汽车试验学第四章要点.ppt

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。 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。 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： 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m→0 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 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： 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。 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 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： ⑴ 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 ⑶ 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 ⑸ 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 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。 五. 应变式传感器的特点 ⑴性能稳定，精度高。 ⑵测量范围广。 ⑶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