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时间:2019-05-30
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1、第四章常用传感器原理与非电量测量4.1概述传感器是一种能将特定的被测信息(包括物理量、化学量、生物量等),按一定规律转换成某种可用的输出信号的器件,又称为变换器、变送器。目前,可用信号是指各种电量(电压、电流)或电参数(电阻、电感、电容等),这是因为电信号易于处理,便于传输。随着科学技术的进步,可以预料传感器“可用信号”的内涵也会随之改变,如当人们跨入光子时代,则光信号将成为更便于快速处理与传输的“可用信号”了。常见传感器A从传感器输入端来看,一个指定的传感器只能感受或响应规定的物理量。如温度传感器只能用于测温,传感器所能感受或响应规定的物理量既可以是非电量也可是电量。B
2、从输出端来看,传感器的输出信号为“可用信号”,这指传感器输出信号中不但载运待测的原始信息,而且是能够被远距离传送、后续测量环节便于接收做进一步处理的信号,包含:电信号、光信号、气动信号等。C从输入输出关系看,具有一定规律,可以通过数学解析方法或试验法确定模型来描述,具有规定的静态特性和动态特性,规律可以重复出现。传感器位于测试系统的最前端,主要为了获取检测信息和转换信息用。4.1.1传感器的分类传感器的分类方法很多,了解传感器的分类旨在加深理解便于应用。按输入量可分为温度、压力、位移、速度、湿度等传感器;按测量原理可分为电位计式、应变式、电感式、差动变压器式、电涡流式、半导
3、体力敏、热敏、光敏、气敏等传感器;按输出量分类有模拟式和数字式传感器等。按照传感器输出量变换原理分类,由于传感器可用输出信号的类型是有限的,如电压、电流、电阻、电荷,其中输出量为电参数的(电阻、电感、电容)称为电参数传感器;输出量为电量(电压、电流、电荷)称为电量型传感器。4.1.2传感器技术现状与发展目前,传感器技术正在飞速发展,出现了“多样化、新型化、集成化、智能化”的发展形势。多样化是指随着使用领域的不断扩大以及各个领域的不同需要,出现多种多样用途的传感器,种类有上千种。集成化包括传感器本身的集成化和传感器与后续电路的集成化。新型化是指由于科学技术的发展,许多物理效应
4、的新发现、理论上的新突破、新工艺的提出、新材料的产生,发展了大量新型传感器。智能传感器,至今还没有公认的正式定义。一般认为:传感器与微处理器相结合所形成的不仅具有信号检测功能,而且具有信息处理功能的传感器系统就是智能传感器。举例:汽车电子控制系统的信息源就是各种类型的传感器,数量多达几十至上百只各型传感器。4.2电参数型传感器4.2.1电阻式温度传感器利用导体、半导体电阻随温度变化的特性,可以制作出测量温度的传感器:热电阻和热敏电阻。温度范围(-200~500)℃1热电阻:纯金属制作的热电阻有正温度系数,温度每升高1℃,电阻值增加约0.4%~0.6%。最广泛使用的是纯金属铂
5、、铜热电阻。(1)铂电阻的R-t关系0℃~850℃-200℃~0℃(2)铜电阻在(-50~150)℃内有较好的特性,价格便宜。其R-t特性为:2热敏电阻热敏电阻是将温度信号转变为电阻值变化的一种传感器。它可归类为电阻式传感器。这种热敏元件是半导体,称半导体热敏电阻。其优点有:具有较高的负电阻温度系数;灵敏度高于热电阻,在20℃时温度增加1℃,电阻值减少约2%~6%。常温下阻值大,可以忽略引线电阻的影响,体积小,动态特性好。测温范围(-100~300)℃。缺点:非线性大,长期稳定性差,互换性差。热敏电阻有正温度系数和负温度系数两种,它们的阻值特性分别为:式中——温度为时的电阻
6、值;——常数;——绝对温度。它们的温度系数可分别求出,即正温度系数热敏电阻的温度系数为正,且为常数(指在工作范围内);负温度系数热敏电阻的温度系数为负,且与电阻温度的平方成反比,随温度降低而迅速增大,因而具有很高的灵敏度。所以,负温度系数热敏电阻的应用较广。对于热电阻和热敏电阻,通过它们的电流不能太大,否则引起自身发热,带来测试误差。4.2.2电桥法测电阻在输入信号的作用下,电参数型传感器输出为电参数电阻R、电感L、电容C的改变量,因此实现对R、L、C参数测量的检测电路可用来作为与传感器相配接的信号调理电路。电桥是将电阻、电感、电容及阻抗参量的变化转换为电压或电流输出的一种
7、测量电路,精度与灵敏度高,根据激励源的性质可分为直流电桥与交流电桥;按输出方式,可分为平衡电桥和不平衡电桥。对电阻式传感器既可采用直流电桥,又可采用交流电桥;对于电感、电容式传感器则应选用交流电桥。一般主要采用不平衡电桥。1电压源供电下图中,桥路电流,为:其中和上的电压降分别为:则输出电压2恒流源供电桥路电流分别为:输出电压则为:几种电桥电路4.3电量型传感器电量型传感器的输出都是电量(电压、电流),如磁电式变换器、压电式变换器、热电式变换器、光电式变换器,可以不需要外界激励电源而从被测对象直接获取信息能量,从而
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