汽车试验学第四章

《汽车试验学第四章》由会员分享，可在线阅读，更多相关《汽车试验学第四章（94页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第四章 传感器原理与测量电路 4.1 传感器分类,一、按被测参量分类： 测量机械量的传感器有：力、力矩、应力、位移、速度、加速度、长度、厚度、角度、圆度传感器等。 测量热工量的传感器有：温度、压力、流量、流速、物位传感器等。 测量物理化学量的传感器有：密度、湿度、粘度、浓度、盐度、化学成分传感器等。 测量生物医学量的传感器有：血压、眼压、脑压、体温、血流、心电、心音、心搏数、触觉、听觉、视觉传感器等。,二、按传感器工作原理分类,变换为电阻的有：电位器式、电阻应变式、压阻式传感器。 变换为磁阻的有：电感式、变压器式、电涡流式传感器。 变换为电容的有：电容式传感器。 变换为电荷的有：压电式传感器。

2、 变换为电势的有：感应式、霍尔式、热电式传感器。,4.2. 电位器式传感器 一. 工作原理,把被测得的机械位移转换为电阻或电压的变化。 当电刷在电位器上滑动时，改变O点的位置，使AO间的电阻R和输出电压U都发生变化。当电刷从电位器A点移动到O点，其行程为L，则对应的电阻变化和输出电压分别为：,二. 阶梯特性与阶梯误差,当电位器的端电压U0恒定时，其输出电压U与电位器的行程L成正比，从理论上讲它们之间的关系是直线关系。但是，线绕电位器的实际特性却是一条阶梯形的折线。电刷在电阻丝上滑动时，与电阻丝的接触是一匝一匝地移过的，每当电刷移过一个节距，输出电阻产生一匝电阻值跳跃，输出电压亦产生一次阶跃。

3、电位器的阶跃误差ej通常以理想阶梯特性线对理论直线的最大偏差值与最大输出电压的比值的百分数表示。即,三. 负载特性与负载误差,上述有关电位器的特性是在输出端不接负载时的特性，称为空载特性。实际上，作为传感器用的电位器，它的负载电阻阻值与电位器本身阻值之比是有限的，此时所得特性称为电位器的负载特性。接有负载电阻Rf的电位器电路如图所示。电位器的输出电压为：,对线性电位器，电阻相对变化为,当电位器接有负载电阻Rf后，输出电压Usc将不再与X保持线性关系。只有当Rf ，即m0 时，输出电压Usc才与X成线性关系。 电位器的非线性误差，即负载误差为,若使非线性误差在整个行程内不超过12%，必须有Rf(

4、1020)R0 。,四.特点与应用,结构简单，性能稳定，输出信号大，受外界条件影响小。 动态响应较差，分辨率低，精度不高。 常用来测量位移、压力、加速度等。,4. 3 电阻应变式传感器,工作原理：利用电阻应变片受力产生应变而使电阻值发生变化的原理来测量被测参数的大小。 一. 电阻应变片 1. 金属应变片： 设金属应变片金属丝的长度为L、截面积为A、电阻系数为，则金属丝的初始电阻R为：,当金属丝受力作用后，其长度、截面积和电阻系数相应变化为dL、dA和d，因而引起电阻变化为dR。整理后得：,灵敏度系数,k值的前两项(1+2)是由于金属丝受力后几何形状的变化而引起的电阻相对变化。对金属材料来说，电

5、阻的变化与上述两因素有关，但以前者为主。,2. 半导体应变片,金属丝电阻应变片是由于金属丝的形状发生变化引起阻值的改变；而半导体应变片则是根据半导体单晶的压阻效应使阻值变化。半导体的压阻效应是指半导体沿某轴向受力产生内应力引起电阻率的变化，从而使电阻阻值也发生变化的现象。,E是半导体压阻效应引起的，其数值是前两项之和的5070倍。,二. 应变片粘结剂（略） 三. 电阻应变式传感器,四. 应变式传感器测量电路 应变式传感器弹性元件上粘结的应变片大多数是金属应变片，由于它的灵敏度系数很小（k 2），电阻变化很小，很难准确测量。必须用专门的测量电路来解决，最通常的测量电路是电桥电路。电桥电路可将应变

6、片的电阻变化转化为电桥输出电压或电流的变化。,1. 直流电桥,U是电桥供给电压， Usc是电桥输出电压。 则,若要初始状态，输出电压为零，即电桥处于平衡状态，则,假设电桥各桥臂电阻R1 ， R2 ， R3 ， R4都发生变化，其阻值的增加分别为 R1 ， R2 ， R3 ， R4 ，电桥的输出电压为：,当,或,时，, 单臂电桥,传感器弹性元件上只贴有一个应变片，弹性元件受力后电阻R1发生变化为R1，电桥其它各臂电阻是使电桥达到平衡而接入的不变电阻，则R2=R3=R4=0，因此,双臂电桥(相邻臂) 传感器弹性元件上贴有两个应变片，R1 沿弹性元件轴向粘贴， R2 沿弹性元件周向粘贴，且R1= R

7、2 ， R1 和R2 接在电桥的相邻臂上，当弹性元件轴向受力后，有R2=-R1 ，则, 双臂电桥(相邻臂),传感器弹性元件上贴有两个应变片，当受力后R1电阻增大，R2电阻减小，若R1= R2 ，则 R2 = - R1, 双臂电桥(相对) 传感器弹性元件上贴有两个应变片，两相对应变片沿轴向粘贴，若R1= R4 ，则 R1 = R4, 全桥,传感器弹性元件上贴有四个应变片，当弹性元件受力后，应变片的电阻变化， R1和R4电阻增大， R2和R3电阻减小，若R1= R2= R3=R4，则 R1 = - R2 = - R3 = R4, 全桥 R1和R4 沿轴向粘贴，R2 和R3沿周向粘贴，且R1= R2

8、= R3= R4 ， R1= R4 ， R2=- R1= R3 则,2. 交流电桥,应变式传感器由于电阻变化小，电桥输出电压很弱，一般都要加以放大。常用的放大器是交流放大器，电桥的四个桥臂不是纯电阻，而是有电阻、分布电容或电感所组成的阻抗。,则平衡条件为：,五. 应变式传感器的特点,性能稳定，精度高。 测量范围广。 对环境条件适应能力强。 应变式传感器在称重，测力，测压力，扭力，加速度等参量方面得到广泛应用。,4.4. 电感式传感器,电感式传感器是利用电磁感应原理，把被测非电量转换为线圈电感的变化。 一. 简单自感与差动自感传感器 1. 工作原理 当衔铁子在被测参量带动下移动时，磁路中气隙的磁

9、阻发生变化，从而引起线圈电感的变化，把电感的变化通过测量电路转换为电压或电流的变化。根据所测电压或电流的变化过程确定被测量的变化。,线圈中的电感量为：,从式中可知，电感量与空气隙长度成反比，与空气断面积成正比。因此，改变气隙长度或改变气隙截面积都能使电感量发生变化。 对于变气隙型电感传感器：电感变化量,灵敏度,在实际应用中，常常是采用差动结构，即把两个相同的简单电感传感器组合在一起而共用一个衔铁构成差动式电感传感器。当衔铁处于中间位置时，上下两个线圈的电感量相等。若衔铁被带动向上移动距离时，使上下气隙分别减小和增大，从而使上、下线圈的电感量分别增大和减小L。则灵敏度提高一倍。由于消失了偶次项，

10、改善了非线性。,2. 测量电路与输出特性,电感传感器的测量电路常采用电桥电路，电桥由交流电压U供电，电桥的两臂Z1和Z2为传感器中两个线圈的阻抗，另两臂各为电源变压器次级线圈的一半，电桥对角线上A、B两点的电位差为输出电压Usu，输出电压有效值为：,差动变压器式传感器 1. 工作原理：,差动变压器传感器应用电磁感应的互感原理。 工作原理：当初级线圈由交流电压激励时，根据变压器工作原理，在两个次级线圈中产生感应电势e21和e22。当衔铁在两线圈中心位置时，两线圈的感应电势相等，即e21= e22 ，因两线圈是反向串接，故此时的输出电压为e2= e21- e22 =0。,当衔铁向上移动时，次级线圈

11、的互感M1增大，互感M2 减小，则线圈内感应电势e21 e22，当衔铁向下移动时，则感应电势e21 e22 。因此，只要衔铁偏离中心位置，e2 0，即有输出电压产生，而输出电压的幅值大小与衔铁位移量成正比。因输出的是交流电，只有接入相敏检波电路后，才能从直流输出电压的幅值和相位判断衔铁位移大小和方向。,2. 等效电路：,输出电势有效值为：,输出电势的大小与互感的变化量M 成正比。,电涡流式传感器 1. 基本原理,把一个线圈放到一块金属导体附近，当线圈通过交流电流I1时，在线圈的周围会产生交变磁场H1，使置于交变磁场中的金属导体中感应出交变电流I2，此电流也产生交变磁场H2，而交变磁场H2和线圈

12、产生的磁场H1方向相反。由于磁场H2的反作用，使原来线圈的阻抗发生变化，线圈阻抗变化的大小与金属导体的电导率，磁导率，厚度h，线圈激励电流I和角频率以及线圈与金属导体之间的距离d等参数有关。线圈的阻抗Z为：,2. 等效电路与测量电路,电涡流传感器的等效电路如图。图中R1和L1为线圈的电阻和电感， R2和L2为金属导体的电阻和电感，U为线圈激励电压，M为线圈与导体中涡流回路的互感系数。线圈的等效电感为：,四. 电感式传感器的特点,结构简单，工作可靠； 灵敏度高，分辨率较大； 测量的精度较高； 频率响应较低，不宜高频动态参数。 传感器广泛用于测量位移及能引起位移变化的参量，如力，压力，速度，加速度

13、，流量，厚度等。 电涡流式传感器的特点是结构简单，灵敏度高，测量范围大，抗干扰能力强，具有非接触测量等。常用来测量位移，振幅，几何尺寸，表面粗糙度及裂纹等。,4.5 电容式传感器 一. 工作原理及特性,电容式传感器是把被测物理量转化为电容器电容量变化的一种传感器。,电容C是 ，S ， 三者的函数，只要改变三者中任一参量，都可转变成C的变化。因此，根据工作原理不同，有变隙式，变面积式和变介电常数式三种电容式传感器。,1. 变间隙式电容传感器,当动极板在被测参量作用下发生位移，使间隙减小了，则电容C将增加 C，即,电容的相对变化量为：,当,时，将上式括号按级数,展开得：,由上式可知， C/C与之间

14、是非线性关系，只有当 ，,略去高次项时，可得近似线性关系为：,灵敏度为：,灵敏度K与初始间隙的平方成反比，间隙越小，灵敏度越高。但间隙的减小受极板间击穿电压的限制。由于很小，且,所以 也应很小，因此，变间隙式电容传感器适用于小间隙、小变化量的位移测量。,为了提高电容传感器的灵敏度和减小非线性，常采用差动结构。 差动电容结构是在两块定极板之间放一块动极板，若动极板在被测参量作用下向上位移，则上半部的间隙变为1=-，而下半部的间隙变为2=+ 。上半部的电容增加为c1=c+ c1 ，而下半部的电容减小为c2=c- c2 。,当,时，将上两式按级数展开得：,2. 变面积式电容传感器 角位移传感器,当动

15、板移动 后，两极板间的电容为：,由于k为常数，所以角位移式传感器的电容与角位移成线性关系。,则, 线位移式传感器,当动板移动x后，两极板间的电容为：,由于k为常数，所以线位移式传感器的电容与线位移成线性关系。,3. 变介电常数式电容传感器,在被测介质中放入两个同心圆柱状电极，若容器内介质的介电常数为，空气的介电常数为，当容器中液面高度发生变化时，两电极间的电容也发生变化。两电极间的总电容C等于介质为空气部分的电容与介质为液体部分的电容之和，即,输出电容与液面高度x呈线性关系。,二. 测量电路,电容式传感器在被测参量的作用下电容发生变化，但还需通过测量电路将电容变化转化为电压或电流的变化。 1. 阻容交流电桥 右图是阻容交流电桥系统方图。图中电桥部分C1和C2是差动电容传感器的两个电容，电桥另两个桥臂接入相同的固定电阻R0,2. 变压器式电桥 电桥中C1和C2是差动电容传感器的两个电容，该桥臂的阻抗,电桥的输出电压为：,差动电容传感器当动极板位移时,3. 双T电桥,三. 电容式传感器的特点： 输入能量小，灵敏度高。 动态特性好。 能量损失小。 结构简单，适应性好。 非线性较大。 电缆电容影响大。 解决方法：采用双层屏蔽电缆。采用小型集成电路，放在传感器内部，即传感器分测量电路一体化。,4.6 压电式传感器,一. 压电效应 压电式传感器的工作原