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各类传感器知识的入门介绍注意

2020-11-20 14:56:47| 来源:| 编辑:| 点击:0次

各类传感器知识的入门介绍

前言

随着社会的进步,科学技术的发展,特别是近20年来,电子技术日新月异,计算机的普及和应用把人类带到了信息时代,各种电器设备充满了人们生产和生活的各个领域,相当大一部分的电器设备都应用到了传感器件,传感器技术是现代信息技术中主要技术之一,在国民经济建设中占据有极其重要的地位。

人是通过视觉、嗅觉、听觉及触觉等感官来感知外界的信息,感知的信息输入大脑进行分析判断(即人的思维)和处理,再指挥人作出相应的动作,这是人类认识世界和改造世界具有的最基本的本能。但是通过人的五官感知外界的信息非常有限,例如,人总不能利用触觉来感知超过几十甚至上千度的温度吧,而且也不可能辨别温度的微小变化,这就需要电子设备的帮助。同样,利用电子仪器特别象计算机控制的自动化装置来代替人的劳动,那么计算机类似于人的大脑,而仅有大脑而没有感知外界信息的“五官”显然是不足够的,中央处理系统也还需要它们的“五官”——即传感器。

人的五管是功能非常复杂、灵敏的“传感器”,例如人的触觉是相当灵敏的,它可以感知外界物体的温度、硬度、轻重及外力的大小,还可以具有电子设备所不具备的“手感”,例如棉织物的手感,液体的粘稠感等。然而人的五官感觉大多只能对外界的信息作“定性”感知,而不能作定量感知。而且有许多物理量人的五官是感觉不到的,例如对磁性就不能感知。视觉可以感知可见光部分,对于频域更加宽的非可见光谱则无法感觉得到,象红外线和紫外线光谱,人类却是“视而不见”。借助温度传感器很容易感知到几百度到几千度的温度,而且要做到1℃的分辨率轻而易举。同样借助红外和紫外线传感器,便可感知到这些不可见光,所以人类才制造出了具有广泛用途的红外夜视仪和X光诊断设备,这些技术在军事、国防及医疗卫生领域有着极其重要的作用。

在工农业生产领域,工厂的自动流水生产线,全自动加工设备,许多智能化的检测仪器设备,都大量地采用了各种各样的传感器,它们在合理化地进行生产,减轻人们的劳动强度,避免有害的作业发挥了巨大的作用。在家用电器领域,象全自动洗衣机、电饭褒和微波炉都离不开传感器。医疗卫生领域,电子脉博仪、体温计、医用呼吸机、超声波诊断仪、断层扫描(CT)及核磁共振诊断设备,都大量地使用了各种各样的传感技术。这些对改善人们的生活水平,提高生活质量和健康水平起到了重要的作用。在军事国防领域,各种侦测设备,红外夜视探测,雷达跟踪、武器的精确制导,没有传感器是难以实现的。在航空航天领域,空中管制、导航、飞机的飞行管理和自动驾驶,仪表着陆盲降系统,都需要传感器。人造卫星的遥感遥测都与传感器紧密相关。没有传感器,要实现这样的功能那是不可能的。

此外,在矿产资源、海洋开发、生命科学、生物工程等领域传感器都有着广泛的用途,传感器技术已受到各国的高度重视,并已发展成为一种专门的技术学科。

传感器是摄取信息的关键器件,它与通信技术和计算机技术构成了信息技术的三大支柱,是现代信息系统和各种装备不可缺少的信息采集手段,也是采用微电子技术改造传统产业的重要方法,对提高经济效益、科学研究与生产技术的水平有着举足轻重的作用。传感器技术水平高低不但直接影响信息技术水平,而且还影响信息技术的发展与应用。目前,传感器技术已渗透到科学和国民经济的各个领域,在工农业生产、科学研究及改善人民生活等方面,起着越来越大的作用。许多尖端科学和新兴技术更是需要新型传感器技术来装备,计算机的推广应用,离不开传感器,新型传感器与计算机相结合,不但使计算机的应用进入了崭新时代,也为传感器技术展现了一个更加广阔的应用领域和发展前景。

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温度传感器

温度是表征物体冷热程度的物理量,是工农业生产过程中一个很重要而普遍的测量参数。温度的测量及控制对保证产品质量、提高生产效率、节约能源、生产安全、促进国民经济的发展起到非常重要的作用。由于温度测量的普遍性,温度传感器的数量在各种传感器中居首位,约占50%。

温度传感器是通过物体随温度变化而改变某种特性来间接测量的。不少材料、元件的特性都随温度的变化而变化,所以能作温度传感器的材料相当多。温度传感器随温度而引起物理参数变化的有:膨胀、电阻、电容、而电动势、磁性能、频率、光学特性及热噪声等等。随着生产的发展,新型温度传感器还会不断涌现。

由于工农业生产中温度测量的范围极宽,从零下几百度到零上几千度,而各种材料做成的温度传感器只能在一定的温度范围内使用。常用的测温传感器的种类与测温范围如下表所示。

测温传感器的种类与测温范围

测量原理

种类

测温范围(1℃)

特征

体积热膨胀

玻璃制水银温度计

-20—+350

不需要用电

玻璃制有机液体温度计

-100—+100

双金属温度计

0—+300

液体压力温度计

-200—+350

气体压力温度计

-250—+550

电阻变化

铜电阻

-50—+150

精度中等,价格低

铂电阻

-200—+600

精度高,价格贵

热敏电阻

低温-200—0

精度低,灵敏度高,价格最低

一般-50—+30

中温0—+700

热电效应

镍铬—考铜

0500(-200—+800)

测量范围宽,精度高,

需要冷端补偿

镍铬—镍硅

0800(-200—+1250)

铂铑10—铂

200—1400(0—1700)

铂铑30—铂铑

200—1500(100—1900)

P—N结结电压变化

半导体二极管

-150—+150(Si)

灵敏度高,线性度好,

二极管一类价格低

晶体管特性变化

晶体管

150—+150

半导体集成电路

-40—+150

压电反应

石英晶体振荡器

-100—+200

可作标准使用

频率变化

SAW振荡元件

0—+200

光学变化

光学高温度计

900—+2000

非接触测量

热辐射

辐射源温度传感器

100—+2000

磁性变化

热铁素体

-80—+150

在特定温度下变化

Fe-Ni-Cu合金

0—350

电容变化

BaSrT2O3陶瓷

-270—+150

温度与电容是倒数关系

物质颜色

示温涂料

0—1300

检测温度不连续

液晶

0—100

颜色连续变化

温度传感器与被测介质的接触方式分为两大类:接触式和非接触式。接触式温度传感器需要与被测介质保持热接触,使两者进行充分的热交换而达到同一温度。这一类传感器主要有电阻式、热电偶、PN结温度传感器等。非接触式温度传感器无需与被测介质接触,而是通过被测介质的热辐射或对流传到温度传感器,以达到测温的目的。这一类传感器主要有红外测温传感器。这种测温方法的主要特点是可以测量运动状态物质的温度(如慢速行使的火车的轴承温度,旋转着的水泥窑的温度)及热容量小的物体(如集成电路中的温度分布)。

温度传感器的种类较多,我们介绍几种主要的温度传感器及应用电路。

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温度传感器应用电路(一)

PN结温度传感器

工作原理

晶体二极管或三极管的PN结的结电压是随温度而变化的。例如硅管的PN结的结电压在温度每升高1℃时,下降-2mV,利用这种特性,一般可以直接采用二极管(如玻璃封装的开关二极管1N4148)或采用硅三极管(可将集电极和基极短接)接成二极管来做PN结温度传感器。这种传感器有较好的线性,尺寸小,其热时间常数为0.2—2秒,灵敏度高。测温范围为-50—+150℃。典型的温度曲线如图1所示。同型号的二极管或三极管特性不完全相同,因此它们的互换性较差。

应用电路(一)

图(2)是采用PN结温度传感器的数字式温度计,测温范围-50—150℃,分辨率为0.1℃,在0—100℃范围内精度可达±1℃。

图中的R1,R2,D,W1组成测温电桥,其输出信号接差动放大器A1,经放大后的信号输入0—±2.000V数字式电压表(DVM)显示。放大后的灵敏度10mV/℃。A2接成电压跟随器。与W2配合可调节放大器A1的增益。

通过PN结温度传感器的工作电流不能过大,以免二极管自身的温升影响测量精度。一般工作电流为100—300mA。采用恒流源作为传感器的工作电流较为复杂,一般采用恒压源供电,但必须有较好的稳压精度。

精确的电路调整非常重要,可以采用广口瓶装入碎冰渣(带水)作为0℃的标准,采用恒温水槽或油槽及标准温度计作为100℃或其它温度标准。在没有恒水槽时,可用沸水作为100℃的标准(由于各地的气压不同,其沸点不一定是100℃,可用0—100℃的水银温度计来校准)。

将PN结传感器插入碎冰渣广口瓶中,等温度平衡,调整W1,使DVM显示为0V,将PN结传感器插入沸水中(设沸水为100℃),调整W2,使DVM实现为100.0V,若沸水温度不是100℃时,可按照水银温度计上的读数调整W2,使DVM显示值与水银温度计的数值相等。再将传感器插入0℃环境中,等平衡后看显示是否仍为0V,必要时再调整W1使之为0V,然后再插入沸水,看是否与水银温度计计数相等,经过几次反复调整即可。

图中的DVM是通用3位半数字电压表模块MC14433,可以装入仪表及控制系统中作显示器。MC14433的应用电路可参考本站的常用A/D转换器中的技术手册。它的主要技术指标如下:

基本量程:±1.999V(2V)

线性误差:该读数的0.05%±1字

电源:5—7.5V单电源

平均功耗:300mW

过量程时:数字闪烁

DU脚接地时:数据可保持

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温度传感器应用电路(二)

PN结温度传感器

应用电路(二)

下面我们来看看利用不带A/D转换器的单片机实现测温的应用电路。

这里我们选用内带一个模拟比较放大器的AT89C2051单片机来实现这一功能,AT89C2051是一片ATMEL公司推出的兼容C51的8位单片机,内带2k的Flash程序存储器,128字节的内部RAM,具有15个I/O口,6个中断源,只有20个引脚,价格也相当便宜,可谓价廉物美的单片机。详细的资料可参见本站的“ATMEL单片机”中的AT89C2051。其中内含一个模拟比较放大器,P1.0是比较放大器的同相输入端,P1.1是比较放大器的反相输入端,这两个输入输出口内部并没有上拉电阻,比较放大器的输出端连至P3.6,也没有引出,但可用指令访问该引脚。

在该单片机外接RC元件即可构成简单的,低精度的A/D转换电路,电路如图3所示,P1.0(同相端)接上RC充放电阻和电容,P1.1(反相端)作为外部被测温度电压的输入端,作为PN结温度传感器,本身输出电压较低,可参照上一节我们给出的放大电路,温度传感电压经放大后再引至单片机的输入端。P1.2充放电控制端通过一个数kΩ的电阻接正电源Vcc,因为R1远小于R2,可以认为在P1.2输出逻辑高电平时,电压是相当接近Vcc高电平的。

电路工作过程如下:程序开始时,先置P1.2为逻辑低电平,并延时一小段时间,使P1.2为低电平,电容C经R2放完电,此时,P1.0=0V,而P1.10V,比较放大器输出“0”电平,接着置P1.2为高电平,同时定时器开始计时,当电容C上的电压Vc充到Vc=Vx时,P1.0与P1.1的电位相等,比较放大器的同相端和反相端电平相等时,输出端P3.6输出高电平,当扫描查询到P3.6为高电平时即停止计时,那么只要测得开始对电容充电到P3.6输出高电平的时间,通过换算即可得到外部被测温度电压的值。

这里需要指出,从图4中我们可以看到,电容器的充电过程并非线性,其充电过程可以描述为:

这个非线性特性,我们在单片机编程时,可以通过补偿和校正的方法加以解决,最常用的方法也是最简单的方法是通过查表的办法进行修正。这样便可满足一种低精度简易的温度测量要求。

电阻应变片力传感器

力学传感器是将各种力学量转换为电信号的器件,力学量可分为几何学量、运动学量及力学量三部分,其中几何学量指的是位移、形变、尺寸等,运动学量是指几何学量的时间函数,如速度、加速度等。力学量包括质量、力、力矩、压力、应力等。根据被测力学的不同,这里我们首先要介绍的是应用最为广泛的应变式压力传感器,在以后的页中,我们将逐步介绍其它类型的力学传感器。

力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。

在了解压阻式力传感器时,我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上,当基体受力发生应力变化时,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的阻值发生改变,从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,一般这种应变片都组成应变电桥,并通过后续的仪表放大器进行放大,再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。

金属电阻应变片的内部结构

如图1所示,是电阻应变片的结构示意图,它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途,电阻应变片的阻值可以由设计者设计,但电阻的取值范围应注意:阻值太小,所需的驱动电流太大,同时应变片的发热致使本身的温度过高,不同的环境中使用,使应变片的阻值变化太大,输出零点漂移明显,调零电路过于复杂。而电阻太大,阻抗太高,抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。

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电阻应变片的工作原理

金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示:

式中:ρ——金属导体的电阻率(Ω·cm2/m)

S——导体的截面积(cm2)

L——导体的长度(m)

我们以金属丝应变电阻为例,当金属丝受外力作用时,其长度和截面积都会发生变化,从上式中可很容易看出,其电阻值即会发生改变,假如金属丝受外力作用而伸长时,其长度增加,而截面积减少,电阻值便会增大。当金属丝受外力作用而压缩时,长度减小而截面增加,电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化(通常是测量电阻两端的电压),即可获得应变金属丝的应变情况。

湿度传感器

一.大气的湿度及露点

[1].绝对湿度和相对湿度

地球表面的大气层是由78%的氮气、21%的氧气和一小部分二氧化碳、水汽以及其他一些惰性气体混合而成的。由于地面上的水和动植物会发生水份蒸发现象,因而地面上不断地在生成水份,使大气中含有水汽的量在不停地变化。由于水份的蒸发及凝结的过程总是伴随着吸热和放热,因此大气中的水汽的多少不但会影响大气的湿度,而且使空气出现潮湿或干燥现象。大气的干湿程度,通常是用大气中水汽的密度来表示的。即每1m3大气所含水汽的克数来表示,它称为大气的绝对湿度。

要想直接测量出大气的水汽密度,方法比较复杂。而理论计算表明,在一般的气温条件下,大气的水汽密度,与大气中水汽的压强数值十分接近。所以大气的水汽密度又可以规定为大气中所含水汽的压强,又把它称为大气的绝对湿度,用符号D表示,常用的单位是mmHg。。

在许多与大气的湿度有关的现象里,如农作物的生长绵纱的断头以及人们的感觉等等,都与大气的绝对湿度没有直接的关系,主要与大气中的水汽离饱和状态的远近程度有关。比如,同样是6mmHg的绝对湿度,如果在炎热的夏季中午,由于离当时的饱和水汽压(31.38mmHg)尚远,使人感到干燥,如果是在初冬的傍晚,由于水汽压接近当时的饱和水汽压(18.05mmHg)而使人感到潮湿。因此通常把大气的绝对湿度跟当时气温下饱和水汽压的百分偶称为大气的相对湿度,即

式中H——相对湿度

D——大气的绝对湿度(mmHg)

Ds——当时气温下的饱和水汽压(mmHg)

上式表明,若大气中所含水汽的压强等于当时气温下的饱和水汽压时,这时大气的相对湿度等于100%RH。

[1].露点

降低温度可以使未饱和水汽变成饱和水汽。露点就是指使大气中原来所含有的未饱和水汽变成饱和水汽所必须降低的温度。因此只要能测出露点,就可以通过一些数据表查得当时大气的绝对湿度。

当大气中的未饱和水汽接触到温度较低的物体时,就会使大气中的未饱和水汽达到或接近饱和状态,在这些物体上凝结成水滴。这种现象被称为结露。结露对农作物有利,但对电子产品则是有害的。

二.湿敏传感器的分类

水是一种极强的电解质。水分子有较大的电偶极矩,在氢原子附近有极大的正电场

,因而它有很大的电子亲和力,使得水分子易吸附在固体表面并渗透到固体内部。利用水分子这一特性制成的湿度传感器称为水分子亲和力型传感器。而把与水分子亲和力无关的湿度传感器称为非水分子亲和力型传感器。在现代工业上使用的湿度传感器大多是水分子亲和力型传感器,它们将湿度的变化转换为阻抗或电容值的变化后输出,图1是湿度传感器的分类示意图。

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电磁式流量传感器

一.电磁式流量传感器的工作原理及使用

导电性的液体在流动时切割磁力线,也会产生感生电动势。因此可应用电磁感应定律来测定流速,电磁流量传感器就是根据这一原理制成的。

图1是电磁式流量传感器的工作原理图。在励磁线圈通以励磁电压后,绝缘导管便处于磁力线密度为B的均匀磁场中,当平均流速为v的导电性液体流经绝缘导管时,那么在导线内径为D的管道壁上设置的一对电极中,便会产生如下式所表示的电动势e,即

式中v——液体的平均流速(m/s)

B——磁场的磁通密度(T)

D——导管的内径(m)

液体流动的容积流量

根据上式可以看出,容积流量Q与电动势e成正比。如果我们事先知道导管内径和磁场的磁通密度B,那么就可以通过对电动势的测定,求出容积的流量。

虽然电磁流量传感器的使用条件是要求流体是导电的,但它还是有许多优点。

(1).没有机械可动部分。

(2).由于电极的距离正好为导管的内径,因此没有妨碍流体流动的障碍,压力损失极小。

(3).能够得到与容积流量成正比的输出信号。

(4).测量结果不受流体粘度的影响。

(5).由于电动势是在包含电极的导管的断面处作为平均流速测得的,因此受流速分布影响较小。

(6).测量范围宽,可以从0.005——190000m3/h。

(7).测量精度高,可达±0.5%。

使用电磁流量传感器时应注意以下几点:

[1].由于管道是绝缘体,电流在流体中流动很容易受杂波的干扰,因此必须在安装流量传感器管道的两端设置接地环,使流体接地。

[2].虽然流速对精度影响不大,为消除这种影响,应保证上流道有足够的直线长度。

[3].使用电磁流量计时,必须使管道内充满液体。最好是把管道垂直设置,让被测液体从上至下流动。

[4].测定电导率较小的液体时,由于两电极间的内部阻抗比较高,所以信号放大器要有100MΩ的输入阻抗。为保证传感器正常的工作,液体的电导率必须保证在5s/cm以上。

电磁流量传感器可以广泛应用于自来水、工业用水、农业用水、海水、污水、污泥、化学药品、食品、矿浆等流体的检测。

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涡流流量传感器

一.涡流流量传感器的工作原理

当在流体中插入棒状障碍物时,在其带侧会交替产生相互反转的涡流,在流体的下游形成规则的涡列,如图4所示,这种涡列就是流体力学中的“卡门涡旋列”。

发生涡旋的频率与流体流量有如下的关系,即

式中f——涡流的频率

St——斯托哈尔数(雷诺数在某些范围内的一定值)

v——流体的平均流速

d——插入物体正对流向的宽度

A——流路的断面积

Q——流体的流量

上式说明,St在一定的范围内,涡流频率f和流量成正比,因此只要测定出涡流的频率,就可得知流体的流量这就是涡流流量传感器的工作原理。

二.涡流流量计的结构

涡流流量计的基本结构,如图5所示,流量脊由外壳、涡流发生器和频率检测元件等组成。涡流发生器的下端沿枞向自由支撑,上端固定在外壳的孔内,通过密封圈再用压板予以固定。在涡流发生器的内部装有压电元件,用来通过体内的应力变化检测出涡流的频率。图中的涡流发生器与流体接触部分的截面为梯形,这种形状能使流速与涡流的频率具有良好的线性。当涡流发生时,其内部将产生一定的应力,这种应力经压电元件检测后,用电路对得到的信号进行处理,从而得到跟涡流频率对应的脉冲频率,最终以模拟电压的形式输出。

涡流频率的检测方法有许多种,可利用加热体的冷却方法来检测涡流非生产性器周围和内部流体流动的周期变化,也可以通过个种传感器检测流体振动所产生的力的周期变化。

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三.涡流流量传感器的特性及使用

涡流流量传感器有以下特征:

(1).测量涡流频率的检测元件,一般都设置在涡流发生器的内部,与流体隔离,所以涡流流量传感器可以对所有的流体进行流量检测。

(2).在流体的通道上设置的涡流发生器是固定的,因此传感器没有运动部分,使传感器长期使用的可靠性得到保证。

(3).因为阻碍流体运动的只有一根涡流发生器,所以压力损失小。

(4).传感器测量流体的温度为-40——300℃,流体的最高压力可达30MPa。

(5).传感器测定流速的范围,液体最大为10m/s,气体最大为90m/s。

使用涡流流量传感器时应注意以下几点:

[1].当被测流体的流速偏低时,流体将产生不稳定涡流,此时应适当减小管道的口径以提高流速。

[2].当测定附着性流体时,如果涡流发生器上附着过多的流体,将会使测量误差增大。

[3].传感器安装时,应设置在管道振动小的位置,并固定在牢固可靠的支架上。

速度传感器

单位时间内位移的增量就是速度。速度包括线速度和角速度,与之相对应的就有线速度传感器和角速度传感器,我们都统称为速度传感器。

旋转式速度传感器的结构和特征

旋转式速度传感器按安装形式分为接触式和非接触式两类。

(1).接触式

旋转式速度传感器与运动物体直接接触,这类传感器的工作原理如图6所示。当运动物体与旋转式速度传感器接触时,摩擦力带动传感器的滚轮转动。装在滚轮上的转动脉冲传感器,发送出一连串的脉冲。每个脉冲代表着一定的距离值,从而就能测出线速度V。

设D为滚轮直径,单位为MM,滚轮每转输出πD个脉冲,则一个脉冲代表着1MM的距离值.设在时间T内脉冲计数为N,则线速度V为:

转动脉冲传感器产生脉冲的方式由表及里光电、磁电、电感应等多种。

每个脉冲代表的距离(mm)称为脉冲当量。为了计算方便,脉冲当量常设定为距离mm的整数倍,这是正确使用传感器的关键。

接触式旋转速度传感器结构简单,使用方便。但是接触滚轮的直径是与运动物体始终接触着,滚轮的外周将磨损,从而影响滚轮的周长。而脉冲数对每个传感器又是固定的。影响传感器的测量精度。要提高测量精度必须在二次仪表中增加补偿电路。另外接触式难免产生滑差,滑差的存在也将影响测量的正确性。因此传感器使用中必须施加一定的正压力或着滚轮表面采用摩擦力系数大的材料,尽可能减小滑差。

(2).非接触式

旋转式速度传感器与运动物体无直接接触,非接触式测量原理很多,以下仅介绍两点,供参考。

[1].光电流速传感器

如图7所示,叶轮的叶片边缘贴有反射膜,流体流动时带动叶论旋转,页轮每转动一周光纤传输反光一次,产生一个电脉冲信号。可由检测到的脉冲数,计算出流速。使脉冲数与叶轮转速再与流速建立关系。利用标定曲线V=kn+c计算流速V。其中:k为变换系数:c为预置值,n为叶轮转速。可将叶轮的转速直接换算成流速。

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[2].光电风速传感器

图8示出,风带动风速计旋转,经齿轮传动后带动凸轮成比例旋转。光纤被徒轮轮番遮断形成一串光脉冲,经光电管转换成定信号,经计算可检测出风速。

非接触式旋转速度传感器寿命长,无需增加补偿电路。但脉冲当量不是距离(mm)整数倍,因此速度运算相对比较复杂。

旋转式速度传感器的性能可归纳如下:

(1).传感器的输出信号为脉冲信号,其稳定性比较好,不易受外部噪声干扰,对测量电路无特殊要求。

(2).结构比较简单,成本低,性能稳定可靠。功能齐全的微机芯片,使运算变换系数易于获得,故目前速度传感器应用极为普遍。

电位器式位移传感器

机械位移传感器是用来测量位移、距离、位置、尺寸、角度、角位移等几何量的一种传感器。根据传感器的信号输出形式,可以分为模拟和数字式两大类,参见图1所示。机械位移传感器根据被测物体的运动形式可细分为线性位移传感器和角度位移传感器。

机械位移传感器是应用最多的传感器之一,它在机械制造工业和其它工业的自动检测技术中占有很重要的地位,在很多领域也得到了广泛的应用。

第一节 电位器式传感器

电位器是人们常用到的一种电子元件,它作为传感器可以将机械位移或其他能转换为位移的非电量转换为其有一定函数关系的电阻值的变化,从而引起输出电压的变化。所以它是一个机电传感元件。电位器的种类繁多,本节就工业传感器用的电位器予以介绍。

(1).线绕电位器式传感器

线绕电位器的电阻体由电阻丝缠绕在绝缘物上构成,电阻丝的种类很多,电阻丝的材料是外来人员未取得暂住证根据电位器的结构、容纳电阻丝的空间、电阻值和温度系数来选择的。电阻丝越细,在给定空间内越获得较大的电阻值和分辨率。但电阻丝太细,在使用过程中容易断开,影响传感器的寿命。

(2).非线绕电位器式传感器

为了克服线绕电位器存在的缺点,人们在电阻的材料及制造工艺上下了很多工夫,发展了各种非线绕电位器。

[1] 合成膜电位器

合成膜中国青少年大规模留洋初见规模。继22名年轻球员被送往葡萄牙后电位器的电阻体是用具有某一电阻值的悬浮液喷涂在绝缘骨架上形成电阻膜而成的,这种电位器的优点是分辨率较高、阻范围很宽(100—4.7MΩ),耐磨性较好、工艺简单、成本低、输入—输出信号的线性度较好等,其主要缺点是接触电阻大、功率不够大、容易吸潮、噪声较大等。

[2] 金属膜电位器

金属膜电位器由合金、金属或金属氧化物等材料通过真空溅射或电镀方法,沉积在瓷基体上一层薄膜制成。

金属膜电位器具有无限的分辨率,接触电阻很小,耐热性好,它的满负荷温度可达70℃。与线绕电位器相比,它的分布电容和分布电感很小,所以特别适合在高频条件下使用。它的噪声信号仅高于线绕电位器。金属膜电位器的缺点是耐磨性较差,阻值范围窄,一般在10—100kΩ之间。由于这些缺点限制了它的使用。

[3] 导电塑料电位器

导电塑料电位器又称为有机实心电位器,这种电位器的电阻体是由塑料粉及导电材料的粉料经塑压而成。导电塑料电位器的耐磨性好,使用寿命长,允许电刷接触压力很大,因此它在振动、冲击等恶劣的环境下仍能可靠地工作。此外,它的分辨率教高,线性度较好,阻值范围大,能承受较大的功率。导电塑料电位器的缺点是阻值易受温度和湿度的影响,故精度不易做得很高。

[4] 导电玻璃釉电位器

导电玻璃釉电位器又称为金属陶瓷电位器,它是以合金、金属化合物或难溶化合物等为导电材料,以玻璃釉为粘合剂,经混合烧结在玻璃基体上制成的。导电玻璃釉电位器的耐高温性好,耐磨性好,有较宽的阻值范围,电阻温度系数小且抗湿性强。导电玻璃釉电位器的缺点是接触电阻变化大,噪声大,不易保证测量的高精度。

(3).光电电位器式传感器

光电电位器是一种非接触式电位器,它用光束代替电刷,图1是这种电位器的结构图。光电电位器主要是由电阻体、光电导层和导电电极组成。光电电位器的制作过程是先在基体上沉积一层硫化镉或硒化镉的光电导层,然后在光电导层上再沉积一条电阻体和一条导电电极。在电阻体和导电电极之间留有一个窄的间隙。平时无光照时,电阻体和导电电极之间由于光电导层电阻很大而呈现绝缘状态。当光束照射在电阻体和导电电极的间隙上时,由于光电导层被照射部位的亮电阻很小,使电阻体被照射部位和导电电极导通,于是光电电位器的输出端就有电压输出,输出电压的大小与光束位移照射到的位置有关,从而实现了将光束位移转换为电压信号输出。

光电电位器最大的优点是非接触型,不存在磨损问题,它不会对传感器系统带来任何有害的摩擦力矩,从而提高了传感器的精度、寿命、可靠性及分辨率。光电电位器的缺点是接触电阻大,线性度差。由于它的输出阻抗较高,需要配接高输入阻抗的放大器。尽管光电电位器有着不少的缺点,但由于它的优点是其它电位器所无法比拟的,因此在许多重要场合仍得到应用。

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第二节 电容式传感器

以电容器为敏感元件,将机械位移量转换为电容量变化的传感器称为电容式传感器。电容传感器的形式很多,常使用变极距式电容传感器和变面式电容传感器进行位移测量。

(1).变极距式电容传感器

图2是空气介质变极距式电容传感器的工作原理图。图中一个电极板固定不变,称为固定极板,另一极板间距离d响应变化,从而引起电容量的变化。因此,只要测出电容量的变化量⊿C,便可测得极板间距变化量,即动极板的位移量⊿d。

变极距电容传感器的初始电容Co可由下式表达,即

式中:ε——真空介电常数(8.85×F/m)

A——极板面积(m2)

do——极板间距初始距离(m)

传感器的这种变化关系呈非线性,如图3所示。

当极板初始距离由do减少⊿d时,则电容量相应增加⊿C,即

电容相对变化量⊿C/Co为

由于,在实际使用时常采用近似线性处理,即

此时产生的相对非线性误差γo为

这种处理的结果,使得传感器的相对非线性误差增大,如图4所式。

为改善这种情况,可采用差动变极距式电容传感器,这种传感器的结构,如图5所示。它有三个极板,其中两个固定不动,只有中间极板可产生移动。当中间活动极板处于平衡位置时,即d1=d2=do,则C1=C2=Co,如果活动极板向右移动⊿d,则d1=do-⊿d,d2=do+⊿d,采用上述相同的近似线性处理方法,可得传感器电容总的相对变化,为

传感器的相对非线性误差γo为

不难看出,变极距式电容传感器改成差动之后,不但非线性误差大大减小,而且灵敏度也提高了一倍。

(2).变面积式电容传感器

图6是变面积式电容传感器结构示意图,它由两个电极构成,其中一个为固定极板,另一个为可动极板,两极板均成半圆形。假定极板间的介质不变(即电介质常数不变),当两极板完全重叠时,其电容量为

Co=⊿A/d

当动极板绕轴转动一个α角时,两极板的对应面积要减小⊿A,则传感器的电容量就要减小⊿C。如果我们把这种电容量的变化通过谐振电路或其它回路方法检测出来,就实现了角位移转换为电量的电测变换。

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