第3章-力與壓力測(cè)量傳感器-課件

實(shí)用傳感器技術(shù)教程1PPT課件壓電式傳感器1.2第3章力與壓力測(cè)量傳感器電阻式壓力傳感器3.13.2集成壓力傳感器1.2差動(dòng)變壓器式傳感器3.33.4力與壓力測(cè)量傳感器性能比較1.2壓磁式傳感器3.53.62PPT課件本章要點(diǎn)電阻式、壓電式、差動(dòng)變壓器式、壓磁式與集成式壓力傳感器等壓力測(cè)量傳感器結(jié)構(gòu)與工作原理壓力測(cè)量傳感器的特性參數(shù)、測(cè)量電路與溫度補(bǔ)償方法壓力測(cè)量傳感器性能及應(yīng)用范圍比較壓力測(cè)量傳感器應(yīng)用實(shí)例3PPT課件3.1電阻式壓力傳感器3.1.1金屬電阻應(yīng)變式傳感器金屬電阻應(yīng)變式傳感器是利用應(yīng)變效應(yīng)原理制成的一種測(cè)量微小機(jī)械變化量的傳感器。它是由彈性元件和電阻應(yīng)變片構(gòu)成。當(dāng)彈性元件感受被測(cè)物理量時(shí)，其表面產(chǎn)生應(yīng)變，粘貼在彈性元件表面的電阻應(yīng)變片也產(chǎn)生應(yīng)變，其阻值將隨著彈性元件的應(yīng)變而變化。通過(guò)測(cè)量電阻應(yīng)變片的電阻值，可以用來(lái)測(cè)量被測(cè)的物理量。金屬電阻應(yīng)變傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量精度高、使用方便、動(dòng)態(tài)性能好等特點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于測(cè)量力、力矩、壓力、加速度、重量等參數(shù)。

4PPT課件1.1傳感器基本概念1.電阻應(yīng)變片原理及主要特性（1）工作原理金屬導(dǎo)體材料在受到外界力作用時(shí)，將產(chǎn)生機(jī)械變形，機(jī)械變形會(huì)導(dǎo)致其電阻值變化，這種因形變而使其電阻值發(fā)生變化的現(xiàn)象被稱為“應(yīng)變效應(yīng)”。

圖3-1金屬電阻絲伸長(zhǎng)后幾何尺寸變化

5PPT課件設(shè)有一根電阻絲，如圖3-1所示，它在未受到外力作用時(shí)的初始電阻為

（3-1）式中，ρ——電阻絲的電阻率；L——電阻絲的長(zhǎng)度；S——電阻絲的截面積。6PPT課件當(dāng)電阻絲在外力F的作用下被拉伸(或壓縮)，則其ρ、L、S均發(fā)生變化，變化量分別為Δρ、ΔL、ΔS。幾何尺寸的變化引起電阻值的變化，電阻值相應(yīng)變化為ΔR，其電阻的相對(duì)變化量為:

(3-2)

經(jīng)過(guò)整理，可得下式:

(3-3)

7PPT課件

式中，μ為為泊松比，定義為材料在單向受拉或受壓時(shí)，橫向正應(yīng)變與軸向正應(yīng)變的絕對(duì)值的比值。如果令:

(3-4)

則有:

(3-5)

式中，ε=ΔL/L為金屬導(dǎo)體電阻絲的縱向應(yīng)變；k0為電阻絲的靈敏系數(shù)，即單位應(yīng)變所引起的電阻的相對(duì)變化。

8PPT課件由式(3-4)可知，電阻絲的靈敏系數(shù)受兩個(gè)因素的影響：一是(1+2μ)，它是由電阻絲幾何尺寸改變引起的，對(duì)某種材料來(lái)說(shuō)，它是常數(shù)；另一個(gè)是（Δρ/ρ）/ε，對(duì)于同一種金屬材料，其值也是常數(shù)，但比(1+2μ)小很多，可以忽略，故k0≈1+2μ。理論與實(shí)驗(yàn)證明，對(duì)于每一種電阻絲，在一定的相對(duì)變形范圍內(nèi)，金屬材料的靈敏系數(shù)k0將保持不變。因此，由式（3-5）可知，當(dāng)金屬電阻絲受到外界應(yīng)力的作用時(shí)，其電阻的變化與受到應(yīng)力的大小成正比。即金屬導(dǎo)體電阻絲的電阻的相對(duì)變化率與電阻絲的應(yīng)變呈線性關(guān)系變化，這就是金屬電阻應(yīng)變式的工作原理。9PPT課件（2）應(yīng)變片的結(jié)構(gòu)常用的金屬應(yīng)變片分為電阻絲應(yīng)變片和箔式應(yīng)變片。它們基本結(jié)構(gòu)大體相同，由敏感柵、基底、覆蓋層、引線和黏結(jié)劑組成。10PPT課件（3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性1)靈敏系數(shù)K

當(dāng)具有初始電阻值R的應(yīng)變片粘貼于試件表面時(shí)，試件受力引起的表面應(yīng)變，將傳遞給應(yīng)變片的敏感柵，使其產(chǎn)生電阻相對(duì)變化ΔR/R。實(shí)驗(yàn)表明，在一定應(yīng)變范圍內(nèi)ΔR/R由下式確定：式中:ε為應(yīng)變片的縱向應(yīng)變；K為應(yīng)變片的靈敏系數(shù)。11PPT課件（3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性2)機(jī)械滯后

應(yīng)變片安裝在試件上以后，在一定的溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變?chǔ)舏與試件機(jī)械應(yīng)變?chǔ)舖應(yīng)該是一個(gè)確定關(guān)系，但實(shí)驗(yàn)表明，在加載和卸載過(guò)程中，對(duì)同一機(jī)械應(yīng)變量，兩過(guò)程的特性曲線并不重合，卸載時(shí)的指示應(yīng)變高于加載時(shí)的指示應(yīng)變，如圖3-3所示，這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的機(jī)械滯后。加載和卸載特性曲線之間的最大差值Δεm稱為應(yīng)變片的機(jī)械滯后值。12PPT課件（3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性3)零漂和蠕變

已粘貼在試件上的應(yīng)變片，在溫度保持恒定，試件上沒(méi)有機(jī)械應(yīng)變的情況下，應(yīng)變片的指示會(huì)隨著時(shí)間增長(zhǎng)而逐漸變化，這就是應(yīng)變片的零點(diǎn)漂移，簡(jiǎn)稱零漂。

已粘貼的應(yīng)變片，溫度保持恒定，在承受某一恒定的機(jī)械應(yīng)變長(zhǎng)時(shí)間作用下，應(yīng)變片的指示會(huì)隨時(shí)間的變化而變化，這種現(xiàn)象稱為蠕變。一般來(lái)說(shuō)，蠕變的方向與原來(lái)應(yīng)變量變化的方向相反。13PPT課件（3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性4)溫度效應(yīng)粘貼在試件上的電阻應(yīng)變片，除感受機(jī)械應(yīng)變而產(chǎn)生電阻相對(duì)變化外，在環(huán)境溫度變化時(shí)，也會(huì)引起電阻的相對(duì)變化，產(chǎn)生虛假應(yīng)變，這種現(xiàn)象稱為溫度效應(yīng)。溫度變化對(duì)電阻應(yīng)變片的影響是多方面的，這里僅考慮兩種主要影響：

一是當(dāng)環(huán)境溫度變化Δt時(shí)，由于敏感柵材料的電阻溫度系數(shù)αt的存在，引起電阻的相對(duì)變化；二是當(dāng)環(huán)境溫度變化Δt時(shí)，由于敏感材料和試件材料的膨脹系數(shù)不同，應(yīng)變片產(chǎn)生附加的形變，從而引起電阻的相對(duì)變化。14PPT課件（3）電阻應(yīng)變傳感器主要特性5)應(yīng)變極限與疲勞壽命應(yīng)變片的應(yīng)變極限是指在一定溫度下，應(yīng)變片的指示應(yīng)變?chǔ)舏與試件的真實(shí)應(yīng)變?chǔ)舖的相對(duì)誤差達(dá)到規(guī)定值（一般為10%）時(shí)的真實(shí)應(yīng)變值εj，如右圖所示。對(duì)于已安裝的應(yīng)變片，在恒定幅值的交變力作用下，可以連續(xù)工作而不產(chǎn)生疲勞損壞的循環(huán)次數(shù)N稱為應(yīng)變片的疲勞壽命。15PPT課件6）絕緣電阻和最大工作電流應(yīng)變片的絕緣電阻是指已粘貼的應(yīng)變片的引線與被測(cè)件之間的電阻值Rm。通常要求Rm在50MΩ～100MΩ以上。絕緣電阻下降將使測(cè)量系統(tǒng)的靈敏度降低，使應(yīng)變片的指示應(yīng)變產(chǎn)生誤差。最大工作電流是指已安裝的應(yīng)變片允許通過(guò)敏感柵而不影響其工作特性的最大電流。工作電流大，輸出信號(hào)就大，靈敏度就高。但工作電流過(guò)大，會(huì)使應(yīng)變片過(guò)熱，靈敏度系數(shù)發(fā)生變化，零漂及蠕變?cè)黾?。通常靜態(tài)測(cè)量時(shí)取25mA左右，動(dòng)態(tài)測(cè)量時(shí)取75～100mA。16PPT課件7）應(yīng)變片的電阻值指應(yīng)變片在未經(jīng)安裝也不受外力的情況下，在室溫條件下測(cè)得的電阻值。目前常用的電阻系列，有60Ω、120Ω、200Ω、350Ω、500Ω、1000Ω、1500Ω等。17PPT課件2.電阻應(yīng)變片溫度誤差及補(bǔ)償由于外界溫度變化而給電阻應(yīng)變片測(cè)量帶來(lái)的附加誤差，稱為應(yīng)變片的溫度誤差。溫度誤差主要是由于敏感柵的溫度系數(shù)αt及敏感材料與試件材料的膨脹系數(shù)的差異造成的（見(jiàn)公式3-7）。該誤差對(duì)于測(cè)量精度影響極大，必須采取一定的補(bǔ)償方法進(jìn)行溫度補(bǔ)償。18PPT課件（1）自補(bǔ)償法這種補(bǔ)償方法是利用應(yīng)變片自身具有的溫度補(bǔ)償作用進(jìn)行補(bǔ)償1）選擇式自補(bǔ)償法由式(3-7)可知，若想完全補(bǔ)償溫度變化帶來(lái)的測(cè)量誤差，就要使溫度變化形成的總電阻相對(duì)變化為零，則需滿足下面條件

(3-8)

因此，當(dāng)被測(cè)試件的線膨脹系數(shù)βg已知時(shí)，如果合理選擇敏感柵材料，即其電阻溫度系數(shù)αt、靈敏系數(shù)K以及線膨脹系數(shù)βs，滿足式(3-8)，則不論溫度如何變化，均有ΔR/R=0，即消除了溫度變化對(duì)電阻變化率的影響，從而達(dá)到了溫度自補(bǔ)償?shù)哪康?。這種自補(bǔ)償應(yīng)變片容易加工，成本低，缺點(diǎn)是只適用特定的被試件材料，溫度補(bǔ)償范圍也較窄。19PPT課件（1）自補(bǔ)償法2）組合式自補(bǔ)償法

采用這種補(bǔ)償方法的應(yīng)變片，其敏感柵是由兩種不同溫度系數(shù)的金屬電阻絲串接而成的。這兩種溫度系數(shù)可以是相同符號(hào)，也可以是不同符號(hào)。利用兩種具有不同符號(hào)的電阻溫度系數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償?shù)膽?yīng)變片結(jié)構(gòu)如圖3-5所示，它是將兩種具有不同溫度系數(shù)的電阻絲串聯(lián)繞制成敏感柵。

圖3-5組合式自補(bǔ)償方法之一20PPT課件（2）線路補(bǔ)償法常用的線路補(bǔ)償法是利用電橋進(jìn)行補(bǔ)償。圖3-7所示為電橋補(bǔ)償電路，其中R1為工作應(yīng)變片，RB為補(bǔ)償應(yīng)變片，R3、R4為固定電阻。工作片R1粘貼在被測(cè)試件上需要測(cè)量應(yīng)變的地方，補(bǔ)償片RB粘貼在補(bǔ)償塊上，補(bǔ)償塊與被測(cè)試件溫度相同，但不承受應(yīng)變。圖3-7電橋補(bǔ)償電路21PPT課件3.電阻應(yīng)變片的粘貼技術(shù)（1）應(yīng)變片的檢查與篩選（2）試件貼片處表面的處理（3）底層處理（4）貼片（5）粘貼質(zhì)量的檢查22PPT課件3.1.2壓阻式傳感器盡管金屬電阻應(yīng)變式傳感器具有性能穩(wěn)定、精度較高等優(yōu)點(diǎn)，但卻存在一大弱點(diǎn)，就是靈敏系數(shù)低。在20世紀(jì)50年代中期出現(xiàn)了半導(dǎo)體應(yīng)變片制成的壓阻式傳感器，其靈敏系數(shù)比金屬電阻式傳感器高幾十倍，而且具有體積小、分辨率高、工作頻帶寬、機(jī)械遲滯小、傳感器與測(cè)量電路可實(shí)現(xiàn)一體化等優(yōu)點(diǎn)。23PPT課件1.壓阻式傳感器工作原理當(dāng)單晶半導(dǎo)體材料在在沿某一軸向受外力作用時(shí)，其電阻率發(fā)生很大變化，這一現(xiàn)象稱半導(dǎo)體的壓阻效應(yīng)。壓阻式傳感器就是基于半導(dǎo)體材料的壓阻效應(yīng)原理工作的。當(dāng)對(duì)半導(dǎo)體材料施加應(yīng)力作用時(shí)，半導(dǎo)體材料的電阻率將隨著應(yīng)力的變化而發(fā)生變化，因此它也屬于一種電阻式傳感器。前面介紹了金屬導(dǎo)體材料在受到外界力作用時(shí)，導(dǎo)致其電阻值變化，其電阻變化率由式(3-3)給出，即：24PPT課件1.壓阻式傳感器工作原理其中Δρ/ρ一項(xiàng)很小，即電阻率的變化很小，因而可以忽略不計(jì)，所以金屬電阻應(yīng)變片的電阻的變化主要由金屬材料的幾何尺寸所決定。但對(duì)于半導(dǎo)體材料而言，情況正好相反，由材料幾何尺寸變化而引起電阻的變化很小，可忽略不計(jì)，而Δρ/ρ一項(xiàng)很大，也就是說(shuō)，半導(dǎo)體材料電阻的變化主要由半導(dǎo)體材料電阻率的變化所造成的，這就是壓阻式傳感器的工作原理。壓阻式傳感器電阻的變化一般可表示為：由于彈性模量E=σ/ε：故上式又可以表示為：

25PPT課件2.壓阻式傳感器的構(gòu)成圖3-8所示為壓阻式傳感器的結(jié)構(gòu)框圖。彈性敏感元件將被測(cè)量Δx轉(zhuǎn)換成為中間變量σ，壓阻式變換器將其轉(zhuǎn)換成電阻的變化量ΔR。

圖3-8壓阻式傳感器框圖26PPT課件3.1.3電阻式壓力傳感器的驅(qū)動(dòng)及測(cè)量電路1.驅(qū)動(dòng)方式電阻式壓力傳感器屬于無(wú)源傳感器，工作時(shí)需要外加驅(qū)動(dòng)電源，其驅(qū)動(dòng)方式分為恒流驅(qū)動(dòng)與恒壓驅(qū)動(dòng)兩種。（1）恒流驅(qū)動(dòng)方式

27PPT課件（2）恒壓驅(qū)動(dòng)方式3.1.3電阻式壓力傳感器的驅(qū)動(dòng)及測(cè)量電路28PPT課件2.電橋測(cè)量電路電阻式壓力傳感器將壓力轉(zhuǎn)換成電阻的相對(duì)變化ΔR/R，為了便于進(jìn)行測(cè)量，還必須經(jīng)過(guò)測(cè)量電路將這種電阻的變化進(jìn)一步轉(zhuǎn)換成電壓或電流信號(hào)。電阻式壓力傳感器常用的測(cè)量電路是電橋。電橋測(cè)量電路具有測(cè)量精度高、靈敏度高、測(cè)量范圍寬、電路簡(jiǎn)單以及易于實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償?shù)葍?yōu)點(diǎn)，因此在電阻式傳感器的測(cè)量電路中得到了普遍應(yīng)用。3.1.3電阻式壓力傳感器的驅(qū)動(dòng)及測(cè)量電路29PPT課件3.1.3電阻式壓力傳感器的驅(qū)動(dòng)及測(cè)量電路（1）單臂工作電橋右圖為電橋電路，U為橋路供電電源電壓，U0為電橋輸出電壓。其輸出電壓表達(dá)式為右圖基本電橋電路

在實(shí)際使用中，根據(jù)敏感元件的數(shù)量和橋臂電阻的阻值情況，經(jīng)常將電橋分為以下幾種工作形式。30PPT課件1）等臂電橋

等臂電橋是指在初始狀態(tài)時(shí)，電橋四臂的電阻均相等，即R10=R20=R30=R40=R。當(dāng)R1為工作臂時(shí)，其增量為ΔR1=ΔR，則輸出電壓為

式中，ε=ΔR/R，為敏感元件電阻的相對(duì)變化量。如果，ε＜＜1

，則輸出電壓為

31PPT課件2）第一對(duì)稱電橋所謂第一對(duì)稱電橋是指電橋初始狀態(tài)時(shí)，R10=R40=R，R20=R30=R′。當(dāng)R1為工作臂時(shí)，其增量為ΔR1=ΔR，則輸出電壓為

同樣，如果ε＜＜1，則輸出電壓為：32PPT課件3）第二對(duì)稱電橋所謂第二對(duì)稱電橋是指電橋初始狀態(tài)時(shí)，R10=R20=R，R30=R40=R′。當(dāng)R1為工作臂時(shí)，其增量為ΔR1=ΔR，則輸出電壓為：如果ε＜＜1，則輸出電壓為

由以上對(duì)單臂電橋的分析得出兩點(diǎn)結(jié)論：第一，當(dāng)橋臂電阻發(fā)生相同變化時(shí)，等臂電橋與第一類對(duì)稱電橋的輸出電壓相同，且比第二類對(duì)稱電橋輸出電壓大，即第一類對(duì)稱電橋靈敏度比第二類對(duì)稱電橋靈敏度高。第二，就是單臂工作電橋輸出電壓與電阻的相對(duì)變化是非線性關(guān)系，只有當(dāng)ε＜＜1時(shí)，才近似為線性關(guān)系。33PPT課件3.橋傳感器信號(hào)調(diào)節(jié)電路1B32

橋信號(hào)調(diào)節(jié)電路1B32是一個(gè)以斬波器為基礎(chǔ)的精密信號(hào)調(diào)節(jié)器件。由于它具有高精度、高增益、橋激勵(lì)電壓可編程以及電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，所以常被用于高精度稱重和橋傳感器。34PPT課件3.1.4電阻式壓力傳感器應(yīng)用1.高壓數(shù)字壓力表

35PPT課件3.1.4電阻式壓力傳感器應(yīng)用2.煤礦快速定量自動(dòng)裝車系統(tǒng)36PPT課件3.1.4電阻式壓力傳感器應(yīng)用3.膠帶張力測(cè)試

圖3-17帶式輸送機(jī)的膠帶張力測(cè)試裝置圖3-18壓力滾筒受力示意圖

37PPT課件3.2壓電式傳感器壓電式傳感器是基于某些介質(zhì)材料的壓電效應(yīng)原理工作的，是一種典型的有源傳感器。壓電效應(yīng)是材料受到應(yīng)力作用時(shí)所產(chǎn)生的電極化現(xiàn)象，是一種可逆效應(yīng)，因此，當(dāng)在材料兩側(cè)之間施加電壓時(shí)，材料便產(chǎn)生應(yīng)變。由于壓電式轉(zhuǎn)換元件具有體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、固有頻率高、工作可靠以及信噪比高等特點(diǎn)，因此，它成為一種典型的力敏元件，被廣泛地應(yīng)用于壓力、加速度、機(jī)械沖擊和振動(dòng)等諸多物理量的測(cè)量中。38PPT課件3.2.1壓電效應(yīng)與壓電傳感器1.壓電效應(yīng)某些電介質(zhì)物體在某方向受壓力或拉力作用產(chǎn)生形變時(shí)，表面會(huì)產(chǎn)生電荷，外力撤銷后，又回到不帶電狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。當(dāng)作用力方向改變時(shí)，電荷極性隨之改變，把這種機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的現(xiàn)象，稱為“正壓電效應(yīng)”，反之，當(dāng)在電介質(zhì)極化方向施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)會(huì)產(chǎn)生幾何變形，這種現(xiàn)象稱為“逆壓電效應(yīng)”。

39PPT課件3.2.1壓電效應(yīng)與壓電傳感器2.壓電傳感器壓電式傳感器的基本原理就是利用壓電材料的壓電效應(yīng)這個(gè)特性，即當(dāng)有力作用在壓電元件上時(shí)，傳感器就有電荷(或電壓)輸出。圖3-19壓電元件組合接法

40PPT課件3.2.2壓電傳感器等效電路壓電元件兩電極間的壓電陶瓷或石英都是絕緣體，因此就構(gòu)成一個(gè)電容器，其容量為（3-27）式中S——極板面積；

εr、ε0——壓電材料的相對(duì)介電常數(shù)和空氣的介電常數(shù)；δ——壓電片的厚度。當(dāng)壓電元件受外力作用時(shí)，兩表面產(chǎn)生等量的正、負(fù)電荷Q，壓電元件的開路電壓U為41PPT課件3.2.2壓電傳感器等效電路因此，可以把壓電元件等效為一個(gè)電荷源Q和一個(gè)電容Ca并聯(lián)的等效電路如圖3-20(a)中虛線方框所示；也可以等效為一個(gè)電壓源U和一個(gè)電容Ca串聯(lián)的等效電路，如圖3-20(b)中虛線方框所示。其中，Ra為壓電元件的漏電阻。

圖3-20壓電傳感器等效電路42PPT課件3.2.3壓電傳感器測(cè)量電路壓電式傳感器本身的阻抗很高，而輸出能量較小，為了使壓電元件能正常工作，它的測(cè)量電路需要接入一個(gè)高輸入阻抗的前置放大器，該放大器主要有兩個(gè)作用：

一是放大，即放大壓電元件的微弱電信號(hào)；二是阻抗變換，把高阻抗輸入變換為低阻抗輸出。

根據(jù)壓電式傳感器的等效電路，它的輸出信號(hào)可以是電壓也可以是電荷，因此，前置放大器有兩種形式：

一種是電壓放大器，其輸出電壓與輸入電壓成正比；另一種是電荷放大器，其輸出電壓與輸入電荷成正比。43PPT課件3.2.3壓電傳感器測(cè)量電路1.電壓放大器

圖3-21壓電傳感器與電壓放大器連接

44PPT課件3.2.3壓電傳感器測(cè)量電路2.電荷放大器45PPT課件3.2.4壓電傳感器主要技術(shù)指標(biāo)1）量程：壓電式壓力傳感器的量程是指在給定精度內(nèi)，傳感器所測(cè)物理量的上、下限。壓電傳感器的精度與量程是相互關(guān)聯(lián)的，即同一傳感器，所規(guī)定的測(cè)試精度不同，其量程范圍也是不同的。2）靈敏度：壓電式壓力傳感器的靈敏度定義為輸出量與被測(cè)物理量的比值，即

3）絕緣電阻：如果傳感器沒(méi)有足夠高的絕緣電阻，壓電轉(zhuǎn)換元件產(chǎn)生的電荷將通過(guò)它迅速泄露，給測(cè)量帶來(lái)誤差。通常要求壓電傳感器絕緣電阻不低于1010Ω

46PPT課件3.2.4壓電傳感器主要技術(shù)指標(biāo)4）諧振頻率：按輸入方式不同，傳感器的振動(dòng)可以是受迫振動(dòng)或衰減振動(dòng)。在受迫振動(dòng)時(shí)，當(dāng)被測(cè)信號(hào)頻率與傳感器固有頻率相同時(shí)，傳感器則發(fā)生共振。衰減振動(dòng)時(shí)，傳感器的有阻尼諧振頻率為：式中，k為組合剛度；

m為質(zhì)量；

c為阻尼系數(shù)。47PPT課件3.2.4壓電傳感器主要技術(shù)指標(biāo)5）非線性：壓電式壓力傳感器的輸出特性曲線一般為上翹、下翹甚至S型。對(duì)于同一傳感器的輸出特性曲線，由于計(jì)算方法不同將導(dǎo)致結(jié)果不同，因此，在給定非線性這一指標(biāo)時(shí)，應(yīng)注明所采用的計(jì)算方法。6）滯后（遲滯）：由于石英晶體本身滯后極小，所以優(yōu)質(zhì)壓電式傳感器滯后極小。滯后嚴(yán)重的傳感器不能用于動(dòng)態(tài)參數(shù)測(cè)量。48PPT課件3.2.5壓電傳感器的應(yīng)用1.用壓電式測(cè)力傳感器測(cè)量激振力圖3-23測(cè)力傳感器測(cè)量振動(dòng)臺(tái)激振力測(cè)試系統(tǒng)

49PPT課件3.2.5壓電傳感器的應(yīng)用2.大型發(fā)電機(jī)組的振動(dòng)監(jiān)測(cè)圖3-24為電廠設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)示意圖。監(jiān)測(cè)用壓電加速度傳感器多選用XYZ三向傳感器，可測(cè)量一點(diǎn)空間各方向上的振動(dòng)。一臺(tái)3×105kW的汽輪發(fā)電機(jī)組的監(jiān)測(cè)點(diǎn)至少需要30多個(gè)。

圖3-24發(fā)電廠設(shè)備振動(dòng)監(jiān)測(cè)示意圖50PPT課件3.3差動(dòng)變壓器式傳感器變壓器式傳感器就是指互感系數(shù)可變的變壓器。當(dāng)變壓器初級(jí)線圈加上激勵(lì)電源后，變壓器的次級(jí)線圈將感應(yīng)產(chǎn)生輸出電壓。當(dāng)互感發(fā)生變化時(shí)，輸出電壓將隨之做相應(yīng)的變化。一般情況這種傳感器的二次側(cè)線圈有兩個(gè)，且都采用差動(dòng)方式連接，因此，常稱之為差動(dòng)變壓器式傳感器。

差動(dòng)變壓器式傳感器有如下優(yōu)點(diǎn)：分辨力高，線位移分辨力可達(dá)0.1μm靈敏度高，每mm位移量輸出信號(hào)電壓可達(dá)到幾V線性好，重復(fù)性好，高精度差動(dòng)變壓器線性達(dá)到0.1％測(cè)量范圍寬，可測(cè)位移量為±25nm～±500mm51PPT課件3.3.1差動(dòng)變壓器工作原理圖3-25差動(dòng)變壓器的結(jié)構(gòu)及等效電路

52PPT課件3.3.2差動(dòng)變壓器主要特性1.

靈敏度:差動(dòng)變壓器的靈敏度是指差動(dòng)變壓器,在單位電壓勵(lì)磁下，鐵芯移動(dòng)一單位距離時(shí)的輸出電壓，以mV/（mmV）表示。一般差動(dòng)變壓器靈敏度可達(dá)100～5000mV/（mmV）。2.頻率特性:差動(dòng)變壓器的激磁頻率對(duì)其靈敏度、線性都有影響，因此恰當(dāng)?shù)剡x擇激磁頻率是很重要的。差動(dòng)變壓器的激磁頻率一般以50Hz～10kHz較為適當(dāng)。頻率太低時(shí)差動(dòng)變壓器的靈敏度顯著降低，溫度誤差和頻率誤差增加。但頻率太高，前述的理想差動(dòng)變壓器的假定條件不能成立，因?yàn)殡S著頻率的增加，鐵損和耦合電容等的影響也增加了。因此具體應(yīng)用時(shí)，應(yīng)在400Hz到5kHz的范圍內(nèi)選擇。3.線性范圍:差動(dòng)變壓器的線性范圍一般為±2.5～±500mm，在這個(gè)范圍內(nèi)，線性度可達(dá)0.1％～0.5％。53PPT課件3.3.3差動(dòng)變壓器誤差及補(bǔ)償1.零位誤差:

當(dāng)差動(dòng)變壓器銜鐵位于中間平衡位置時(shí)，理論上差動(dòng)輸出電壓應(yīng)該等于零。但實(shí)際上其輸出電壓并不為零，該電壓就被稱為零點(diǎn)殘余電壓。零點(diǎn)殘余電壓一般為幾毫伏到幾十毫伏。由于零點(diǎn)殘余電壓的存在，造成零位誤差。零點(diǎn)殘余電壓的存在使傳感器輸出特性在零點(diǎn)附近不靈敏，限制了傳感器分辨率的提高。零點(diǎn)電壓過(guò)大，會(huì)使放大器飽和，使儀器無(wú)法正常工作。54PPT課件3.3.3差動(dòng)變壓器誤差及補(bǔ)償克服零點(diǎn)殘余電壓，減小零位誤差，可以通過(guò)電路補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)。圖3-27所示為幾個(gè)補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的電路實(shí)例。圖3-27補(bǔ)償零點(diǎn)殘余電壓的電路

55PPT課件3.3.3差動(dòng)變壓器誤差及補(bǔ)償2.溫度誤差溫度影響差動(dòng)變壓器測(cè)量精度，其中影響最大的是初級(jí)線圈電阻的溫度系數(shù)。當(dāng)溫度變化時(shí)，初級(jí)線圈的電阻變化引起初級(jí)激磁電流的變化，從而造成次級(jí)電壓隨溫度而變化。減少溫度造成的誤差可以通過(guò)穩(wěn)定激勵(lì)電流的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，即控制激勵(lì)電流不隨溫度變化。有兩種穩(wěn)定激勵(lì)電流的方法，一種是采用恒流源激勵(lì)代替恒壓源激勵(lì)；另一種辦法是在使用穩(wěn)壓源的初級(jí)回路中串聯(lián)一個(gè)熱敏電阻，利用熱敏電阻隨溫度變化的方向與一次線圈電阻的變化方向相反來(lái)消除溫度對(duì)激勵(lì)電流的影響。56PPT課件3.3.3差動(dòng)變壓器誤差及補(bǔ)償圖3-28所示為利用初級(jí)串聯(lián)電阻穩(wěn)定激勵(lì)電流，達(dá)到溫度補(bǔ)償目的的電路。在初級(jí)串入一高阻值降壓電阻R，或同時(shí)串入一熱敏電阻RT進(jìn)行補(bǔ)償。適當(dāng)選擇RT，可使溫度變化時(shí)原邊總電阻近似不變，從而使激勵(lì)電流保持恒定。

圖3-28溫度補(bǔ)償電路

57PPT課件3.3.4差動(dòng)變壓器測(cè)量電路1.差動(dòng)整流電路

58PPT課件3.3.4差動(dòng)變壓器測(cè)量電路2.直流差動(dòng)變壓器電路59PPT課件3.3.4差動(dòng)變壓器測(cè)量電路3.相敏檢波電路（1）分立元件相敏檢波電路60PPT課件3.3.4差動(dòng)變壓器測(cè)量電路（2）集成相敏檢波電路AD630應(yīng)用電路

61PPT課件3.3.5差動(dòng)變壓器傳感器應(yīng)用1.差動(dòng)變壓器實(shí)用電路62PPT課件3.3.5差動(dòng)變壓器傳感器應(yīng)用2.

利用集成信號(hào)調(diào)節(jié)電路芯片AD598實(shí)現(xiàn)測(cè)量63PPT課件3.3.5差動(dòng)變壓器傳感器應(yīng)用3.差動(dòng)變壓器式張力檢測(cè)控制系統(tǒng).64PPT課件3.4集成壓力傳感器3.4.1集成硅壓力傳感器1.MPX系列工作原理（1）基本無(wú)補(bǔ)償型硅壓力傳感器65PPT課件3.4集成壓力傳感器表3-3MPX100系列硅壓力傳感器主要技術(shù)參數(shù)參數(shù)最小值典型值最大值單位壓力范圍0—10kPa電源電壓—3.06.0Vdc滿量程輸出電壓456090mV零位偏差電壓02035mV靈敏度—0.6—mV/kPa線性度-2.5—+2.5％FSS壓力遲滯-0.1—+0.1％FSS滿量程溫度系數(shù)-0.22-0.19-0.16％/℃電阻溫度系數(shù)0.210.240.27％/℃輸入阻抗400—550Ω輸出阻抗750—1875Ω響應(yīng)時(shí)間—1.0—ms穩(wěn)定度——±0.5％FSS66PPT課件3.4集成壓力傳感器（2）溫度補(bǔ)償和校正型硅壓力傳感器67PPT課件3.4集成壓力傳感器（3）全信號(hào)調(diào)理型硅壓力傳感器

圖3-42MPX5100A的內(nèi)部電路框圖

68PPT課件3.4集成壓力傳感器2.應(yīng)用電路（1）水位監(jiān)視電路設(shè)計(jì)69PPT課件3.4集成壓力傳感器（2）壓力變送器70PPT課件3.4集成壓力傳感器（3）壓力開關(guān)71PPT課件3.4.2智能壓力傳感器。隨著計(jì)算機(jī)及微處理技術(shù)的不斷發(fā)展，微處理器技術(shù)已經(jīng)被引入到傳感器，使傳感器的性能得到了極大地提高，能夠?qū)崿F(xiàn)很多過(guò)去所不能完成的功能，從而造就了新一代智能傳感器。1.ST-3000系列智能壓力傳感器2.PPT系列智能壓力傳感器72PPT課件3.5壓磁式傳感器壓磁式傳感器（也稱磁彈性傳感器）是一種壓力傳感器。它的作用原理是建立在磁彈性效應(yīng)的基礎(chǔ)上，即利用這種傳感器將作用力變換成傳感器導(dǎo)磁率的變化，并通過(guò)導(dǎo)磁率的變化輸出相應(yīng)變化的電信號(hào)。壓磁式傳感器有以下優(yōu)點(diǎn)：輸出功率大，信號(hào)強(qiáng)；結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，牢固可靠；抗干擾性能好，過(guò)載能力強(qiáng)；便于制造，工藝簡(jiǎn)單，成本低；壓磁式壓力傳感器既適于靜態(tài)，又動(dòng)態(tài)力測(cè)量；與壓電式傳感器相比，信號(hào)放大電路簡(jiǎn)單，無(wú)需電荷放大器，無(wú)需特殊的同軸電纜，只用一般導(dǎo)線即可；電阻應(yīng)變式傳感器相比，無(wú)需粘貼，安裝方法簡(jiǎn)單。73PPT課件3.5.1壓磁傳感器工作原理

圖3-49壓磁式傳感器結(jié)構(gòu)

74PPT課件3.5.2壓磁傳感器測(cè)量誤差1.

溫度誤差溫度誤差產(chǎn)生的主要原因是壓磁元件材料的磁化特性受溫度變化影響較大。一般鐵磁材料的磁化性能隨溫度變化系數(shù)約為2％/10℃，并且不是常數(shù)。對(duì)于這樣大的