测试技术课件第3章.pptx

传感器在非电量电测系统中的作用：F一是一是 敏感作用：敏感作用：感受并拾取被测对象的信号感受并拾取被测对象的信号F二是变换作用：二是变换作用：被测信号转换成易于检测和处理的电信号被测信号转换成易于检测和处理的电信号概概述述将物理量变换成电信号的变化（水位、压力等）。获得传感器信号的两种方法：直接获得电信号的变化（开关传感器）；第1页/共58页2.传感器的分类(1)(1)按被测物理量分类按被测物理量分类:(2)(2)按传感器元件的变换原理分类按传感器元件的变换原理分类:(3)(3)按物理现象分类：按物理现象分类：位移传感器位移传感器,流量传感器流量传感器,温度传感器等温度传感器等.电阻式电阻式,电容式电容式,电感式电感式,压电式压电式,光电式等光电式等.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.概概述述第2页/共58页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.能量传递型能量传递型:从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏从某种能量发生器与接受器进行能量传递过程中实现敏感检测感检测.例如例如:超声波发生器和接受器超声波发生器和接受器.(4)(4)按传感器的能量传递方式分类按传感器的能量传递方式分类:(5)(5)按输出信号分类：按输出信号分类：模拟式模拟式输出为模拟量；输出为模拟量；数字式数字式输出为数字量。输出为数字量。概概述述第3页/共58页3.传感器的性能要求足够的容量匹配性好，转换灵敏度高精度适当，稳定性高反应速度快，工作可靠性高适应性和适用性强概概述述第4页/共58页4.常见的被测物理量机械量:长度,厚度,位移,速度,加速度,旋转角,转数,质量,重量,力,压力,真空度,力矩,风速,流速,流量;声:声压,噪声.磁:磁通,磁场.温度:温度,热量,比热.光：亮度，色彩概概述述第5页/共58页电阻式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:F热敏式热敏式F电阻应变式电阻应变式F变阻器式变阻器式F光敏式光敏式F湿敏式湿敏式3.2 电阻式传感器 3常常用用传传感感器器第6页/共58页 电阻应变式传感器-应变效应电电阻阻式式传传感感器器导体或半导体在外力作用下产生机械变形而引起导体或半导体的电阻值发生变化的物理现象称为应变效应。传感元件：电阻应变片，它是一种把被测试件的应变量转换成电阻变化量的传感元件。应变片受力 应变 比例关系 比例关系 应变片电阻的变化 第7页/共58页1)工作原理工作原理式中，导线的电阻率，又称为电阻系数 金属导线的应变电阻效应：当金属丝由于受到轴向力P而伸长时，长度增长，截面积减小，其电阻值就增大；反之，如细丝因受压力而缩短，即长度变短，截面积变粗时，则电阻就减小。电电阻阻式式传传感感器器第8页/共58页S由两部分组成：前一部分(1+2)是由金属导线的几何尺寸变化引起的；后一部分E除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。：泊松系数，E:弹性模量，:纵向应变，:压阻系数 推导电电阻阻式式传传感感器器第9页/共58页应变片受力后，电阻的变化dR 则两边同除以R，同时R=L/A，则dL/L=金属导线长度的相对变化，称纵向应变。d/导线电阻率的相对变化。dA/A导线截面积的相对变化，称为称横向应变。电电阻阻式式传传感感器器第10页/共58页对于圆形截面积的导线，若其直径为D，则 横向应变dD/D和纵向应变dL/L之比称为泊桑比，即 故 电电阻阻式式传传感感器器第11页/共58页E为导线材料的弹性模量，为压阻系数，与材料有关。则 已知当导体材料确定后，、E均为常数，则(1+2+E)为常数。灵敏度为：应变片电阻的相对变化率dR/R与应变之间是线形关系电电阻阻式式传传感感器器第12页/共58页S由两部分组成：前一部分(1+2)单由金属导线的几何尺寸变化引起的；后一部分E是电阻率随应变而引起变化的部分，它除与金属导线几何尺寸有关外，还与金属本身的特性有关。电电阻阻式式传传感感器器第13页/共58页(1)(1)金属应变片（金属应变片（不变）不变）金属应变计金属应变计(2)(2)半导体应变片（半导体应变片（变化）变化）半导体应变计半导体应变计电电阻阻式式传传感感器器第14页/共58页2)应变计分类应变计分类金属应变计有:1、丝式 2、箔式 3、薄膜式优点:稳定性和温度特性好.缺点:灵敏度系数小.应变计电电阻阻式式传传感感器器a)金属应变计金属应变计按敏感栅材料分第15页/共58页b)半导体应变半导体应变计计优点：应变灵敏度大;体积小;能制成具有一定应变电阻的元件.缺点：温度稳定性和可重复性不如金属应变片。应变计体型薄膜型扩散型 电电阻阻式式传传感感器器第16页/共58页按基底材料和安装方法分 纸基应变片纸基应变片.胶膜应变片胶膜应变片.浸胶基应变片浸胶基应变片.金属基应变片金属基应变片.临时基应变片临时基应变片.应变片所用的基底材料不同,也会使应变片具有明显不同的性能特点,可分为:应变片按安装方法不同可分为:,粘贴式应变片.焊接式应变片.喷涂式应变片.按敏感栅的结构形状分单轴应变片单轴应变片 应变花应变花.电电阻阻式式传传感感器器第17页/共58页 每种应变片只能在一定的工作温度范围内使用,按其温度范围可分为:常温应变片 其工作温度由-30至+60 中温应变片 其最高温度在+60+350 高温应变片 最高工作温度+350 低温应变片 最低工作温度-30按应变片的工作温度分电电阻阻式式传传感感器器第18页/共58页3)应变片的主要参数应变片的主要参数 1）几何参数：表距L和丝栅宽度b，制造厂常用bL 表示。2）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。4）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）。电电阻阻式式传传感感器器第19页/共58页a)温度误差 当应变片粘贴在无外力,无任何约束的试件上时,在温度变化的情况下,应变片的电阻也会发生变化,这种现象称为应变片的温度效应.b)测量动态信号的误差 应变片粘贴在被测构件上测得的应变往往认为是应变片中点的应变,但在测量一动态情况下的试件应变,而在应变片基长内的应变分布不是相同值.在同一瞬间应变片在基长上不同点所得应变是不同的值.4)电阻应变片的误差及其补偿电阻应变片的误差及其补偿电电阻阻式式传传感感器器第20页/共58页案例：案例：5)应用应用电电阻阻式式传传感感器器第21页/共58页案例：案例：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。德国HBM电阻应变式传感器 电电阻阻式式传传感感器器第22页/共58页3.3 电容式传感器 1 变换原理变换原理 将被测量的变化转化为电容量变化。两平行极板组成的电容器两平行极板组成的电容器,它的电容量为它的电容量为:+A 当被测量、A或发生变化时，都会引起电容的变化。如果保持其中的两个参数不变，而仅改变另一个参数，就可把该参数的变化变换为单一电容量的变化。3常常用用传传感感器器第23页/共58页2 分类分类 a)a)极距变化型极距变化型;+c)c)介质变化型介质变化型电电容容式式传传感感器器 b)b)面积变化型面积变化型:平面线位移型平面线位移型,角位移型角位移型,柱面线位移型柱面线位移型.第24页/共58页3 灵敏度灵敏度 a)a)极距变化型极距变化型;传感器的灵敏度近似为：变极距电容传感器 平板电容器 电电容容式式传传感感器器 第25页/共58页传感器灵敏度b)b)面积变化型面积变化型a)平面线位移型 平面线位移型c)角位移型 传感器灵敏度 角位移型电电容容式式传传感感器器 第26页/共58页c)c)介质变化型介质变化型介质常数变化型电容式传感器大多用于测量电介质的厚度大多用于测量电介质的厚度(图图a)a)、位移、位移(图图b)b)、液位、液位(图图c)c)根据极板介质的介电常数随根据极板介质的介电常数随温度、湿度、容量改变而改变温度、湿度、容量改变而改变来测量温度、湿度、容量来测量温度、湿度、容量(图图d)d)等等 。电电容容式式传传感感器器 第27页/共58页4 应用应用1.震动，偏心，裂纹，振荡，同心度2.位移，移动，位置，膨胀3.挠度，变形，波动，倾斜4.尺寸，公差，分选，零件识别5.冲击，应变，轴向振动6.轴承振动，油膜间隙，磨擦，偏心电电容容式式传传感感器器 第28页/共58页3.4 电感式传感器 电感式传感器是基于电磁感应原理，它是把被测量转化为电感量的一种装置。分类:电感式传感器自感型可变磁阻型涡流式互感型 3常常用用传传感感器器第29页/共58页1 可变磁阻式可变磁阻式原理:电磁感应电电感感式式传传感感器器 W:线圈匝数；L1:软铁长度；1：软铁磁导率；0：空气磁导率A1：铁芯导磁截面A0：空气导磁截面可变磁阻式传感器基本原理 1线圈 2.铁芯 3.衔铁 第30页/共58页a)变间隙型变间隙型可变磁阻式传感器基本原理 1线圈 2.铁芯 3.衔铁 当0、A0固定不变，改变时，L与呈非线形（双曲线）关系，L与的双曲线关系 传感器灵敏度 电电感感式式传传感感器器第31页/共58页b)变面积型变面积型可变磁阻式传感器基本原理 1线圈 2.铁芯 3.衔铁 当0、固定不变，改变A0时，L与A0呈线形关系，传感器灵敏度 L与A0的线形关系电电感感式式传传感感器器=常数第32页/共58页c）螺线管型）螺线管型当其它参数不变，仅改变L1，使Rm变化，从而产生电感的变化。螺线管型电电感感式式传传感感器器第33页/共58页d)差动型差动型变间隙型差动变压器 输出特性传感器灵敏度 电电感感式式传传感感器器第34页/共58页2 涡流式涡流式高频反射式涡流传感器 当金属板置于变化磁场中或者在磁场中运动时，在金属板中产生感应电流，这种电流在金属体内是闭合的，称为涡流。低频投射式涡流传感器 涡流的大小与金属板的电阻率、磁导率、厚度t，以及金属板与线圈距离、激励电流、角频率等参数有关。涡流式电感传感器可分为 1）高频反射式 2）低频投射式 电电感感式式传传感感器器第35页/共58页原线圈的等效阻抗Z变化：a)高频反射式：（集肤效应）高频反射式涡流传感器 电电感感式式传传感感器器第36页/共58页b)低频透射式：（互感原理）低频透射式涡流传感器 e2随材料厚度增加变化的规律 电电感感式式传传感感器器第37页/共58页案例：案例：连续油管的椭圆度测量Coiled TubeEddy Sensor Reference Circle原理：电电感感式式传传感感器器第38页/共58页案例：案例：无损探伤原理裂纹检测，缺陷造成涡流变化。火车轮检测油管检测电电感感式式传传感感器器第39页/共58页案例：案例：测厚案例：案例：零件计数电电感感式式传传感感器器第40页/共58页案例案例电电感感式式传传感感器器第41页/共58页3 变压器式变压器式-差动变压器差动变压器工作原理:互感现象.电电感感式式传传感感器器第42页/共58页应用:厚度,角度,表面粗糙度;拉伸,压缩,垂直度;压力,流量,液位;张力,重力,负荷量;扭矩,应力,动力;气压,温度;振动,速度,加速度;等.案例：案例：板的厚度测量 案例：案例：张力测量电电感感式式传传感感器器第43页/共58页3.5 磁电式传感器 1 变换原理变换原理 磁电式传感器是把被测量的磁电式传感器是把被测量的物理量物理量转换为转换为感应电动感应电动势势的一种转换器。的一种转换器。感应线圈的感应电动势感应线圈的感应电动势U U为为 磁通变化率与磁场强度、磁阻、线圈运动速度有关，改变其中一个因素，都会改变线圈的感应电动势。3常常用用传传感感器器第44页/共58页2 分类分类 磁电式动圈式磁阻式线速度型角速度型N磁磁电电式式传传感感器器第45页/共58页3 动圈式传感器动圈式传感器 l:每匝线圈的平均长度；B:线圈所在磁场的磁感应强度；A:每匝线圈的截面积；:线圈运动方向与磁场方向的夹角；k:传感器的结构系数。磁磁电电式式传传感感器器第46页/共58页4 磁阻式传感器磁阻式传感器 磁磁电电式式传传感感器器第47页/共58页3.6压电式传感器 1 变换原理变换原理 某些物质，如石英，当受到外力作用时，不仅几何尺寸会发生变化，而且内部被极化，表面会产生电荷；当外力去掉时，又重新回到原来的状态，这种现象称为压电效应。3常常用用传传感感器器第48页/共58页压电效应q=DF压压电电式式传传感感器器第49页/共58页压电式传感器输出电荷压电式传感器输出电荷q很少，内阻很少，内阻Ra很大，输出信号很弱小，很大，输出信号很弱小，因此要进行处理：因此要进行处理：(1)放大放大微弱的压电信号微弱的压电信号(2)进行进行阻抗匹配阻抗匹配 电压放大器电压放大器 电荷放大器电荷放大器 压压电电式式传传感感器器2 测量电路测量电路 第50页/共58页电压放大器电压放大器放大器的输入电压：放大器的输入电压：系统的输出电压为：系统的输出电压为：系统的灵敏度为：系统的灵敏度为：当电缆长度变化时，Cc变化，ei变化，系统的灵敏度发生变化，此时测试比较困难 压压电电式式传传感感器器第51页/共58页电荷放大电荷放大器器 当略去传感器的漏电阻Ra时 qtei(Ca+Cc+Ci)当略去电荷放大器的输入电阻Ri的影响时qf(ei-ey)Cf 则整个电路中的电荷为：qqt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf 式中，ei为放大器的输入端电压；ey为放大器输出端电压；Cf为电荷放大器的反馈电容。压压电电式式传传感感器器第52页/共58页ey=-Kei 其中，K为放大器的开环放大倍数 qqt+qf=ei(Ca+Cc+Ci)+(ei-ey)Cf=eiC+(ei-ey)Cf 所以 开环增益K足够大系统的灵敏度为：在一定条件下，电荷放大器的输出电压与传感器的电荷量成正比，而与电缆的分布电容无关；系统输出灵敏度取决于反馈电容，所以可以通过调节反馈电容 压压电电式式传传感感器器ei=(q+eyCf)/(C+Cf)第53页/共58页3.7传感器选用原则 选择传感器主要考虑灵敏度、线性范围、响应特性、稳定性、精确度、测量方式等六个方面的问题。1、灵敏度 一般说来，传感器灵敏度越高越好，但在确定灵敏度时，要考虑以下几个问题。a)灵敏度过高引起的干扰问题；b)量程范围。3常常用用传传感感器器第54页/共58页3 响应特性 传感器的响应特性是指在所测频率范围内，保持不失真的测量条件。实际上传感器的响应总不可避免地有一定延迟，但总希望延迟的时间越短越好。2 线性范围 任何传感器都有一定的线性工作范围。在线性范围内输出与输入成比例关系，线性范围愈宽，则表明传感器的工作量程愈大。传感器工作在线性区域内，是保证测量精度的基本条件。传传感感器器选选用用原原则则 第55页/共58页4 稳定性 稳定性是表示传感器经过长期使用以后，其输出特性不发生变化的性能。影响传感器稳定性的因素是时间与环境。5 精确度 传感器的精确度是表示传感器的输出与被测量的对应程度。6 测量方式 传感器工作方式，也是选择传感器时应考虑的重要因素。例如，接触与非接触测量、破坏与非破坏性测量、在线与非在线测量等。传传感感器器选选用用原原则则 第56页/共58页小结:3常常用用传传感感器器第57页/共58页谢谢您的观看！第58页/共58页