电气测量 第七章 非电量电测量

dy dx
非线性变换
ymax
S： 传感器的灵敏度；
Δ y：传感器输出电量的增量；
Δ x：传感器输入非电量的增量。
0
两种特殊情况：
Δmax
xmax
• 输入-输出间的变换关系为 灵敏度为常数：
• 输入-输出间的变换关系为
y k1x
S y / x k1
y k2 / x
y
y2
y1
x0
k2 x
k2 x0
电阻丝式应变片及其敏感度系数
dR
K0
R
x
电阻丝式应变片（2）
电阻应变片温度误差
电阻丝电阻本身是温度的函数
Rt1 Rt0 (1 a0t) Rt1 ta0Rt0
试件材料与应变片材料热膨胀系数不同
R Rt0K0 ( g s )t
总的电阻相对变化
Rt
Rt 0
Rt1 R Rt 0
0 K0 (g s )t
➢ 数据显示记录元件
将信号处理元件的输出以合适的方式显示或记录
举例：重量－电阻
第二节 传感器的静态特性 和动态特性
❖传感器的定义 ❖传感器的特性
静态特性 动态特性
传感器的定义
IEC标准：“为测量的目的，将感受的物理量(一般为非电 量)按照相应的关系，转换成另一种物理量(一般为电量)输 出的装置”
d1 d2
r1 r2
1 1 1 1 [ d1 d2 ]
C C1 C2 0 A r1 r 2
用途：
测量纸张、塑料薄膜 等的厚度
变介质式电容传感器(3)
❖两种介质构成的电容并联形式的传感器
根据电容并联公式有：
C
C1
C2
0b0
d0
[ r1(l0
l2 ) r2l2 ]
b0为极板宽度
0
多次重复测试的曲线越重合，说明重
xmax
复性越好，误差越小。
max 100 %
ymax
传感器的动态特性
定义：
当传感器输入为典型信号时，其输出 T 在时域或频域的特性。
ΔTF
一阶系统举例：
0
温度传感器(热电偶或热电阻)对于阶
t
跃温度变化的测量
二阶系统举例： 惯性测振仪通过测量相对位移得到被测加速度
γ： 基准(引用)非线性误差；
0
ym： 输出满度值。
Δmax
xmax
传感器非线性的处理技术：
✓ 线性化：采用直线拟合来近似实际的非线性特性(表1)； ✓ 采用非线性元件补偿传感器的非线性； ✓ 按照实际输入量进行非线性刻度等
常用拟合直线的方法
传感器的静态特性---灵敏度
灵敏度的定义：
S
y x
线性变换
测量系统
被 测 系 统
敏感元件
信号 调理元件
信号 处理元件
数据 显示记录
元件
观 察 者
➢ 敏感元件(传感元件)
感受被测非电量，并将其转换成电量
➢ 信号调理元件(电桥，交流放大器)
将来自敏感元件输出转换成适合进一步处理的信号
➢ 信号处理元件（A/D,D/A,检波）
将信号调理元件的输出转换成适于记录显示的信号
N： 线圈匝数 L： 比例系数 Ni： 磁动势
Rm：磁阻
Rm
lwenku.baidu.com
S
2l0
0S0
L N 2 N 20S0
Rm
2l0
S： 铁心导磁截面积 S0： 空气隙导磁截面积 l ： 铁心导磁长度 l 0： 空气隙 μ： 铁心导磁率 μ0： 空气导磁率
自感型传感器---涡流式
原理： 利用金属导体在交流磁场中的涡电流效应
一般化传感器结构模型
预
非电---非电
变
换
器
逆变换器
电---非电
基本变换器
非电---电
电
变 换
电---电
器
传感器的特性
➢ 静态特性
指当输入被测非电量为常数或极缓慢变化时，传 感器输入-输出间的变换关系，主要指标有：线 性度、灵敏度、迟滞、重复性、量程、测量范围、 分辨率等
➢ 动态特性
指当输入非电量为典型信号(例如正弦信号、阶 跃信号等)时的传感器输入-输出变换关系
互感型电感传感器
典型应用：
差动变压器式传感器LVDT
组成：
✓ 初级线圈W ✓ 完全相同串联反接的次级线 圈W1和W2 ✓铁心P
原理：
通过铁心P的移动在W1和W2上产生不同大小的感应电压e1和e2，从 而获得代表铁心移动位置的输出电压e
特点：
测量精度高、线性范围大、稳定性好、使用方便。
电感式传感器的应用
三线连接法
四线连接法
热敏电阻式传感器(1)
工作原理与结构：
在半导体中，原子核对价电子的约束力要比在金属中的大，因而自由 载流子数相当少。当温度升高时，载流子就会增多，半导体的电阻也 随之下降。利用这个性质，采用重金属氧化物或稀土元素氧化物的混 合技术，并在高温下烧结成的特殊电子元件可以用来测量温度。此技 术与工艺制成的敏感元件称为热敏电阻。
1.玻璃或陶瓷骨架 2.双线绕制的铂电阻 丝 3.玻璃或陶瓷敷层 4.引出线
测量空气中温度时，时间常数约为1min。
热电阻式传感器(3)
测量电路：常用电桥
典型电阻温度计测量电路
R1-R3和RT组成电桥 Rref为调0参考电阻值 Rfs为调满刻度参考电阻值
热电阻式传感器(4)
为消除连接导线电阻变化对测量准确度的影响，采用 三线或四线连接法：
第三节 非电量检测传感器
电阻式传感器
光电式传感器
电容式传感器
两端集成温度传感器
电感式传感器
半导体压阻式传感器
热电偶
霍尔传感器
压电式传感器
光纤传感器
1.电阻式传感器
❖ 分类
按照输出电阻变化的大小分为： 大电阻变化(电位器式传感器、热敏电阻) 小电阻变化(应变式、热电阻式)
电位器式传感器 应变式传感器 热电阻式传感器 热敏电阻式传感器
热敏电阻式传感器(2)
热敏电阻的伏安特性：
▪ 0-a段：电流小，功耗小， 电阻温度不变，固定电阻
▪a-b段：电流增加，功耗增 加，阻值降低，非线性正阻 区
▪ b-c段：电流增加，电压到 最大，电流继续增加，电阻 迅速升温，阻值减小
▪ c-d段：电阻的温度系数大， 阻值减小速度超过电流增加 速度，负阻区。
第七章 非电量电测量
第一节 非电量测量系统 第二节 传感器的静态特性和动态特性 第三节 非电量检测传感器 第四节 几种典型信号检测技术
第一节 非电量测量系统
❖概述 ❖非电量电测技术的主要特点 ❖非电量电测系统组成
非电量电测技术的主要特点
1) 应用电磁参数测量技术、理论和方法。关键技术是研 究如何将非电量变换成电磁量—传感技术；
载(输入量减小)时输入-输出特性曲线
不重合的程度
max 100 %
0
ymax
产生原因：
Δmax
xmax
传感器机械部分存在不可避免的缺陷，
如轴承摩擦、间隙、紧固件松动、材 料内摩擦、积尘等
传感器的静态特性---重复性
重复性的定义：
传感器的输入按同一方向变化时，在 ymax Δmax
全量程内连续进行重复测试时所得到 的各条特性曲线的重复程度。
电桥补偿原理
若桥臂电阻均在同一温度场，
各电阻批号、规格、工艺相
同，则温度变化引起的电阻
相对变化相互抵消。即电桥
对温度误差可进行补偿。
注意：相邻应变片感受反向
应变；温度引起的电阻变化
U ab
U 4
( R1 R1
R2 R2
R3 R3
R4 R4
)
要相同。
U ab
U 4
(K0 ( x1
x2
x3
x4)
设金属在温度T0时的电阻为R0，则在温度T时的电阻RT为：
RT R0[1 (T T0 ) (T T0 )2 ]
α和β为温度系数，在温度变化不大时，最后一项可忽略，此时 金属导线的灵敏度为：
S RT T
R0
热电阻式传感器(2)
结构：
工业上通常使用电阻值稳定、并可再现的铂丝和铂丝温度计。 温度计的阻值是标准化的，在0度时为100欧。此时的铂电阻称为 PT100。测量范围为750度。
U0
d0 d
0 r A
d0 d
0 r A
UH
d d0 UH
d0 d d0 d
低通滤波输出
脉冲调宽电路与变间距 电容传感器配用
U0
A A UH
U0
R R0
U
H
U0
L L0 U H
脉冲调宽电路与变面积电容传感器配用
将C1，C2换成固定电容，R1，R2为变阻式传 感器
将C1，C2换成电阻R1，R2， R1，R2换成电感 式传感器L1，L2
变换器1输出 增量：
y1
k2 x0 x
k2 x0
变换器2输 出增量：
y2
x0
k2 x
k2 x0
差动 增量：
yd y1 y2
灵敏度：
S yd 2 y0 [1 ( x )2 ( x )4 ]
x
x0
x0
x0
传感器的静态特性---迟滞
迟滞的定义：
ymax
传感器分别在加载(输入量增大)和卸
电位器式传感器(1)
工作原理与结构：
变阻器：
X Rx
0
R
分压器：
特点：
✓结构简单、输出特性精度高且稳 定、受环境影响小
X U0
✓电阻元件和电刷间有摩擦，影响
可靠性及寿命，分辨率较低
0
U1
R
电位器式传感器(2)
电位器式传感器的应用
电位器式加速度计：
1. 惯性质量 2. 片弹簧 3. 电阻元件 4. 电刷 5. 活塞阻尼器 6. 壳体
热敏电阻式传感器(3)
测量电路(T-f)变换器：
2.电容式传感器
❖ 工作原理
平板电容量与真空中介电常数ε0、电介质相对介电常 数εr、平板面积A和两极板间距离d相关：
C 0 r A
d
❖ 分类
变间距式、变面积式、变介质式
❖测量电路 ❖ 应用
变间距式电容传感器
令 0 r A K 则：
CK d
灵敏度： S C0 [1 d ( d )2 ( d )3 ( d )4 ...]
❖非磁性层厚度的测量
❖高压蒸汽管道中阀门位置测 量
4.热电偶
热电效应
回路中两种材料焊接处 有两个结。若这两个结 处在不同的温度场中， 则回路中会有维持一定 量的电流存在。
按级数展开，可得灵敏度表达式：
S y y0 [1 x ( x )2 ( x )3 ]
x
x0
x0 x0
x0
…为非线性函数
差动式结构：
❖结构：采用特性相同的两个变换器，将它们接成差动工作方式， 两个变换器得输出增量差作为整个变换器得输出。 ❖优点：灵敏度提高一倍，非线性的奇次项被抵消，从而改善了 非线性变换特性。
应变式传感器（1）
金属的电阻应变效应 金属导体的电阻随着机械变形（伸长或缩短）的大 小发生变化的现象称为金属的电阻应变效应。
R l
S
dR d dl dS R lS
应变式传感器（2）
dR dR
d l
K
R dl
R
1 2
dl
l
❖ K称为应变灵敏度系数
主要取决于1＋2u。电阻相对变化值与受力后的金属丝 几何尺寸变化有关，与受力后电阻丝的电阻系数变化 有关。
Rt1 R1
Rt 2 R2
Rt3 R3
Rt4 ) R4
电阻应变仪框图
电阻应变仪双桥接线图
u0' 1 * R K 'R
K0 u0 R
应变式传感器
热电阻式传感器(1)
工作原理：
金属原子最外层的电子能自由移动。当加电压后，这些无 规则移动的电子就按照一定的方向移动，形成电流。随着温度 的增加，电子热运动剧烈，电子之间、电子与振动着的金属离 子之间的碰撞机会不断增加，因而电子的定向移动受到阻碍， 金属的电阻也随之增加。
传感器的静态特性---线性度
理想的线性输出特性：
y
ym in
ymax ymin xmax xmin
(x xmin )
y ymax
ymin
xmin
实际传感器的输入-输出非线性：
x xmax
传感器的静态特性---线性度
非线性误差(线性度)的定义：
max 100 %
ym
ymax
Δmax：最大非线性绝对误差；
用途：
非导电液体和松散材 料的物位测量
测量电路
初始状态：S=1, R=1, Q=0, Uc1=Uc2=0 结果：A,B两点间电压Uab波形为上下对称的方波
振荡器振荡周期及Q维持高电平表达式： C1，C2对T1，T2有调宽作用
U0
T1 T1
T2 T2
U
H
C1 C1
C2 C2
U
H
0 r A － 0 r A
电容传感器的应用
3.电感式传感器
❖ 特点 基于电磁感应定律，把被测非电量转换 成自感L或互感M变化
❖ 分类 自感型电感传感器 互感型电感传感器
❖ 应用
自感型传感器---可变磁阻式
组成： 线圈、铁心、衔铁
原理：
电磁感
线圈 应定律 磁通фm
电流i
Nm Li
磁路定律
m
Ni Rm
N2 L
Rm
忽略铁 心磁阻
d0
d0 d0
d0
d0
变面积式电容传感器
令 0 r / d K
则： C KA
灵敏度：
S C K 0r
A
d
变介质式电容传感器(1)
❖极板间充满一种介质 令 0 A / d K 则： C Kr
变介质式电容传感器(2)
❖两种介质构成的电容串联形式的传感器
根据串联总电容公式有：
即：
C 0A
2) 便于实现连续测量； 3) 容易传输、转换、记录、存贮和处理； 4) 可在极宽的范围内以较快的速度对被测非电量进行准
确的测量； 5) 易于利用现代科技成果，如与计算机配合进行传感器
输出非线性的校正、误差的计算与补偿，进而使仪器 智能化； 6) 可完成用非电量方法无法完成的检测任务 。
非电量电测系统组成