工程测试技术—第2章压力传感器1-6节.教学文案.ppt

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1、工程测试技术第2章压力传感器1-6节.第一节第一节 机械式传感器机械式传感器 机械式传感器通常以机械式传感器通常以弹性体弹性体作为传感器的作为传感器的敏感元件敏感元件。机械式机械式传感器传感器力力压力压力温度温度弹性变形弹性变形 一、环形测力计一、环形测力计 环形测力计一般用来环形测力计一般用来测力测力或或称重称重。应用时，用。应用时，用百分表百分表测量环测量环形测力计受力后的弹性变形量，形测力计受力后的弹性变形量，换算成换算成环形测力计的受力值。环形测力计的受力值。环形测力计携带方便，环形测力计携带方便，不需要电源不需要电源，经常用于现场的称重传，经常用于现场的称重传感器或力传感器的校准（通

2、常用千斤顶作为力源）。感器或力传感器的校准（通常用千斤顶作为力源）。环形测力计的测力精度一般为环形测力计的测力精度一般为 0.3%。二、波登管式温度计二、波登管式温度计 波登管式温度计测温的原理波登管式温度计测温的原理是：封闭在感温筒内的酒精的体是：封闭在感温筒内的酒精的体积随温度变化，造成积随温度变化，造成波登管的弹波登管的弹性变形性变形，带动指针转动，指示温带动指针转动，指示温度的数值。度的数值。工程中应用的许多温度表就工程中应用的许多温度表就是这种温度计。是这种温度计。这种温度计的特点：这种温度计的特点：结构简单、价格便宜，不需要电源；结构简单、价格便宜，不需要电源；读数不精确，惯性大，

3、响应慢，只适于读数不精确，惯性大，响应慢，只适于 静态测量。静态测量。三、波纹膜片式压力计三、波纹膜片式压力计 波纹膜片式压力计用于波纹膜片式压力计用于流体流体的压力的压力计量。在计量时，流体的计量。在计量时，流体的压力作用在膜片上，造成膜片的压力作用在膜片上，造成膜片的弹性变形弹性变形，带动指针转动带动指针转动，指示，指示压力的数值。压力的数值。工程中应用的许多压力表就工程中应用的许多压力表就是这种压力计。是这种压力计。这种压力计的特点：这种压力计的特点：结构简单、价格便宜，不需要电源；结构简单、价格便宜，不需要电源；读数不精确，惯性大，响应慢，只适于读数不精确，惯性大，响应慢，只适于 静态

4、测量。静态测量。第二节第二节 电阻式传感器电阻式传感器 电阻式传感器是一种把被测量转化为电阻式传感器是一种把被测量转化为电阻阻值变化电阻阻值变化的传感器。的传感器。电阻式电阻式传感器传感器位移位移转角转角应变应变阻值变化阻值变化 电阻式传感器按照工作原理可分为电阻式传感器按照工作原理可分为变阻器式变阻器式和和电阻应变式电阻应变式两两类类。一、变阻器式传感器一、变阻器式传感器 变阻器式传感器也称为变阻器式传感器也称为电位差式电位差式传感器，它通过改变传感器，它通过改变电位器电位器触头的位置触头的位置，把位移或转角的变化转换为电阻的变化。，把位移或转角的变化转换为电阻的变化。左图为测量左图为测量直

5、线位移直线位移的变阻器式传感器。的变阻器式传感器。中间图为测量中间图为测量角位移角位移的变阻器式传感器。的变阻器式传感器。右图为测量右图为测量直线位移直线位移的的非线性输出非线性输出变阻器式传感器。变阻器式传感器。这种传感器价格便宜，但长期使用会因这种传感器价格便宜，但长期使用会因磨损磨损影响性能，并且影响性能，并且其分辨力不高（一般很难优于其分辨力不高（一般很难优于20 m）。）。二、电阻应变式传感器二、电阻应变式传感器 电阻应变式传感器可用于测量电阻应变式传感器可用于测量力、扭矩、位移、加速度力、扭矩、位移、加速度等。等。电阻应变式传感器的测量方法是：电阻应变式传感器的测量方法是：把电阻应

6、变片把电阻应变片粘贴在弹性体上粘贴在弹性体上，通过测量弹性体上（贴片部，通过测量弹性体上（贴片部位）的位）的应变应变造成的电阻应变片的造成的电阻应变片的阻值变化阻值变化，间接测量间接测量力、扭矩、力、扭矩、位移、加速度等。位移、加速度等。（重要概念）（重要概念）第三节第三节 电感式传感器电感式传感器 电感式传感器是一种把被测量（电感式传感器是一种把被测量（位移位移）变换为）变换为电感量电感量变化的变化的传感器，其变换基于传感器，其变换基于电磁感应电磁感应原理。按照变换方式的不同，可分原理。按照变换方式的不同，可分为自感型和互感型。为自感型和互感型。一、自感型涡电流（电涡流）式传感器一、自感型涡

7、电流（电涡流）式传感器 电涡流式传感器的变换原电涡流式传感器的变换原理是利用金属体在交变磁场中理是利用金属体在交变磁场中的的涡电流效应。涡电流效应。由于涡流磁场的作用，使原线圈的由于涡流磁场的作用，使原线圈的等效阻抗等效阻抗Z（等效电感等效电感 L等）等）都发生变化，其变化程度与距离都发生变化，其变化程度与距离 有关有关。电涡流电涡流传感器传感器距离距离 电感电感 L 电涡流传感器的检测电路有多种形式，其中电涡流传感器的检测电路有多种形式，其中调频电路调频电路的工作的工作原理比较简单。原理比较简单。电涡流传感器可用于电涡流传感器可用于动态非接触测量动态非接触测量。其结构简单，能防水。其结构简单

8、，能防水和油污，主要性能指标如下：和油污，主要性能指标如下：测量间隙的范围测量间隙的范围：0（110）mm 最高分辨力最高分辨力：1 m电涡流传感器的电涡流传感器的主要用途：主要用途：（重要概念）（重要概念）在被测金属材质不变的条件下，在被测金属材质不变的条件下，用于测量与金属之间的间用于测量与金属之间的间隙，可测量隙，可测量位移位移、振动振动。（这种用途最广！）（这种用途最广！）在间隙不变的条件下，在间隙不变的条件下，用于测量金属的用于测量金属的电阻率电阻率 和和磁导率磁导率 的变化，可以作为的变化，可以作为材质鉴别材质鉴别和和无损探伤无损探伤。电涡流电涡流传感器传感器电涡流传感器的典型应用

9、电涡流传感器的典型应用回转轴的径向摆动和振动测量回转轴的径向摆动和振动测量钢板厚度测量钢板厚度测量 二、互感型差动变压器式传感器二、互感型差动变压器式传感器 这这种种传传感感器器是是利利用用电电磁磁感感应应中中的的互互感感现现象象（即即变变压压器器的的原原理理），把被测量（，把被测量（位移位移）变换成）变换成感应电势感应电势的变化。的变化。由由于于在在应应用用中中常常常常采采用用两两个个次次级级线线圈圈组组成成差差动动式式传传感感器器，故故一般又被称为一般又被称为差动变压器式传感器差动变压器式传感器。差动变压器式传感器的主要性能为：差动变压器式传感器的主要性能为：测量范围：测量范围：0100

10、mm 测量精度：测量精度：0.1 m 有些轧钢机的有些轧钢机的辊缝仪辊缝仪采用这种传感器进行压下螺丝行程测量。采用这种传感器进行压下螺丝行程测量。通常，传感器采用通常，传感器采用差动差动结构形式的目的：结构形式的目的：（重要概念）（重要概念）（1）提高传感器的）提高传感器的灵敏度灵敏度；（2）增大传感器输出的）增大传感器输出的线性段范围线性段范围。可以可以应用差动变压器的原理，应用差动变压器的原理，通过测量弹性体的通过测量弹性体的微小变形微小变形，测，测量量作用力作用力 F。这种传感器的这种传感器的主要缺点是有主要缺点是有残余电压。残余电压。第四节第四节 压电式传感器压电式传感器 压电式传感器

11、的原理是利用某些物质的压电式传感器的原理是利用某些物质的压电效应压电效应检测作用力。检测作用力。一、压电效应一、压电效应压电压电材料材料外力外力表面出现电荷表面出现电荷 当当外外力力消消失失后后，材材料料恢恢复复到到原原来来的的状状态态（电电荷荷消消失失）。在在外外力力保保持持不不变变时时，电电荷荷会会泄泄漏漏。因因此此，压压电电式式传传感感器器不不适适合合测测量量静静力。力。（重要概念）（重要概念）二、压电材料二、压电材料 常用的压电材料分为三类：常用的压电材料分为三类：压电单晶、压电陶瓷、有机压电薄膜压电单晶、压电陶瓷、有机压电薄膜 目前使用最多的是压电陶瓷（目前使用最多的是压电陶瓷（PZ

12、T 锆钛酸铅）。锆钛酸铅）。三、压电式传感器的应用三、压电式传感器的应用膜片膜片压电压电材料材料质量块质量块壳体壳体压力传感器压力传感器 加速度传感器加速度传感器压电效应是可逆的：压电效应是可逆的：压电晶片可以做压电晶片可以做驱动器驱动器。对压电晶片施加。对压电晶片施加交变电压交变电压，可作为，可作为振动源振动源，做超声波发生器。，做超声波发生器。四、测量电路四、测量电路 压电式传感器输出信号是很微弱的电荷，而且本身压电式传感器输出信号是很微弱的电荷，而且本身内阻很大，内阻很大，输出能量很小输出能量很小，给后接电路带来困难。，给后接电路带来困难。压电式传感器在应用时，一般需要将其输出信号先输入

13、到一压电式传感器在应用时，一般需要将其输出信号先输入到一个个高阻抗的前置放大器高阻抗的前置放大器。前置放大器主要有两个作用：前置放大器主要有两个作用：（1）将传感器的）将传感器的高阻抗高阻抗输出变换为输出变换为低阻抗低阻抗输出；输出；（2）放大放大传感器输出的微弱信号。传感器输出的微弱信号。前置放大器分为两种：前置放大器分为两种：（1）用电阻反馈的）用电阻反馈的电压放大器电压放大器（工作不稳定，价格便宜）（工作不稳定，价格便宜）（2）带电容反馈的）带电容反馈的电荷放大器电荷放大器（工作稳定，价格高，（工作稳定，价格高，常用常用）电荷放大器的工作原理：电荷放大器的工作原理：在忽略漏电阻的条件下在

14、忽略漏电阻的条件下电荷放大器的工作原理：电荷放大器的工作原理：式中式中 ui放大器输入端电压；放大器输入端电压；uy传感器输出端电压传感器输出端电压在忽略漏电阻的条件下在忽略漏电阻的条件下（A为电荷放大器的为电荷放大器的开环增益开环增益。）。）Cf电荷放大器的电荷放大器的反馈电容反馈电容。如果放大器的开环增益足够大，则如果放大器的开环增益足够大，则上式可简化为上式可简化为第五节第五节 光敏传感器光敏传感器 光敏传感器是将光敏传感器是将光量光量转换成转换成电量电量的器件，其工作原理是利用的器件，其工作原理是利用半导体材料的光电效应。半导体材料的光电效应。光光 敏敏传感器传感器光光电量电量 光敏传

15、感器主要有光敏传感器主要有光敏电阻光敏电阻、光电池光电池和和光敏晶体管光敏晶体管等。等。一、光敏电阻一、光敏电阻 光敏电阻是一种光电元件，其工作原理是基于半导体材料的光敏电阻是一种光电元件，其工作原理是基于半导体材料的内光电效应内光电效应，即当半导体受到光照射时，其电阻值减小的现象。，即当半导体受到光照射时，其电阻值减小的现象。A 一般的光敏电阻在一般的光敏电阻在无光照射无光照射时，其时，其阻值很大阻值很大；受到；受到光照光照时，时，阻值下降阻值下降，其阻值下降的幅度取决于光照的亮度。，其阻值下降的幅度取决于光照的亮度。L R I 不同的半导体材料的不同的半导体材料的光谱特性光谱特性不同，应根

16、据入射光波的不同，应根据入射光波的波长波长选择材料。选择材料。对对可见光可见光：硫化镉（硫化镉（CdS）、硒化镉（）、硒化镉（CdSe）对对紫外线域紫外线域：氧化锌（：氧化锌（ZnO）、硫化锌（）、硫化锌（ZnS）对对红外线域红外线域：硫化铅（：硫化铅（PbS）、硒化铅（）、硒化铅（PbSe）二、光电池二、光电池 半导体能够将半导体能够将光能光能直接转换为直接转换为电能电能。当光电池受到光照时，。当光电池受到光照时，可直接输出电势。可直接输出电势。光电池光电池实质上是一个实质上是一个电源电源。常用的光电池有硒、硅、碲化镉、硫化镉等光电池。其中应常用的光电池有硒、硅、碲化镉、硫化镉等光电池。其中

17、应用最广的是用最广的是硅光电池硅光电池。三、光敏二极管和光敏三极管三、光敏二极管和光敏三极管 光敏二极管是一种有一个光敏二极管是一种有一个PN结、并具有结、并具有光电光电转换功能的晶体转换功能的晶体二极管。二极管。光光敏敏二二极极管管的的PN结结位位于于管管的的顶顶部部，以以便便接接受受光光照照。在在没没有有光光照照时时，光光敏敏二二极极管管处处于于截截止止状状态态，反反向向电电阻阻很很大大，反反向向电电流流很很小小。当当受受到到光光照照时时，PN结结附附近近受受光光电电子子冲冲击击，使使得得通通过过PN结结的的反反向向电电流大大增加，流大大增加，形成光电流形成光电流。光电流随入射光光电流随入

18、射光照度照度的变化而变动，光敏二极管就实现了把的变化而变动，光敏二极管就实现了把光信号光信号转换成转换成电信号电信号的功能。的功能。如果把普通晶体管的如果把普通晶体管的基极集电极基极集电极制成制成光敏二极管光敏二极管，则该晶，则该晶体管就成为体管就成为光敏三极管光敏三极管。在光敏三极管内，光敏二极管的在光敏三极管内，光敏二极管的光电流光电流成为成为基极电流基极电流，在三，在三极管内放大，形成集电极电流。极管内放大，形成集电极电流。由于光敏三极管的基极电流由其基极集电极结的光电流供由于光敏三极管的基极电流由其基极集电极结的光电流供给，因而许多光敏三极管给，因而许多光敏三极管不再设基极引线不再设基

19、极引线。与光电池、光敏二极管相比，光敏三极管与光电池、光敏二极管相比，光敏三极管输出信号大输出信号大，产生，产生光电流部分与放大部分集中在一起，具有较好的光电流部分与放大部分集中在一起，具有较好的抗噪声抗噪声等优点；等优点；但其但其响应速度稍低响应速度稍低。四、光敏传感器的应用四、光敏传感器的应用 1.零件表面缺陷的检测零件表面缺陷的检测 如果零件表面有缺陷（非如果零件表面有缺陷（非圆、粗糙、波纹、裂纹等，会圆、粗糙、波纹、裂纹等，会引起光束的偏转或散射，这些引起光束的偏转或散射，这些光被硅光电池接收，即可转换光被硅光电池接收，即可转换成电信号输出。成电信号输出。2.光电转速计光电转速计 在电

20、动机的旋转轴上涂上在电动机的旋转轴上涂上黑白黑白两种颜色。当电动机转动时，两种颜色。当电动机转动时，光电元件收到强弱光电元件收到强弱交变交变的反射信号，转换成电信号。再经过放大的反射信号，转换成电信号。再经过放大整形电路，输出整齐的方波信号，由数字频率计测出电动机的转整形电路，输出整齐的方波信号，由数字频率计测出电动机的转速。速。3.混浊度检测混浊度检测 把被测物放在光学通路中，光源的部分光通量由被测物吸收，把被测物放在光学通路中，光源的部分光通量由被测物吸收，剩余的光通量投射到光电元件上。剩余的光通量投射到光电元件上。因被吸收的光通量与被测物的因被吸收的光通量与被测物的透明度透明度有关，故光

21、电元件收到有关，故光电元件收到的光通量也与被测物的透明度有关。所以，通过这种方式可以测的光通量也与被测物的透明度有关。所以，通过这种方式可以测量物体的量物体的混浊度混浊度。4.表面粗糙度检测表面粗糙度检测 当光源发出的光投射到被测物上时，被测物把当光源发出的光投射到被测物上时，被测物把部分光通量部分光通量反反射到光电元件上。射到光电元件上。反射的光通量取决于反射表面的反射的光通量取决于反射表面的性质、状态性质、状态和与光源之间的和与光源之间的距离。利用这个原理可以制成距离。利用这个原理可以制成表面粗糙度测试仪表面粗糙度测试仪。5.物体位移量检测物体位移量检测 当光源发出的光通量被不透光的被测物

22、当光源发出的光通量被不透光的被测物遮挡遮挡了一部分时，使了一部分时，使投射到光电元件上的光通量投射到光电元件上的光通量减弱减弱。光通量光通量减弱的程度减弱的程度与被测物在光学通路中的与被测物在光学通路中的位置位置有关，由光有关，由光通量减弱的程度可以准确判断被测物在光学通路中的位置。因此，通量减弱的程度可以准确判断被测物在光学通路中的位置。因此，利用这个原理可以制成利用这个原理可以制成位移计位移计。6.温度检测温度检测 当被测物是当被测物是光辐射源光辐射源时，时，被测物发出的光被测物发出的光可以投射到光电元可以投射到光电元件上。件上。辐射体的温度不同则其发出的光辐射体的温度不同则其发出的光波长

23、波长和和颜色颜色就不同。利用这就不同。利用这个原理可以制成个原理可以制成光电比色光电比色高温计和高温计和红外红外测温仪。测温仪。红外测温仪红外测温仪使用红外测温仪注意目标的使用红外测温仪注意目标的尺寸尺寸（距离系数距离系数L/d）！）！7.光电编码器光电编码器 光电编码器一般用于轴的光电编码器一般用于轴的角位移角位移的测量。的测量。转轴转轴光光 电电编码器编码器脉冲脉冲（增量式光电编码器）（增量式光电编码器）编码编码（绝对式光电编码器）（绝对式光电编码器）（1）增量式光电编码器）增量式光电编码器 增量式光电编码器把转增量式光电编码器把转轴的轴的角位移角位移（转角）变为（转角）变为脉脉冲冲信号输

24、出，其输出为信号输出，其输出为“脉脉冲冲/转转”，最高精度的增量，最高精度的增量式光电编码器可达到式光电编码器可达到5000脉脉冲冲/转（有些资料上介绍，转（有些资料上介绍，最高可达到最高可达到900000脉冲脉冲/转转)。注意注意：正、反转正、反转！零位零位！（2）绝对式光电编码器）绝对式光电编码器 绝对式光电编码器把转轴的绝对式光电编码器把转轴的角位移角位移（转角）变为（转角）变为二进制编码二进制编码输出，最高精度的绝对式光电编码器可输出输出，最高精度的绝对式光电编码器可输出13位位二进制编码（二进制编码（0360 转角对应转角对应08192的编码）。的编码）。增量式光电编码器的主要缺点是

25、可能出现增量式光电编码器的主要缺点是可能出现累计误差累计误差；并且易；并且易受受电磁干扰电磁干扰。绝对式光电编码器的主要缺点是检测绝对式光电编码器的主要缺点是检测超过超过360 后难于直接累计。后难于直接累计。问题：问题：检测检测超过超过360 后能否累计？后能否累计？第六节第六节 其它常用传感器其它常用传感器 一、固态图像传感器一、固态图像传感器 固态图像传感器的功能是把传感器固态图像传感器的功能是把传感器受光面受光面的的光像光像分解成许多分解成许多像元像元，并将它们转换为电信号，然后顺序地输送出去。，并将它们转换为电信号，然后顺序地输送出去。大部分固态图像传感器的核心部分是大部分固态图像传

26、感器的核心部分是 CCD（Charge Couple Device，电荷耦合器），其原理如下图所示。电荷耦合器），其原理如下图所示。CCD作为作为读出移位寄存器读出移位寄存器，顺序地将电信号在输出端顺序地将电信号在输出端串行输出串行输出。根据光敏二极管的排列方式，根据光敏二极管的排列方式，CCD可分为：可分为：线阵线阵 CCD 和和面面阵阵CCD。目前，在应用中：目前，在应用中：线阵线阵 CCD 已能达到已能达到 4096 像素；像素；面阵面阵 CCD 已能达到已能达到 1.9 G 像素。像素。由于光敏二极管排列整齐、尺寸和位置精确，每个光敏二极由于光敏二极管排列整齐、尺寸和位置精确，每个光敏

27、二极管的光电荷量不仅含有管的光电荷量不仅含有光照度光照度的信息，而且还含有的信息，而且还含有位置位置信息。信息。固态图像传感器具有小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定固态图像传感器具有小型、轻便、响应快、灵敏度高、稳定性好和寿命高等优点，并且以光为媒介进行性好和寿命高等优点，并且以光为媒介进行非接触测量非接触测量，可以达，可以达到危险地点，因而得到广泛应用。其主要用途为：到危险地点，因而得到广泛应用。其主要用途为：（1）物位、尺寸、形状、表面质量、表面温度等；物位、尺寸、形状、表面质量、表面温度等；（2）作为）作为光学信息处理的输入环节光学信息处理的输入环节，例如电视摄像、传真、扫，例如电视摄像

28、、传真、扫描仪、数字化的复印机等。描仪、数字化的复印机等。棒材直径在线检测棒材直径在线检测连铸坯断面尺寸在线检测连铸坯断面尺寸在线检测钢板表面缺陷检测钢板表面缺陷检测 1.半导体热电阻半导体热电阻 半导体热电阻是由金属氧化物（半导体热电阻是由金属氧化物（NiO、MnO2、CuO、TiO2等）的粉末按一定的比等）的粉末按一定的比例例混合烧结而成的半导体混合烧结而成的半导体。热敏电阻具有热敏电阻具有负的电阻温度系数负的电阻温度系数，其阻，其阻值随温度上升而下降。值随温度上升而下降。热敏电阻主要有以下优点：热敏电阻主要有以下优点：（1）直径可小到）直径可小到 0.2 mm，热惯性小，热惯性小，响应速

29、度快；响应速度快；（2）阻值可在）阻值可在 3700 k 之间选择，之间选择，适于远距离测量；适于远距离测量；（3）在）在50350C 范围内有较好的稳范围内有较好的稳定度。定度。二、热电阻式温度传感器二、热电阻式温度传感器外壳外壳半导体半导体热电阻热电阻导线导线 半导体热电阻半导体热电阻的主要缺点：的主要缺点：（1）随温度变化，其阻值非线性变化；）随温度变化，其阻值非线性变化；（2）对环境温度敏感，测量时易受干扰。）对环境温度敏感，测量时易受干扰。2.铂热电阻铂热电阻 铂热电阻用高纯铂丝制作，一般适用于铂热电阻用高纯铂丝制作，一般适用于0650的温度测量。的温度测量。典型的铂热电阻典型的铂热

30、电阻PT100：t0时，时，R100 t100时，时，R138.5 3.热电阻的测量电路热电阻的测量电路 热电阻温度传感器的测量电路一热电阻温度传感器的测量电路一般采用般采用平衡电桥平衡电桥方式。方式。三、超声波物位传感器三、超声波物位传感器 超声波物位传感器是利用超声波在气体、液体或固体介质中超声波物位传感器是利用超声波在气体、液体或固体介质中传播的传播的回声测距回声测距的原理检测物位。的原理检测物位。超声波物位传感器一般由超声波物位传感器一般由超声波发生器超声波发生器、接收装置接收装置和和计时器计时器组成。组成。超声波发生器是通过对压电晶片施加超声波发生器是通过对压电晶片施加交变电压交变电

31、压，产生超声波。，产生超声波。测量时，检测测量时，检测从超声波发生器发出超声波到接收装置收到回声从超声波发生器发出超声波到接收装置收到回声的时间的时间，根据介质的情况，推算出被测物的距离。，根据介质的情况，推算出被测物的距离。超声波物位传感器使用时应注意：超声波物位传感器使用时应注意：（1）在近距离有）在近距离有盲区盲区，测远距，测远距离需较大的发射能量；离需较大的发射能量；盲区盲区 （2）超声波发射时有）超声波发射时有发射角发射角（大（大约约 6），远距离测量时声波反射面），远距离测量时声波反射面积较大，测得的距离可能是反射面积较大，测得的距离可能是反射面积中最近点。积中最近点。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