相对速度为时,线圈的感应电动势:时,线圈的感应电动势:sinaNBlE 为运动方向与
4、磁场方向间夹角,当为运动方向与磁场方向间夹角,当90,线圈的感应电,线圈的感应电动势为:动势为:aNBlE 当当N、B和和la恒定不变时,恒定不变时,E与与=dx/dt成正比,成正比,根据感应电动势根据感应电动势E的大小就可以知道被测速度的大小。的大小就可以知道被测速度的大小。四、测量电路四、测量电路 磁电式传感器直接输出感应电势,常具有较磁电式传感器直接输出感应电势,常具有较高灵敏度,一般不需要高增益放大器。高灵敏度,一般不需要高增益放大器。但磁电式传感器是速度传感器,若要获取被但磁电式传感器是速度传感器,若要获取被测位移或加速度信号,则要配用积分或微分测位移或加速度信号,则要配用积分或微分
5、电路。电路。5.2 压电式传感器原理原理材料受力变形时材料受力变形时,表面产生电荷,实现非电量测量;表面产生电荷,实现非电量测量;特点特点体积小、重量轻、工作频带宽等;体积小、重量轻、工作频带宽等;应用应用动态力、动态力、机械冲击、振动声学、机械冲击、振动声学、医学、宇航。医学、宇航。二、压电效应表达式二、压电效应表达式 iijjdTi面上产生的电荷密度 ij方向的外加应力jTj方向应力引起i面产生电荷时的压电常数 ijd压电常数矩阵 111213141516212223242526313233343536ijddddddddddddddddddd2/iC m TjPa 牛顿/米2 211/P
6、aN mC/N 库仑/牛顿 ijd11d22d33d12d13d21d23d31d32d14d25d36d15d16d24d26d34d35d121111213141516322122232425264331323334353656TTddddddTddddddTddddddTT三、力三、力电荷转换公式电荷转换公式/jjjTFS/iiiQSiijjdTiiijjjSQdFS灵敏度为常数压电材料具有压电效应的电介质,包括石英晶体和压电陶瓷。1.1.石英晶体石英晶体 单晶结构,结晶形状为六角晶柱,是一个正六面体。纵轴线z光轴穿过棱线且垂直z轴的x轴电轴(压电效应最强)垂直棱面的y轴力轴(机械轴)(
7、机械形变最明显)111114141100000002000000ijdddddd石英晶体的压电常数:x方向存在纵向压电效应 ,横向压电效应 和面切向压电效应 。11d1211dd 14dy方向有面切压电效应 和剪切压电效 若 改变受力方向,表面极性也相应改变;2514dd 26112dd z方向表面不产生电荷。石英晶体的特点 天然晶体,压电系数d112.311012C/N;莫氏硬度为7、熔点为1750、膨胀系数仅为钢的1/30。优点:转换效率和转换精度高、线性范围宽、重复性好、固有频率高、动态特性好、工作温度高达550(压电系数不随温度而改变,稳定性好。2.2.压电陶瓷压电陶瓷 多晶体压电材料
8、,压电系数高,灵敏度较石英材料高,但工作温度低,温度稳定性和机械强度都不如石英。原始压电陶瓷材料没有压电性,极化后具有压电性。15153131330000000000000ijdddddd压电常数为:钛酸钡常见压电陶瓷:(1)钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷 具有较高的压电系数和介电常数,机械强度不如石英。(2)锆钛酸铅Pb(ZrTi)O3系压电陶瓷(PZT)压电系数较高,各项机电参数随温度、时间等外界条件的 变化小。(3)铌镁酸铅Pb(MgNb)O3-PbTiO3-PbZrO3压电陶瓷(PMN)具有较高的压电系数,在压力大至700kg/cm2仍能继续工 作,可作为高温下的力传感器。(1)被测量
9、直接转换为电荷输出;(2)适用于动态测量:电荷只在无泄漏情况下保存,需要测量回路输入阻抗无限大,不适于静态测量。交变力作用下,电荷不断补充,供给回路一定的电流;(3)必须有一定的预应力。0rSCh 晶片相对介电常数;真空介电常数;S 工作面面积;h晶片厚度 r0不同于普通电容器,力消失,电荷消失两种等效电路:注意:不受外力,压电元件只等效为一个电容器注意:不受外力,压电元件只等效为一个电容器Ca。eCnCeQnQeUU/eCC neQQeUnU适合电荷输出,低频信号适合电压输出,高频信号 前置放大器的作用 阻抗变换作用:高阻抗低阻抗放大传感器输出的微弱信号 前置放大器电压放大器电荷放大器实际等
10、效电路:为连接电缆,为放大器输入电阻,为输入电容,为压电传感器泄露电阻,Ca为压电元件的电容。.CCiRiCaRciCCCaiiaR RRRRciCCCaiiaR RRRR在压电元件上的力为正弦变化的力 ,有 FsinmFFt压电元件产生电荷:sinsinmmmQdFdFtQtQd压电元件输出电荷的幅值压电系数1iaj RUdFj R CC001iaUK UUjRKFjRCC01awR CC令001/UjRKFj由一个反馈电容 和高增益运算放大器构成。略去 和 并联电阻。运算放大器输入阻抗极高,放大器输入端几乎没有分流。fCaRiR484110 10,1100 10ocffoaciffacio
11、ffqUUCAqUCCCA CAA CCCCqUCCpF 实理电荷放大器实际的输出电压为:通常若满足一般与电缆电容无关0100%(1)ffCCUUUCA C理 0实理 0 2 2 交通监测交通监测 将高分子压电电缆埋在公路上,可以获取车型分类信息(包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎)、车速监测、收费站地磅、停车区域监控、交通数据信息采集(道路监控)及机场滑行道等。高分子压电电缆的应用演示高分子压电电缆的应用演示 将两根高分子压电电缆相距若干米,平行埋设于柏油公路的路面下约5cm,可以用来测量车速及汽车的载重量,并根据存储在计算机内部的档案数据,判定汽车的车型。3 玻璃破碎报警玻璃破碎报警将高分子压
12、电测振薄膜粘贴在玻璃上,可以感受到玻璃破碎时会发出振动,并将电压信号传送给集中报警系统。粘贴粘贴位置位置使用时,用瞬干胶将其使用时,用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间,压遭暴力打碎的瞬间,压电薄膜感受到剧烈振动,电薄膜感受到剧烈振动,表面产生电荷表面产生电荷Q Q ,在两,在两个输出引脚之间产生窄个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。脉冲报警信号。4.5r12112.31 10/dC N5.3热电偶型传感器热电偶型传感器特点特点:结构简单,制造容易,使用方便结构简单,制造容易,使用方便。测量时,可以不要测量时,可以不要外加电源;外加电源;测温范围广测温范围广,-2
13、69T1800。测量精确度较高;测量精确度较高;便于远距离测量、自动记录及多点测量。便于远距离测量、自动记录及多点测量。热电效应热电效应两种不同的金属导体两种不同的金属导体A、B串接成一个闭串接成一个闭合回路合回路。当两个结点处于不同温度时,导体在回路中产当两个结点处于不同温度时,导体在回路中产生热电势和相应的热电流生热电势和相应的热电流。热端热端(工作(工作端端)通常通常用于对被测介质温度测量用于对被测介质温度测量;冷端冷端(参考端)(参考端)通常保持为某一恒定温度或室温通常保持为某一恒定温度或室温;热电势热电势 0(,)ABET TBAABNNekTTeln)(k k 玻耳兹曼常数;玻耳兹
14、曼常数;T T 接触面的绝对温度;接触面的绝对温度;e e 单位电荷量;单位电荷量;N NA A金属电极金属电极A A的自由电子密度的自由电子密度N NB B金属电极金属电极B B的自由电子密度的自由电子密度接触电势接触电势一、热电势的产生一、热电势的产生1 两种导体的接触电势两种导体的接触电势2 2 单一导体的温差电势单一导体的温差电势TTAdTTTe0),(0:汤姆逊系数,温度为汤姆逊系数,温度为1时所产生的电动势值,与材料的性质有时所产生的电动势值,与材料的性质有关。关。温差电势温差电势(汤姆逊电势)(汤姆逊电势)3 3 热电偶回路的总热电势热电偶回路的总热电势 TTBABABAABAB
15、BABAABABdt)(NNln)TT(ek)T,T(e)T,T(e)T(e)T(e)T,T(e)T(e)T,T(e)T(e)T,T(E000000000温度温度T,T0函数函数MABCT0T123MCABBT0T1T1234),(),(),(00TTETTETTTEnCDnABnABCDT0TnTnTABCD),(),(),(00TTETTETTTEnCDnABnABCD),(),(),(00TTETTETTTEnABnABnAB),(),(),(00TTETTETTEnABABnABCTCTn。,其中,000BAABCC0TT标准电极:铂标准电极:铂),(0TTEAB),(),(00TTE
16、TTEBCACmVEmVEBCAC354.8)0,5.1084(,967.13)0,5.1084(?)0,5.1084(ABE)(613.5354.8967.13)0,5.1084(mVEAB5.3.2 热电偶的材料、型号及结构热电偶的材料、型号及结构一、热电偶材料一、热电偶材料要求:求:(1 1)热电性质稳定,物理化学性能稳定;)热电性质稳定,物理化学性能稳定;(2 2)导电率高,电阻温度系数小;)导电率高,电阻温度系数小;(3 3)热电势随温度的变化率大,且接近常数;)热电势随温度的变化率大,且接近常数;(4 4)机械强度高,复制性好,复制工艺简单,价格便宜。)机械强度高,复制性好,复制工
17、艺简单,价格便宜。二二 标准化热电偶标准化热电偶 标准化热电偶:标准化热电偶:工艺上比较成熟,能批量生产、性工艺上比较成熟,能批量生产、性能稳定、应用广泛,具有统一分度表并已列入国际能稳定、应用广泛,具有统一分度表并已列入国际和国家标准文件中的热电偶。和国家标准文件中的热电偶。标准化热电偶可以互相交换,精度有一定的保证。标准化热电偶可以互相交换,精度有一定的保证。IEC共推荐了共推荐了8种标准化热电偶种标准化热电偶;100时的热电动势标准化热电偶热电势和温度的关系标准化热电偶热电势和温度的关系 三三 热电偶的结构热电偶的结构1普通装配型热电偶的外形普通装配型热电偶的外形安装螺纹安装螺纹安装法兰
18、安装法兰普通装配型热电普通装配型热电偶的结构放大图偶的结构放大图 接线盒接线盒引出线套管引出线套管 固定螺纹(出厂时用固定螺纹(出厂时用塑料包裹)塑料包裹)热电偶工作端(热端)热电偶工作端(热端)不锈钢保护管不锈钢保护管 2 铠装热电偶铠装热电偶铠装型热电偶可铠装型热电偶可 长达上百米长达上百米薄壁金属薄壁金属 保护保护套管(铠体)套管(铠体)BA绝缘绝缘 材料材料法兰3 3 其他其他热电偶外形热电偶外形小形小形K K型热电偶型热电偶5.3.3 热电偶测温热电偶测温一、测温的原理与方法一、测温的原理与方法 00(,)()TA BET TfT恒 定单值函数单值函数 查表法(仪表按电压刻度)查表法
19、(仪表按电压刻度)直读(仪表按分度表刻度)直读(仪表按分度表刻度)T0=0仪表直接读出仪表直接读出T值值二、二、热电偶的冷端处理热电偶的冷端处理 A,B热电偶热电偶 AB补偿导线补偿导线 C仪表连线仪表连线 00(,)(,)nABnABET TET T000(,)(,)(,)(,)(,)ABABnA BnABnABnET TET TET TET TET T 3 3、冷端温度波动的自动补偿、冷端温度波动的自动补偿电桥补偿法电桥补偿法 补偿条件:1)时,0nTT0abU2)时,0nTT0(,)abABnUET T补偿结果:000(,)(,)(,)(,)ABnabABnABnABUET TUET T
20、ET TET T5.3.3 热电偶的测量电路热电偶的测量电路1nGiiEEnE二、测量平均温度二、测量平均温度123123()3EEEEK TTTKT12312333EEETTTEKKT三、三、热电偶测温差电路热电偶测温差电路 例例:用镍铬一镍硅热电偶测炉温时,其冷端温度用镍铬一镍硅热电偶测炉温时,其冷端温度to30,在,在直流电位差计上测得的电动势直流电位差计上测得的电动势EAB(t,30)=38500mV,求炉温,求炉温为多少为多少?镍铬一镍硅热电偶分度表(自由端温度为镍铬一镍硅热电偶分度表(自由端温度为0 )解:查镍铬一镍硅热电偶K分度表得:(30,0)1.203ABEmV根据中间温度定
展开阅读全文