第三章-压力检测课件

第三章第三章 压力及力的检测压力及力的检测第一节第一节 压力的概念及单位压力的概念及单位绝对压力绝对压力表压力表压力负压力负压力真空度真空度第二节第二节应变式压力计应变式压力计一一 应变效应应变效应 导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机导体或半导体材料在外界力的作用下，会产生机械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称械变形，其电阻值也将随着发生变化，这种现象称为应变效应。为应变效应。由电工学可知，设有一长度为由电工学可知，设有一长度为l、截面积为、截面积为a、半径、半径为为r、电阻率为、电阻率为 的金属单丝工作原理的金属单丝工作原理:金属丝受拉时，金属丝受拉时，l变长、变长、r变小，导致变小，导致R变大变大。应变片用于测量力应变片用于测量力F F的的计算公式计算公式由由材材料料力力学学可可知知，x=F/（AE），所所以以 R/R又又可表示可表示为 如果应变片的灵敏度如果应变片的灵敏度K 和试件的横截面积和试件的横截面积A以及弹以及弹性模量性模量均为已知，则只要设法测出均为已知，则只要设法测出 R/R的数值，即的数值，即可获知试件受力可获知试件受力的大小的大小传感器与自动检测技术 二、结构类型与粘贴二、结构类型与粘贴金属应变片金属应变片半导体应变片半导体应变片金属丝式金属丝式箔式箔式薄膜式薄膜式1、结构类型、结构类型传感器与自动检测技术 lbl称应变片的称应变片的标距或工作基长标距或工作基长b称应变片的称应变片的工作宽度工作宽度b*l称应变片的规格称应变片的规格（1）金属丝式）金属丝式传感器与自动检测技术 金属金属丝式丝式应变应变片的片的内部内部结构结构传感器与自动检测技术（2）箔式箔式通过光刻、腐蚀通过光刻、腐蚀而成，散热条件好，电而成，散热条件好，电流密度高，灵敏度高，流密度高，灵敏度高，可制成任意形状。可制成任意形状。传感器与自动检测技术 传感器与自动检测技术（3）薄膜式）薄膜式真空蒸镀技术制成，特点同上。真空蒸镀技术制成，特点同上。传感器与自动检测技术 应变片粘贴演示应变片粘贴演示2、应变片的粘贴、应变片的粘贴1.应变片的检查与选择应变片的检查与选择2.试件的表面处理试件的表面处理3.底层处理底层处理4.贴片贴片5.固化固化6.粘贴质量检查粘贴质量检查7.引线焊接与组桥连线引线焊接与组桥连线步骤：步骤：传感器与自动检测技术 金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量金属应变片的电阻变化范围很小，如果直接用欧姆表测量其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。其电阻值的变化将十分困难，且误差很大。三、测量转换电路三、测量转换电路例，例，有一金属箔式应变片，标称阻值有一金属箔式应变片，标称阻值R0为为100，灵敏度，灵敏度K=2，粘贴在横截面积为粘贴在横截面积为9.8mm2的钢质圆柱体上，钢的弹性模量的钢质圆柱体上，钢的弹性模量E=2 1011N/m2，所受拉力，所受拉力F=19600N，求受拉后应变片的阻值，求受拉后应变片的阻值R.所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。所以必须使用不平衡电桥来测量这一微小的变化量。存在问题解决方案传感器与自动检测技术 取取R1=R2=R3=R4R1=R2=R3=R4得得传感器与自动检测技术 2、双臂电桥双臂电桥 R1、R2为应变为应变片，片，R3、R4为固定电为固定电阻阻。应变。应变片片R1、R2感感受到的应变受到的应变 1 2以及以及产生的电阻增量正负产生的电阻增量正负号相间，可以使输出号相间，可以使输出电压电压Uo成倍地增大。成倍地增大。传感器与自动检测技术 全桥的四个桥臂都为应全桥的四个桥臂都为应变片，如果设法使试件受变片，如果设法使试件受力后，应变片力后，应变片R1R4产生产生的电阻增量（或感受到的的电阻增量（或感受到的应变应变 1 4）正负号相间，）正负号相间，就可以使输出电压就可以使输出电压Uo成倍成倍地增大。地增大。结论结论:上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的上述三种工作方式中，全桥四臂工作方式的灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏灵敏度最高，双臂半桥次之，单臂半桥灵敏度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现度最低。采用全桥（或双臂半桥）还能实现温度自补偿。温度自补偿。传感器与自动检测技术 传感器与自动检测技术 四、温度补偿四、温度补偿1、补偿块补偿法、补偿块补偿法R1试件受力后试件受力后应变片应变片R1产生的电阻增量；产生的电阻增量；R1t、R2t由温由温度变化引起的度变化引起的R1、R2的电阻增的电阻增量。量。补偿块温度补偿示意图补偿块温度补偿示意图1试件试件2补偿块补偿块传感器与自动检测技术 当环境温度升高当环境温度升高时，桥臂上的应变片时，桥臂上的应变片温度同时升高，温度温度同时升高，温度引起的电阻值漂移数引起的电阻值漂移数值一致，可以相互抵值一致，可以相互抵消，所以全桥的温漂消，所以全桥的温漂较小；半桥也同样能较小；半桥也同样能克服温漂。克服温漂。2、桥路自补偿法、桥路自补偿法五五、应变效应的应用、应变效应的应用 2、将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪、将应变片贴于被测试件上，然后将其接到应变仪上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。上就可直接从应变仪上读取被测试件的应变量。应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、应变效应的应用十分广泛。它可以测量应变应力、弯矩、扭矩、加速度、位移等物理量。扭矩、加速度、位移等物理量。电阻应变片的应用可分为两大类：电阻应变片的应用可分为两大类：1、将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转、将应变片粘贴于某些弹性体上，并将其接到测量转换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。换电路，这样就构成测量各种物理量的专用应变式传感器。传感器与自动检测技术 1、应变式压力传感器、应变式压力传感器(1)弹性粱式弹性粱式(波纹管波纹管)国产BPR-2型压力传感器结构示意图(2)应变筒式应变筒式传感器与自动检测技术 低压进气口低压进气口绝对压力传感器绝对压力传感器传感器与自动检测技术 p1进气管进气管p2进气管进气管固态压力传固态压力传感器感器传感器与自动检测技术 p1进气管进气管传感器与自动检测技术 2、应变式力传感器、应变式力传感器传感器与自动检测技术 称重计称重计传感器与自动检测技术 FFFF传感器与自动检测技术 传感器与自动检测技术 FF固定点固定点固定点固定点电缆电缆传感器与自动检测技术 传感器与自动检测技术 作作业1 1如如图所示，已知两个所示，已知两个热电偶串偶串联，热端所端所处的温度分的温度分别为t1t1和和t2t2，冷端所，冷端所处的温度的温度为tntn，已知，已知t1=150t1=1500 0C C，tn=20tn=200 0C C，毫伏表，毫伏表测得的得的电压为30mV30mV。求。求t2t2的温度。附相关分度表：的温度。附相关分度表：A1B2mAA2B1t1t2Tn冷端冷端（0 0C C）热端端（0 0C C）电动势（mVmV）0 020200.7980.7980 01301305.3285.3280 01501506.1386.1380 01701706.9416.9410 01901907.7397.7390 058058024.05524.0550 061061025.33025.3300 072072029.96529.9652两枚规格完全相同的金属应变片两枚规格完全相同的金属应变片R1和和R2，电阻为电阻为120，灵敏系数，灵敏系数K0=2，两枚应变片一，两枚应变片一枚感应拉力一枚感应压力，应变大小均为枚感应拉力一枚感应压力，应变大小均为1000，测量转换电路采用直流电桥的双臂，测量转换电路采用直流电桥的双臂半桥工作方式，电桥电源电压半桥工作方式，电桥电源电压U=6V，求：，求：(1)画出该电桥电路图；画出该电桥电路图；(2)求电桥输出电压求电桥输出电压UO。特点特点:1、压压电电式式传传感感器器是是一一种种自自发发电电式式传传感感器器。它它以以某某些些电电介介质质的的压压电电效效应应为为基基础础，在在外外力力作作用用下下，在在电电介介质质表表面面产产生生电电荷荷，从而实现非电量电测的目的。从而实现非电量电测的目的。2、压压电电传传感感元元件件是是力力敏敏感感元元件件，它它可可以以测测量量最最终终能能变变换换为为力力的的那那些些非非电电物物理理量量，例例如如动动态态力力、动动态态压压力力、振振动动加加速速度度等，但不能用于静态参数的测量。等，但不能用于静态参数的测量。3、压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比压电式传感器具有体积小、质量轻、频响高、信噪比大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳大等特点。由于它没有运动部件，因此结构坚固、可靠性、稳定性高。定性高。第三节第三节 压电式压力及力传感器压电式压力及力传感器一、基本工作原理一、基本工作原理1压电效应压电效应 某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生变形时，内部会产生极化现象，同时在其表面产生电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这电荷。当外力去掉后，又重新回到不带电状态，这种现象称为压电效应。种现象称为压电效应。若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就若在电介质的极化方向上施加交变电压，它就会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变会产生机械变形。当去掉外加电场时，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩形随之消失，这种现象称为逆压电效应（电致伸缩效应）效应）2.逆压电效应逆压电效应二、压电材料的分类及特性二、压电材料的分类及特性压电传感器中的压电元件材料一般有三压电传感器中的压电元件材料一般有三类：类：一类是压电晶体（如上述的石英体）；一类是压电晶体（如上述的石英体）；另一类是另一类是经过极化处理的经过极化处理的压电陶瓷；第三类压电陶瓷；第三类是高分子压电材料。是高分子压电材料。1 1、石英晶体石英晶体天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形天然形成的石英晶体外形（续）天然形成的石英晶体外形（续）石英晶体切片及封装石英晶体切片及封装石英晶体薄片石英晶体薄片双面镀银并封装双面镀银并封装2、压电陶瓷、压电陶瓷压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石压电陶瓷是人工制造的多晶压电材料，它比石英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，英晶体的压电灵敏度高得多，而制造成本却较低，因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压因此目前国内外生产的压电元件绝大多数都采用压电陶瓷电陶瓷。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电。常用的压电陶瓷材料有锆钛酸铅系列压电陶瓷（陶瓷（PZT）及及非铅系压电陶瓷非铅系压电陶瓷（如（如BaTiO3等）。等）。压电陶瓷外形压电陶瓷外形3、高分子压电材料高分子压电材料典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（典型的高分子压电材料有聚偏二氟乙烯（PVF2或或PVDF）、）、聚氟乙烯（聚氟乙烯（PVF）、）、改性聚氯乙烯（改性聚氯乙烯（PVC）等。等。它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套它是一种柔软的压电材料，可根据需要制成薄膜或电缆套管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，管等形状。它不易破碎，具有防水性，可以大量连续拉制，制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较制成较大面积或较长的尺度，价格便宜，频率响应范围较宽，测量动态范围可达宽，测量动态范围可达80dB。高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电材料制作的压电薄膜和电缆高分子压电薄膜及拉制高分子压电薄膜及拉制可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板可用于波形分析及报警的高分子压电踏脚板压电式脚踏报警器压电式脚踏报警器高分子压电薄膜制作的压电喇叭高分子压电薄膜制作的压电喇叭（逆压电效应（逆压电效应）三、压力传感器的测量转换电路三、压力传感器的测量转换电路 1压电元件的等效电路压电元件的等效电路a为电荷等效电路为电荷等效电路 b为电压等效电路为电压等效电路 由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏由于外力作用在压电元件上产生的电荷只有在无泄漏的情况下才能保存，即需要转换电路具有无限大的输入阻的情况下才能保存，即需要转换电路具有无限大的输入阻抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静抗，这实际上是不可能的，因此压电式传感器不能用于静态测量。态测量。注意 2测量转换电路测量转换电路 由于电压前置放大器中的输出电压与电缆电容有关，由于电压前置放大器中的输出电压与电缆电容有关，故目前采用电荷前置放大器。电荷放大器的输出电压仅与故目前采用电荷前置放大器。电荷放大器的输出电压仅与输入电荷和反馈电容有关，与电缆长度等因素的影响很小：输入电荷和反馈电容有关，与电缆长度等因素的影响很小：电荷放大器能将电荷放大器能将压电传感器输出的压电传感器输出的电荷转换为电压电荷转换为电压（Q/U转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯转换器），但并无放大电荷的作用，只是一种习惯叫法。叫法。注意四通道电荷放大器外形四通道电荷放大器外形.其他电荷放大器外形其他电荷放大器外形面板式电荷放大器面板式电荷放大器其他电荷放大器外形（续）其他电荷放大器外形（续）四四、压电传感器的应用压电传感器的应用1、高分子压电材料的应用、高分子压电材料的应用 (1).玻璃打碎报警装置玻璃打碎报警装置将高分子压电测振薄将高分子压电测振薄膜粘贴在玻璃上，可以感膜粘贴在玻璃上，可以感受到玻璃破碎时会发出的受到玻璃破碎时会发出的振动，并将电压信号传送振动，并将电压信号传送给集中报警系统。给集中报警系统。粘贴粘贴位置位置高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器高分子压电材料制作的玻璃打碎传感器质量块质量块将将厚厚约约0.2mm左左右右的的PVDF薄薄膜膜裁裁制制成成10 20mm大大小小。在在它它的的正正反反两两面面各各喷喷涂涂透透明明的的二二氧氧化化锡锡导导电电电电极极，再再用用超超声声波波焊焊接接上上两两根根柔柔软软的的电电极极引引线。并用保护膜覆盖。线。并用保护膜覆盖。使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻使用时，用瞬干胶将其粘贴在玻璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压璃上。当玻璃遭暴力打碎的瞬间，压电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电电薄膜感受到剧烈振动，表面产生电荷荷Q ，在两个输出引脚之间产生窄脉在两个输出引脚之间产生窄脉冲报警信号。冲报警信号。(2)(2)压电式周界报警系统压电式周界报警系统（用于重要位置出入口、周界安全防护等）（用于重要位置出入口、周界安全防护等）将长的压电电缆埋在泥土将长的压电电缆埋在泥土的浅表层，可起分布式地下麦的浅表层，可起分布式地下麦克风或听音器的作用，可在几克风或听音器的作用，可在几十米范围内探测人的步行十米范围内探测人的步行,对轮对轮式或履带式车辆也可以通过信式或履带式车辆也可以通过信号处理系统分辨出来。右图为号处理系统分辨出来。右图为测量系统的输出波形。测量系统的输出波形。(3)(3)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）、车速类信息（包括轴数、轴距、轮距、单双轮胎）、车速监测、收费站地磅、闯红灯拍照、停车区域监控、交监测、收费站地磅、闯红灯拍照、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。通数据信息采集（道路监控）及机场滑行道等。高分子压电高分子压电电缆的应用电缆的应用演示演示 将两根高分子压电电缆相距将两根高分子压电电缆相距若干米若干米，平行埋设于柏油公平行埋设于柏油公路的路面下约路的路面下约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。存储在计算机内部的档案数据，判定汽车的车型。2、压电陶瓷传感器的应用、压电陶瓷传感器的应用压电片的并联接法压电片的并联接法 其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷其总面积是单片的两倍，极板上的总电荷Q并并为单片电荷为单片电荷Q的两倍。的两倍。2压电式传感器的应用压电式传感器的应用（1）压电式力传感器）压电式力传感器压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式动态力传感器在体育动态测量中的应用压电式步态压电式步态分析跑台分析跑台压电式纵跳压电式纵跳训练分析装置训练分析装置压电传感器测量压电传感器测量双腿跳的动态力双腿跳的动态力第五节第五节电容式压力及力传感器电容式压力及力传感器传感器与自动检测技术 电容传感器的理想公式为电容传感器的理想公式为d 极板间距离；极板间距离；A极板面积；极板面积；电容极板间介质的介电常数。电容极板间介质的介电常数。传感器与自动检测技术 1、变极距式电容传感器、变极距式电容传感器传感器与自动检测技术 a）结构示意图结构示意图1定极板定极板2动极板动极板b）电容量与极板距离的关系）电容量与极板距离的关系传感器与自动检测技术 2、变面积式电容式传感器、变面积式电容式传感器传感器与自动检测技术 x x x a)b)c)a）图是角位移型电容式传感器。当动片有一角）图是角位移型电容式传感器。当动片有一角位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致位移时，两极板间覆盖面积就发生变化，从而导致电容量的变化，此时电容值为电容量的变化，此时电容值为变间隙式电容传感器的几种形式变间隙式电容传感器的几种形式传感器与自动检测技术 变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵变面积式电容传感器的输出特性是线性的，灵敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、敏度是常数。这一类传感器多用于检测直线位移、角位移、尺寸等参量。角位移、尺寸等参量。x a)/1()/1(0 0 p q p q e e-=-=C d AC d A C x 传感器与自动检测技术 3、变介电常数电容式传感器、变介电常数电容式传感器几种介质的相对介电常数几种介质的相对介电常数传感器与自动检测技术 经推导可知变介电常数式电容传感器其电容经推导可知变介电常数式电容传感器其电容与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式与位移或液体高度成线性关系，可由以下表达式表示：表示：其中其中A、B均为与结构和介质有关的常数均为与结构和介质有关的常数传感器与自动检测技术 1、变压器电桥、变压器电桥二、测量转换电路二、测量转换电路传感器与自动检测技术 缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波缺点：由于电路输出为交流电，应进行相敏检波 后，才能辨别位移方向。后，才能辨别位移方向。对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：对于变间隙式差分电容传感器经分析推导可得：优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线优点：把变间隙式电容传感器的位移与电容的非线 性关系性关系 转化为位移与输出电压的线性关系。转化为位移与输出电压的线性关系。可得：可得：传感器与自动检测技术 2、调频电路、调频电路0 1 2 f LC p=传感器与自动检测技术 直放式调频电路原理框图直放式调频电路原理框图传感器与自动检测技术 3、脉冲宽度调制电路、脉冲宽度调制电路经分析推导得：经分析推导得：脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：脉冲调宽电路具有以下五方面的特点：消除了非线性；消除了非线性；不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；不需要相敏检波即能获得较大的直流输出；电路只采用直流电源，不需要频率发生器；电路只采用直流电源，不需要频率发生器；频率对输出无影响；频率对输出无影响；对输出矩形波纯度要求不高。对输出矩形波纯度要求不高。三、电容式传感器的应用三、电容式传感器的应用传感器与自动检测技术 高压侧高压侧进气口进气口低压侧低压侧进气口进气口电子线电子线路位置路位置内部不锈钢膜片的位置内部不锈钢膜片的位置电容式差压变送器电容式差压变送器传感器与自动检测技术 传感器与自动检测技术 第六节第六节 霍尔式压力计霍尔式压力计 一、霍尔效应一、霍尔效应霍霍尔尔电压UH为：式中式中 RH霍霍尔常数常数KH霍尔元件灵敏度霍尔元件灵敏度二二材料及结构特点材料及结构特点 霍尔元件一般采用具有霍尔元件一般采用具有N型的锗、锑化铟和砷化型的锗、锑化铟和砷化铟等半导体单晶材料制成。铟等半导体单晶材料制成。1.锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。锑化铟元件的输出较大，但受温度的影响也较大。2.锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。锗元件的输出虽小，但它的温度性能和线性度却比较好。3.砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温砷化铟元件的输出信号没有锑化铟元件大，但是受温度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。度的影响却比锑化铟的要小，而且线性度也较好。采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用。采用砷化铟为霍尔元件的材料得到普遍应用。特点小结霍尔元件结构霍尔元件结构（a）霍尔元件结构示意图）霍尔元件结构示意图 （b）图形符号）图形符号 （c）外形）外形 三三基本电路基本电路 由于建立霍尔效应所需的时间很短（约由于建立霍尔效应所需的时间很短（约10-12s10-14s之间），因此控制电流为交流时，频率可之间），因此控制电流为交流时，频率可以很高（几千兆赫）。以很高（几千兆赫）。注意二、霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿二、霍尔元件的基本参数与温度误差的补偿 1基本参数基本参数（1）输入电阻）输入电阻Ri；（2）输出电阻）输出电阻R0；（3）最大激励电流）最大激励电流IM；（4）灵敏度）灵敏度KH；（5）最大磁感应强度）最大磁感应强度BM；（6）不等位电势；）不等位电势；（7）霍尔电势温度系数）霍尔电势温度系数 霍尔元件的主要外特性参数霍尔元件的主要外特性参数最大最大磁感应强度磁感应强度BM 上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至上图所示霍尔元件的线性范围是负的多少高斯至正的多少高斯正的多少高斯？线性区线性区2温度误差及其补偿温度误差及其补偿 霍尔元件是由半导体制成的，因半导体对温度霍尔元件是由半导体制成的，因半导体对温度很敏感，霍尔元件的载流子迁移率、电阻率和霍尔很敏感，霍尔元件的载流子迁移率、电阻率和霍尔系数都随温度而变化，因而使霍尔元件的特性参数系数都随温度而变化，因而使霍尔元件的特性参数（如霍尔电势和输入、输出电阻等）成为温度的函（如霍尔电势和输入、输出电阻等）成为温度的函数，导致霍尔传感器产生温度误差。数，导致霍尔传感器产生温度误差。（a）输入回路补偿电路）输入回路补偿电路（b）输出回路补偿电路）输出回路补偿电路（c）正温度系数热敏电阻的补偿电路）正温度系数热敏电阻的补偿电路原因处理方法第八节第八节差分变压器式传感器差分变压器式传感器 电感式传感器是利用线圈的自感、互感或阻抗电感式传感器是利用线圈的自感、互感或阻抗的变化来实现非电量检测的一种装置，而差分变压的变化来实现非电量检测的一种装置，而差分变压器式传感器是一种电感式传感器，它是根据互感的器式传感器是一种电感式传感器，它是根据互感的变化来感知被检测量的。变化来感知被检测量的。一、差分变压器式传感器的工作原理一、差分变压器式传感器的工作原理 1、结构、结构可分间隙式和螺管式两种可分间隙式和螺管式两种 4 4 3 3 2 2 1 1 差分变压器的结构示意图差分变压器的结构示意图、1 1一次绕组，一次绕组，2 2、3 3二次绕组，二次绕组，4 4衔铁衔铁以螺管式为例以螺管式为例 差动变压器式传感器的等效电路差动变压器式传感器的等效电路 结构特点：结构特点：两个二次线圈反两个二次线圈反向串联，组成差向串联，组成差动输出形式。动输出形式。2、工作原理、工作原理 差分变压器等效电路差分变压器等效电路 基本思想：把铁芯位移量转换成初级线圈及次级线基本思想：把铁芯位移量转换成初级线圈及次级线圈互感系数的变化，图中圈互感系数的变化，图中M1、M2与位移与位移x有关。有关。当位移当位移x很小时：很小时：Uo=k|x|（无法判别位移方向）（无法判别位移方向）M1M2传感器与自动检测技术 差分变压器输出电压动画差分变压器输出电压动画传感器与自动检测技术 O E0 1 2 x U0 差分变压器输出特性差分变压器输出特性 1理想特性理想特性2实际特性实际特性 产生零点残余电压的主要原因：产生零点残余电压的主要原因：结构不完全对称；结构不完全对称；存在寄生参数；存在寄生参数；电源存在高次谐波；电源存在高次谐波；磁路的磁化曲线存在非线性磁路的磁化曲线存在非线性减小零点残余电压的方减小零点残余电压的方法通常有：法通常有：提高对称性；提高对称性；减少电源谐波成分；减少电源谐波成分；使衔铁工作在磁化曲线的线使衔铁工作在磁化曲线的线性区；性区；采用电路补偿：如，相敏检采用电路补偿：如，相敏检波电路、差分整流电路或在线波电路、差分整流电路或在线圈上并联阻容移相网络等圈上并联阻容移相网络等二、基本特性二、基本特性1灵敏度灵敏度2线性范围线性范围一般线性范围约为线圈骨架长度的一般线性范围约为线圈骨架长度的1/10左右，左右，只有中间部分线性较好。只有中间部分线性较好。为了获得高的灵敏度，在不使一次侧线圈过热为了获得高的灵敏度，在不使一次侧线圈过热的情况下，尽量提高励磁电压，电源频率以的情况下，尽量提高励磁电压，电源频率以400Hz到到10kHz为佳。为佳。差动变压器的灵敏度一般可达差动变压器的灵敏度一般可达0.55V/mm，行，行程越小，灵敏度越高。程越小，灵敏度越高。三、测量转换电路三、测量转换电路 差分变压器对测量转换电路的要求为：差分变压器对测量转换电路的要求为：判别衔铁位移方向及大小；判别衔铁位移方向及大小；消除零点残余电压。消除零点残余电压。差分相敏检波电路差分相敏检波电路差分整流电路差分整流电路常用测量转换电路常用测量转换电路传感器与自动检测技术 四、差分变压器式传感器的应用四、差分变压器式传感器的应用以以YST1型差分压力变送器为例型差分压力变送器为例YST1型差分压力变送器型差分压力变送器结构示意图结构示意图1接头接头2膜盒膜盒3导线导线4印刷线路板印刷线路板5差分线圈差分线圈6衔铁衔铁7电源变压器电源变压器8罩壳罩壳9指示灯指示灯10安装座安装座11底座底座传感器与自动检测技术 TD-1油动机行程阀位位移传感器油动机行程阀位位移传感器交流差分变压器交流差分变压器式角位移传感器式角位移传感器 GA系列差分变压器位移传感器系列差分变压器位移传感器一、选择题、选择题1、在两片间隙为、在两片间隙为1mm的两块平行板的间隙中插入的两块平行板的间隙中插入(),可可测得最大的电容量测得最大的电容量.A.塑料薄膜塑料薄膜 B.干的纸干的纸 C.湿的纸湿的纸 D.玻璃薄片玻璃薄片2、电子卡尺的分辨率可达、电子卡尺的分辨率可达0.01mm,行程可达行程可达200mm,它的它的内部所采用的电容传感器型式是内部所采用的电容传感器型式是()A.变极距式变极距式 B.变面积式变面积式 C.变介电常数式变介电常数式3、在实验室做检验标准用的压电仪表应采用、在实验室做检验标准用的压电仪表应采用()压电材料压电材料;能制成薄膜能制成薄膜,粘贴在一个微小探头上粘贴在一个微小探头上,用于测量人的脉搏的用于测量人的脉搏的压电材料应采用压电材料应采用();用在压电材料压电加速度传感器中测用在压电材料压电加速度传感器中测量振动的压电材料应采用量振动的压电材料应采用()A.压电陶瓷压电陶瓷 B.高分子材料高分子材料 C.石英晶体石英晶体4、使用电荷放大器测量极微弱振动时、使用电荷放大器测量极微弱振动时,面板上的反馈电面板上的反馈电容容Cf开关应调节到开关应调节到()的位置的位置A.0.01uF B.100pF C.0.1uF5、使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测量、使用压电陶瓷制作的力或压力传感器可测量()A.人的体重人的体重 B.车刀的压紧力车刀的压紧力C.车刀在切削时感受到的切削力的变化量车刀在切削时感受到的切削力的变化量D.自来水管中的水的压力自来水管中的水的压力6、公式、公式 中的角中的角 是指（是指（）A。磁力线与霍尔薄片平面之间的夹角。磁力线与霍尔薄片平面之间的夹角B。磁力线与霍尔元件内部电流方向的夹角。磁力线与霍尔元件内部电流方向的夹角C。磁力线与霍尔薄片的垂线之间的夹角。磁力线与霍尔薄片的垂线之间的夹角7、霍尔元件采用恒流源激励是为了（、霍尔元件采用恒流源激励是为了（）A。提高灵敏度。提高灵敏度 B。克服温漂。克服温漂 C。减小不等位电势。减小不等位电势8、减小霍尔元件的输出不等位电动势的方法是、减小霍尔元件的输出不等位电动势的方法是()A.减小激励电流减小激励电流 B.减小磁感应强度减小磁感应强度C.使用电桥调零电位器使用电桥调零电位器二、计算题二、计算题1 1、用压电式加速度计及电荷放大器测量振动加速度、用压电式加速度计及电荷放大器测量振动加速度,若传感器的灵敏度为若传感器的灵敏度为70pC/g(g70pC/g(g为重力加速度为重力加速度),),电荷放电荷放大器灵敏度为大器灵敏度为10mV/pC,10mV/pC,试确定输入试确定输入3g(3g(平均值平均值)加速度加速度时时,电荷放大器的输出电压电荷放大器的输出电压U0(U0(平均值平均值),),并计算此时该并计算此时该电荷放大器的反馈电容电荷放大器的反馈电容CfCf2 2、用压电式单向脉动力传感器测一正弦变化的力、用压电式单向脉动力传感器测一正弦变化的力,压压电元件用两片压电陶瓷并联电元件用两片压电陶瓷并联,压电常数为压电常数为 电荷放大器的反馈电容电荷放大器的反馈电容Cf=2000pF,Cf=2000pF,测得输出电压测得输出电压 1 1）该压电传感器产生的电荷）该压电传感器产生的电荷Q Q（瞬时值）为多少（瞬时值）为多少pCpC2)2)此时作用在其上的正弦脉动力（瞬时值）为多少此时作用在其上的正弦脉动力（瞬时值）为多少3如如图是差是差动圆筒筒变面面积式式电容容传感器感器结构示意构示意图及及桥式式测量量转换电路路图，其中，其中u=10sintV，ho=10mm，求出当求出当测杆上升杆上升2mm时，桥路的路的输出出电压uo。2mm5mm15mmhohoC1C2uouu