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第八课电容式电感式传感器及其他
8.1电容式传感器两平行极板电容器的电容由下式得出(8-1)这里,为空气的介电常数
8.854*10F/m为极板间介质的相对介电常数A为极板的遮盖__或有效__()为极板将的距离()电容量随着相对介电常数、截面__A或者极板间的距离的变化而变化电容式传感器的一些例子如图
8.1所示图
8.2中的特征曲线表明,在空间的一段范围内截面__A和相对介电常数的变化与电容量的变化呈线性关系通过对方程(8-1)微分,我们能得出灵敏度(单位是F/s)即因此,对于值微小的变化,灵敏度是很高的不像电位器,变极距型电容传感器有无限的分辨率,这最适合测量微小的位移增量的位移例
8.1平板电容器的有效截面__为,极板距离1mm,如果空气的相对介电常数是
1.0006,求设备的位移灵敏度对式(8-1),求导得负号表示随着极距增大电容减小
8.2电容式传感器缠绕在磁路上的线圈的电感为(8-3)式中,为真空磁导率,为相对磁导率,N为线圈匝数,为磁路长度(m),A为磁路的截__()上式也可写为(8-4)其中,S为电感电路的总磁阻电感可通过改变电感电路的阻抗来调节变阻式传感器的一些例子如图
8.3(a),
8.3(b),
8.3(c)所示电感传感器的一些特征曲线如图
8.4所示例
8.2分别求在(a)相对磁导率变化(b)磁路长度变化条件下,单线圈电感传感器的灵敏度a对式(8-3)中的进行微分b对(8-3)中的进行微分电容式和电感式传感器的测量技术a用差分式电容或电感作为交流电桥;b用交流电位计电路做动态测量;c用直流电路为电容器提供正比于容值变化的电压;d采用调频法,C或者L随着振荡电路频率的变化而变化电容式和电感式传感器的一些重要特征如下i分辨率无限;ii精确到满量程的;iii位移范围从到;iv)上升的时间小于;典型的被测量是位移、压力、震动量、声音和液位
8.3线性调压器典型的调压器如图
8.5所示,它由一主线圈、两个副线圈和可__的磁心构成高频励磁电压作用于主线圈,由于变压器作用在线圈副边产生电压和副线圈的幅值取决于主、副线圈的电磁耦合以及铁心偏移量由于副线圈串行反向连接,变压器铁心的偏移量使增大的同时,减小理想条件下,电压和的相位差应该是,以便中心位置的输出电压为零但是,一般两电压的相位差不是确切的,而是有一小的无效输出电压,如图
8.6(b)所示线性调压器的一些重要特征如下a无限分辨率;b线性度优于;c励磁频率50Hz到20kHz;d无效电压小于满量程输出电压的;e最大偏移频率为励磁频率的;f位移范围从到;g运动部件无磨损;h调幅输出,即输出电压为幅值随位移输入变化、频率恒定的波形典型的被测量为可被转化为位移的量,如压力、加速度、振动、作用力以及液位
8.4压电式传感器当在某晶体材料上施加一个力时,负极的电荷就会在压电效应下出现(压电源于希腊语的“压”)压电式传感器由天然晶体(如石英、酒石酸钾钠晶体)、合成晶体(如硫化锂)或极化陶瓷(如钛酸钡)构成由于这些材料能够产生一个与施加力成比例的输出电荷,所以它们不仅最适宜测量力本身,还可测量驱动力变量(如压力、负载和加速度)压电材料是很好的绝缘体因此与其连接的金属板共同构成平板电容器,如图
8.7(a)所示当施加一力时,电容器在压电效应下充电,如图
8.7(b)所示的等效电路遗憾的是,任何与电容器C连接的电子测量仪常常会放电,即传感器的稳态效应很糟糕这可用带有被称为充电放大器的高输入阻抗()的测量放大器克服此缺陷,但会使得测量系统费用增高例
8.3一压电压力传感器的灵敏度为80pC/bar如果其电容为1nF,则当输入电压为
1.4bar时,就可确定输出电压电荷q=输出电压V=
8.5电磁式传感器电磁式传感器利用线圈在磁场中__产生电流的原理制成电磁式传感器的输出电压如下所示a对于变磁通的线圈而言输出电压这里,N为线圈匝数,为磁通变化率(Wb/s)b对于在磁场中运动的单个导体而言输出电压式中,B为磁通强度(T),为导体长度(m),为垂直于磁通方向的导体的速度(m/s).两等式均运用于市场上常用的速度传感器,其构造原理图如图
8.8(a),
8.8(b),
8.8c所示电磁式传感器的一些重要特征如下i输出电压与输入运动速度成正比;ii通常质量较大,因此它们固有频率低;iii具有高的功率输出;iv厂家技术说明中提供10Hz到1kHz的频率响应范围
8.6热电式传感器将两块不同金属或合金首尾相连形成一个热电偶(见图
8.9),其两端温度不同,则在两导体间产生热电势,并在回路中有电流经过热电势的大小取决于连接处的温度差和所用的材料热电效应就是众所周知的泽贝克效应,它被广泛应用于温度测量与控制系统中热电偶的主要问题是腐蚀、氧化或者放置处空气的污染等选用与空气或液体不发生反应的防护外壳就可以克服这些问题尽管这些热电偶能够提供直流输出电压,但是电压通常是毫伏级的而且常需要放大热电偶的优点包括;a由于热电偶的体积小,可测局部点的温度;b耐用,温度范围为-250~+
2600.
8.7光电管(自发电式)光电管是利用光电效应,即光辐射在两块不同材料连接处产生一光电效应典型光电管的构造如图
8.10(a)所示,图中标明了金属夹层、半导体材料以及透明层通过透明层的光会产生一电压,此电压为光强度的对数函数这样的装置灵敏度极高,频率响应效果好,且由于电压与光的对数关系,所以该装置非常适合在一个大的光强度范围内发生光电效应,光电管的特性如图
8.10b所示
8.8机械式传感器及敏感元件许多换能系统由两类连续或者层叠式传感器组成在电子传感器中,输入传感器的__由敏感元件提供敏感元件常为机械式传感器,此传感器把测量得到的值转化为位移或力,然会位移或力被转变为电参数一些较普遍的机械式传感器分为以下3类
8.
8.1力-位移传感器a弹簧图
7.2中的弹簧是最简单的机械式传感器为保持平衡,有F=这里,为弹簧的刚度(N/m)由于灵敏度,所以灵敏度=也就是说,弹簧刚度越大,灵敏度越小b悬臂梁给图
8.11中的悬臂梁上施加一作用力就会产生一个偏移y力F与偏移y的关系为这里,取决于悬臂梁的材料和尺寸大小
8.
8.2压力-位移传感器a振膜压力可用图
8.12所示的钢圈振膜测得如果位移小于振膜厚度的三分之一,振膜的位移就与压力差()成正比压力差()与振膜位移间的关系可表示成其中,取决于振膜的材料和尺寸振膜通常为一弹簧钢圈薄片,与一个电子传感器仪器可制成一个高灵敏度的小型传感器b低音管此类传感器(见图
8.13)在市场上常用于压力表低音管的主要特点是测量范围大如果横截面的长轴比短轴b大得多,那么输入压力与管末端偏差有以下关系c波纹管波纹管主要是一带气垫的板簧,见图
8.14,常用于气动设备中为了保持平衡,作用在波纹管底部的力为其中A为波纹管横截面的__(),为输入的压力(),为波纹管的硬度(N/m)
8.
8.3位移-压力传感器典型压力舌阀系统的原理如图
8.15(a)所示对于施加一固定压力,舌阀的运动允许空气可变,这改变了控制压力传感器特征曲线(如图
8.15(b)所示)为非线性的,但当传感器用于气动设备时就可运用反馈产生一个窄的线性区,通常这个线性区可以扩展由于速度很小,用气动放大器加大控制压力
8.5Electro__gnetictransdu__rsTheseemploythewell-knowngeneratorprincipleofacoilmovingina__gneticfield.Theoutputvoltageoftheelectro__gnetictransdu__risgivenasfollows.aforacoilwithchangingfluxlinkagesOutputvoltageWhereN=numberofturnsoncoiland=rateatwhichfluxchangesWb/sbforthesingleconductormovingina__gneticfieldwhereB=fluxdensityT=lengthofconductormand=velocityofconductorperpendiculartofluxdirectionm/s.Bothreletionshipsareusedincommercially__ailablevelocitytransdu__rstheconstructionprinciplesofwhichareillustratedinFigure
8.8atoc.Someimportantfeaturesoftheelectro__gnetictransdu__rsareasfollow:ioutputvoltageisproportionaltothevelocityofinputmotion;iiusuallytheyh__ealarge__sshen__theytendtoh__elownaturalfrequencies;iiihighpoweroutputsare__ailablel;ivlimitedlow-frequencyresponse-rangesfrom10Hzto1kHzarequotedin__nufacture’sliterature.
8.6ThermoelectricTransdu__rsWhentwodissimilarmetalsoralloysarejoinedtogatherateachendtoformathermocoopleasshowninFigure
8.9andtheendsareatdifferenttemperaturesane.m.f.willbedevelopedcausingacurrenttoflowaroundthecircuit.The__gnitudeofthee.m.f.dependsonthetemperaturedifferen__betweenthetwojunctionsandonthe__terialused.ThisthermoelectriceffectisknownastheSeebecteffectandiswidelyusedintemperature-measurementandcontrolsystems.The__inproblemswiththermocouplesarecorrosionoxidationorgeneralcontaminationbytheatmospherreoftheirlocation.Theseproblemscanbeovercomebytheselectionofaprotectivesheathwhichdoesnotreactwithatmosphereorfluid.Althoughtheydogiveadirectoutputvoltagethisisgenerally__all-intheorderofmillivolts-andoftenrequiresamplification.Advantagesofthermocouplesincludeathemperatureatlocalizedpointscanbedetermindbecauseofthe__allsizeofthethermocouple;btheyareroubustwithawideoperatingrangementfrom-
8.7Photoelectric__llsself-generatingThephotoelectricorphotovoltic__ll__kesuseofthephotovoltaiceffectwhichistheproductionofane.m.f.byradiantenergy-usuallylight-incidentonthejunctionoftwodissimilar__terials.Theconstructionofatypical__llisilllustratedinFigure
8.10aLighttr__elingtrroughthetransparentlayer.Lighttr__elingthroughthetransparentlayergeneratesavoltagewhichisalogarithmicfunctionoflightintensitythedevi__ishighlysensitive;hasagoodfrequencyresponse;andbecauseofitslogarithmicrelationshipofvoltagezgainstlightisverysuitableforsensingoverawiderangeoflightintentsitesthecharacteristicofdevi__isshowninFigure
8.10b
8.8MechanicalThansdu__rsandSensingElements__nytransducingsystemconsistoftwodifferenttypesoftransdu__roperatinginseriesorcascade.Intheelectrical-transdu__rsectionitwasassumedthattheinputtothetransdu__rwasprovidedbythesensingelementitselfisoftenamechanicaltransdu__rwhichconvertthemeasuredintoadisola__mentorfor__whichisthenusedtochangesomeelectricalparameter.Someofthemorecommonmechnicaltransdu__rsareshowninthefollowingexamples.
8.
8.1for__-to-displa__menttransdu__rsaspringThespringshowninFigure
7.2isthe______stformmechanicaltransdu__r.Foreqyilibriumweh__eWherespringstiffnessN/sButsensitivitysosensitivity.i.e.thestifferthespringthe__allerthesensitivitybcantileverWhenthecantievershowninFigure
8.11islocateditexperien__sadeflectiony.Therelationshipbetweenthefor__Fanddeflectionshipbetweenthefor__anddeflectionisgivenbyDeflectiony=Wheretheconstantdependsonthe__terialanddimensionsofcantilever.
8.
8.2pressure-to-displa__menttransdu__rPressurecanbemeasuredusingasteeldiaphragminFigure
8.
12.Thedispla__mentofthediaphragmisproportionaltothepressuredifferen__ifthedispla__mentislessthanonethirdofdiaphragmthickness.Therelationshipbetweenpressuredifferentialanddiapla__mentisthuisgivenbyWheredependsonthe__terialanddimensionsofthediaphragm.Thediaphragmusuallyathinflatplateofspringsteel__ybeusedwithanelectricaltransdu__rtoprodu__a__alltransdu__rwithhighsensitivity.bbourdontubesThistypeoftranssdu__rillustratedinfigure
8.13isusedin__ny__ailablepressuregauge.The__infeatureofbourdontubesistheirlargedeflection.Providedthe__joraxisthefollowingrelationshipholdsbetweentheinputpressureandthetube-tipdeflectioncBellowsThisisbasicallyapneu__ticspringasillustratedinFigure
8.14andisingeneralusedinpneu__ticinstrument.Equatingthefor__sactingonthebellwsforequilibriumwhereA=cross-sectionalareeaofbellowinputpressurebellowsstiffnessN/m
8.
8.3displa__ment-to-pressuretransdu__rsAtypicalarrangementofaflapper-nozzlesystemisshowninFigure.
8.15aForaconstantsupplypressuremovementoftheflapperallowsavariablebleed-offofairwhichvariesthecontrolpressureThetransdu__rcharacteristicillustratedinFogure
8.15bisnon-linearbuthasanarrowlinearregionwhichisusuallyextendbyemployingfeedbackwhenthetransdu__rsareareinpne__ticinstruments.Theflowrateusedarevery__all.Andapneu__ticamplifiermustbeemployedtoboostthecontrolledpressure.。