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光纤传感器原理与应用

光纤传感器原理与应用
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光纤传感器原理与应用

1 引言

传感器技术、通信技术、计算机技术是现代信息技术的三大支柱,传感器作为探测与获取外界信息的重要环节之一而被应用于工业、农业及军事等各个领域。

近20多年来,光纤传感器的发展则大有取代传统传感器的趋势。光纤传感器是光通信和集成光学技术发展的结晶,与以往的传感器不同,它将被测信号的状态以光学的形式取出[1]。光信号不仅能被人所直接感知,利用半导体二极管等小型简单元件还可以进行光电、光学转换,极易与一些电子装备相匹配。此外,光纤不仅是一种敏感元件,还是一种优良的低损耗传输线,因此,光纤传感器还可以用于传统的传感器所不适用的远距离测量。

自从20世纪70年代末光纤传感器诞生以来,便由于其具有的防火、防爆、精度高、损耗低、体积小、重量轻、寿命长、性价比高、复用性好、响应速度快、抗电磁干扰、频带范围宽、动态范围大、易与光纤传输系统组成遥测网络等优点而被广泛地应用于各行各业。随着对其研究的不断深入,光纤传感器势必会对科学研究、国民生产、日常生活等诸多领域产生深远影响。

2 光纤传感器基本构成及原理

光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区,光在调制区内与外界被测参数相互作用,使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光,再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

光纤传感器按传感原理可分为两类:一类是传光型(非功能型)传感器[2],另一类是传感型(功能型)传感器[3]。在传光型光纤传感器中,光纤仅作为光的传输媒质,对被测信号的感觉是靠其它敏感元件来完成的,这种传感器中出射光纤和入射光纤是不连续的,两者之间的调制器是光谱变化的敏感元件或其它性质的敏感元件。在传感型光纤传感器中光纤兼有对被测信号的敏感及光信号的传输作用,将信号的“感”和“传” 合而为一,因此这类传感器中光纤是连续的。

由于这两种传感器中光纤所起的作用不同,对光纤的要求也不同。在传光型传感器中光纤只起传光的作用,采用通信光纤甚至普通的多模光纤就能满足要求,而敏感元件可以很灵活地选用优质的材料来实现,因此这类传感器的灵敏度可以做得很高,但需要较多的光耦合器件,结构较复杂;传感型光纤传感器的结构相对来说比较简单,可少用一些耦合器件,但对光纤的要求较高,往往需采用对被测信号敏感、传输特性又好的特殊光纤。到目前为止,实际中大多数采用前者,但随着光纤制造工艺的改进,传感型光纤传感器也必将得到广泛的应用。

按光在光纤中被调制的原理不同,光纤传感器可分为:强度调制型、相位调制型、偏振态调制型、频率调制型、波长调制型等。迄令为止,光纤传感器能够测定的物理量已达七十多种。

3光纤传感器特点

与传统的传感器相比,光纤传感器具有独特的优点:

(1) 灵敏度高

由于光是一种波长极短的电磁波,通过光的相位便得到其光学长度。以光纤干涉仪为例,由于所使用的光纤直径很小,受到微小的机械外力的作用或温度变化时其光学长度要发生变化,从而引起较大的相位变化。假设用1 0米的光纤,l℃的变化引起1000ard的相位变化,若能够检测出的最小相位变化为0.01ard,那么所能测出的最小温度变化为l 0℃,可见其灵敏度之高。

(2) 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、本质安全

由于光纤传感器是利用光波传输信息,而光纤又是电绝缘、耐腐蚀的传输媒质,并且安全可靠,这使它可以方便有效地用于各种大型机电、石油化工、矿井等强电磁干扰和易燃易爆等恶劣环境中。

(3) 测量速度快

光的传播速度最快且能传送二维信息,因此可用于高速测量。对雷达等信号

的分析要求具有极高的检测速率,应用电子学的方法难以实现,利用光的衍射现象的高速频谱分析便可解决。

(4) 信息容量大

被测信号以光波为载体,而光的频率极高,所容纳的频带很宽,同一根光纤可以传输多路信号。

(5)适用于恶劣环境

光纤是一种电介质,耐高压、耐腐蚀、抗电磁干扰,可用于其它传感器所不适应的恶劣环境中。

此外,光纤传感器还具有质量轻、体积小、可绕曲、测量对象广泛、复用性好、成本低等特点。

4 光纤传感器的应用

正是由于光纤传感器拥有如此之多的优点,使得其应用领域非常广泛,涉及石油化工、电力、医学、土木工程等诸多领域。

4.1 光纤传感器在石油化工系统的应用

在石油化工系统中,由于井下环境具有高温、高压、化学腐蚀以及电磁干扰强等特点,使得常规传感器难以在井下很好地发挥作用。然而光纤本身不带电,体小质轻,易弯曲,抗电磁干扰、抗辐射性能好。特别适合于易燃易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用,因此光纤传感器在油井参数测量中发挥着不可替代的作用,它将成为可应用于油气勘探及石油测井等领域的一项具有广阔市场前景的新技术。

4.1.1 光纤传感器在油气勘探[4]中的应用

光纤传感器由于其抗高温能力、多通络、分布式的感应能力,以及只需要较小的空间即可满足其使用条件的特点,使得在勘探钻井方面尤其独特的优势。

应用光纤传感器可以制成井下分光计,分布式温度传感器及光纤压力传感器等适用于这种特殊作业要求的产品。

(1) 井下分光计

流体分析仪如图1所示,可用于了解初期开发过程中的原油组成成分。它由两个传感器合成:一个是吸收光谱分光纤,另一个是荧光和气体探测器。井下流体通过地层探针被引入出油管,光学传感器用于分析出油管内的流体。流体分析分光计则提供了原位井下流体分析,并对地层流体的评估加以改进。

(2) 分布式温度传感器

光纤分布式温度传感器是井下应用最为流行的光纤传感器。应用实例是监测注水蒸气重油开采系统。蒸汽被注入重油层用以降低油的黏度,使稠油能够开采出来。井下蒸汽温度可高达250℃以上。

图1 流体分析仪构造

(3) 压力传感器

侧孔光纤式压力传感器目前正在研发中,其主要致力于超高温和井下压力监测任务。

目前基于光纤传感器已经出现其他商业产品,例如,用于多相流测量和分布式动态应变测量的光纤探针。其高可靠性和高效低耗的技术优势是光纤产品在油田应用上取得成功的关键因素。

4.1.2 光纤传感器在石油测井中的应用

石油测井是石油工业最基本和最关键的环节之一,压力、温度、流量等参量是油气井下的重要物理量,通过先进的技术手段对这些量进行长期的实时监测,及时获取油气井下信息,对石油工业具有极为重要的意义[5]。

光纤传感器对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件,包括高温、高压以及强烈的冲击与振动,可以高精度地测量井筒和井场环境参数,同时,光纤传感器具有分布式测量能力.可以测量被测量的空间分布,给出剖面信息。而且,光纤传感器横截面积小,外形短,在井筒中占据空间极小[6]。而这些特性都是传统的电子传感器在井下的恶劣环境下所不具备的。

利用光纤传感器可以进行井下流量测量、温度测量、压力测量、含水(气)测量、密度测量、声波测量等。

(1) 流量测量

由于光的强度、相位、频率、波长等特性在光纤传输的过程中会受到流量

的调制,利用一定的光检测方法把调制量转换成电信号,就可以求出流体的流量,这就是光纤流量计的工作原理[7]。

(2) 温度及压力测量

分布式光纤测量系统(DTS)利用光纤后向拉曼散射的温度效应,可以对光纤所在的温度场进行实时监测,EFPI型(非本征型F-P干涉)、FBG型光纤传感器为波长编码型传感器,具有灵敏度高、可同时测量压力、温度、应力等多个参量的特点[8]。

光纤热色温度传感器是由白光源、多模光纤组成的反射式温度传感器;光纤辐射式温度传感器利用黑体辐射能量,其非接触,可测瞬问温度,响应速度快,不需要热平衡时间,可用于高温测量;半导体吸收式光纤温度传感器利用其半导体材料的吸收边波长随着温度的增加而向较长波长位移的特性,选择适当的半导体发光二极管,使其光谱范围正好落在吸收边的区域,这样透过半导体的光强就随着温度的增加而减少[9]。

(3) 含水(气)率及密度测量

U型光纤的传输功率随外界介质折射率变化而变化,光波作为信息载体,与混合流体电阻率、流型及水质无关,基于该原理的光纤持率/密度传感器从本质上解决了现有持率存在的高含水无分辨率和放射性物质的应用问题,对于多相流体油、水、气的折射率各不相同,因而混合流体的折射率会随着油、水、气比例的改变而改变。因此这种折射率调制型光纤传感器不仅能测流体持率,可同时测流体密度,其精度较高。

(4) 声波测量

地震波在不同的介质中传播,接收到的地震波波形就会不同,根据不同的地震波形态,可识别地层沉积序列和沉积构造,为储层定位、判断窜槽、检测套管破损及断裂、射孔层位及确定流体流量等。VSP地震测井,就是把检波器放人井中,通过地面击发的地震波或利用井中流体流动等产生的微震动,由井中的检波器接收地震信号。永久井下光纤三分量地震测量具有高的灵敏度和方向性,能产生高精度的空间图像,不仅能提供近井眼图像,而且能提供井眼周围地层图像,测量范围能达数千公里。它能经受恶劣环境条件,且没有可移动部件和井下电子器件,能经受强的冲击和震动,可安装在复杂的完井管柱极小的空间

4.2 光纤传感器在电力系统的应用

电力系统网络结构复杂、分布面广,在高压电力线和电力通信网络上存在着各种各样的隐患,因此,对系统内各种线路、网络进行分布式监测显得尤为重要。

4.2.1 在高压电缆温度和应变测量中的应用

目前,国外(主要是英国、日本等)已利用激光喇曼光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品。而国内也在积极地开展这方面的研究工作。国内把分布式光纤温度传感技术引入电力系统电缆测温的研究工作只是刚刚开始。

联系到我国南方地区去年所遭受到的雪灾来考虑,如果能在高压电缆上并行地铺设传感光缆,对电力系统电缆、铁塔等设施的温度、压力等参量进行实时测量,就能够做到及时排险,从而尽可能减少经济损失。可见,光纤传感器在电力系统将具有广泛的应用前景。

在理想情况下,光纤应被置于尽可能靠近电缆缆芯的位置,以更精确地测量电缆的实际温度。对于直埋动力电缆来说,表贴式光纤虽然不能准确地反映电缆负载的变化,但是对电缆埋设处土壤热阻率的变化比较敏感,而且能够减少光纤的安装成本。

4.2.2 在电功率传感器中的应用

电功率是反映电力系统中能量转换与传输的基本电量,电功率测量是电力计量的一项重要内容。随着电力工业的迅速发展,传统的电磁测量方法日益显露出其固有的局限性,如电绝缘、电磁干扰、磁饱和等问题,因而人们一直在致力于寻找测量电功率的新方法。可以说光纤传感器的出现给人们解决这一问题带来了福音。

光纤电功率传感器的主要特点是:由于电功率传感同时涉及电压、电流2个电量,因而通常需要同时考虑电光、磁光效应,同时利用2种传感介质或1种多功能介质作为敏感元件,这使得光纤电功率传感头的结构相对复杂;光纤电功率传感器的光传感信号中有时同时包含电压、电流信号,因此其信号检测与处理方法也将比较复杂[10]。

4.2.3 在电力系统光缆监测中的应用

电力系统光缆种类繁多,加之我国地域广阔,各地环境差异很大,所以光缆的环境也很复杂,其中温度和应力是影响光缆性能的主要环境因素。因此,在监测光纤断点的同时也对光缆所处温度和应力情况进行监测,可见对光缆的故障预警及维

护意义深远。

通过测量沿光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度,可得到光纤的温度和应变信息,且传感距离较远,所以有深远的工程研究价值。

基于布里渊光时域反射(BOTDR)的分布式光纤传感系统[11],采用相干检测技术,系统原理如图2所示。

图2 基于BOTDR传感系统原理

BOTDR光纤传感系统测量的是光纤的自发布里渊散射信号,其信号强度非常微弱,但可以采用相干检测技术提高系统信噪比。这种方案可单光源、单端工作,系统简单,实现方便,而且可同时监测光纤断点、损耗、温度和应变。

4.3 传光光纤传感器在医学方面的应用

在医学中的应用医用光纤传感器目前主要是传光型的。以其小巧、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高及与生物体亲合性好等优点备受重视。本文将主要介绍传光光纤在压力测量、血流速度测量、pH值测量三个方面的应用。此外,它还可以应用于测量温度和医用图像传输上面。

4.3.1 压力测量

目前临床上应用的压力传感器主要用来测量血管内的血压、颅内压、心内压、膀胱和尿道压力等。用来测量血压的压力传感器示意见图3。其中对压力敏感的部分是在探针导管末端侧壁上的一块防水薄膜,一面带有悬臂的微型反射镜与薄膜相连,反射镜对面是一束光纤,用来传递入射光到反射镜,同时也将反射光传送出来。当薄膜上有压力作用时。薄膜发生形变且能带动悬臂使反射镜角度发生改变,从光纤传来的光束照射到反光镜上,再反射到光纤的端点。由于反射光的方向随反射镜角度的变化而改变,因此光纤接收到的反射光的强度也随之变化[12]。这一变化通过光纤传到另一端的光电探测器变成电信号,这样通过电压的变化便可知探针处的压力大小。

图3 光纤体压计探针

4.3.2 血流速度测量

多普勒型光纤速度传感器测量皮下组织血流速度的示意见图4。此装置利用了光纤的端面反射现象,测量系统结构简单。

图4 光纤体压计探针

发光频率为f的激光经透镜,光纤被送到表皮组织。对于不动的组织,例如血管壁,所反射的光不产生频移;而对于皮层毛细血管里流速为的红细胞,反射光要产生频移,其频率变化为△f;发生频移的反射光强度与红细胞的浓度成比例,频率的变化值可与红细胞的运动速度成正比。发射光经光纤收集后,先在光检测器上进行混频,然后进人信号处理仪,从而得到红细胞的运动速度和浓度。

4.3.3 pH值测量

用来测定活体组织和血液值pH光纤光谱传感器示意图,如图5所示。其工作原理是利用发射光、透射光的强度随波长的分布光谱来进行测量。这种传感器将两根光

纤插入可透过离子的纤维素膜盒中.膜盒内装有试剂,当把针头插入组织或血管后,体液渗入试剂,导致试剂吸收某种波长的光.用光谱分析仪测出此种变化,即可求得血液或组织的pH值[13]。

图5 测定pH值的光纤光谱仪

4.4 光纤传感器在土木工程中的应用

在大型土木工程中如果发生事故,极易造成重大的经济损失和人员伤亡,所以工程安全性成为工程设计者及科研人员极为关注和重视的问题。国内外研究和工程实践表明:光纤光栅传感器满足了土木工程测量的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求,为解决上述关键问题提供了良好的技术手段。

本文将主要介绍光纤光栅传感器在桥梁监测、边坡监测及隧道监测三个方面的应用。

4.4.1 在桥梁监测中的应用

目前,应用光纤光栅传感器最多的领域之一当数桥梁结构的健康监测。

瑞士温特图力的Storck’S桥不仅是世界上第一次使用CFRP拉索替代钢索的斜拉桥,也是最早使用光纤光栅传感器的桥梁之一。该桥长120m,横跨18根铁轨。该桥有2根长为35m的拉索用CFRP材料替代了钢筋,每根CFRP拉索由7个FBG 传感器组成的传感阵列进行监测,从而实现了对桥梁的长期监测,并且监测结果与同时使用的箔式电阻应变仪测得的结果十分吻合[]。

目前,将光纤传感器Bragg光栅在土木工程中的应用已成了推动我国光纤传感器产业发展的重要动力。

4.4.2 边坡监测中的应用

边坡是工程建设中最常见的工程形式之一。由边坡失稳破坏产生的滑坡、滑动、沉陷、泥石流、岩崩等,这些在表面上看似斜坡岩体运动的不同表现形式,但随时都可能带来严重的破坏,甚至是灾难。

目前常用的高边坡和库区滑坡深部变形的传统监测仪器是钻孔倾斜仪。这种手段虽然有效,但属点式监测。从全面收集建筑物的安危和实况重要信息这方面而言,尚有相当的局限性,会导致险情或重要先兆信息的漏检。光纤传感由于能实现空间立体监测和连续性监测,在大型土木工程的安全监测中已得到了越来越多的重视。

武汉工业大学与湖北省岩崩滑坡研究所1995年合作研制了光纤位移计、光纤压力计,其性能稳定、线形关系好,在牢固性、抗冲击及振动、防潮、抗电磁干扰等方面优于传统的电磁传感器[15]。

此外,光纤传感技术还在高陡边坡深部变形监测[16]、堆石坝混凝土面板随机裂缝监测[17]、三峡库区巫山县滑坡地质灾害预警示范站监测中获得应用。

4.4.3 隧道监测中的应用

隧道在本质上是围岩和支护结构的综合体,因此在对隧道的健康监测中,要综合考虑围岩与支护结构的变形以及相互作用,这是隧道结构健康监测的主要对象。对隧道的监测内容主要包括隧道围岩变形,隧道周边位移,围岩压力及两层主要包括隧道围岩变形,隧道周边位移,围岩压力及两层支护间压力,支护和衬砌内应力、表面应力及裂缝测量,锚杆或锚索受力等[18]。

广州地铁五号线小北站隧道的初期支护中应用了光纤布拉格光栅传感技术(FBG)进行了监测。监测过程中使用了3种FBG传感器,分别是混凝土应变传感器、温度传感器和钢筋应力计式传感器。使用3种传感器分别监测了初期支护混凝土的应变、内部温度以及钢拱架的主筋应力。现场测试从2006年4月12日到期2006年7月5日共进行了18次测试,监测结果为工程的安全施工提供了科学依据。

5 结束语

目前,光纤传感器技术正朝着微型化、智能化低功耗、无线传输、便携式方向发展。然而由于解调技术还不够成熟,批量生产光纤传感器的厂家还很少,并且我国在技术上和生产能力上同发达国家相比还有较大差距,因此我国的光纤传感器行业任重而道远,但前途光明,潜力巨大。

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传感器原理及应用

温度传感器的应用及原理 温度测量应用非常广泛,不仅生产工艺需要温度控制,有些电子产品还需对它们自身的温度进行测量,如计算机要监控CPU的温度,马达控制器要知道功率驱动IC的温度等等,下面介绍几种常用的温度传感器。 温度是实际应用中经常需要测试的参数,从钢铁制造到半导体生产,很多工艺都要依靠温度来实现,温度传感器是应用系统与现实世界之间的桥梁。本文对不同的温度传感器进行简要概述,并介绍与电路系统之间的接口。 热敏电阻器 用来测量温度的传感器种类很多,热敏电阻器就是其中之一。许多热敏电阻具有负温度系数(NTC),也就是说温度下降时它的电阻值会升高。在所有被动式温度传感器中,热敏电阻的灵敏度(即温度每变化一度时电阻的变化)最高,但热敏电阻的电阻/温度曲线是非线性的。表1是一个典型的NTC热敏电阻器性能参数。 这些数据是对Vishay-Dale热敏电阻进行量测得到的,但它也代表了NTC热敏电阻的总体情况。其中电阻值以一个比率形式给出(R/R25),该比率表示当前温度下的阻值与25℃时的阻值之比,通常同一系列的热敏电阻器具有类似的特性和相同电阻/温度曲线。以表1中的热敏电阻系列为例,25℃时阻值为10KΩ的电阻,在0℃时电阻为28.1KΩ,60℃时电阻为4.086KΩ;与此类似,25℃时电阻为5KΩ的热敏电阻在0℃时电阻则为 14.050KΩ。 图1是热敏电阻的温度曲线,可以看到电阻/温度曲线是非线性的。

虽然这里的热敏电阻数据以10℃为增量,但有些热敏电阻可以以5℃甚至1℃为增量。如果想要知道两点之间某一温度下的阻值,可以用这个曲线来估计,也可以直接计算出电阻值,计算公式如下: 这里T指开氏绝对温度,A、B、C、D是常数,根据热敏电阻的特性而各有不同,这些参数由热敏电阻的制造商提供。 热敏电阻一般有一个误差范围,用来规定样品之间的一致性。根据使用的材料不同,误差值通常在1%至10%之间。有些热敏电阻设计成应用时可以互换,用于不能进行现场调节的场合,例如一台仪器,用户或现场工程师只能更换热敏电阻而无法进行校准,这种热敏电阻比普通的精度要高很多,也要贵得多。 图2是利用热敏电阻测量温度的典型电路。电阻R1将热敏电阻的电压拉升到参考电压,一般它与ADC的参考电压一致,因此如果ADC的参考电压是5V,Vref 也将是5V。热敏电阻和电阻串联产生分压,其阻值变化使得节点处的电压也产生变化,该电路的精度取决于热敏电阻和电阻的误差以及参考电压的精度。

传感器原理与应用重点

第一章测量技术基础 检测系统的基本概念 检测系统(测试系统 /测量系统 1、定义:确定被测对象的属性和量值为目的的全部操作 2、被测对象:宇宙万物(固液气体、动物、植物、天体…… 3、被测信息:物理量(光、电、力、热、磁、声、… 化学量(PH 、成份… 生物量(酶、葡萄糖、… 4检测技术是实验科学的一部分, 主要研究各种物理量的测量原理和信号分析处理方法。 检测技术是信息技术的重要组成部分, 它所研究的内容是信息的提取与处理的理论、方法和技术。 5信息与信号 信息是指客观世界物质运动的内容。 如:天气较冷、某处地震、刀具发生了磨损、李四病了。 信号是指信息的表现形式。 如:刀具磨损,切削力会加大;李四病了,可能会发烧;等等。 6检测技术是进行各种科学实验研究和生产过程参数测量必不可少的手段, 起着人的感官的作用。

简单的检测系统可以只有一个模块, 如玻璃管温度计。它直接将被测温度变化转化为液面示值。没有电量转换和分析电路,很简单,但精度低,无法实现测量自动化。 为提高测量精度和自动化程度, 以便于和其它环节一起构成自动化装置, 通常先将被测物理量转换为电量,再对电信号进行处理和输出。 B ……在电工、电子等课程中讲授,大多数不属于本课程的范围。 检测系统的组成 一般说来,检测系统由传感器、中间变换装置和显示记录装置三部分组成。 传感器将被测物理量 (如噪声 , 温度检出并转换为电量,中间变换装置对接收到的电信号用硬件电路进行分析处理或经 A/D变换后用软件进行信号分析,显示记录装置则将测量结果显示出来,提供给观察者或其它自动控制装置。 第二章传感器概述 传感器的组成和分类 一、传感器定义 传感器是一种以一定的精确度把被测量转成与之有确定关系的, 便于应用的某种物理量的测量装置。 传感器名称:变送器、变换器、探测器、敏感元件、换能器、一次仪表、探头等 二、传感器的组成 三、传感器的分类 按被测参数分类:温度、压力、位移、速度等

JN338智能数字式转矩转速传感器及其应用.

-56- 《国外电子元器件》 2003年第 11期 2003年 11月 JN338智能数字式转矩转速传感器及其应用 孟臣 , 李敏 (黑龙江八一农垦大学信息技术学院 , 黑龙江密山 158308 J N338A p titude Di g ital Tor q ue and R otational S p eed Sensor and Its A pp lication MENG Chen LI M in 摘要 :介绍了 JN338智能数字式转矩转速传感器的特性参数和工作原理 , 该传感器使用两组旋转变压器实现了电源及信号的非接触传递 , 同时其信号输出为频率量。文中给出了基于 JN338的智能转矩转速测量仪的硬件电路结构框图 , 同时指出了 JN338的应用注意事项。关键词 :JN338; 数字式 ; 转矩转速传感器分类号 :T P212文献标识码 :B文章编号 :1006-6977(2003 11-0056-03 表 1 J N338传感器主要技术参数参数指标转矩准确度 >0. 5%过载能力150%F.S 绝缘电阻≥ 200M Ω工作温度 -20~60℃重复性≤ 0. 5%F. S 滞后≤ 0. 5%F. S 线性≤ 0. 5%F. S 相对湿度≤ 90%RH ● 新特器件应用 1概述

转矩传感器在电动机、发动机、发电机、风机、搅 拌机、卷扬机、中及数控机械加工中心、。 , 并采用导电滑环来耦合电源输入及应变信号输出 , 由于导电滑环属于磨擦接触 , 因此不可避免地存在着磨损和发热 , 这样不但限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命 , 同时由于接触不可靠 , 也不可避免地会引起测量信号的波动及误差的增加。因此 , 如何在旋转轴上进行能源及信号的可靠耦合已成为转矩传感器最棘手的问题 , 而 JN338数字式转矩转 速传感器则巧妙地解决了这个问题。 JN338是北京三晶创业集团公司的产品 , 该传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输出 , 从而解决了旋转动力传递系统中能源及 信号可靠地在旋转部分与静止部分之间的传递问题。该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量 , 从而可方便地计算出轴输出功率 , 因此 , 利用该传感器可实现转矩、转速及轴功率的多参数输出。 2主要特性及参数 2. 1JN338的主要特性 JN338的主要特性如下 : ● 检测手段为应变电测技术 ; ● 测量精度高 , 信号检出、处理均用数字技术 ; ● 抗干扰能力强 , ; ● ; , ; , 也能测量过渡过程的动态; ● 无需反复调零即可连续测量正反转矩; ● 无集流环、电刷等磨损件 , 可高速超长运行; ● 转矩信号的传递与是否旋转、转速大

传感器原理与应用作业参考答案

《传感器原理与应用》作业参考答案 作业一 1.传感器有哪些组成部分在检测过程中各起什么作用 答:传感器通常由敏感元件、传感元件及测量转换电路三部分组成。 各部分在检测过程中所起作用是:敏感元件是在传感器中直接感受被测量,并输出与被测量成一定联系的另一物理量的元件,如电阻式传感器中的弹性敏感元件可将力转换为位移。传感元件是能将敏感元件的输出量转换为适于传输和测量的电参量的元件,如应变片可将应变转换为电阻量。测量转换电路可将传感元件输出的电参量转换成易于处理的电量信号。 2.传感器有哪些分类方法各有哪些传感器 答:按工作原理分有参量传感器、发电传感器、数字传感器和特殊传感器;按被测量性质分有机械量传感器、热工量传感器、成分量传感器、状态量传感器、探伤传感器等;按输出量形类分有模拟式、数字式和开关式;按传感器的结构分有直接式传感器、差分式传感器和补偿式传感器。 3.测量误差是如何分类的 答:按表示方法分有绝对误差和相对误差;按误差出现的规律分有系统误差、随机误差和粗大误差按误差来源分有工具误差和方法误差按被测量随时间变化的速度分有静态误差和动态误差按使用条件分有基本误差和附加误差按误差与被测量的关系分有定值误差和积累误差。 4.弹性敏感元件在传感器中起什么作用 答:弹性敏感元件在传感器技术中占有很重要的地位,是检测系统的基本元件,它能直接感受被测物理量(如力、位移、速度、压力等)的变化,进而将其转化为本身的应变或位移,然后再由各种不同形式的传感元件将这些量变换成电量。 5.弹性敏感元件有哪几种基本形式各有什么用途和特点 答:弹性敏感元件形式上基本分成两大类,即将力变换成应变或位移的变换力的弹性敏感元件和将压力变换成应变或位移的变换压力的弹性敏感元件。 变换力的弹性敏感元件通常有等截面轴、环状弹性敏感元件、悬臂梁和扭转轴等。实心等截面轴在力的作用下其位移很小,因此常用它的应变作为输出量。它的主要优点是结构简单、加工方便、测量范围宽、可承受极大的载荷、缺点是灵敏度低。空心圆柱体的灵敏度相对实心轴要高许多,在同样的截面积下,轴的直径可加大数倍,这样可提高轴的抗弯能力,但其过载能力相对弱,载荷较大时会产生较明显的桶形形变,使输出应变复杂而影响精度。环状敏感元件一般为等截面圆环结构,圆环受力后容易变形,所以它的灵敏度较高,多用于测量较小的力,缺点是圆环加工困难,环的各个部位的应变及应力都不相等。悬臂梁的特点是结构简单,易于加工,输出位移(或应变)大,灵敏度高,所以常用于较小力的测量。扭转轴式弹性敏感元件用于测量力矩和转矩。 变换压力的弹性敏感元件通常有弹簧管、波纹管、等截面薄板、波纹膜片和膜盒、薄壁圆筒和薄壁半球等。弹簧管可以把压力变换成位移,且弹簧管的自由端的位移量、中心角的变化量与压力p成正比,其刚度较大,灵敏度较小,但过载能力强,常用于测量较大压力。波纹管的线性特性易被破坏,因此它主要用于测量较小压力或压差测量中。 作业二 1.何谓电阻式传感器它主要分成哪几种 答:电阻式传感器是将被测量转换成电阻值,再经相应测量电路处理后,在显示器记录仪上显示或记

压力传感器原理及应用-称重技术

压力传感器是压力检测系统中的重要组成部分,由各种压力敏感元件将被测压力信号转换成容易测量的电 信号作输出,给显示仪表显示压力值,或供控制和报警使用。 压力传感器的种类繁多,如压阻式压力传感器、应变式压力传感器、压电式压力传感器、电容式压力传感 器、压磁式压力传感器、谐振式压力传感器及差动变压器式压力传感器,光纤压力传感器等。 一、压阻式压力传感器 固体受力后电阻率发生变化的现象称为压阻效应。压阻式压力传感器是基于半导体材料(单晶硅)的压阻效应原理制成的传感器,就是利用集成电路工艺直接在硅平膜片上按一定晶向制成扩散压敏电阻,当硅膜片 受压时,膜片的变形将使扩散电阻的阻值发生变化。 压阻式具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。 1、压阻式压力传感器基本介绍 压阻式传感器有两种类型:一种是利用半导体材料的体电阻做成粘贴式应变片,称为半导体应变片,因此 应变片制成的传感器称为半导体应变式传感器,另一种是在半导体材料的基片上用集成电路工艺制成的扩 散电阻,以此扩散电阻的传感器称为扩散型压阻传感器。 半导体应变式传感器半导体应变式传感器的结构形式基本上与电阻应变片传感器相同,也是由弹性敏感元件等三部分组成,所不同的是应变片的敏感栅是用半导体材料制成。半导体应变片与金属应变片相比,最 突出的优点是它的体积小而灵敏高。它的灵敏系数比后者要大几十倍甚至上百倍,输出信号有时不必放大 即可直接进行测量记录。此外,半导体应变片横向效应非常小,蠕变和滞后也小,频率响应范围亦很宽, 从静态应变至高频动态应变都能测量。由于半导体集成化制造工艺的发展,用此技术与半导体应变片相结 合,可以直接制成各种小型和超小型半导体应变式传感器,使测量系统大为简化。但是半导体应变片也存 在着很大的缺点,它的电阻温度系统要比金属电阻变化大一个数量级,灵敏系数随温度变化较大它的应变 —电阻特性曲线性较大,它的电阻值和灵敏系数分散性较大,不利于选配组合电桥等等。 扩散型压阻式传感器扩散型压阻传感器的基片是半导体单晶硅。单晶硅是各向异性材料,取向不同时特性不一样。因此必须根据传感器受力变形情况来加工制作扩散硅敏感电阻膜片。 利用半导体压阻效应,可设计成多种类型传感器,其中压力传感器和加速度传感器为压阻式传感器的基本 型式。 硅压阻式压力传感器由外壳、硅膜片(硅杯)和引线等组成。硅膜片是核心部分,其外形状象杯故名硅杯,在硅膜上,用半导体工艺中的扩散掺杂法做成四个相等的电阻,经蒸镀金属电极及连线,接成惠斯登电桥 再用压焊法与外引线相连。膜片的一侧是和被测系数相连接的高压腔,另一侧是低压腔,通常和大气相连,也有做成真空的。当膜片两边存在压力差时,膜片发生变形,产生应力应变,从而使扩散电阻的电阻值发 生变化,电桥失去平衡,输出相对应的电压,其大小就反映了膜片所受压力差值。

传感器原理与应用心得

传感器原理与应用心得 张宝龙电信工二班201400121099 传感器应用极其广泛,而且种类繁多,涉及的学科也很多,通过对传感器的学习让我基本了解了传感器的基本概念及传感器的静、动态特性电阻式、电感式传感器的结构、工作原理及应用。 传感器的特性主要是指输出入输入之间的关系。当输入量为常量或变化很慢时,其关系为静态特性。当输入量随时间变换较快时,其关系为动态特性。 传感器的静态特性是指对静态的输入信号,传感器的输出量与输入量之间所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时间无关,所以它们之间的关系,即传感器的静态特性可用一个不含时间变量的代数方程,或以输入量作横坐标,把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静态特性的主要参数有:线性度、灵敏度、迟滞、重复性、漂移等。 所谓动态特性,是指传感器在输入变化时,它的输出的特性。在实际工作中,传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得,并且它对标准输入信号的响应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系,往往知道了前者就能推定后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种,所以传感器的动态特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 传感器的作用主要是感受和响应规定的被测量,并按一定规律

将其转换成有用输出,特别是完成非电量到电量的转换。传感器的组成并无严格的规定。一般说来,可以把传感器看做由敏感元件和变换元件两部分组成,。 通过最近的学习,是我了解到在实际中使用传感器的选择一定要慎重。我们可以根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。其次,当我们在选择传感器时要注意传感器的灵敏度,频率响应范围,线性范围,稳定性,精度等。 人们为了从外界获取信息,必须借助于感觉器官。而单靠人们自身的感觉器官,在研究自然现象和规律以及生产活动中它们的功能就远远不够了。为适应这种情况,就需要传感器。因此可以说,传感器是人类五官的延长,又称之为电五官。 新技术革命的到来,世界开始进入信息时代。在利用信息的过程中,首先要解决的就是要获取准确可靠的信息,而传感器是获取自然和生产领域中信息的主要途径与手段。 通过对这门课的学习开阔了我的视野,让我了解了以前没有了解的东西。在老师的指导下让我明白了学习要有自觉性,要自己积极主动地去学习。

JN338智能数字式转矩转速传感器及其应用

JN338 智能数字式转矩转速传感器及其应用 摘要介绍了 338 智能数字式转矩转速传感器的特性参数和工作原理, 该传感器使用两组旋转变压器实现了电源及信号的非接触传递,同时其信 号输出为频率量。 文中给出了基于 338 的智能转矩转速测量仪的硬件电路结构框图,同 时指出了 338 的应用注意事项。 关键词 338;数字式;转矩转速传感器1 概述转矩传感器在电动机、 发动机、 发电机、 风机、 搅拌机、 卷扬机、 钻探机械等众多的旋转动力测试系统中及数控机械加工中心、自动机床等 机电一体化设备中已获得广泛的应用。 传统的转矩传感器通常采用电阻应变桥来检测转矩信号,并采用导电 滑环来耦合电源输入及应变信号输出,由于导电滑环属于磨擦接触,因此 不可避免地存在着磨损和发热,这样不但限制了旋转轴的转速及导电滑环 的使用寿命,同时由于接触不可靠,也不可避免地会引起测量信号的波动 及误差的增加。 因此,如何在旋转轴上进行能源及信号的可靠耦合已成为转矩传感器 最棘手的问题,而JN338数字式转矩转速传感器则巧妙地解决了这个 问题。 范文先生网收集整理JN338是北京三晶创业集团公司的产品,该

传感器采用两组特殊环形旋转变压器来实现能源的输入及转矩信号的输 出,从而解决了旋转动力传递系统中能源及信号可靠地在旋转部分与静止 部分之间的传递问题。 该传感器还可同时实现旋转轴转速的测量,从而可方便地计算出轴输 出功率,因此,利用该传感器可实现转矩、转速及轴功率的多参数输出。 2 主要特性及参数2.1JN338的主要特性JN338的主要特性 如下●检测手段为应变电测技术;●测量精度高 信号检出、处理均用数字
技术;●抗干扰能力强,无需调零即可工作;●可靠性高、信噪比高,工作 寿命长; ●既可以测量静止扭矩, 也可测量旋转转矩; ●能够测量稳态扭矩, 也能测量过渡过程的动态转矩;●无需反复调零即可连续测量正反转矩;● 无集流环、电刷等磨损件,可高速超长运行; ●转矩信号的传递与是否旋 转、转速大小及旋转方向无关;●测量弹性体强度大,可承受150%过 载;●体积小,重量轻,安装方便,有套装式、卡装式、联轴式等多种安 装方式;●输出信号以频率形式给出,便于和计算机进行接口。 2.2传感器的主要技术参数传感器的主要技术参数如表1所列,表 2所列是该传感器产品的规格参数。 表 1338 传感器主要技术参数参数指标转矩准确度>05 过载能力 150 绝缘电阻≥200Ω 工作温度-20~60℃重复性≤05 滞后≤05 线性≤05 相对湿度 ≤90 表 2 传感器产品规格参考规格转矩测量范围最高转速 10010 ~ 100600020020 ~ 300500050050 ~ 70040001000100 ~ 150030002000200~300025005000500~500020002. 3插座引脚及功能J

压力传感器工作原理

压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最为常用的一种传感器,并广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业,下面就简单介绍一些常用传感器原理及其应用。 力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 1、应变片压力传感器原理与应用: 在了解压阻式力传感器时,我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上,当基体受力发生应力变化时,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的阻值发生改变,从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,一般这种应变片都组成应变电桥,并通过后续的仪表放大器进行放大,再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。 1.1、金属电阻应变片的内部结构:它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途,电阻应变片的阻值可以由设计者设计,但电阻的取值范围应注意:阻值太小,所需的驱动电流太大,同时应变片的发热致使本身的温度过高,不同的环境中使用,使应变片的阻值变化太大,输出零点漂移明显,调零电路过于复杂。而电阻太大,阻抗太高,抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 1.2、电阻应变片的工作原理:金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示: 式中:ρ——金属导体的电阻率(Ω·cm2/m) S——导体的截面积(cm2) L——导体的长度(m)

扭矩传感器的测量方法

采用应变片电测技术,在弹性轴上组成应变桥,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后,经过压/频转换,变成与扭应变成正比的频率信号扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的物理变化转换成精确的电信号。 扭矩传感器可以应用在制造粘度计,电动(气动,液力)扭力扳手,它具有精度高,频响快,可靠性好,寿命长等优点。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上,并组成应变桥,若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号。这就是基本的扭矩传感器模式。但是在旋转动力传递系统中,最棘手的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递,通常的做法是用导电滑环来完成。 由于导电滑环属于磨擦接触,因此不可避免地存在着磨损并发热,因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。及由于接触不可靠引起信号波动,因而造成测量误差大甚至测量不成功。为了克服导电滑环的缺陷,另一个办法就是采用无线电遥测的方法:将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行v/f转换成频率信号,通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外,再用无线电接收的方法,就可以得到旋转轴受扭的信号。 艾驰商城是国内最专业的MRO工业品网购平台,正品现货、优势价格、迅捷配送,是一站式采购的工业品商城!具有10年工业用品电子商务领域研究,以强大的信息通道建设的优势,以及依托线下贸易交易市场在工业用品行业上游供应链的整合能力,为广大的用户提供了传感器、图尔克传感器、变频器、断路器、继电器、PLC、工控机、仪器仪表、气缸、五金工具、伺服电机、劳保用品等一系列自动化的工控产品。 如需进一步了解图尔克、奥托尼克斯、科瑞、山武、倍加福、邦纳、亚德客、施克等各类传感器的选型,报价,采购,参数,图片,批发信息,请关注艾驰商城https://www.sodocs.net/doc/8f12181075.html,/

传感器原理及应用试题库

一:填空题(每空1分) 1.依据传感器的工作原理,传感器分敏感元件,转换元件, 测量电路三个部分组成。 2.半导体应变计应用较普遍的有体型、薄膜型、扩散型、外延型等。 3.光电式传感器是将光信号转换为电信号的光敏元件,根据光电效应可以分为 外光电效应,光电效应,热释电效应三种。 4.亮电流与暗电流之差称为光电流。 5.光电管的工作点应选在光电流与阳极电压无关的饱和区域。 6.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应,可采用直线栅式应变计 和箔式应变计结构。 7.反射式光纤位移传感器在位移-输出曲线的前坡区呈线性关系,在后坡区与 距离的平方成反比关系。 8.根据热敏电阻的三种类型,其中临界温度系数型最适合开关型温度传感 器。 9.画出达林顿光电三极管部接线方式: U CE 10.灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定义为:传 感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比,用公式表示k(x)=Δy/Δx 。 11.线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一 种度量。按照所依据的基准之线的不同,线性度分为理论线性度、端基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。最常用的是最

小二乘法线性度。 12.根据敏感元件材料的不同,将应变计分为金属式和半导体式两大 类。 13.利用热效应的光电传感器包含光---热、热---电两个阶段的信息变换过程。 14.应变传感器设计过程中,通常需要考虑温度补偿,温度补偿的方法电桥补偿 法、计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。 15.应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。 16.传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳定性。 17.在光照射下,电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应,入 射光强改变物质导电率的物理现象称为光电效应。 18.光电管是一个装有光电阴极和阳极的真空玻璃管。 19.光电管的频率响应是指一定频率的调制光照射时光电输出的电流随频率变 化的关系,与其物理结构、工作状态、负载以及入射光波长等因素有关。多数光电器件灵敏度与调制频率的关系为Sr(f)=Sr。/(1+4π2f2τ2) 20.光电效应可分为光电导效应和光生伏特效应。 21.国家标准GB 7665--87对传感器下的定义是:能够感受规定的被测量并按照 一定的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。 22.传感器按输出量是模拟量还是数字量,可分为模拟量传感器和数字量传感器 23.传感器静态特性的灵敏度用公式表示为:k(x)=输出量的变化值/输入量的变 化值=△y/△x 24.应变计的粘贴对粘贴剂的要求主要有:有一定的粘贴强度;能准确传递应变;

压电式压力传感器原理及应用

压电式压力传感器原理及应用 自动化研1302班王民军 压电式压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的,这样的传感器也叫压电式压电传感器。压电式压力传感器可以用来测量发动机内部燃烧压力的测量与真空度的测量。也可以用于军事工业,例如用它来测量枪炮子弹在膛中击发的一瞬间的膛压的变化和炮口的冲击波压力。它既可以用来测量大的压力,也可以用来测量微小的压力。 一、压电式传感器的工作原理 1、压电效应 For personal use only in study and research; not for commercial use 某些离子型晶体电介质(如石英、酒石酸钾钠、钛酸钡等)沿着某一个方向受力而发生机械变形(压缩或伸长)时,其内部将发生极化现象,而在其某些表面上会产生电荷。当外力去掉后,它又会重新回到不带电的状态,此现象称为“压电效应”。压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应。 2、压电式压力传感器的特点 压电式压力传感器是基于压电效应的传感器。是一种自发电式和机电转换式传感器。它的敏感元件由压电材料制成。压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器和测量电路放大和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。压电式压力传感器用于测量力和能变换为力的非电物理量,如压力、加速度等(见

压电式压力传感器、加速度计)。压电式压力传感器是利用压电材料的压电效应将被测压力转换为电信号的。由压电材料制成的压电元件受到压力作用时产生的电荷量与作用力之间呈线性关系:Q=k*S*p。 For personal use only in study and research; not for commercial use 式中Q为电荷量;k为压电常数;S为作用面积;p为压力。通过测量电荷量可知被测压力大小。 压电式压力传感器的工作原理与压电式加速度传感器和力传感器基本相同,不同的是弹性元件是由膜片等把压力转换成集中力,再传给压电元件。为了保证静态特性及稳定性,通常多采用压电晶片并联。在压电式压力传感器中常用的压电材料有石英晶体和压电陶瓷,其中石英晶体应用得最为广泛。 For personal use only in study and research; not for commercial use 二、压电压力传感器等效电路和测量电路 在校准用的标准压力传感器或高精度压力传感器中采用石英晶体做压电元件外,一般压电式压力传感器的压电元件材料多为压电陶瓷,也有用高分子材料

传感器原理及其应用考试重点

传感器原理及其应用 第一章传感器的一般特性 1)信息技术包括计算机技术、通信技术和传感器技术,是现代信息产业的三大支柱。 2)传感器又称变换器、探测器或检测器,是获取信息的工具 广义:传感器是一种能把特定的信息(物理、化学、生物)按一定规律转换成某种可用信号输出的器件和装置。 狭义:能把外界非电信息转换成电信号输出的器件。 国家标准(GB7665-87):定义:能够感受规定的被测量并按照一定规律转换成可用输出信号的器件或装置。 3)传感器的组成: 敏感元件是直接感受被测量,并输出与被测量成确定关系的某一物理量的元件。 转换元件:将敏感元件输出的非电物理量转换成电路参数或电量。 基本转换电路:上述电路参数接入基本转换电路(简称转换电路),便可转换成电量输出。 4)传感器的静态性能指标 (1)灵敏度 定义: 传感器输出量的变化值与相应的被测量(输入量)的变化值之比, 传感器输出曲线的斜率就是其灵敏度。 ①纯线性传感器灵敏度为常数,与输入量大小无关;②非线性传感器灵敏度与x有关。(2)线性度 定义:传感器的输入-输出校准曲线与理论拟合直线之间的最大偏离与传感器满量程输出之比,称为传感器的“非线性误差”或“线性度”。 线性度又可分为: ①绝对线性度:为传感器的实际平均输出特性曲线与理论直线的最大偏差。 ②端基线性度:传感器实际平均输出特性曲线对端基直线的最大偏差。 端基直线定义:实际平均输出特性首、末两端点的连线。 ③零基线性度:传感器实际平均输出特性曲线对零基直线的最大偏差。 ④独立线性度:以最佳直线作为参考直线的线性度。 ⑤最小二乘线性度:用最小二乘法求得校准数据的理论直线。 (3)迟滞 定义:对某一输入量,传感器在正行程时的输出量不同于其在反行程时的输出量,这一现象称为迟滞。 即:传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程中输出输入曲线不重合称为迟滞。 (4)重复性 定义:在相同工作条件下,在一段短的时间间隔内,同一输入量值多次测量所得的输

扭矩传感器原理与应用

扭矩传感器原理与应用 一.特点 1. 既可以测量静止扭矩,也可以测量旋转转矩; 2.既可以测量静态扭矩,也可以测量动态扭矩; 3. 检测精度高,稳定性好;抗干扰性强; 4. 体积小,重量轻,多种安装结构,易于安装使用; 5. 不需反复调零即可连续测量正反转扭矩; 6.没有导电环等磨损件,可以高转速长时间运行; 7.传感器输出高电平频率信号可直接送计算机处理; 8.测量弹性体强度大可承受100%的过载。 二测量原理 将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应变桥,向应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后,经过压/频转换,变成与扭应变成正比的频率信号。本系统的能源输入及信号输出是由两组带间隙的特殊环型变压器承担的,因此实现了无接触的能源及信号传递功能。(虚线内为旋转部分) 三传感器原理结构(01图) 在一段特制的弹性轴上粘贴上专用的测扭应片并组成变桥,即为基础扭矩传感器;在轴上固定着:(1)能源环形变压器的次级线圈,(2)信号环形变压器初级线圈,(3)轴上印刷电路板,电路板上包含整流稳定电源、仪表放大电路、V/F变换电路及信号输出电路。在传感器的外壳上固定着: 图五数字式扭矩传感器测量原理图 (1)激磁电路,(2)能源环形变压器的初级线圈(输入),(3) 信号环形变压器次级线圈(输出),(4)信号处理电路 四工作过程 向传感器提供±15V电源,激磁电路中的晶体振荡器产生400Hz的方波,经过TDA2030功率放大器即产生交流激磁功率电源,通过能源环形变压器T1从静止的初级线圈传递至旋转的次级线圈,得到的交流电源通过轴上的整流滤波电路得到±5V的直流电源,该电源做运算放大器AD822的工作电源;由基准电源AD589与双运放AD822组成的高精度稳压电源产生±4.5V的精密直流电源,该电源既作为电桥电源,又作为放大器及V/F转换器的工作电源。当弹性轴受扭时,应变桥检测得到的mV级的应变信号通过仪表放大器AD620放大成1.5v±1v的强信号,再通过V/F转换器LM131变换成频率信号,通过信号环形变压器T2从旋转的初级线圈传递至静止次级线圈,再经过传感器外壳上的信号处理电路滤波、整形即可得到与弹性轴承受的扭矩成正比的频率信号,该信号为TTL电平,既可提供给专用二次仪表或频率计显示也可直接送计算机处理。由于该旋转变压器动- -静环之间只有零点几毫米的间隙,加之传感器轴上部分都密封在金属外壳之内,形成有效的屏蔽,因此具有很强的抗干扰能力。 本传感器输出的频率信号在零点时为10kHz.正向旋转满量程时为15KHz.反向旋转满量程时为5KHz。即满量程变量为5000个数/每秒。转速测量采用光电齿轮或者磁电齿轮的测量方法,轴每旋转一周可产生60个脉冲,高速或中速采样时可以用测频的方法,低速采样时可以用测周期的方法。本传感器精度可达±0.2%~±0.5%(F·S)。由于传感器输出为频率信号,所以无需AD转换即可直接送至计算机进行数据处理。 五应用范围 1. 检测发电机,电动机,内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率。

(完整版)传感器原理及应用试题库(已做)

:填空题(每空1分) 1.依据传感器的工作原理,传感器分敏感元件,转换元件 测量电路三个部分组成。 2.金属丝应变传感器设计过程中为了减少横向效应,可米用直线栅式应变计 和箔式应变计结构。 3. 根据热敏电阻的三种类型,其中临界温度系数型最适合开关型温度传感器 4. 灵敏度是描述传感器的输出量对输入量敏感程度的特性参数。其定义为:传 感器输出量的变化值与相应的被测量的变化值之比,用公式表示 k (x)=△ y△ x。 5. 线性度是指传感器的输出量与输入量之间是否保持理想线性特性的一 种度量。按照所依据的基准之线的不同,线性度分为理论线性度、端 基线性度、独立线性度、最小二乘法线性度等。最常用的是最小二乘法线性 度。 6. 根据敏感元件材料的不同,将应变计分为金属式和半导体式两大类。 7. 应变传感器设计过程中,通常需要考虑温度补偿,温度补偿的方法电桥补偿法、 计算机补偿法、应变计补偿法、热敏电阻补偿法。 8. 应变式传感器一般是由电阻应变片和测量电路两部分组成。 9. 传感器的静态特性有灵敏度、线性度、灵敏度界限、迟滞差和稳定性。 10. 国家标准GB7665--87对传感器下的定义是:能够感受规定的被测量并按照一定 的规律转换成可用输出信号的器件或装置,通常由敏感元件和转换元件组成。11. 传感器按输出量是模拟量还是数字量, 可分为模拟量传感器和数字量传感器12. 传感器静态特性的灵敏度用公式表示为:心)=输出量的变化值/输入量的变化 值=△ y/ △ x 13. 应变计的粘贴对粘贴剂的要求主要有:有一定的粘贴强度;能准确传递应变;蠕 变小;机械滞后小;耐疲劳性好;具有足够的稳定性能:对弹性元件和应变计不产生化学腐蚀作用;有适当的储存期;应有较大的温度适用范围。 14. 根据传感器感知外界信息所依据的基本校园,可以将传感器分成三大类:物理传 感器,化学传感器,生物传感器。

传感器技术及应用教学大纲

传感器及应用教学大纲 一、课程说明 课程性质:专业核心课 课程描述: “传感器技术”是电子、机电与自动控制类专业的专业核心课,是必修课。通过本课程的学习,学生能了解传感器的基本概念、传感器的构成、传感器工作的有关定律、传感器的作用、传感器和现代检测技术发展的趋势。其作用是通过本课程的学习,培养学生利用现代电子技术、传感器技术和计算机技术解决生产实际中信息采集与处理问题的能力,为工业测控系统的设计与开发奠定基础。知识目标:掌握主要传感器的原理、特性,各种应用条件下传感器的选用原则和应用电路设计。 技能目标:独立分析、解决传感器方面问题的能力;利用网络、数据手册、厂商名录等获取和查阅传感器技术资料的能力。 素质目标:具有较强的专业素质,不断进行创新。 教学重点与难点: 课程重点:电阻式、电感式传感器的原理与应用,霍尔式传感器,电流、电压传感器。 课程难点:各种传感器的温度误差与补偿,电容式传感器的屏蔽技术,光纤传感器的原理。 适用专业:机电一体化、电气自动化专业 学时数:80学时 二、教学目的与内容 1 传感器技术基础(2学时) 教学目的与要求: 明确“传感器技术”在专业培养计划中的地位,课程的性质、任务和大体内容,传感器在现代生产、生活中的作用。了解检测技术与传感器的定义、组成、作用和分类,了解传感器的静、动态特性,掌握传感器常用的技术指标。 教学重点与难点: 教学重点:传感器的定义、组成和作用 教学难点:传感器的技术指标 教学内容: 1)传感器简介 (1)传感器的定义

(2)传感器的组成与作用 2)传感器的分类 (1)按工作原理分 (2)按被测量分 (3)按输出信号性质分 3)传感器的特性及主要技术指标 (1)静态特性和动态特性 (2)主要技术指标 2 电阻式传感器(6学时) 教学目的与要求: 理解电阻式传感器的组成和基本原理,了解电阻式传感器的常用类型。掌握应变片式传感器的形式、特点、应用方法和转换电路。 教学重点与难点: 教学重点:电阻式传感器的组成和基本原理 教学难点:电阻应变片的工作原理 教学内容: 1)电位器式传感器(2学时) (1)电位器式传感器的基本工作原理 (2)电位器式传感器的输出特性 (3)电位器式传感器的特性 (4)电位器式位移传感器 2)应变式传感器(2学时) (1)电阻应变片的结构和工作原理 (2)电阻应变片的特性 (3)测量电路 (4)温度误差与补偿 3)压阻式传感器(2学时) (1)压阻效应 (2)结构与特性 (3)固态压阻传感器测量电路 (4)温度补偿 3 变磁阻式传感器(4学时) 教学目的与要求: 掌握三种变磁阻式传感器(电感式传感器、差分变压器式传感器、电涡流式传感器)的基本结构和工作原理,了解上述传感器将非电量信号转换成电信号的过程,了解三种变磁阻式传感器的特点、

扭矩传感器

扭矩传感器 1.概述 扭矩又叫转矩,是反映转动设备输出力的大小的重要参数。扭矩在物理学中用下面的公式计算。 其中:P表示转动设备的输出功率,单位千瓦(k W);M表示转动设备的输出扭矩,单位牛米(N·m);N表示转动设备的转速,单位转/分钟(r/min)。从公式可以看出,扭矩是一个与功率和转速相关的物理量,它反映了转动设备输出功率和转速的比值关系。如果知道了转动设备的输出功率和转动速度,就可以利用公式计算出转动设备的扭矩。但实际生产中,功率的测量是不容易的,而扭矩可以利用较简单的装置把扭矩转化为力和磁的测量,对于力和磁这两个物理量的检测,我们有许多成熟工具,这样扭矩的测量就变得相对简单了。 2.常见的扭矩传感器分类 常见的扭矩传感器包括电阻应变式、磁电相位差式、光电式、磁弹性式、振 3.几种常见的扭矩传感器原理 (1)电磁齿栅式转矩传感器

电磁齿(栅)式转矩传感器的基本原理是通过磁电转换,把被测转矩转换成具有相位差的两路电信号,而这两路电信号的相位差的变化量与被测转矩的大小成正比。经定标并显示,即可得到转矩值。齿(栅)式传感器的工作原理如图1所示。 图 1电磁式转矩传感器原理图 电磁式转矩传感器在弹性轴两端安装有两只齿轮,在齿轮上方分别有两条磁钢,磁钢上各绕有一组信号线圈。当弹性轴转动时,由于磁钢与齿轮间气隙磁导的变化,信号线圈中分别感应出两个电势。再外加转矩为零时,这两个电势有一个恒定的初始相位差,这个初始相位差只与两只齿轮在轴上安装的相对位置有关。在外加转矩时,弹性轴产生扭转变形,在弹性变形范围内,其扭角与外加转矩成正比。在扭角变化的同时,两个电势的相位差发生相应的变化,这一相位差变化的绝对值与外加转矩的大小成正比。由于这一个电势的频率与转速及齿数的乘积成正比,因为齿数为固定值,所以这个电势的频率与转速成正比。在时间域内,感应信号S1,S2是准正弦信号,每一交变周期的时间历程随转速而变化,测出他们之间的相差Φ即可得到扭矩值。由材料力学可知: Φ 式中Φ——弹性轴的扭转角; ——转矩; ——弹性轴材料的剪切弹性模量; ——弹性轴直径; ——弹性轴工作长度。 其中,、、都是常数,令 则有 Φ 因此,扭矩的测量就转换成相位差的测量。而S1、S2是准正弦信号,其相位的测量需要用高频脉冲插补法,即用一组高频脉冲来内插进被测信号,然后对高频脉冲计数。

传感器原理设计与应用重点总结

本文档根据老师最后一次课上课时所说的相关内容并根据我自己的个人情况简要整理,相对简洁,和大家分享一下。考虑到老师说的内容和考试内容相比,可能不够完整;而且个人水平有限,不可能把握的很准确,所以只是参考而已。。。建议大家根据自己的理解补充完善~ 第一章:传感器概论 1、传感器的定义:传感器(或敏感元件)基于一定的变换原理/规律将被测量(主要是非电量的测量,可采用非电量电测技术)转换成电量信号。变换原理/规律涉及到物理、化学、生物学、材料学等学科。 2、传感器的组成:传感器一般由敏感元件(将非电量变成某一中间量)、转换元件(将中间量转换成电量)、测量电路(将转换元件输出的电量变换成可直接利用的电信号)三部分组成,有的传感器还需加上辅助电源。 3、传感器的分类 按变换原理分类——>利用不同的效应构成物理型、化学型、生物型等传感器。 按构成原理分类: 结构型:依靠机械结构参数变化来实现变换。 物性型:利用材料本身的物理性质来实现变换。 按输入量的不同分类——>温度、压力、位移、流量、速度等传感器 按变换工作原理分类: 电路参数型:电阻型、电容型、电感型传感器 按参电量如:Q(电量)、I、U、E 等分类:磁电型、热电型、压电型、霍尔型、光电式传感器 4、传感器技术的发展动向: 教材表述:发现新现象、开发新材料、采用微细加工技术、研制多功能集成传感器、智能化传感器、新一代航天传感器、仿生传感器 老师表述:微型化、集成化、廉价。 第二章:传感器的一般特性 1、静态特性 检测系统的四种典型静态特性 线性度:传感器的输出与输入之间的线性程度。传感器的理想输出-输入特性是线性的。 灵敏度:系统在静态工作的条件下,其单位输入所产生的输出,实为拟合曲线上某点的斜率。 即S N=输入量的变化/输出量的变化=dy/dx 迟滞性:特性表明传感器在正(输入量增大)反(输入量减小)行程期间输出-输入特性曲线不重合的程度。 (产生的原因:传感器机械部分存在的不可避免的缺陷。) 重复性:重复性表示传感器在输入量按同一方向作全量程多次测量时所得特性曲线不一致程度。曲线的重复性好,误差也小。产生的原因与迟滞性类似。 精确度. 测量范围和量程. 零漂和温漂. 2、动态特性:(传感器对激励(输入)的响应(输出)特性) 动态误差:输出信号不与输入信号具有完全相同的时间函数,它们之间的差异。包括:稳态动态误差、暂态动态误差

压力传感器原理【详解】

压力传感器原理 内容来源网络,由“深圳机械展(11万㎡,1100多家展商,超10万观众)”收集整理!更多cnc加工中心、车铣磨钻床、线切割、数控刀具工具、工业机器人、非标自动化、数字化无人工厂、精密测量、3D打印、激光切割、钣金冲压折弯、精密零件加工等展示,就在深圳机械展. 一.压力传感器原理 一些常用传感器原理及其应用: 1、应变片压力传感器原理与应用 力学传感器的种类繁多,如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。但应用最为广泛的是压阻式压力传感器,它具有极低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。下面我们主要介绍这类传感器。 在了解压阻式力传感器时,我们首先认识一下电阻应变片这种元件。电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件。它是压阻式应变传感器的主要组成部分之一。电阻应变片应用最多的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属电阻应变片又有丝状应变片和金属箔状应变片两种。通常是将应变片通过特殊的粘和剂紧密的粘合在产生力学应变基体上,当基体受力发生应力变化时,电阻应变片也一起产生形变,使应变片的阻值发生改变,从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小,一般这种应变片都组成应变电桥,并通过后续的仪表放大器进行放大,再传输给处理电路(通常是A/D转换和CPU)显示或执行机构。

金属电阻应变片的内部结构 1、应变片压力传感器原理 如图1所示,是电阻应变片的结构示意图,它由基体材料、金属应变丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。根据不同的用途,电阻应变片的阻值可以由设计者设计,但电阻的取值范围应注意:阻值太小,所需的驱动电流太大,同时应变片的发热致使本身的温度过高,不同的环境中使用,使应变片的阻值变化太大,输出零点漂移明显,调零电路过于复杂。而电阻太大,阻抗太高,抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。 电阻应变片的工作原理 金属电阻应变片的工作原理是吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象,俗称为电阻应变效应。金属导体的电阻值可用下式表示: 式中:ρ——金属导体的电阻率(Ω?cm2/m) S——导体的截面积(cm2) L——导体的长度(m) 我们以金属丝应变电阻为例,当金属丝受外力作用时,其长度和截面积都会发生变化,从上式中可很容易看出,其电阻值即会发生改变,假如金属丝受外力作用而伸长时,其长

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