測試技術(shù)-第3章課件

3常用傳感器主要研究內(nèi)容：1.了解傳感器的分類2.常用傳感器測量原理3.傳感器選用測試技術(shù)基礎(chǔ)

3.1概述1.傳感器(Sensor)定義

傳感器是能感受規(guī)定的被測量，并按照一定的規(guī)律轉(zhuǎn)換成可用輸出信號的器件或裝置。通常由敏感元件和轉(zhuǎn)換元件組成(GB766-87)。目前，傳感器轉(zhuǎn)換后的信號大多為電信號。因而從狹義上講，傳感器是把外界輸入的非電信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件或裝置。3常用傳感器傳感器在非電量電測系統(tǒng)中的作用：一是敏感作用：感受并拾取被測對象的信號二是變換作用：被測信號轉(zhuǎn)換成易于檢測和處理的電信號概述將物理量變換成電信號的變化（水位、壓力等）。獲得傳感器信號的兩種方法：直接獲得電信號的變化（開關(guān)傳感器）；能量轉(zhuǎn)換型:直接由被測對象輸入能量使其工作.

例如:熱電偶溫度計(jì),壓電式加速度計(jì).能量控制型:從外部供給能量并由被測量控制外部供給能量的變化.

例如:電阻應(yīng)變片.能量傳遞型:從某種能量發(fā)生器與接受器進(jìn)行能量傳遞過程中實(shí)現(xiàn)敏感檢測.

例如:超聲波發(fā)生器和接受器.(4)按傳感器的能量傳遞方式分類:(5)按輸出信號分類：模擬式——輸出為模擬量；數(shù)字式——輸出為數(shù)字量。

概述3.傳感器的性能要求足夠的容量匹配性好，轉(zhuǎn)換靈敏度高精度適當(dāng)，穩(wěn)定性高反應(yīng)速度快，工作可靠性高適應(yīng)性和適用性強(qiáng)概述4.常見的被測物理量機(jī)械量:長度,厚度,位移,速度,加速度,旋轉(zhuǎn)角,轉(zhuǎn)數(shù),

質(zhì)量,重量,力,壓力,真空度,力矩,風(fēng)速,流速,

流量;聲:

聲壓,噪聲.磁:

磁通,磁場.溫度:

溫度,熱量,比熱.光：亮度，色彩概述

電阻應(yīng)變式傳感器--應(yīng)變效應(yīng)電阻式傳感器導(dǎo)體或半導(dǎo)體在外力作用下產(chǎn)生機(jī)械變形而引起導(dǎo)體或半導(dǎo)體的電阻值發(fā)生變化的物理現(xiàn)象稱為應(yīng)變效應(yīng)。傳感元件：電阻應(yīng)變片，它是一種把被測試件的應(yīng)變量轉(zhuǎn)換成電阻變化量的傳感元件。應(yīng)變片受力

應(yīng)變

比例關(guān)系

比例關(guān)系

應(yīng)變片電阻的變化

1)工作原理式中，ρ——導(dǎo)線的電阻率，又稱為電阻系數(shù)金屬導(dǎo)線的應(yīng)變電阻效應(yīng)：當(dāng)金屬絲由于受到軸向力P而伸長時(shí)，長度增長，截面積減小，其電阻值就增大；反之，如細(xì)絲因受壓力而縮短，即長度變短，截面積變粗時(shí)，則電阻就減小。電阻式傳感器S由兩部分組成：前一部分(1+2μ)是由金屬導(dǎo)線的幾何尺寸變化引起的；后一部分λE除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。μ：泊松系數(shù)，E:彈性模量，ε:縱向應(yīng)變，λ:壓阻系數(shù)

推導(dǎo)電阻式傳感器對于圓形截面積的導(dǎo)線，若其直徑為D，則橫向應(yīng)變dD/D和縱向應(yīng)變dL/L之比稱為泊桑比，即故電阻式傳感器E為導(dǎo)線材料的彈性模量，λ為壓阻系數(shù)，與材料有關(guān)。則已知當(dāng)導(dǎo)體材料確定后，μ、λ、E均為常數(shù)，則(1+2μ+λE)為常數(shù)。靈敏度為：應(yīng)變片電阻的相對變化率dR/R與應(yīng)變?chǔ)胖g是線形關(guān)系電阻式傳感器S由兩部分組成：前一部分(1+2μ)單由金屬導(dǎo)線的幾何尺寸變化引起的；后一部分λE是電阻率隨應(yīng)變而引起變化的部分，它除與金屬導(dǎo)線幾何尺寸有關(guān)外，還與金屬本身的特性有關(guān)。電阻式傳感器2)應(yīng)變計(jì)分類金屬應(yīng)變計(jì)有:

1、絲式

2、箔式

3、薄膜式優(yōu)點(diǎn):穩(wěn)定性和溫度特性好.缺點(diǎn):靈敏度系數(shù)小.應(yīng)變計(jì)電阻式傳感器a)金屬應(yīng)變計(jì)按敏感柵材料分b)半導(dǎo)體應(yīng)變計(jì)優(yōu)點(diǎn)：應(yīng)變靈敏度大;體積小;能制成具有一定應(yīng)變電阻的元件.缺點(diǎn)：溫度穩(wěn)定性和可重復(fù)性不如金屬應(yīng)變片。應(yīng)變計(jì)體型薄膜型擴(kuò)散型

電阻式傳感器按基底材料和安裝方法分紙基應(yīng)變片.膠膜應(yīng)變片.浸膠基應(yīng)變片.金屬基應(yīng)變片.臨時(shí)基應(yīng)變片.應(yīng)變片所用的基底材料不同,也會(huì)使應(yīng)變片具有明顯不同的性能特點(diǎn),可分為:應(yīng)變片按安裝方法不同可分為:,粘貼式應(yīng)變片.焊接式應(yīng)變片.噴涂式應(yīng)變片.按敏感柵的結(jié)構(gòu)形狀分單軸應(yīng)變片

應(yīng)變花.電阻式傳感器3)應(yīng)變片的主要參數(shù)

1）幾何參數(shù)：表距L和絲柵寬度b，制造廠常用b×L表示。2）電阻值：應(yīng)變計(jì)的原始電阻值。3）靈敏系數(shù)：表示應(yīng)變計(jì)變換性能的重要參數(shù)。4）其它表示應(yīng)變計(jì)性能的參數(shù)（工作溫度、滯后、蠕變、零漂以及疲勞壽命、橫向靈敏度等）。

電阻式傳感器a)溫度誤差當(dāng)應(yīng)變片粘貼在無外力,無任何約束的試件上時(shí),在溫度變化的情況下,應(yīng)變片的電阻也會(huì)發(fā)生變化,這種現(xiàn)象稱為應(yīng)變片的溫度效應(yīng).b)測量動(dòng)態(tài)信號的誤差應(yīng)變片粘貼在被測構(gòu)件上測得的應(yīng)變往往認(rèn)為是應(yīng)變片中點(diǎn)的應(yīng)變,但在測量一動(dòng)態(tài)情況下的試件應(yīng)變,而在應(yīng)變片基長內(nèi)的應(yīng)變分布不是相同值.在同一瞬間應(yīng)變片在基長上不同點(diǎn)所得應(yīng)變是不同的值.4)電阻應(yīng)變片的誤差及其補(bǔ)償電阻式傳感器案例：5)應(yīng)用電阻式傳感器3.3電容式傳感器

1變換原理

將被測量的變化轉(zhuǎn)化為電容量變化。兩平行極板組成的電容器,它的電容量為:+++A

當(dāng)被測量δ、A或ε發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)引起電容的變化。如果保持其中的兩個(gè)參數(shù)不變，而僅改變另一個(gè)參數(shù)，就可把該參數(shù)的變化變換為單一電容量的變化。3常用傳感器2分類

a)極距變化型;+++c)介質(zhì)變化型電容式傳感器

b)面積變化型:平面線位移型,角位移型,柱面線位移型.c)介質(zhì)變化型介質(zhì)常數(shù)變化型電容式傳感器大多用于測量電介質(zhì)的厚度(圖a)、位移(圖b)、液位(圖c)根據(jù)極板介質(zhì)的介電常數(shù)隨溫度、濕度、容量改變而改變來測量溫度、濕度、容量(圖d)等。電容式傳感器

4應(yīng)用1.震動(dòng)，偏心，裂紋，振蕩，同心度2.位移，移動(dòng)，位置，膨脹3.撓度，變形，波動(dòng)，傾斜4.尺寸，公差，分選，零件識別5.沖擊，應(yīng)變，軸向振動(dòng)6.軸承振動(dòng)，油膜間隙，磨擦，偏心電容式傳感器

3.4電感式傳感器電感式傳感器是基于電磁感應(yīng)原理，它是把被測量轉(zhuǎn)化為電感量的一種裝置。分類:電感式傳感器自感型可變磁阻型渦流式互感型

3常用傳感器1可變磁阻式原理:電磁感應(yīng)電感式傳感器W:線圈匝數(shù)；L1:軟鐵長度；μ1：軟鐵磁導(dǎo)率；μ0：空氣磁導(dǎo)率A1：鐵芯導(dǎo)磁截面A0：空氣導(dǎo)磁截面可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵a)變間隙型可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵當(dāng)μ0、A0固定不變，改變?chǔ)臅r(shí)，L與δ呈非線形（雙曲線）關(guān)系，L與δ的雙曲線關(guān)系傳感器靈敏度電感式傳感器b)變面積型可變磁阻式傳感器基本原理1．線圈2.鐵芯3.銜鐵當(dāng)μ0、δ

固定不變，改變A0時(shí)，L與A0呈線形關(guān)系，傳感器靈敏度L與A0的線形關(guān)系電感式傳感器=常數(shù)c）螺線管型當(dāng)其它參數(shù)不變，僅改變L1，使Rm變化，從而產(chǎn)生電感的變化。螺線管型電感式傳感器d)差動(dòng)型變間隙型差動(dòng)變壓器輸出特性傳感器靈敏度電感式傳感器2渦流式高頻反射式渦流傳感器當(dāng)金屬板置于變化磁場中或者在磁場中運(yùn)動(dòng)時(shí)，在金屬板中產(chǎn)生感應(yīng)電流，這種電流在金屬體內(nèi)是閉合的，稱為渦流。低頻投射式渦流傳感器渦流的大小與金屬板的電阻率ρ、磁導(dǎo)率μ、厚度t，以及金屬板與線圈距離、激勵(lì)電流、角頻率等參數(shù)有關(guān)。渦流式電感傳感器可分為1）高頻反射式2）低頻投射式電感式傳感器原線圈的等效阻抗Z變化：a)高頻反射式：（集膚效應(yīng)）高頻反射式渦流傳感器電感式傳感器b)低頻透射式：（互感原理）低頻透射式渦流傳感器e2隨材料厚度增加變化的規(guī)律電感式傳感器案例：連續(xù)油管的橢圓度測量CoiledTubeEddySensor

ReferenceCircle原理：電感式傳感器案例：無損探傷原理裂紋檢測，缺陷造成渦流變化?；疖囕啓z測油管檢測電感式傳感器案例：測厚案例：零件計(jì)數(shù)電感式傳感器案例電感式傳感器3變壓器式--差動(dòng)變壓器工作原理:互感現(xiàn)象.電感式傳感器應(yīng)用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,壓縮,垂直度;壓力,流量,液位;張力,重力,負(fù)荷量;扭矩,應(yīng)力,動(dòng)力;氣壓,溫度;振動(dòng),速度,加速度;等.案例：板的厚度測量~案例：張力測量電感式傳感器3.5磁電式傳感器

1變換原理

磁電式傳感器是把被測量的物理量轉(zhuǎn)換為感應(yīng)電動(dòng)勢的一種轉(zhuǎn)換器。感應(yīng)線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢U為

磁通變化率與磁場強(qiáng)度、磁阻、線圈運(yùn)動(dòng)速度有關(guān)，改變其中一個(gè)因素，都會(huì)改變線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢。

3常用傳感器2分類

磁電式動(dòng)圈式磁阻式線速度型角速度型N磁電式傳感器3動(dòng)圈式傳感器

l:每匝線圈的平均長度；B:線圈所在磁場的磁感應(yīng)強(qiáng)度；A:每匝線圈的截面積；θ:線圈運(yùn)動(dòng)方向與磁場方向的夾角；k:傳感器的結(jié)構(gòu)系數(shù)。磁電式傳感器4磁阻式傳感器

磁電式傳感器3.6壓電式傳感器

1變換原理

某些物質(zhì)，如石英，當(dāng)受到外力作用時(shí)，不僅幾何尺寸會(huì)發(fā)生變化，而且內(nèi)部被極化，表面會(huì)產(chǎn)生電荷；當(dāng)外力去掉時(shí)，又重新回到原來的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為壓電效應(yīng)。

3常用傳感器壓電效應(yīng)q=DF壓電式傳感器壓電式傳感器輸出電荷q很少，內(nèi)阻Ra很大，輸出信號很弱小，因此要進(jìn)行處理：(1)放大微弱的壓電信號(2)進(jìn)行阻抗匹配

電壓放大器電荷放大器壓電式傳感器2測量電路

電壓放大器放大器的輸入電壓：系統(tǒng)的輸出電壓為：系統(tǒng)的靈敏度為：當(dāng)電纜長度變化時(shí)，Cc變化，ei變化，系統(tǒng)的靈敏度發(fā)生變化，此時(shí)測試比較困難壓電式傳感器電荷放大器

當(dāng)略去傳感器的漏電阻Ra時(shí)qt≈ei(Ca+Cc+Ci)當(dāng)略去電荷放大器的輸入電阻Ri的影響時(shí)qf≈(ei-ey)Cf

則整個(gè)電路中的電荷為：q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

式中，ei為放大器的輸入端電壓；ey為放大器輸出端電壓；Cf為電荷放大器的反饋電容。壓電式傳感器ey=-Kei

其中，K為放大器的開環(huán)放大倍數(shù)q≈qt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf

所以開環(huán)增益K足夠大系統(tǒng)的靈敏度為：在一定條件下，電荷放大器的輸出電壓與傳感器的電荷量成正比，而與電纜的分布電容無關(guān)；系統(tǒng)輸出靈敏度取決于反饋電容，所以可以通過調(diào)節(jié)反饋電容壓電式傳感器ei=(q+eyCf)/(C+Cf)3.7傳感器選用原則

選擇傳感器主要考慮靈敏度、線性范圍、響應(yīng)特性、穩(wěn)定性、精確度、測量方式等六個(gè)方面的問題。

1、靈敏度一般說來，傳感器靈敏度越高越好，但在確定靈敏度時(shí)，要考慮以下幾個(gè)問題。a)靈敏度過高引起的干擾問題；b)量程范圍。

3常用傳感器3響應(yīng)特性傳感器的響應(yīng)特性是指在所測頻率范圍內(nèi)，保持不失真的測量條件。實(shí)際上傳感器的響應(yīng)總不可避免地有一定延遲，但總希望延遲的時(shí)間越短越好。2線性范圍任何傳感器都有一定的線性工作