工程测试技术第三章第一讲资料电子教案.ppt

华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院工程测试技术第三章第一讲资料华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院典型的信息处理过程典型的信息处理过程 信息信息 信息获取信息获取 信号分析信号分析 信号处理信号处理 对象对象 （静态）（静态）（动态）（动态）信号源传感器信号分析中间变换记 录第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用2华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用美国美国Arecibo 305米射电望远镜米射电望远镜探索宇宙和太空：射电望远镜探索宇宙和太空：射电望远镜射电望远镜是主要接收天体射电波段辐射的望远镜。射电望远镜是主要接收天体射电波段辐射的望远镜。与传统的天文望远镜不同，射电望远镜不用眼睛去看，而是用耳朵与传统的天文望远镜不同，射电望远镜不用眼睛去看，而是用耳朵去倾听，即倾听宇宙中发出的电磁波。去倾听，即倾听宇宙中发出的电磁波。英国人赖尔英国人赖尔(Ryle)获获1974年度诺贝尔物理学奖：发明应用合成孔径射电天年度诺贝尔物理学奖：发明应用合成孔径射电天文望远镜进行射电天体物理学的开创性研究。文望远镜进行射电天体物理学的开创性研究。3华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金根据量子力学原理，由于电子的隧道效应，金属中的电子并不完全局限于金属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以外，属表面之内，电子云密度并不是在表面边界处突变为零。在金属表面以外，电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为电子云密度呈指数衰减，衰减长度约为1nm。STM可以直接观测到材料表面的单个原子和原子在表面上的三维结构图像；可以直接观测到材料表面的单个原子和原子在表面上的三维结构图像；其水平和垂直分辨率可以分别达到其水平和垂直分辨率可以分别达到0.04nm和和0.01nm。STM可以在观测材料表面原子结构的同时得到材料表面的扫描隧道谱，可以可以在观测材料表面原子结构的同时得到材料表面的扫描隧道谱，可以研究材料表面的化学结构和电子状态。研究材料表面的化学结构和电子状态。探索微观原子世界：扫描隧道显微镜探索微观原子世界：扫描隧道显微镜STM第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用德国人比尼格德国人比尼格(Gerd Binnig)和瑞士人罗雷尔和瑞士人罗雷尔(Heinrich Rohrer)获获1986年年度诺贝尔物理学奖：设计第一台扫描隧道电子显微镜。度诺贝尔物理学奖：设计第一台扫描隧道电子显微镜。4华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院STM:Some ApplicationsMicrotopography and nanotopographyOne turn mark on a diamond-turned Al substrate Surface ScienceSi(100)surfaceManipulation of AtomsIron atoms are placed on Cu(111)surface 第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用5华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院身边的测试技术：汽车传感器身边的测试技术：汽车传感器普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器。普通家用轿车上大约安装几十到近百只传感器。豪华轿车上的传感器数量可多达二百余只。豪华轿车上的传感器数量可多达二百余只。第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用发动机控制系统发动机控制系统温度传感器温度传感器压力传感器压力传感器流量传感器流量传感器位置和转速传感器位置和转速传感器 气体浓度传感器气体浓度传感器 爆震传感器爆震传感器 底盘和车身控制系统底盘和车身控制系统导航系统导航系统6华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院Nanotechnology,Nanomanufacturing&NanometrologyNanotechnology involves the manipulation of mater at the nanometer scale to create nanostructures with unique properties.Nanomanufacturing is an essential bridge between the discoveries of fundamental nanoscience and real-world nanotechnology-enabled products.Controllable,Predictable,Repeatable,Reliable,Scalable,and Economical.第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用If a product cannot be measured,it cannot be manufactured.If a product cannot be manufactured safely,it should not be manufactured.If a product cannot be measured how would you know?7华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用3.1 概述概述1.传感器定义传感器定义 传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并传感器是借助于检测元件接收一种形式的信息，并按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。按一定的规律将所获取的信息转换成另一种信息的装置。目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从目前，传感器转换后的信号大多为电信号。因而从狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信狭义上讲，传感器是把外界输入的非电信号转换成电信号的装置。号的装置。物理量物理量电量电量8华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2.传感器的构成传感器的构成 传感器一般由传感器一般由敏感器件敏感器件与与辅助器件辅助器件组成。组成。敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信敏感器件是传感器的核心，它的作用是直接感受被测物理量，并对信号进行转换输出。号进行转换输出。辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于辅助器件则是对敏感器件输出的电信号进行放大、阻抗匹配，以便于后续仪表接入。后续仪表接入。3.1 概述概述dV9华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3.传感器的分类传感器的分类3.1 概述概述(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类:(2)(2)按工作的物理基础分类按工作的物理基础分类:(3)(3)按信号变换特征按信号变换特征:(4)(4)按敏感元件与被测对象之间的能量关系按敏感元件与被测对象之间的能量关系:位移位移,力力,温度等温度等.机械式机械式,电气式电气式,光学式光学式,流体式等流体式等.物性型物性型,结构型结构型.能量转换型和能量控制型能量转换型和能量控制型.10华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3.1 概述概述A A 物性型与结构型传感器物性型与结构型传感器物性型物性型:依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换依靠敏感元件材料本身物理性质的变化来实现信号变换.例如例如:水银温度计水银温度计,压电测力计压电测力计.结构型结构型:依靠传感器结构参数的变化实现信号转变依靠传感器结构参数的变化实现信号转变.例如例如:电容式和电感式传感器电容式和电感式传感器.B B 能量转换型和能量控制型传感器能量转换型和能量控制型传感器能量转换型能量转换型:直接由被测对象输入能量使其工作直接由被测对象输入能量使其工作.例如例如:热电偶温度计热电偶温度计,压电式加速度计压电式加速度计.能量控制型能量控制型:从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化从外部供给能量并由被测量控制外部供给能量的变化.例如例如:电阻应变片电阻应变片.11华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3.1 概述概述4.常见的被测物理量常见的被测物理量机械量机械量:长度长度,厚度厚度,位移位移,速度速度,加速度加速度,旋转角旋转角,转数转数,质量质量,重量重量,力力,压力压力,真空度真空度,力矩力矩,风速风速,流速流速,流量流量;声声:声压声压,噪声噪声.磁磁:磁通磁通,磁场磁场.温度温度:温度温度,热量热量,比热比热.光：光：亮度，色彩亮度，色彩12华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3.2 电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器电阻式传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器是把被测量转换为电阻变化的一种传感器按工作的原理可分为按工作的原理可分为变阻器式变阻器式电阻应变式电阻应变式热敏式、光敏式、磁敏式、气敏式热敏式、光敏式、磁敏式、气敏式第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用13华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1 2 3 132直线型直线型旋转型旋转型(1)工作原理：工作原理：随接触位置的改变而改变电阻值。随接触位置的改变而改变电阻值。第三章、传感器原理及应用第三章、传感器原理及应用1、变阻器式传感器、变阻器式传感器14华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院等效电路分析等效电路分析:Rp-总电阻;xp-变阻总长;RL负载电阻;x-电刷移动量.132xxpEinEoutRxRLRp-Rx0 x 100%100%Output0负载效应负载效应3.2 电阻式传感器电阻式传感器15华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院(2)变阻器式传感器的性能参数变阻器式传感器的性能参数 1)线性线性(或曲线的一致性或曲线的一致性);4)移动或旋转角度范围移动或旋转角度范围;2)分辨力分辨力;5)电阻温度系数电阻温度系数;3)整个电阻值的偏差整个电阻值的偏差;6)寿命寿命;(3)变阻器式传感器的分类变阻器式传感器的分类变阻器按电阻元件分单圈电位器直线滑动式电位器多圈电位器混合式电位器导电塑料电位器金属陶瓷电位器线绕电位器3.2 电阻式传感器电阻式传感器按结构分16华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院(4)变阻器式传感器的特点变阻器式传感器的特点电阻器电阻器 制作制作 特点特点 绕线式绕线式 直径0.012-0.1mm的镍铬合金的精密电阻丝绕在绝缘的薄膜铜丝或绝缘胶木板等卷芯上而制作 电阻温度系数非常好，为5-20*10-6/0C;精度,稳定性,重复性比薄膜式好,分辨力低于薄膜式.金属陶瓷式金属陶瓷式 电阻胶印在陶瓷基板上,并用高温烧制而成.分辨力高,环境适应性强前,电阻温度系数,为200*10-6/0C左右.导电导电-塑料式塑料式 将基板的树脂与电阻墨制成一体,或将电阻胶涂于薄膜基片上.分辨力,寿命,高速现响应特性好,电阻温度系数为400*10-6/0C 混合式混合式 导电性树脂涂于限绕式电阻元件上 兼有绕线式和导电-塑料式的优点,电阻温度系数为150*10-6/0C 3.2 电阻式传感器电阻式传感器17华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院(5)应用应用例例1 1 重量的自动检测重量的自动检测-配料设备配料设备重量设定原材料 比较原理用弹簧将力转换为位移;再用变阻器将位移转换为电阻的变化3.2 电阻式传感器电阻式传感器18华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院例例2 2 煤气包储量检测煤气包储量检测原理直接将代表煤气包储量的高度变化转换为钢丝的电阻变化煤气包钢丝特点：特点：（1）测量量程大；）测量量程大；（2）防爆；）防爆；（3）可靠；）可靠；（4）成本低。）成本低。3.2 电阻式传感器电阻式传感器19华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院例例3 3 玩具机器人（广州中鸣数码玩具机器人（广州中鸣数码 ）原理直接将关节驱动电机的转动角度变化转换为电阻器阻值变化3.2 电阻式传感器电阻式传感器20华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2、电阻应变式传感器、电阻应变式传感器-应变片应变片 金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变金属电阻应变片的工作原理是基于金属导体的应变效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电效应，即金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值随着它所受机械变形阻值随着它所受机械变形(伸长或缩短伸长或缩短)的变化而发生变的变化而发生变化的现象。化的现象。3.2 电阻式传感器电阻式传感器21华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1)工作原理工作原理金属应变片的电阻金属应变片的电阻R为为3.2 电阻式传感器电阻式传感器电阻变化增量电阻变化增量dR为为电阻丝面积电阻丝面积纵向应变纵向应变泊松比泊松比压阻系数压阻系数弹性模量弹性模量 E22华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院1)工作原理工作原理(1)当当 不变时不变时金属应变计金属应变计(2)当当 变化时变化时半导体应变计半导体应变计3.2 电阻式传感器电阻式传感器23华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院2)金属应变计金属应变计金属应变计有金属应变计有:丝式和丝式和箔式箔式优点优点:稳定性和温度稳定性和温度特性好特性好.缺点缺点:灵敏度系数小灵敏度系数小.应变计3.2 电阻式传感器电阻式传感器24华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3)半导体应变计半导体应变计优点：优点：应变灵敏度大应变灵敏度大;体积小体积小;能制成具有一定应变电阻的能制成具有一定应变电阻的元件元件.缺点：缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片温度稳定性和可重复性不如金属应变片。应变计3.2 电阻式传感器电阻式传感器25华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3)应变片的主要参数应变片的主要参数 1）几何参数：表距）几何参数：表距L和丝栅宽度和丝栅宽度b，制造厂常用，制造厂常用bL 表示。表示。2）电阻值：应变计的原始电阻值。）电阻值：应变计的原始电阻值。3）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。）灵敏系数：表示应变计变换性能的重要参数。4）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、）其它表示应变计性能的参数（工作温度、滞后、蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。蠕变、零漂以及疲劳寿命、横向灵敏度等）。3.2 电阻式传感器电阻式传感器26华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4)应用应用a）电子称）电子称原理将物品重量通过悬臂梁转化结构变形再通过应变片转化为电量输出。3.2 电阻式传感器电阻式传感器27华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院b）桥梁固有频率测量）桥梁固有频率测量原理在桥中设置一三角形障碍物，利用汽车碍时的冲击对桥梁进行激励，再通过应变片测量桥梁动态变形，得到桥梁固有频率。3.2 电阻式传感器电阻式传感器28华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院3、热电阻式、热电阻式(1)工作原理：将温度变化直接转化为电阻变化。工作原理：将温度变化直接转化为电阻变化。3.2 电阻式传感器电阻式传感器(2)热电阻：金属热电阻式传感器，如铂、铜、镍等。热电阻：金属热电阻式传感器，如铂、铜、镍等。(3)热敏电阻：半导体热电阻式传感器。热敏电阻：半导体热电阻式传感器。正温度系数热敏电阻正温度系数热敏电阻PTC负温度系数热敏电阻负温度系数热敏电阻NTC临界温度系数热敏电阻临界温度系数热敏电阻CTR29华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院4、光敏电阻、光敏电阻工作原理：基于半导体材料的内光电效应，即光敏半导工作原理：基于半导体材料的内光电效应，即光敏半导体材料受到光照时，其内部阻值减小的现象。也称为光体材料受到光照时，其内部阻值减小的现象。也称为光导管。导管。光敏半导体材料一般为铊、镉、铅、铋的硒化物或硫化光敏半导体材料一般为铊、镉、铅、铋的硒化物或硫化物。物。光敏电阻阻值的变化与光波长有关，不同材料的光谱特光敏电阻阻值的变化与光波长有关，不同材料的光谱特性不同。性不同。3.2 电阻式传感器电阻式传感器30华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院5、磁敏电阻、磁敏电阻工作原理：利用半导体材料（磁阻元件）的磁阻效应工作原理：利用半导体材料（磁阻元件）的磁阻效应（高斯效应），即改变磁场的强弱，将使磁阻元件沿着（高斯效应），即改变磁场的强弱，将使磁阻元件沿着电流方向的电阻值发生改变。电流方向的电阻值发生改变。磁阻元件可用作位移、力、加速度等参数的改变。磁阻元件可用作位移、力、加速度等参数的改变。3.2 电阻式传感器电阻式传感器31华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院6、气敏电阻、气敏电阻工作原理：利用气敏半导体材料（气敏元件）的化学反工作原理：利用气敏半导体材料（气敏元件）的化学反应改变电阻值，即气敏半导体材料与某些气体发生还原应改变电阻值，即气敏半导体材料与某些气体发生还原反应，放出热量，使元件温度升高，电阻值发生变化。反应，放出热量，使元件温度升高，电阻值发生变化。典型的气敏元件包括用作氧化锡和氧化锰等。典型的气敏元件包括用作氧化锡和氧化锰等。不同的气敏元件对不同气体的气体的敏感程度是不一样不同的气敏元件对不同气体的气体的敏感程度是不一样的。的。3.2 电阻式传感器电阻式传感器32华中科技大学机械学院华中科技大学机械学院此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！此课件下载可自行编辑修改，仅供参考！感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢感谢您的支持，我们努力做得更好！谢谢